Turbomaschine Vorliegende Erfindung betrifft. eine Turbo- masehine, bei der die La.ufradströmungs- kanäle durch Trennwände, die Laufradfläche, welche die Trennwände trägt, und die Deck fläche begrenzt. sind. Beispiele solcher Ma schinen sind Pumpen, Kompressoren und Ge bläse.
Die vorliegende Erfindung schafft. bei Kompressoren eine Erhöhung der Stufenlei stung der Laufräder und vermeidet die Nach teile der Beschaufelungen mit Strömungs- ablenkung.
Die erfindungsgemässe. Turbomasehine ist dadurch gekennzeichnet, dass von der Lauf- In welche die Trennwände trägt, und der Deckfläehe mindestens eine in mindestens einem Schnitt senkrecht zur Drehachse längs der Schnittkurve ungleiche Abstände von dieser Achse aufweist.
Die Trennwände zwischen den Strömungs kanälen können durch Umlenkschaufeln ge bildet werden, womit sich der Geschwindig keitsänderung noch eine Umlenkung über lagert.
In Kompressoren kann die Anströmung des Laufrades mit. Überschallgeschwindigkeit erfolgen, wobei durch d'as Auftreten von Ver dichtungsstössen in den Strömungskanälen starke Druckanstiege erreicht werden können.
Die Strömungskanalbegrenzungsfläehen können kühlbar sein, wodurch extreme ther mische Belastungen tragbar werden. Für die Verwendung in Verdichtern kön nen Mittel zur Grenzschichtabsaugung vorge sehen werden, was grössere Druckverhältnisse und bessere Wirkungsgrade ermöglicht.
Anderseits können auch durch Einblasen eines Mediums in den :Strömungskanal Ab lösungen verhindert oder gewünschte Quer schnittsveränderungen bewirkt werden (Spalt- flügelprinzip), Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 ein Teilstück eines Strömungskanäle aufweisenden Läufers in axonometrischer Dar stellung, Fig.2 einen Schnitt durch einen Läufer senkrecht zur Drehachse gemäss der Linie A-A in Fig. 1, Fig. 3 Meridianschnitte durch den Läufer, Kurve D gemäss der Linie B-B und Kurve E gemäss der Linie C-C (Fig.2),
Fig.4 und 5 ein Ausführungsbeispiel der Laufradausbildung an einer Stufe eines Axialkompressors, Fig.6 einen Radialkompressor, Fig. 6a ein Detail im Schnitt gemäss Linie A-A der Fig.6. Fig. 6b einen Ausschnitt aus dem Radial- kompressor gemäss Linie B-B der Fig. 6a,
Fig.7 eine Radialturbine, Fig. 7a ein Detail im Schnitt gemäss Linie A-A der Fig. 7, Fig.8 eine schematische Darstellung eins Laufradkanals, Fig. 8a eine schematische Darstellung der auf die Strömungskanalwände wirkenden Kräfte, Fig. 9 bis 12 typische Formgebungen von Läuferflächen, welche die Trennwände tra gen, und mutrotierenden oder feststehenden Deckflächen,
Fig. 13 eine weitere Formgebung von Strö mungskanälen, Fig.14 Draufsicht auf Strömungskanäle eines Ausführungsbeispiels eines Läufers. Fig. 1 zeigt einen Läufer 1 einer Turbo maschine. Er weist Strömungskanäle 2 auf, die von den Trennwänden 3 mit den Trenn flächen 3' und 3", einer Läuferfläche 4, welche die Trennwände 3 trägt und einer Deckfläche gebildet wird (nicht dargestellt). Die Deckfläche kann durch das Gehäuse der Turbomaschine oder eine spezielle, an den Trennwänden befestigte Fläche gebildet wer den.
Vertikalebenen zu der Drehachse 5 des Läufers schneiden zum Beispiel die Laufrad fläche in Schnittkurven 6, die bezüglich der Drehachse 5 nicht rotationssymmetrisch sind, mit Ausnahme der Läufer-Ein- und -Aus trittspartien 7 und 8, sondern umgleiche Ab stände von der Rotationsachse haben. Die durch Meridianschnitte entstehenden Kurven D und E der Laufradfläche 4 können belie bige -Formen aufweisen. Gewöhnlich finden, je nach Verwendungszweck, Ausführungen Anwendung, wie sie in den Fig. 9 bis 13 dar gestellt sind.
Ein nach vorliegender Erfindung ausge führter, einstufiger Axialkompressor kann folgenden Aufbau und Funktionsweise zeigen (F'ig. 4 und '5) Fig.4 zeigt Gehäuse, Laufrad und Stator. Ein zii verdichtendes Medium tritt von links an den Streben 11, die ein vorderes Rotor lager 12 halten, vorbei, in die Maschine ein.
Es wird von einem Laufrad 13 erfasst, das durch die Trennwände 1.1 in einzelne Strö mungskanäle aufgeteilt. wird, welche innen durch Laufradflächen 15 und' aussen durch Deckflächen, zum Beispiel in Form eines CTe- hä.uses 24 oder eines Deckbandes (nicht dar gestellt) begrenzt. sind. Da, der Querschnitt rechts vom Laufrad 13 grösser ist als links davon, wird das Medium in diesem verzögert.
Diese Verzögerung führt, nach der Formel von Bernoulli, -a einem Druckanstieg. Der Kanal wirkt als umlaufender Diffusor. Das verdichtete Medium tritt. anschliessend in einen Stator 1'6, in dem der Querschnitt noch mehr erweitert wird, um anschliessend in einem festen Diffusor 17 die Geschwindigkeit weiterhin zu verringern und in Druck um zusetzen.
Im festen Diffusor 17 sind 'Streben 18 angeordnet; sie tragen einen äussern Teil 19 einer Laby rinthdiehtung 20 des Rotors, die zur Verminderung des Axialsehubes einen möglichst grossen Durchmesser hat. Durch eine Wand 21 halten die Streben 18 das hin tere R.otorlager; ein Bund 22 auf einer Rotor welle 23 nimmt den Axialsehub, der durch die Querschnittsdifferenz zwischen Ein- und Aus tritt des Laufrades 13 entsteht, auf. Durch die Welle 2:3 wird mechanische Energie zuge führt.
Rotor, Stator 16 und Diffusor 17 wer den vom Gehäuse 2:4 umschlossen. Der Sta- tor 16, welcher bei Verwendung nur eines einzigen Laufrades 13 nicht unbedingt. er forderlich wäre, wird dargestellt, um An haltspunkte für eine mehrstufige Ausfüh rung zu geben.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt gemäss Linie A-A in Fig.4. Die nicht. sichtbaren Durch dringungskurven der Flächen 15 mit den Trennwänden 14 sind punktiert gezeichnet. Der Rotor dreht im @Gegenuhrzeigersinn.
Die in Fig. 4 und 5 dargestellte Maschine könnte ohne Schwierigkeit auch als Turbine benützt werden. Die Durchströmung müsste dann (in Fig.4) von rechts nach links er folgen. Der Rotor würde in Fig. '5 im Uhr zeigersinn drehen. Es wäre jedoch vorteilhaft, an Stelle der diffusorartigen Strömungskanäle kürzere, düsenförmige zu verwenden, wie solche in Fig. 13 im Prinzip dargestellt sind.
Die Maschine nach Fig. 4 und 5 kann auch als Überschallkompressor verwendet werden. Die Durehströmungsverhältnisse sind die glei chen, wie sie beschrieben werden. An Stelle einer stetigen Geschwindigkeitsabnahme im Diffusor tritt ein Verdichtungsstoss auf, der mit einem sprunghaften Anstieg des Druckes, der Dichte und der Temperatur verbunden ist.
Fig. 6 zeigt ein R.adialgebläse, das Spiral- gehäuse im Schnitt, das Laufrad in der An sicht. In Fig.ssb ist ein Teil des Laufrads im Schnitt dargestellt. Das zu fördernde Me dium tritt durch ein nicht dargestelltes Zu führungsrohr in einen Eintrittsraum 31, der eine Nabe 3.2 umgibt und strömt von hier aus in die Kanäle 33, die durch Trennwände 31 und Laufradflächen 35 gebildet werden. Die Fig. 6U zeigt einen Schnitt durch eine solche Zelle.
Der Querschnitt der Strömungskanäle 33 nimmt in Strömungsrichtung zu. Das Me dium wird unter Druckanstieg verzögert. Nach Austritt aus dem Laufrad 36 wird es im als Spirale ausgebildeten Gehäuse 37 noch weiter verzögert. Da die Kanäle infolge der Ausbil dung der Trennwände 34 sich erweitern, also Diffusoren bilden, überlagert sich dem Druck anstieg, bedingt durch die Form der Lauf radfläche 35, ein weiterer Druckanstieg. Die gleiche :Maschine könnte auch zur Förderung von Flüssigkeiten verwendet werden.
Fig.7 zeigt eine Turbine. Das Gehäuse ist. im -Schnitt, der Rotor in Ansicht. gezeich net. Das Antriebsmedium tritt. durch einen Ringraum 41 eines Gehäuses 42 mit. Leitschau- feln 43. Die Leitschaufeln erzeugen einen Drall im Medium, so dass der Eintritt in den Rotor 44 unter dem Austrittswinkel der Leit- schaufeln erfolgt..
Die Rotorkanäle werden durch die Laufradflä.chen 45, die Trennwände 46 und die Deckfläche 42 gebildet.. Die kurze düsenförmige Laufradfläche 45 ist. in Fig.7a dargestellt, die den Querschnitt eines Strö mungskanals zeigt. Zusätzlich zu den Trenn wänden 46 sind noch kurze Schaufeln 47 ausserhalb der Laufradkanäle angeordnet. Das Medium wird infolge der Form der Laufrad fläche 45 stark beschleunigt und tritt in einen Ringraum 48 in der Nähe einer Nabe 4'9, um nach vorn axial abzuströmen.
Das Laufrad dreht. im Uhrzeigersinn, An Hand der F'ig. & , die einen Strömungs kanal schematisch in Perspektive zeigt, soll erläutert werden, wie an der Fläche 55 der Energieumsatz vor sich geht. Der Kanal wird aus den Trennwänden 51 und 52, den Lauf- radfläehen 53, 54 und 515 und den nicht dar gestellten als Deckflächen wirkenden Stator- teilen gebildet. Die Flächen 53, '54 und 55 könnten auch Deckflächen des 'Stators dar stellen, in welchem Falle die Laiifradflächen nicht dargestellt wären.
Da es sich um die Kanäle eines Kompressors handeln soll, das heisst eine Leistungsabgabe des mechanischen Systems an das Arbeitsmedium erfolgt, so strömt dieses von links nach rechts, das heisst vom kleineren in den grösseren Querschnitt.
Im Bereich der Fläche 53 erfolgt keine Änderung des Strömungszustandes.
Tritt nun die :Strömung in den Bereich der geneigten Fläche 55, die schräg zu den Stirnflächen der Zelle steht, so erfolgt infolge der Zunahme des Kanalquerschnittes eine Ge schwindigkeitsabnahme, daher ein Druckan stieg, indem kinetische Energie in poten tielle übergeht. Am Ende der Fläche 55 hat das Medium den höchsten Druck erreicht. Dieser Druck wirkt auf einen Abschnitt der punktiert dargestellten Fläche 51 und auf einen bedeutend kleineren Abschnitt der Fläche 52. In Fig. 8a sind die auf die Trenn flächen 5'1 und 52 sowie auf die Flächen 53, 54 und 55 wirkenden Kräfte dargestellt.
Die Resultierende der Drücke auf der Fläche 51 ist nach Grösse und Richtung durch einen Pfeil 61, diejenige auf der Fläche<B>5</B>2. durch einen entsprechenden Pfeil: 62 dargestellt. Der mittlere Druck auf die Fläche 55 wirkt senk recht zu dieser. Die Resultierende ist nach Grösse und Richtung durch einen Pfeil 65 dargestellt und als 65' in Richtlinie der Ro tationsachse A-A auf den Pfeil 62 projiziert. Die Zusammensetzung der Kräfte gibt eine Resultierende 66, die zur Klarheit nach rechts versetzt gezeichnet wurde, in Richtung der flächenmässig grösseren Trennwand (nicht dargestellt).
Die senkrecht zu einer Axial ebene liegende Komponente ergibt ein Dreh moment, das der Verdichter in Form von Lei- stung aufnimmt. In der Turbine wird die entsprechende Leistung abgegeben.
Bei Überschallströmung liegen die Ver hältnisse grundsätzlich gleich. An Stelle des graduellen Druckanstieges im .Strömungskanal tritt hier der Verdichtungsstoss als momen taner Druckanstieg, längs einer Parallelen zu der Schnittkurve der Flächen 53 und 55. Hin ter dem Verdichtungsstoss liegen die gleichen Asymmetrien der Kräfte vor, die, wie im vor her betrachteten Falle der Unterschallströ- mung, das Drehmoment verursachen.
Fig. 9 bis 13 zeigen Ausführungsbeispiele von Meridianschnittkurven, wie sie schema tisch in Fig.3 dargestellt sind.
Fig.9 zeigt eine Laufradfläche 71, eine Trennwand 72 und eine durch das Gehäuse gebildete feststehende Deckfläche 73.
Fig.10 zeigt den Fall, wo die Deckfläche durch ein mutrotierendes Deckband 74 ge bildet wird. Die Liiuferfläche ist mit 75 be zeichnet.
Fig.11 zeigt ein rotierendes Gehäuse mit einer Laufradfläche <B>78,</B> mit Trennwänden 76 und einer feststehenden Deckfläche 77, welche von der Laufradfläche umfasst wird.
Fig. 12 zeigt einen durch eine Zwischen wand 79 unterteilten Strömungskanal, wie er zum Beispiel bei Doppelflussmaschinen zur Anwendung gelangen kann. Es entstehen da durch zwei in radialer Richtung übereinan- derliegende Kanäle K1 und K2. Dabei bildet die Zwischenwand 79 die rotierende Deck fläche 79' für den innern Kanal K1 und die Laufradfläche 79" für den äussern 'Strömungs kanal K2.
In Fig.13 ist die Kühlungsmöglichkeit von kanalbildenden Flächen gezeigt. Eine Kühlflüssigkeit tritt bei 81 ein und bei 82 aus. Im Gegensatz zu den bei den Umlenk- schaufeln infolge kleiner Dimensionen auf tretenden Schwierigkeiten des Kühlens, kön nen hier sowohl Laufrad- wie Deckflächen mühelos gekühlt werden.
Fig. 14 zeigt eine Abwicklung zweier Ka näle mit Trennwänden 9-1 und 92. Da durch Grenzschichtabsaugung Diffusoren mit, we sentlich grösseren Öffnungswinkeln und Quer- sehnittsverhä.ltnissen gebaut. werden können, dient ein Schlitz 96 der Absaugung der Grenz schicht in der Laufradfläche 95. Er steht mit einer Absaugeeinrichtung in Verbindung (nicht dargestellt). Analoge Schlitze können auch zum Einblasen eines Mediums in die Kanäle dienen.
Die beschriebene Ausbildung der die Lauf radströmungskanäle begrenzenden Flächen ge stattet, energetisch vorteilhaft. asymmetrische Druckverteilungen auf Trennwände zu er zeugen, ohne da.ss die Trennwände daran direkt beteiligt sind, womit der Rotorwelle Energie entnommen oder zugeführt werden kann. An Stelle der Energieumsetzung durch Umlenkung tritt diejenige durch Geschwin digkeitsänderung. Von den mannigfachen Vor teilen dieser Anordnung sei die folgende noch besonders erwähnt. Die Einwirkung der Lauf rad- und Deckflächen auf die Strömung bei Axialkompressoren wirkt vorwiegend in ra dialer Richtung, indem sie die Strömung zum Beispiel beschleunigt oder verzögert.
Das Nabenverhältnis (Rotoraussendurchmesser: Na bendurchmesser) ist. aber bei grösseren Druck verhältnissen sehr klein, was sich auf die konstruktive Durchbildung der Strömungs kanäle günstig auswirkt. Es braucht hierbei keine Aufteilung des Umfangs nach Wir kungstiefen, wie bei den bekannten Schaufel rädern. Die Trennwände können somit wesent lich grössere Abstände haben, was sich be züglich Verluste günstig auswirken dürfte.
Es sei hier noch erwähnt., dass in Anpas sung an die optimalen Verhältnisse, die sich beispielsweise aus der Berücksichtigung der Grenzschichteinflüsse ergeben, Raumflächen mit kurvenförmigen Begrenzungen in Betracht kommen, wie sie zum Beispiel in Fig.1 dar gestellt ist oder wie sie von Schraubenflächen gebildet werden.
Auch können die Trennwände, ohne über mässigen Luftwiderstand oder Sekundärver luste zu verursachen, relativ dick ausgeführt werden, was bei Umlenkschaufeln mit Rück sicht auf die Strömungsverluste nicht möglich ist. Trennwände dieser Art. können, im Ge gensatz zu Umlenkschaufeln, als kräftige Bau- glieder mit. hohen Eigenschwi.ngnngszahlen ausgebildet werden.
Die Trennwände können am Eintritt auch gepfeilt ausgeführt werden. Zugeschärfte Ein trittskanten der Trennwände erweisen sieh für gewisse Strömungsformen als vorteilhaft, wobei diese mit. der Pfeilung der Trennwände kombiniert werden können. Sollen bei gerin geren Druckverhältnissen grosse Mengen ver dichtet werden, so ist es vorteilhaft., die Trenn wände in 'Tragflüge'lprofilform auszubilden, so dass sie an der Energieumsetzung in der Verdichterstufe teilnehmen, 'Solche Trenn wände können jedoch auch dazu dienen, das Druekverliältnis noch weiter zu erhöhen,