DE1076444B - Gasturbinenlaufrad - Google Patents
GasturbinenlaufradInfo
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
- F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
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- F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Hydraulic Turbines (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenlaufräder mit von einer Scheibe axial abstehenden Laufschaufeln,
denen das Treibmittel von außen in bezug auf die Turbinenachse in annähernd radialer Richtung
zugeleitet und in den Schaufelkanälen von der Radscheibe in die Achsrichtung umgelenkt wird und,
im Axialschnitt gesehen, die Austrittskanten in Strömungsrichtung zur Drehachse von innen nach außen
geneigt vorgesehen sind. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, mittels besonderer Ausbildung der Laufradbeschaufelung
der Turbine das Druckgefälle zu erhöhen und den Wirkungsgrad zu verbessern.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelpartie an ihrem Austrittsende, in Stromlinienschnitten
gesehen, über der ganzen Länge der Austrittskanten Druckmittelgeschwindigkeitsdreiecke
aufweisen, die absolute Geschwindigkeiten des Druckmittels ergeben, deren Richtungen in die Richtung des
Abgasrohres fallen und deren Größe der ganzen Austrittskante entlang annähernd die gleiche ist.
Die Vorteile dieser Lösung bestehen darin, daß nicht nur keine Drallwirkung im Treibmittel nach
dem Laufrad auftritt, sondern auch dadurch, daß die innere Reibung der austretenden Gase und die dadurch
bedingte Bremswirkung auf die Gasteile größerer Geschwindigkeit durch die Gasteile kleinerer
Geschwindigkeit verhindert wird. Die Austrittsgeschwindigkeit in das Abgasrohr wird erhöht und
der Wirkungsgrad der Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck in einem als Diffusor ausgebildeten Abgasrohr
verbessert, wobei das Druckgefälle bzw. die Leistung der Turbine erhöht wird. Die erfindungsgemäßen
Vorteile können zweckmäßig durch verschieden gerichtete Relativgeschwindigkeiten den
schräggestellten Laufschaufelaustrittskanten entlang oder durch die Länge der Stromfäden in den Laufschaufelkanälen
erreicht werden, im letzteren Falle kann auch eine Schrägstellung der Laufschaufeleintrittskanten
herbeigezogen werden. Es entstehen dabei vom Eintritt bis zum Austritt des Druckmittels
gleiche Druckänderungen in den Querschnitten der Laufschaufelkanäle. Bei konstantem Druck über dem
Eintrittsquerschnitt ergibt sich dabei ein konstanter Druck über dem ganzen Austrittsquerschnitt eines
einzelnen Laufradkanals.
Man kann die Austrittspartien der Laufschaufeln längs der Austrittskante unter sich eine Strecke weit
parallel zueinander ausbilden; die Führung der Treibgase in den Laufschaufelkanälen wird dadurch verbessert.
Ein weiteres Merkmal der Austrittspartien der Beschaufelung des Laufrades besteht darin, daß die
Schaufelwinkel beim Austritt im Zylinderschnitt, bezogen auf die Umfangsrichtung, kleiner ist als der
Anmelder:
Alfred J. Büchi, Winterthur (Schweiz)
Alfred J. Büchi, Winterthur (Schweiz)
Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann
und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,
München 2, Brunnstr. 8/9
Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 18. Juni 1955
Schweiz vom 18. Juni 1955
Alfred J. Büchi, Winterthur (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
entsprechende Austrittsschaufelwinkel an ein und derselben Stelle der Austrittskante im Stromlimenschnitt.
Die in Normalebenen zur Laufradachse liegenden Schaufelschnitte sind vorteilhaft auch dort radial gerichtet,
wo diese die Austrittskanten der Laufschaufeln schneiden. Die Festigkeit der Schaufelpartien beim
Austritt aus dem Laufrad gegen die Fliehkraftbeanspruchung wird dabei verbessert.
Die Laufschaufelaustrittskanten können unter einem Winkel, von 65 bis 87° gegenüber der Turbinenachse
geneigt sein. Das Verhältnis des mittleren Krümmungsradius zur mittleren Höhe im Axialschnitt
eines Laufschaufelkanals kann vorteilhaft mindestens zu 1,5 bemessen sein. Es soll auch das Verhältnis des
mittleren Krümmungsradius zur mittleren Breite der im Zylinderschnitt gesehenen Laufschaufelkanäle nirgends
kleiner als 1,5 sein. Diese Maßnahmen verhindern zu starke Umlenkung des Druckmittels in den
Laufschaufelkanälen.
Für eine Turbine mit dem erfindungsgemäßen Turbinenlaufrad mit unter sich geteilten Eintrittskammern, wie solche besonders für Abgasturbinen
verwendet werden, ist die Schaufelteilung des Laufrades in bezug auf die Teilung der Eintrittskammern
vorteilhaft so bemessen, daß beim Drehen des Laufrades jeweils nur eine Laufradschaufel gleichzeitig
nur einer Turbineneintrittskammerwand gegenüberstehen kann. Der Vorteil dieser Ausbildung besteht
darin, Stoßverluste im Treibmittel und Schwingungen zu vermeiden. Die selbständige Lösung der Aufgabe
von Druckerhöhung und Wirkungsgradverbesserung auf dem Prinzip der Homogenisierung der Strömung
innerhalb der Schaufelkanäle ist nicht Gegenstand der Erfindung.
909 757/135
Fig. 1 zeigt die Laufschaufelung des Turbinenrades von vorn in Achsrichtung;
Fig. 2 zeigt einen partiellen Schnitt durch die Laufradscheibe mit einer Schaufel in Seitenansicht;
Fig. 3 zeigt die Kontur einer Schaufel, in Achsrichtung gesehen; in
Fig. 4 sind die radial gestellten Lauf schaufelschnitte dargestellt; die Schnittlinien sind in den Fig. 2 und 3
angegeben; :
Fig. 5 ist eine Ansicht auf die Eintrittskante A-A nach Fig. 2 und 3;
Fig. 6 ist ein Schnitt B-B nach Fig. 2 und 3;
Fig. 7 ist ein Schnitt C-C nach Fig. 2 und 3;
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Laufradschaufelung und derLeitschaufelung bei einer
Turbine mit mehreren unterteilten Eintrittskammern.
In Fig. 1 ist 1 die Latifradscheibe, von der die Laufschaufeln 2 in axialer Richtung abstehen. Das
Druckmittel tritt aus dem Leitapparat (nicht dargestellt) mit konstantem Druck über der ganzen Eintrittsfläche
in die Laufschaufelkanäle ein und wird der Scheibenwand 2a von der radialen Eintritts richtung
in die axiale Austrittsrichtung umgelenkt. Das Laufrad besitzt siebzehn Schaufeln bei einem Außendurchmesser
von etwa 20 cm. Bei diesem Durchmesser werden mit fünfzehn bis zwanzig Laufschaufeln gute
Resultate erzielt. Bei Laufrädern mit verschiedenen Außendurchmessern kann aus der Konstruktion eines
dieser Räder, mit dem auf dem Versuchsstand gute Resultate erzielt worden sind, die totale Anzahl Laufschaufeln
anderer Laufräder eines Lauf radsatzes, dadurch bestimmt werden, indem man das Verhältnis
der Zehnerlogarithmen der Laufradaußendurchmesser in Zentimetern des Versuchsrades zu den anderen
Rädern bestimmt und die Schaufelzahl des Versuchsrades mit dieser Verhältniszahl multipliziert. Dadurch
werden für alle Laufräder die gleichen funktionellen Eigenschaften erzielt.
In Fig. 2 ist die Austrittskante V der Schaufel zur Drehachse Z von innen nach außen so stark geneigt,
um den relativen Austrittsgeschwindigkeiten über dem ganzen Austrittsquerschnitt eine solche Richtung zu
geben, daß die absoluten Geschwindigkeiten C2 des Druckmittels in die Richtung des Abgasrohres fallen
und deren Größe der ganzen Austrittskante entlang annähernd die gleiche ist.
In einem nachfolgenden Abschnitt wird an Hand der Fig. 6 und 7 die durch die Neigung der Austrittskante bedingte Beeinflussung der relativen Austrittsgeschwindigkeiten näher beschrieben. Nach vorliegender
Ausführung ist ferner die Neigung α so groß bemessen, daß vom Eintritt bis zum Austritt der Gase
die a-, b-, c-Stromfäden der Teilturbinen I, II, III und IV, denen entlang die Teilchen des Treibmittels
strömen, gleich lang ausfallen, wobei die Druckänderungen vom Eintritt bis zum Austritt der Laufschaufelung
■ über dem ganzen Durchfluß querschnitt im Laufrad gleich groß ist; der Druck über der ganzen
Austrittsfläche ist dann ebenfalls gleich groß, was die Stabilität der Strömung gewährleistet. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel ist die Kantenlinie V, im Axialschnitt gesehen, geradlinig und in einem Winkel
von 75° zur Drehachse geneigt. Vorteilhafteste Resultate werden mit Winkeln α von der Größenordnung
von 65 bis 87° erzielt.
Die Austrittskante V geht mit einer Rundung auf die Scheibe 1 über. Diese Ausführung vermindert
Materialspannungen und gewährleistet einen homogenen Übergang von der Scheibe auf die Schaufeln
bei Rädern, die nach dem Gußverfahren hergestellt werden. Die Laufschaufelkanäle sind im vorliegenden
Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildet.
Der innerste Durchmesser der Laufradschaufelung ist mit dt und der mittlere äußere Durchmesser beim
Eintritt ist mit de bezeichnet. Das Verhältnis dieser
Durchmesser ist bei vorliegender Ausführung 1:2,8. Die Grenzwerte dieses Verhältnisses sind für gleiche
funktionelle Eigenschaften von der Größenordnung 1:2,5 bis 1:3,5.
ίο Die Fig. 3 und 4 beziehen sich hauptsächlich auf die
radiale Stellung der Laufschaufelquerschnitte. Die Schnittlinien sind mit /, K, L, M, N, P, Q1 R und 5
bezeichnet. In Fig. 3 sind diese Schnittlinien in ihrer natürlichen Lage in bezug auf die von vorn in Achsrichtung
gesehene Kontur k der Schaufel angegeben. Die zugehörige Lage der Achse ist mit Z bezeichnet.
Die Ausbildung der Querschnitte von der äußeren Kontur k der Schaufel bis zum Übergang auf die
Wand 2 a ist in Fig. 4 dargestellt. Die relativen Winkelstellungen der Schnitte sind dort unter sich
gleich groß; die tatsächlichen Winkelstellungen sind aus Fig. 3 ersichtlich. Die Schnittformen sind so, daß
bei kleinstem Materialaufwand die maximale Festigkeit gewährleistet wird. In Fig. 2 ist die Lage der
Schaufelschnitte in Richtung der Drehachse ebenfalls feststellbar. Es ist ersichtlich, daß die Schaufeldicken
in radialer Richtung gegen außen abnehmen. In Richtung der Drehachse, von der Radscheibe an, ist eine
gleiche Ausbildung vorgesehen (s. Fig. 5, 6 und 7).
Der Grad der Verjüngung der einzelnen Schaufeln ist so vorgesehen, daß in einem großen Bereich der
höchstbeanspruchten Laufradteile die Beanspruchung die zulässige Dauerstandfestigkeitsgrenze nicht überschreitet,
aber bis ganz nahe daran herankommt.
Fig. 5 zeigt die Eintrittskante einer Laufschaufel. Die Wand 2 α ist dort radial gerichtet und bündig mit
der Eintrittskante.
Die Fig. 6 und 7 zeigen Lauf Schaufelquerschnitte in
von der Drehachse äquidistanten Flächen, die den Linien B-B und C-C der Fig. 2 und 3 entsprechen. Die
freien Enden 5 dieser Schnitte liegen auf der Austrittskante der Laufschaufeln; die Schnitte / und K
der Fig. 4 endigen auf dieser Linie V. Einer bestimmten Neigung α dieser Kante V zur Drehachse, in einer
Axialebene gesehen (s. Fig. 2), sind Schaufelformen am Austritt zugeordnet, die bestimmte Richtungen
der relativen Austrittsgeschwindigkeiten W2 über dem
ganzen Austrittsquerschnitt aufweisen und je nach dem Neigungswinkel α der Kante V sich ändern. In
den Fig. 6 und 7 sind zusätzlich zu den erwähnten Schnittflächen die Richtungen der durch den Punkt 5
gehenden, auf einer Strömungslinie liegenden Schnittflächen 6 strichpunktiert, angedeutet. Bei dieser Darstellung
ergeben sich für die Laufschaufelformen Richtungen der relativen Austrittsgeschwindigkeiten
W2 (Fig. 6) und W2' (Fig. 7), die tangential zu
den strichpunktierten Schnitten 6 gerichtet sind und mit den ihnen zugeordneten Umfangsgeschwindigkeiten
U2 und U2 den Winkel γ bzw. / bilden. Die ab-
soluten Austrittsgeschwindigkeiten C2 des Druckmittels
sind zufolge der durch die Schrägstellung der Kante ermöglichten Schaufelform axial gerichtet. Der
Schaufelwinkel beim Austritt im Zylinderschnitt (äquidistant von der Achse) bildet mit der Umfangsrichtung
einen Winkel δ, der kleiner ist als der Winkel γ, den die relativen Austrittsgeschwindigkeiten mit
der Umfangsrichtung M2 bzw. U2 bildet. In Fig. 6
sind im gleichen achsparallelen Schnitt zwei Schaufeln dargestellt. Es wird damit gezeigt, daß die
Seitenflächen in der Nähe der Austritte der Laufrad-
schaufeln auf einer Strecke χ parallel zueinander gerichtet
sind. Dies wird deshalb so vorgesehen, damit die Führung des Druckmittels eine wesentliche Verbesserung
erfährt. In Fig. 6 ist noch die mittlere Breite Bm und der mittlere Krümmungsradius rm eingezeichnet.
Die Verhältniszahl des mittleren Krümmungsradius rm zur mittleren Breite Bm soll nicht
kleiner als etwa 1,5 sein, damit die Umlenkverluste klein ausfallen.
In Fig. 8 ist der das Treibgas dem Laufrad zuführende Leitapparat bei einer Turbine mit getrennten
Eintrittskammern dargestellt. Der Turbineneintritt ist in drei Kammern fv f2, f3 gleicher Teilung T mit
Wänden-F unterteilt; die Anzahl Laufschaufeln2 bzw. die Laufschaufelteilung t des Laufrades ist dabei in
bezug auf die Teilung Γ so bemessen, daß von allen Laufschaufeln beim Drehen der vorgesehenen Turbineneintrittskammerwände
F gegenübergestellt ist. Im Zeitmoment der dargestellten relativen Stellung
des Laufrades steht nur die S chaufel 2 einer Turbineneintrittswand F' gegenüber.
In Fig. 9 ist die Laufradeintrittskante nach oben gerichtet. Diese Ausbildung kann zur Erzielung gleich
großer Längen der Stromfäden (a, b, c in Fig. 2) von Vorteil sein. Aus dieser Figur ist ferner das Verhältnis
des mittleren Krümmungsradius zur mittleren Höhe entnehmbar. Die Verhältniszahl des mittleren
Krümmungsradius Rm zur mittleren Höhe Hm der
Laufschaufelkanäle ist etwa 1,8; der minimale Wert dieser Zahl, bei dem die Umlenkverluste noch klein
ausfallen, beträgt etwa 1,5.
Claims (11)
1. Turbinenlaufrad mit von einer Scheibe axial abstehenden Laufschaufeln, denen das Treibmittel
von außen in bezug auf die Turbinenachse in annähernd radialer Richtung zugeleitet und in den
Schaufelkanälen von der Radscheibe in die Achsrichtung umgelenkt wird und, im Axialschnitt gesehen,
die Austrittskanten in Strömungsrichtung zur Drehachse von innen nach außen geneigt vorgesehen
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelpartie an ihrem Austrittsende in Stromlinienschnitten
(α, b, c) gesehen über der ganzen Länge der Austrittskanten (V) Druckmittelgeschwindigkeitsdreiecke
aufweisen, die absolute Geschwindigkeiten (C2) des Druckmittels ergeben,
deren Richtungen in die Richtung des Abgasrohres fallen und deren Größe_ der ganzen Austrittskante
entlang annähernd die gleiche ist.
2. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endpartien der Schaufeln
längs der ganzen Austrittskante (V) unter sich eine Strecke (X) weit parallel zueinander gerichtet
sind.
3. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der S chaufel winkel
beim Austritt im Zylinderschnitt (äquidistant von der Achse) mit der Umfangsrichtung einen Winkel
(δ) bildet, der kleiner ist als der Austrittswinkel (γ) an ein und derselben Stelle (5) der Austrittskante.
4. Turbinenlaufrad nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Normalebenen
liegenden Schaufelschnitte (/, K), welche die Austrittskante (V) schneiden, radial gerichtet
sind.
5. Turbinenlaufrad für Turbinen mit unter sich geteilten Eintrittskammern, besonders für Abgasturbinen
nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelteilung (t) des Laufrades
in bezug auf die Teilung (T) der Eintrittskammern (fv fv /3) so bemessen ist, daß beim Drehen des
Laufrades jeweils nur eine Schaufel (2') gleichzeitig nur einer Turbineneintrittskammerwand
(F') gegenüberstehen kann.
6. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufelaustrittskanten
(V) unter einem Winkel von 65 bis 87° gegenüber der Turbinenachse geneigt sind.
7. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des
mittleren Krümmungsradius zur mittleren Höhe der Laufschaufelkanäle in der Nähe des Radeintrittes
mindestens zu 1,5 bemessen ist.
8. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des mittleren
Krümmungsradius zur mittleren Breite der im Zylinderschnitt gesehenen Laufschaufelkanäle
nirgends kleiner als 1,5 ist.
9. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der
Laufschaufeln den Zehnerlogarithmen der Laufradaußendurchmesser in Zentimetern verhältnisgleich
ist.
10. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der
Laufschaufeln bei einem Laufradaußendurchmesser von 20 cm fünfzehn bis zwanzig beträgt.
11. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 mit von einer Scheibe axial abstehenden Laufschaufeln,
denen das Treibmittel von außen in bezug auf die Turbinenachse in annähernd radialer Richtung zugeleitet
und in den Schaufelkanälen von der Radscheibe in die Achsrichtung umgelenkt wird und,
im Axialschnitt gesehen, die Austrittskanten in Strömungsrichtung zur Drehachse von innen nach
außen geneigt vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelpartien an ihren Ein-
und Austrittsenden derart ausgebildet sind, daß sämtliche Stromfäden vom Eintritt bis zum Austritt
den Schaufelflächen der Laufradschaufelung entlang annähernd gleich lang ausfallen, derart,
daß vom Eintritt bis zum Austritt der Laufradbeschaufelung in der S trömungs richtung gleiche
Druckänderungen entstehen.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 168 357;
schweizerische Patentschrift Nr. 277 112;
britische Patentschrift Nr. 704 678;
Motortechnische Zeitschrift, Bd. 15, 1954, S. 228; The Oil Engine and Gas Turbine, Bd. 22, 1955, S. 472;
Österreichische Patentschrift Nr. 168 357;
schweizerische Patentschrift Nr. 277 112;
britische Patentschrift Nr. 704 678;
Motortechnische Zeitschrift, Bd. 15, 1954, S. 228; The Oil Engine and Gas Turbine, Bd. 22, 1955, S. 472;
The Engineer, Bd. 199, 195S, S. 678.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 909 757/135 2.60
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH838416X | 1955-06-18 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE1076444B true DE1076444B (de) | 1960-02-25 |
Family
ID=4540952
Family Applications (1)
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DEB38349A Pending DE1076444B (de) | 1955-06-18 | 1955-12-16 | Gasturbinenlaufrad |
Country Status (5)
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CH (1) | CH342035A (de) |
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FR (1) | FR1150392A (de) |
GB (1) | GB838416A (de) |
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