DE1057137B

DE1057137B - Schaufelspaltdichtung bei Kreiselradmaschinen mit deckband- oder deckenscheibenlosenLaufraedern

Info

Publication number: DE1057137B
Application number: DEM36920A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gustav Ziegler
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1958-03-07
Filing date: 1958-03-07
Publication date: 1959-05-14

Description

In den Strömungskanälen von Kreiselradmaschinen, deren Laufräder hauptsächlich bei großer Schnellläufigkeit aus Gründen der Festigkeit ohne Deckbänder oder Deckscheiben ausgeführt werden, entstehen erhebliche Verluste dadurch, daß ein Teil des Strömungsmittels durch den unvermeidlichen Spalt zwischen dem Laufschaufelkopf und der ruhenden Kanalwand entweicht und sich so der Arbeitsleistung oder Verdichtung entzieht. Dieser Verlust wird aber in mindestens ebendem Maße erhöht durch eine von diesem Vorgang ausgelöste Sekundärerscheinung, in deren Verfolg Wirbel auftreten, die weiter radial einwärts bis in die gesunde Strömung vordringen und dadurch auch hier den hydraulischen Wirkungsgrad verschlechtern. Besonders bei Gasturbinen machen die Spaltverluste einen beträchtlichen Teil der gesamten Strömungsverluste aus, da hier aus Sicherheitsgründen wegen stark unterschiedlicher Wärmedehnungen während der Anfahr- und Abstellperiode relativ große Spalte angeordnet werden müssen.

Bekanntlich erfolgt die Zuströmung zu den Laufschaufeln einer Kreiselradmaschine mit einem Drall von der Größe ^c₁-COSa₁ (r=Radius von der Rotorachse, C₁=Absolutgeschwindigkeit vor dem Laufschaufelkanal, O₁ = Winkel zwischen Umfangsrichtung und Richtung der Absolutgeschwindigkeit). In Fig. 1 der Zeichnung ist beispielsweise das Laufschaufelgitter einer Turbine gezeigt mit den Geschwindigkeitsdreiecken vor und hinter dem Gitter. Index 1 bezeichnet die Einströmseite, Index 2 die Ausströmseite. Mit der Umfangsgeschwindigkeit u und der Absolutgeschwindigkeit C₁ bzw. C₂ ergibt sich die Relativgeschwindigkeit W₁ bzw. W₂, welche mit der Umfangsgeschwindigkeit die Winkel ß_v ß₂ einschließt. Innerhalb der Laufschaufelkanäle wird die Strömung also von C₁ auf C₂ umgelenkt und gibt dabei Energie an die Laufschaufeln ab. Im Spalt zwischen den Laufschaufelköpfen und der Kanalwand erfährt die Strömung diese Umlenkung nicht, sie wird unter anderem durch die Wandreibung beeinflußt und nimmt etwa den Verlauf der in Fig. 1 mit C_x bezeichneten Geschwindigkeitsvektoren ein. Aus der Abbildung ist zu ersehen, daß die Unterschiede bezüglich Richtung und Größe zwischen den absoluten Geschwindigkeiten der Spaltströmung und der unmittelbar darunterliegenden, von den Laufschaufeln umgelenkten Strömung immer stärker werden, je mehr sich die Strömung der Austrittsseite des Laufradkanals nähert. Diese Unterschiede führen offensichtlich zu Wirbelschichten, welche den hydraulischen Wirkungsgrad im wandnahen Bereich so stark mindern. Gelingt es, das Durchsatzvolumen im Bereich des Spaltes, also die Axialkomponente der Spaltströmung, zu reduzieren, Schaufelspaltdichtung

bei Kreiselradmaschinell

mit deckband- oder deckenscheibenlosen

Laufrädern

Anmelder:

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg A. G._r Augsburg 2, Stadtbachstr. 7

Dipl.-Ing. Gustav Ziegler, Augsburg,
ist als Erfinder genannt worden

dann muß auch eine Verringerung ihres Einflusses die Folge sein.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Schaufelspaltdichtung bei Kreiselradmaschinen mit axialer oder radialer Durchströmrichtung, deren Laufschaufeln nicht von einem an ihnen befestigten Deckband oder einer an ihnen befestigten Deckscheibe abgedeckt sind. Die zuvor geschilderte Verminderung des Durchsatzes im Bereich des Spaltes zwischen den Schaufelspitzen und der feststehenden Kanalwand wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die ruhende Kanalwand innerhalb des Bereiches einer jeden Laufschaufel treppenförmig abgestuft ist und daß die Laufschaufelköpfe unter Einhaltung des erforderlichen Radial- und Axialspieles dieser Kontur angepaßt sind.

Einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 2 den Laufradkanal einer Axialturbine mit konvergierender ruhender Kanalwand im Axialschnitt,

Fig. 3 die Schaufelung nach Fig. 2 in der Abwicklung im Grundriß,

Fig. 4 und 5 Laufradkanäle mit divergierender ruhender Kanalwand und

Fig. 6 den Laufradkanal einer Radialturbine im Meridianschnitt.

In Fig. 2 und 3 sind mit 1 die Laufschaufeln beispielsweise einer axial beaufschlagten Gasturbine bezeichnet, die von der ruhenden Kanalwand 2 abgedeckt sind. Die Innenfläche 3 dieser Wand ist treppenförmig abgestuft, und zwar in der Durchströmrichtung konvergierend. Dieser Kontur ist der Schaufel-

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kopf 4 unter Einhaltung des erforderlichen Radialspiels s_r und des Axialspiels s_a angepaßt.

Die Spaltströmung wird infolge der treppenförmigen Absätze der Kanalwand 2 mehr oder weniger in Umfangsrichtung, etwa wie mit den Pfeilen 5 in Fig. 3 angedeutet, angelenkt, und dadurch wird ihre Axialkomponente stark vermindert. Der auf diese Weise stark reduzierte Durchsatz durch den Spalt hat auch eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades im Spalteinflußgebiet innerhalb der Schaufelung zur Folge; denn die Störung der Strömung im Einflußgebiet des Spaltes ist abhängig vom Energietransport durch den Spalt, also vom sekundlichen Spaltdurchsaiz. Die Folge davon, ist eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades oder eine durch Vergrößerung des Radialspiels mögliche Steigerung der Betriebssicherheit der Turbine.

In Fig. 4 und 5 sind die Laufschaufeln mit 11 bzw. 11 α und die Kanalwände mit 12 bzw. 12 α bezeichnet. Um bei einer Anordnung gemäß Fig. 4 die Ablenkung in Umfangsrichtung zu verstärken, kann jeder Schaufelkopf 14 gegebenenfalls mit einer die Schaufeldicke überkragenden Kopfplatte versehen sein, deren äußere Fläche treppenförmig profiliert ist.

Fig. 6 zeigt den Meridianschnitt durch eine Radialturbine mit der Radscheibe 20., den Schaufeln 21 und der festen Kanalwand 22, deren innere, gekrümmte

Oberfläche 23 ebenfalls mit einer treppenförmigen Abstufung versehen ist. Dieser Kontur ist die freie Schaufelkante 24 der Laufschaufeln 21 angepaßt.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaufelspaltdichtung bei Kreiselradmaschinen mit deckband- oder deckscheibenlosen Laufrädern, dadurch gekennzeichnet, daß die ruhende Kanalwand (2) innerhalb des Bereiches einer jeden Laufschaufel (1) treppenförmig abgestuft ist und daß die Laufschaufelköpfe (4) unter Einhaltung des erforderlichen Radial- und Axialspiels dieser Kontur angepaßt sind.

2. Schaufelspaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ruhende Kanalwand (3) innerhalb des Laufschaufelbereiches in Strömungsrichtung konvergiert (Fig. 2).

3. Schaufelspaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ruhende Kanahvand (12, 12 a) innerhalb des Laufschaufelbereiches in Strömungsrichtung divergiert (Fig. 4, 5).

4. Schaufelspaltdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Laufschaufel mit einer kleinen Kopfplatte versehen ist.

5. Schaufelspaltdichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einer Radialturbine (Fig. 6).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen