Laufrad für Turbomaschinen, speziell Axialkompressoren Bei den Strömungsmaschinen wird danach ge strebt, jedem Teilchen des Arbeitsmediums den glei chen Energiezuwachs zu erteilen. Bei Axialkompres- soren mit kleinem Nabenverhältnis DNabe/Da"ssen stösst dies auf Schwierigkeiten, da die Umfangsgeschwindig keit des Laufrades an der Nabe wesentlich kleiner ist als an der Schaufelspitze. Neben der Umfangs geschwindigkeit ist die dem Medium erteilte Energie noch von der Strömungsumlenkung abhängig.
Um an der Nabe wirklich genügend Energie erteilen zu können, wird es deshalb notwendig sein, die Strö mung hier stärker umzulenken als an der Spitze. Diese Strömungsumlenkung wird hauptsächlich durch die Profilwölbung des Schaufelgitters erzielt, wobei normalerweise der Wölbung durch Formgebung der Profilskelettlinie als Kreisbogen oder als andere stetig gekrümmte Kurve Rechnung getragen wird. Für kon stante Energiezuteilung längs dem Radius ist es not wendig, diese Wölbung von der Nabe zur Spitze zu abnehmen zu lassen.
Infolge der radialen Zunahme der Umfangsge schwindigkeit wird im allgemeinen auch der Winkel zwischen Profilsehne und Umfangsrichtung nach aussen zu abnehmen, was eine Verwindung der Schau feln bedeutet.
Solche Beschaufelungen weisen, wenn Schaufel partien zur radialen Richtung schief stehen, am Schaufelfuss aus den Zentrifugalkräften resultierende zusätzliche Biegespannungen auf.
Bei grossen Umfangsgeschwindigkeiten z. B. über etwa 350 m pro sec wird es äusserst schwierig, diese Kräfte zu beherrschen.
Das erfindungsgemässe Laufrad ist dadurch ge kennzeichnet, dass dieses Schaufeln aufweist, deren Skelettflächen sich aus mindestens zwei verschiedenen Flächen zusammensetzen, wobei mindestens eine Fläche mindestens annähernd als Schraubenregel fläche mit der Laufradachse als Achse ausgebildet ist, wobei die Schraubenregelfläche Erzeugende be sitzt, die diese Achse senkrecht schneiden.
Eine derartige Fläche wird durch Drehung und gleichzeitige Verschiebung einer Geraden um und längs einer Achse erzeugt, wobei die Gerade die Achse schneidet und auf dieser rechtwinklig steht. Das Verhältnis von Drehwinkel und Verschiebungs weg ist dabei konstant.
Die Skelettlinie eines Profils ist der Ort aller Mittelpunkte von Kreisen, für welche die Profil umrisse Umhüllende bilden. Als Skelettfläche wird die durch die Skelettlinien einer Schaufel gebildete Fläche definiert.
Das erfindungsgemässe Laufrad wird anschliessend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbei spielen erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Laufrad in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 eine Abwicklung von Schaufelschnitten längs eines zur Drehachse koaxialen Zylinders, Fig.3-6 weitere Abwicklungen von Schaufel schnitten anderer Laufradausführungen, Fig. 7 einen Querschnitt durch das Rad gemäss Fig. 1, Fig. 8 eine weitere schematische Darstellung einer Gitterabwicklung, Fig. 9 eine schematische Schaufeldarstellung mit abgeschrägter Austrittskante,
Fig. 10 eine weitere Ausführungsform eines Schaufelgitters.
Das Laufrad gemäss' Fig. 1 besitzt einen Naben körper 1, dessen Durchmesser DNave beträgt, sowie Schaufeln 2, wobei der auf einem Nabendurchmesser gemessene Abstand zweier Schaufelenden Da"ssen beträgt. Der Nabenkörper 1 setzt sich aus kegelstumpf- förmigen Teilen zusammen. Er kann aber auch zylin drisch sein, oder einen zylindrischen mit anschliessend kegelförmigem Teil aufweisen.
Die in Fig. 1 dargestellte vorzugsweise Ausfüh rungsform des Nabenkörpers setzt sich aus drei in Flussrichtung des Mediums im Durchmesser zu nehmenden Kegelstümpfen zusammen.
Der Nabenkörper 1 braucht bezüglich seiner Drehachse nicht rotationssymmetrisch zu sein, son dern kann gemäss dem Schweiz. Patent Nr. 329147 ausgebildet sein.
Aus Fig.2 ist die Form der Skelettlinie 3 der Schaufeln 2 (Fig. 1) ersichtlich. Der zuerst ange strömte Teil der Schaufel weist eine Skelettlinie 4 und der anschliessende Teil eine Skelettlinie 5 auf. Die beiden gehen im Punkte 6 in einem Knick inein ander über, da die Skelettfläche zur Linie 4 minde stens annähernd eine Schraubenregelfläche darstellt, deren Erzeugende die Drehachse schneidet und mit ihr einen rechten Winkel einschliesst.
Derartige Schraubenregelflächen werden in Fachkreisen als flachgängig geschlossen bezeichnet (Darst. Geom. Grossmann 1927, S. 208, 209), während die zur Linie 5 gehörende Skelettfläche einer analogen Schrauben regelfläche grösserer Steigung angehört. Die eine oder andere der beiden Skelettflächen, vorzugsweise nicht diejenige des erstangeströmten Schaufelteils, kann auch eine andere Fläche sein. Vorzugsweise wird aber auch eine aus mehreren Teilen zusammengesetzte Schaufel so ausgebildet, dass die einzelnen Skelett züge 7-9 (Fig.3) solchen Schraubenregelflächen verschiedener Steigung angehören.
Auf diese Art ist z. B. die Skelettlinie 10 der Fig. 4 entstanden. Der Teil 11 gehört ein und dersel ben Schraubenregelfläche an, während der Teil 12 sich aus mehreren Schraubenregelflächen zunehmen der Steigung zusammensetzt, wobei die Unstetigkeits- stellen bei stetig ändernder Steigung verschwinden.
Wo endliche Sprünge der Steigung vorhanden sind, können diese derart geglättet werden, dass stetige Schaufelkonturen entstehen (Fig. 6).
Die Schaufeln können an der Übergangsstelle von einer Skelettfläche in die nächste materiell getrennt sein (Fig. 5), ohne däss dadurch der festigkeitstech nische Vorteil der vorliegenden Konstruktion aufge hoben wird. Auch strömungstechnisch braucht diese Ausführung denjenigen gemäss den Fig. 2, 3, 4 und 6 nicht nachzustehen.
Der in Fig. 7 dargestellte Schnitt zeigt die Erzeu genden 13, 14 der Skelettflächen, welche auf der Achse 15 senkrecht stehen, so dass die Massenkräfte der Schaufeln auf die Schaufelfüsse 16, 17 praktisch keine zusätzlichen Biegemomente ausüben.
Fig. 8 zeigt Skelettlinien eines Schaufelgitters eines Läufers. Es ist aus strömungstechnischen Grün den vorteilhaft, das Gitter so zu gestalten, dass die Skelettlinie 18 des zuerst angeströmten Teiles 19 einer Schaufel von der durch den Eintrittspunkt 21 eines Nachbarschaufelprofiles gelegten Geraden 22 normal zu seiner Skelettlinie geschnitten wird. Der Schnitt punkt ist mit 23 bezeichnet.
Um die Energiezufuhr über die ganze Schaufel höhe möglichst gleichmässig zu gestalten, wird die Schaufeltiefe längs der Schaufel 24 nach aussen ver ringert, so dass die Schaufelaustrittskante 25 nicht mehr in einer Normalebene zur Rotationsachse liegt und insbesondere keine Erzeugende einer Schrauben regelfläche darstellt, welche die Drehachse senkrecht schneidet (Fig. 9). Anstelle dieses Zurückschneidens der Schaufelaustrittskante (Fig. 9) kann auch die Ein trittskante zurückgeschnitten werden.
Fabrikatorisch einfach gestalten sich z. B. die jenigen Schaufeln, die eine aus zwei derartigen Schraubenregelflächen zusammengesetzte Skelett fläche aufweisen, welche durch Drehbearbeitung her gestellt sind. Die materiellen Schaufelbegrenzungs- flächen sind dann praktisch ebenfalls Schraubenregel flächen, deren Steigung und Erzeugende entsprechend dem gewünschten Dickenverlauf in der Richtung der Profiltiefe, wie auch in radialer Richtung gewählt werden.
Bei Nabenkörpern, bei welchen die Nabenkontur unstetig verläuft und sich beispielsweise aus einem zylindrischen und anschliessendem kegelförmigen Teil zusammensetzt, braucht der übergang von einer Skelettfläche in die andere nicht an der L7bergangs- stelle von einem Nabenteil zum andern zu liegen.
Es ist ferner möglich, zu einer sich aus zwei Flächen zusammensetzenden Skelettfläche die Schau felkonturflächen auf einer Seite so zu wählen, dass auf der andern eine einzige Schraubenregelfläche entsteht, deren Erzeugende auf der Drehachse senkrecht steht und sie schneidet. Diese Ausführung weist Schaufel schnitte gemäss Fig. 10 auf.
Die Schaufelfläche 26 ist eine einzige derartige Schraubenregelfläche, während die Skelettfläche 27 sich aus zwei solchen Schraubenregelflächen verschie dener Steigungen zusammensetzt.
Profilzüge mit Knicken haben sich für relative Eintrittsgeschwindigkeiten im Überschallgebiet als günstig erwiesen.
Impeller for turbo machines, especially axial compressors In turbo machines, the aim is to give every particle of the working medium the same increase in energy. With axial compressors with a small hub / hub ratio, this runs into difficulties, since the peripheral speed of the impeller at the hub is significantly lower than at the blade tip. In addition to the peripheral speed, the energy given to the medium is also dependent on the flow deflection.
In order to really be able to give enough energy to the hub, it will therefore be necessary to deflect the flow more strongly here than at the tip. This flow deflection is mainly achieved by the curvature of the profile of the vane grille, the curvature normally being taken into account by shaping the profile skeleton line as a circular arc or as another continuously curved curve. For constant energy allocation along the radius, it is necessary to have this curvature decrease from the hub to the tip.
As a result of the radial increase in the speed circumferentially, the angle between the chord and the circumferential direction will generally decrease outwards, which means a twisting of the blades.
If the blade parts are at an angle to the radial direction, such blades have additional bending stresses resulting from the centrifugal forces at the blade root.
At high peripheral speeds z. B. over about 350 m per sec, it is extremely difficult to control these forces.
The impeller according to the invention is characterized in that it has blades, the skeleton surfaces of which are composed of at least two different surfaces, at least one surface being at least approximately designed as a screw control surface with the impeller axis as the axis, the screw control surface generating which this axis sits cut vertically.
Such a surface is generated by rotating and simultaneously shifting a straight line around and along an axis, the straight line intersecting the axis and standing on it at right angles. The ratio of the angle of rotation and the displacement path is constant.
The skeleton line of a profile is the location of all centers of circles for which the profile outlines form envelopes. The area formed by the skeleton lines of a blade is defined as the skeleton area.
The impeller according to the invention will then be explained with reference to the Ausführungsbei shown in the figures.
1 shows a perspective view of an impeller, FIG. 2 shows a development of blade sections along a cylinder coaxial with the axis of rotation, FIGS. 3-6 shows further developments of blades in other impeller designs, FIG. 7 shows a cross section through the wheel according to FIG. 1, FIG. 8 a further schematic illustration of a grid development, FIG. 9 a schematic illustration of the blade with a beveled outlet edge,
10 shows a further embodiment of a blade grille.
The impeller according to FIG. 1 has a hub body 1, the diameter of which is DNave, and blades 2, the distance between two blade ends measured on a hub diameter being Da "ssen. The hub body 1 is composed of truncated cone-shaped parts but also be cylin drical, or have a cylindrical with a subsequently conical part.
The preferred embodiment of the hub body shown in Fig. 1 is composed of three truncated cones to be taken in diameter in the direction of flow of the medium.
The hub body 1 does not need to be rotationally symmetrical with respect to its axis of rotation, but can according to Switzerland. U.S. Patent No. 329147.
The shape of the skeleton line 3 of the blades 2 (FIG. 1) can be seen from FIG. The part of the blade that flows first has a skeleton line 4 and the subsequent part has a skeleton line 5. The two go at point 6 in a bend inein other, since the skeleton surface to line 4 at least approximately represents a screw rule surface, the generatrix of which intersects the axis of rotation and includes a right angle with it.
Such screw control surfaces are referred to in specialist circles as flat-running closed (Darst. Geom. Grossmann 1927, pp. 208, 209), while the skeleton surface belonging to line 5 belongs to an analog screw control surface with a greater gradient. One or the other of the two skeletal surfaces, preferably not that of the blade part that is flowed first, can also be a different surface. Preferably, however, a blade composed of several parts is also designed in such a way that the individual skeletal trains 7-9 (FIG. 3) belong to such screw regular surfaces of different inclinations.
In this way z. B. the skeleton line 10 of FIG. 4 was created. The part 11 belongs to one and the same screw control surface, while the part 12 is composed of several screw control surfaces increasing in slope, the points of discontinuity disappearing as the slope changes continuously.
Where there are finite jumps in the gradient, these can be smoothed in such a way that constant blade contours arise (FIG. 6).
The blades can be materially separated at the transition point from one skeletal surface to the next (FIG. 5), without thereby negating the strength-related advantage of the present construction. In terms of flow, this embodiment does not need to be inferior to those according to FIGS. 2, 3, 4 and 6.
The section shown in Fig. 7 shows the Erzeu lowing 13, 14 of the skeletal surfaces, which are perpendicular to the axis 15, so that the inertial forces of the blades on the blade roots 16, 17 exert practically no additional bending moments.
8 shows skeleton lines of a blade grille of a rotor. For fluidic reasons, it is advantageous to design the grid in such a way that the camber line 18 of the part 19 of a blade against which the flow occurs first is intersected by the straight line 22 laid through the entry point 21 of an adjacent blade profile normal to its camber line. The intersection is indicated by 23.
In order to make the energy supply as even as possible over the entire blade height, the blade depth is reduced outwards along the blade 24, so that the blade trailing edge 25 is no longer in a normal plane to the axis of rotation and in particular does not represent a generator of a screw control surface, which is the axis of rotation cuts perpendicularly (Fig. 9). Instead of this cutting back of the blade trailing edge (FIG. 9), the leading edge can also be cut back.
In terms of manufacturing, z. B. those blades that have a composite of two such screw control surfaces skeleton surface, which are made by turning ago. The material blade boundary surfaces are then practically also screw regular surfaces, the slope and generatrix of which are selected according to the desired thickness profile in the direction of the profile depth as well as in the radial direction.
In the case of hub bodies in which the hub contour is discontinuous and is composed, for example, of a cylindrical and adjoining conical part, the transition from one skeletal surface to the other does not have to be at the transition point from one hub part to the other.
It is also possible for a skeleton surface composed of two surfaces to select the blade contour surfaces on one side so that a single screw control surface is created on the other, the generatrix of which is perpendicular to the axis of rotation and intersects it. This embodiment has blade sections according to FIG.
The blade surface 26 is a single such screw control surface, while the skeleton surface 27 is composed of two such screw control surfaces of different slopes.
Profile trains with kinks have proven to be favorable for relative entry speeds in the supersonic region.