DE10227426C1

DE10227426C1 - Schaufelrad für kompakte Strömungsmaschinen

Info

Publication number: DE10227426C1
Application number: DE10227426A
Authority: DE
Inventors: Martin Ziegler
Original assignee: Individual
Current assignee: Ziegler Martin Dr Steinen Ch
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: AU2003250839A1; WO2004001222A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein radial oder diagonal angeströmtes Laufrad für Strömungsmaschinen, die als Kraftmaschine (Turbine) oder Arbeitsmaschine (Pumpe, Verdichter) oder in Kombination eingesetzt werden können (Turbolader, Pumpenturbine). Das Laufrad besitzt saugseitig und druckseitig jeweils einen eigenen Schaufelsatz, der in Anzahl und Geometrie der Schaufeln verschieden ist. Beide Schaufelsätze stehen im Inneren des Laufrades über eine unbeschaufelte Hohlkehle in Verbindung und werden nacheinander durchströmt. Druckkante und Saugkante haben den gleichen Abstand zur Drehachse. Das Laufrad erhält saugseitig einen hohen Gegendrall und wendet die Drallrichtung der Strömung zwischen Saugseite und Druckseite. Damit läßt sich die spezifische Schaufelarbeit des Laufrades erheblich steigern. Strömungsmaschinen können damit kleiner und leichter gebaut werden als bisher.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaufelrad für ein- oder mehrstufige Strömungsmaschinen, die als Kraftmaschinen (Turbine) oder Arbeitsmaschinen (Pumpe, Verdichter) oder in Kombination eingesetzt werden können (Turbolader, Pumpenturbine).

Strömungsmaschinen sind Energiewandler, die den Drehimpuls einer Strömung ändern und damit deren Druck. Turbinen nutzen ein Druckgefälle um der Strömung Nutzarbeit zu entziehen, Pumpen und Verdichter fördern Fluide auf ein höheres Druckniveau. Der Druckunterschied zwischen Zufluß und Abfluß einer Maschine wird mittels einer oder mehrerer Stufen aufgeprägt oder entzogen. Jede Stufe besitzt dabei ein eigenes Laufrad, das radial, axial oder diagonal durchströmt wird. Die spezifische theoretische Schaufelarbeit Y eines solchen Laufrades ermittelt sich nach der bekannten Euler'schen Gleichung für Strömungsmaschinen (Herbert Sigloch, Strömungsmaschinen, Hanser Verlag 1993, Seite 61):

Y = C_2u u₂ - c_1u u₁

Bekannte Maschinen werden mit der Forderung nach Drallfrei heit der Saugseitenströmung entworfen (s. o., Seite 62), wodurch einer der beiden Terme in der Euler'schen Gleichung den Wert NULL annimmt (Pumpen: c_1u = 0; Turbinen: c_2u = 0), und die Stufenarbeit nur durch die Druckseite beeinflußt wird.

Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist, daß die maximale Schaufelarbeit einer Stufe im wesentlichen durch die Umfangsgeschwindigkeit der Druckkante bestimmt wird, welche von der Zugfestigkeit des Laufradwerkstoffes abhängt. Steigt die Belastung des Laufrades infolge von Zentrifugalkräften aus hoher Umfangsgeschwindigkeit über die Festigkeitsgrenze, so ist eine Strömungsmaschine immer mehrstufig auszuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die maximale Stufenarbeit einer einzigen Stufe bei gleicher Drehzahl zu steigern, ohne die Werkstoffbelastung zu erhöhen. Dadurch kann in vielen Fällen auf Mehrstufigkeit verzichtet werden, oder es werden weniger Stufen benötigt als bisher.

Die Erfindung wird in Bezug auf zwei Figuren beschrieben. Fig. 1 zeigt den Strömungsweg durch das Laufrad für den Anwendungsfall einer Turbine. Fig. 2 zeigt das Beispiel einer konstruktiven Ausführung für ein erfindungsgemäßes Laufrad.

Das Prinzip zur Steigerung der Stufenarbeit läßt sich einfach aus der Euler'schen Hauptgleichung ableiten:

1. Die Forderung nach Drallfreiheit der Saugseitenströmung muß ersetzt werden durch eine Forderung nach möglichst hohem GEGENDRALL in der Saugseitenströmung.
2. Die Umfangsgeschwindigkeit der Saugkante muß möglichst GROSS werden.

Wie man leicht erkennen kann, erhält der bisher zu Null gesetzte Term der Euler'schen Hauptgleichung damit einen sehr großen Wert mit entgegengesetztem Vorzeichen zum anderen Term, und die spezifische Stufenarbeit wächst um diesen Betrag.

Beide Forderungen werden erfüllt durch das erfindungsgemäße radial oder diagonal angeströmte Laufrad, in dem die Saugkante und die Druckkante den gleichen Abstand von der Drehachse haben, und die Drallrichtung der Strömung im Laufrad gewendet wird.

Das Prinzip wird anhand Fig. 1 erläutert, in dem der Strömungspfad durch ein einflutiges radiales Laufrad einer Turbine dargestellt ist. Für den Anwendungsfall der Pumpe sind Drehrichtung und Strömungsrichtung umzukehren.

Das Laufrad besteht aus zwei getrennten Schaufelsätzen, einem druckseitigen (1) und einem saugseitigen (2), parallel nebeneinander mit gleichem Außendurchmesser. Beide Schaufelsätze stehen im Inneren des Laufrades über eine unbeschaufelte Hohlkehle in Verbindung, welche das Fluid vom druckseitigen Schaufelsatz in den saugseitigen Schaufelsatz umlenkt.

Druckseitig strömt das Fluid radial oder diagonal zur Drehachse zu, saugseitig ebenso wieder ab.

Radiale Laufräder sind nach EP 0 984 136 A1, DE-PS 148 390, DE PS 174 673 und US-PS 1 076 952 bereits bekannt. EP 0 984 136 A1 beschreibt eine Turbine, deren Laufrad zwei Schaufelsätze besitzt, die zuerst von innen nach außen und dann von außen nach innen durchströmt werden, wobei die Strömung zwischen beiden Schaufelsätzen durch ein feststehendes Leitgitter geführt wird. Das entspricht einer herkömmlichen zweistufigen Turbine, wobei das feststehende Leitgitter zwischen den Stufen zusätzliche Verluste erzeugt. Beschaufelte und unbeschaufelte Hohlkehlen sind aus DE-PS 148 390 und DE-PS 174 673 bekannt. DE-PS 148 390 besitzt schon zwei Schaufelsätze, aber die Hohlkehle ist durch Zwischenstege unterteilt um den Übertritt von Dampf von einer Schaufelkammer in die andere zu verhindern, so daß die Umfangsgeschwindigkeit des Fluides mit der des Rades übereinstimmt. Damit läßt sich der gewünschte Effekt zur Steigerung der Stufenarbeit nicht erzielen. Eine unbeschaufelte Hohlkehle ist in DE-PS 174 673 beschrieben, allerdings fehlt dort der zweite Schaufelsatz im Laufrad, so daß dessen Stufenarbeit ebenfalls nicht gesteigert wird. In US-PS 1 076 952 wird ein Laufrad mit zwei Schaufelsätzen beschrieben, die allerdings parallel durchströmt werden, ein mehrflutiges Laufrad. Damit kann ein höherer Volumenstrom verarbeitet werden, aber die spezifische Stufenarbeit wird nicht gesteigert.

Im Gegensatz zu den bekannten Laufrädern, wird mit dem neuen Laufrad die spezifische Arbeit einer einzigen Stufe gesteigert.

Fig. 1.1 zeigt einen Schnitt durch das Laufrad parallel zur Drehachse. Das Fluid strömt druckseitig (1) in das Laufrad, wird in der Hohlkehle zwischen X1 und X2 gewendet, und strömt saugseitig bei (2) wieder ab.

Fig. 1.2 zeigt einen Schnitt durch das Laufrad senkrecht zur Drehachse mit dem Strömungspfad und den Geschwindigkeits dreiecken der Druckseite (1) und der Saugseite (2). Jeweils eine Schaufel der beiden Schaufelsätze ist dargestellt. Die Geschwindigkeitsdreicke der Strömung zeigen die Vektoren mit Absolutgeschwindigkeit c, Umfangsgeschwindigkeit u, und Relativgeschwindigkeit w. Die druckseitige Schaufel (1) wendet die Drallrichtung der Strömung gegen die Drehrichtung des Laufrades. Bei X1 verläßt die Strömung den druckseitigen Schaufelsatz und folgt in der Hohlkehle einer schraubenförmigen Bahn. Bei X2 fließt sie in den saugseitigen Schaufelsatz (2) und verläßt diesen mit sehr hohem Gegendrall an der Saugkante.

Fig. 1.3 zeigt die Komponenten der druckseitigen Absolutströmung in radialer Richtung und Umfangsrichtung. In dem Beispiel ist die Umfangsgeschwindigkeit der Strömung identisch mit der Umfangsgeschwindigkeit der Druckkante (c_1u = u₁ = u).

Fig. 1.4 zeigt die Komponenten der saugseitigen Absolutströmung. In dem Beispiel ist die Umfangsgeschwindigkeit der Strömung doppelt so hoch wie die des Laufrades, aber entgegengesetzt (C_2u = -2u₂ = -2u).

Aus dem Beispiel läßt sich die Stufenarbeit pro Laufrad bei bisher bekannter saugseitiger Drallfreiheit (Y.ALT) und erfindungsgemäß hohem saugseitigen Gegendrall (Y.NEU) ermitteln:

Y.ALT = 0 - u² = -u²

Y.NEU = -2u² - u² = -3u² = 3 Y.ALT

In diesem Beispiel wächst die Stufenarbeit des Laufrades um Faktor 3, weil Saug- und Druckkante den gleichen Abstand von der Drehachse haben, und das Fluid mit hohem Gegendrall abströmt.

Fig. 2 zeigt als Beispiel die konstruktive Ausführung eines einflutigen radialen Laufrades für eine Turbine.

Fig. 2.1 zeigt das Beispiel in isometrischer Ansicht.

Fig. 2.2 zeigt ein Turbinenlaufrad mit Schnittansichten zur Darstellung der druckseitigen Beschaufelung (A-A), der saugseitigen Beschaufelung (B-B) und der Hohlkehle (C-C). Es ist einleuchtend, daß Geometrie und Anzahl der Schaufeln druckseitig und saugseitig verschieden sein müssen: Druckseitig besitzt das Beispiel 36 kurze und steile Schaufeln, saugseitig sind es nur 12, aber lang gezogene und flache Schaufeln.

Mehrflutige Laufräder entstehen durch Aneinandersetzen spiegelsymmetrischer Räder, wobei der gemeinsame Mittelsteg dann entfallen kann, und die benachbarten Schaufelsätze zweier Räder zu einem gemeinsamen, doppelt so breiten Schaufelsatz vereinigt werden können (ohne gesonderte Darstellung).

Mit dem neuen Schaufelrad können Strömungsmaschinen kleiner und leichter gebaut werden als bisher.

Claims

1. Radial oder diagonal von außen nach innen zur Drehachse angeströmtes Laufrad für Strömungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß Druck- und Saugseite je einen eigenen Schaufelsatz mit verschiedener Geometrie und Schaufelanzahl haben, die über eine unbeschaufelte Hohlkehle in Verbindung stehen und nacheinander durchströmt werden, wobei die Umfangsgeschwindigkeit der Strömung innerhalb der Hohlkehle gegen die Drehrichtung des Laufrades gerichtet ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Strömung saugseitig gegen die Drehrichtung des Laufrades gerichtet ist, und druckseitig die gleiche Drehrichtung wie das Laufrad besitzt.

3. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige druck- oder saugseitige Schaufelsatz des Laufrades den gleichen Abstand zur Drehachse hat.

4. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei spiegelsymmetrische Laufräder zu einem mehrflutigen Laufrad vereinigt werden.

5. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es von Flüssigkeiten oder von Gasen oder von Mehrphasenströmungen durchströmt wird.

6. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einstufigen oder mehrstufigen Strömungsmaschinen, wie Pumpen, Turbinen, Verdichter oder beliebige Kombinationen, einflutig oder mehrflutig verwendet wird.