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Turbomaschine Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit Schaufelgittern,
deren Schaufeln am Hinterende Düsen aufweisen, aus denen jeweils ein unter Druck
stehender I-Elfsstrom in Form eines Strömungsmittelvorhanges austritt und dadurch
den Hauptstrom umlenkt. Anlagen dieser Art wurden bisher in Turbomaschinen benutzt,
um die durch die Schaufeln ausgeübte Ablenkwirkung des durch die Turbine strömenden
Mittels zu beeinflussen. Weiter ist es beispielsweise bei Zentrifugalverdichtem
bekannt, den Lufteinlaß, dadurch zu steuern, daß die durch radiale Kanäle angesaugte
und daher in radialer Richtung strömende Luft in Drehrichtung oder entgegengesetzt
der Drehrichtung mit Hilfe eines quergerichteten Strahles umgelenkt wird, der an
der einen oder anderen Seite des radialen Kanals erzeugt wird. In beiden Fällen
wird durch ein zusätzliches Strömungsmittel eine divergierende Strömung erzeugt,
wobei jedoch in den Leit- und Laufrädem der Turbomaschinen, wie beispielsweise Kompressoren,
Pumpen und Turbinen, stets die übliche Schaufelbestückung vorhanden ist.
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Diese Schaufeln sind vielfach sehr teuer in der Herstellung und stellen
einen merklichen Anteil am Gesaintgewicht der Turbomaschine dar. Die vorliegende
Erfindung hat die Aufgabe, die Herstellungskosten und das Gewicht derartiger Turbomaschinen
bei gleichbleibender Leistung zu verringern.
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Für eine Turbomaschine der eingangs beschriebenen Art wird dieses
Ziel dadurch erreicht, daß die Schaufeln nur einen Eintrittsabschnitt aufweisen,
während der Austrittsabschnitt durch den Strömungsmittelvorhang ersetzt ist. Vorteilhaft
können sowohl das Leitrad als auch das Laufrad in dieser Weise ausgebildet werden.
Damit werden die bisherigen Schaufeln der Turbine in ihrer Ausbildung auf einfache
Strömungsmittelzuführungen beschränkt, während die umlenkende Schaufelwirkung durch
die aus den Strömungsmittelzuführungen austretenden Strömungsmittelvorhänge ausgeübt
wird, die durch die Abströmung eines unter Druck stehenden Strömungsmittels erzeugt
werden. Die abgegebenen Druckstrahlen liefern genügend große Impulse, um auf das
Hauptströmungsmittel einen Einfluß auszuüben, der dem Einfluß der bisher benutzten
festen Schaufeln vergleichbar ist. Andererseits ergibt sich durch den teilweisen
oder völligen Fortfall der bisher üblichen Schaufeln eine erhebliche Ersparnis an
Material und Gewicht, die insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Turbomaschine
z. B. im Flugwesen verwendet wird, in dem eine Gewichtsersparnis zu einer merklichen
Leistungssteigerung führen kann. Weiter wird durch den Fortfall der festen Hinterabschnitte
der Schaufeln die Entstehung von Grenzschichterscheinungen vermieden, die sonst
überall beiin Aufeinandertreffen eines Strömungsmittels und einer festen Wand zu
finden sind und zu einer Leistungseinbuße führen.
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Eine weitere Verbesserung einer nach der Erfindung ausgeführten Turbomaschine
besteht darin, daß die Düsen der Laufschaufeln in Drehrichtung des Läufers offen
sind, so daß sie eine Bremswirkung erzeugen. Die der Rotation entgegenwirkende Reaktionswirkung
am Laufrad ist mit dem Vorteil verbunden, daß über den Antriebsmotor eine große
Leistung zugeführt und ein größerer Verdichtungsdruck erreicht werden kann.
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Dabei wird den Düsen der Hilfsstrom vorzugsweise durch die Wirkung
der Zentrifugalkraft zugeführt.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird in Verbindung mit den Zeichnungen
züm besseren Verständnis der Erfindung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 die Abwicklung des Laufschaufel- und Leitschaufelkranzes eines üblichen
Axialkompressors, Fig. 2 die Abwicklung einer Schaufelanordnung, bei der Strömungsmittelvorhänge
als Ersatz für die Leitschaufelenden vorgesehen sind, Fig. 2a, 2b und 2c
Geschwindigkeitsdiagramnie der durch das Leitrad gemäß Fig. 2 hindurchgeleiteten
Strömung, Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer Schaufelanordnung
gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung,
bei der neben den Leitschaufeln des Kompressors auch die Laufschaufeln an ihrem
Austrittsabschnitt von Strömungsmittelvorhängen gebildet werden, und Fig.
5 in schematischer Ansicht die Anwendung der Erfindung bei einem Austrittsdiffusor
eines Zentrifugalkompressors.
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Die in Fig. 1 dargestellte Abwicklung zeigt eine Stufe eines
üblichen Axialkompressors mit dem Laufschaufelkranz M und dem feststehenden Leitschaufelkranz
D, welche jeweils von Profilschaufeln 1 und 2 gebildet werden. Diese
Anordnung kann sich entlang des Strömungsmittelweges mehrfach wiederholen, um die
Kompression in mehreren Stufen durchzuführen. Das Strömungsmittel tritt in den Leitschaufelkranz
M dessen Drehrichtung mit dem Pfeil f angegeben ist, ein und strömt durch
den Leitschaufelkranz D ab.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist der hintere
Teil der Leitschaufeln 2, welche divergierende Kanäle begrenzen, durch Strömungsmittelvorhänge
3 ersetzt. Die festen Bauelemente des Leitschaufelkranzes D sind auf
den vorderen Teil 4 der Schaufeln beschränkt, wobei diese Teile hohl ausgebildet
sind und als Speiseleitungen für die spaltartigen Austrittsöffnungen 5 dienen
(Fig. 3).
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Wenn man die Abströmung an der Austrittsseite der Laufschaufeln
1 des Rotors betrachtet, ergeben sich die in Fig. 2 a dargestellten Geschwindigkeitskomponenten.
Dabei entspricht V der absoluten Geschwindigkeit, VT der Tangentialkomponente und
VA der Axialkomponente.
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Auf Grund der Ausbildung des vorderen Teiles 4 der festen Schaufeln
ändert sich das in der Fig. 2a dargestellte Verhältnis der Geschwindigkeitskomponenten.
Es ergibt sich damit das in der Fig. 2b dargestellte Verhältnis, in dem die
tangentiale Komponente zur Größe VT I verringert und die axiale Komponente
auf VA I vergrößert worden ist.
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Die Fig. 2 c stellt das Diagramm der Bewegungsgrößen dar.
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Die an den spaltartigen Austrittsöffnungen 5 austretenden Strömungsmittelvorhänge
haben eine Bewegungsgröße m'V,", die der Bewegungsgröße der Tangentialkomponente
mVT, entgegengesetzt sein muß. W bzw. m sind die strömenden Massen des Strömungsmittelvorhanges
bzw. der Hauptströmung.
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Zur Aufhebung des Vektors mYT, muß die Gleichung MVTJ=IWV,' genau
erfüllt sein. Dabei ist die Richtung der Geschwindigkeit Vl` der Hilfsstrahleinspritzung
im übrigen genau tangential und entgegengesetzt zur Drehrichtungf des Rotors, so
daß sich eine ResultanteMV, ergibt; M ist hierbei die Summe der beiden Massen. Die
endgültige ResultanteMV3 ist auf Grund der Drucksteigerung kleiner als MV2, hat
jedoch die gleiche Richtung wie diese.
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Die Fig. 4 zeigt eine der Fig. 2 ähnliche Anordnung, bei der jedoch
die Strömungsmittelvorhänge 3 neben dem Stator auch für den Rotor verwendet
werden. Die Laufschaufeln weisen nur die Eintrittsabschnitte 4' auf, die mit Schlitzen
5' versehen sind, um entsprechend ausgerichtete Strömungsmittelvorhänge
3'
zu erzeugen. Die Speisung der Schlitze 5' mit dem Hilfsstrom kann
dadurch verwirklicht werden, daß man die am Laufrad auftretenden Zentrifugalkräfte
ausnutzt und das Strömungsmittel an in der Nähe der Rotorachse gelegenen öffnungen
zuführt.
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Die Fig. 5 zeigt eine der vorhergehenden äquivalente Anordnung
für den Austrittsdiffusor eines Radialkompressors, dessen Rotor mit R bezeichnet
ist. Die Leitschaufeln weisen nur die. Eintrittsabschnitte 4" mit Schlitzen
5" auf, welche gegenüber dem Radius um einen Winkel a in eine Richtung geneigt
sind, die tangential und entgegengesetzt zur Drehrichtung f verläuft.