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Die Erfindung bezieht sich auf einen Läufer für eine Zentripetalgasturbine
mit in Meridianebenen liegenden, im Austrittsbereich abgebogenen Schaufeln, deren
Eintrittskanten auf. einer Zylinderfläche und deren Austrittskanten in einer Normalebene
liegen.
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Läufer dieser Art werden üblicherweise für Gasturbinen verwendet,
die mit hohen Drehzahlen und bei hohen Temperaturen arbeiten, weil die radialen
Schaufeln die auftretenden Beanspruchungen besser aufnehmen können, da diese dann
im wesentlichen als reine Zugbeanspruchungen und nicht als Biegebeanspruchungen
auftreten. Jedoch ergibt sich bei einer solchen rein radialen Schaufelausbildung
notwendigerweise am Schaufelaustritt, daß die Tangente des Austrittswinkels zu dem
Radius über die Höhe der Schaufel umgekehrt proportional ist. Dies bedeutet, daß
der Austrittswinkel sich über die Höhe der Schaufel ändert. Dies führt jedoch zu
den Wirkungsgrad der Turbine beeinträchtigenden Verlusten, insbesondere deswegen,
weil bei sich über die Schaufelhöhe änderndem Austrittswinkel am Austritt keine
Wirbelströmung erhalten werden kann, wie sie für Zentripetalturbinen ideal ist.
Dieser Nachteil könnte vermieden werden, wenn die Schaufeln verwunden ausgebildet
würden. Solche verwundenen Schaufeln sind jedoch für hohe Drehzahl und hohe Temperaturen
nicht geeignet, weil sie im Betrieb Biegebeanspruchungen erfahren und diese bei
hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen übermäßig groß werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der genannten Nachteile
einen Läufer für eine Zentripetalgasturbine zu schaffen, der auch bei hohen Drehzahlen
und hohen Temperaturen guten Wirkungsgrad hat.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch diese
Abbiegung der Austrittswinkel der Schaufeln über ihrer Höhe konstant gehalten ist
und daß - in verschiedenen Umfangsschnitten gesehen - die Schwerpunkte des Schaufelprofils
annähernd auf einer Radialen liegen, so daß die Schaufeln im Austrittsbereich in
ihrer radialen Erstreckung eine leicht gekrümmte Form haben.
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Bei einem Läufer gemäß der Erfindung ist sowohl am Schaufeleintritt
als auch am Schaufelaustritt die angestrebte Wirbelströmung vorhanden, so daß ein
hoher Wirkungsgrad erreicht ist. Gleichzeitig ist aber auch genügende Festigkeit
der Läuferschaufeln bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen gewährleistet, weil
nur eine geringfügige Abweichung von der genau radialen Form und auch nur im Austrittsbereich
der Schaufeln vorhanden ist. Demgemäß treten die sich im Betrieb ergebenden Zentrifugalkräfte
in den Schaufeln im wesentlichen als Zugbeanspruchungen auf.
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Für optimale Ergebnisse ist es erwünscht, daß die Eintrittsfläche
und die Austrittsfläche des Turbinenläufers in richtiger Beziehung zu dem konstanten
Austrittswinkel stehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht
diese Beziehung A1 = kA, sin /i..2 , in welcher A1 die zylindrische Eintrittsfläche
der Schaufeln, Az die ringförmige Austrittsfläche der Schaufeln, ß2 der Austrittswinkel
und k eine Konstante ist, die in dem Bereich von etwa 1,0 bis 2,0 liegt. Eine solche
Beziehung zwischen dem Austrittswinkel, der ringförmigen Austrittsfläche und der
zylindrischen Eintrittsfläche schafft den hohen Reaktionsgrad, der erforderlich
ist, um die Gefahr auszuschalten, daß sich die Strömung infolge der starken örtlichen
Umlenkung von der Schaufelfläche ablöst. Es entsteht zwar eine hohe Austrittsgeschwindigkeit,
jedoch ist gefunden worden, daß der durch den hohen Reaktionsgrad erzeugte Strömungsstabilisierungseffekt
die Nachteile einer hohen Austrittsgeschwindigkeit ausgleicht. Weiterhin ist gefunden
worden, daß ein konstanter Austrittswinkel, der Wirbelströmung erzeugt, zu einem
guten Wirkungsgrad in Verbindung mit einem nachgeschalteten Austrittsdiffusor führt,
da die in den Diffusor eintretende Strömung stabil ist und so Mischverluste ausschaltet.
Es ist vorteilhaft, einen Diffusor zu diesem Zweck vorzusehen, die hohe Austrittsgeschwindigkeit
in einen Druckanstieg umzuwandeln, der zu einer Herabsetzung des Rückdrucks am Turbinenaustritt
führt.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
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F i g.1 ist ein Axialschnitt einer Turbokompressoreinheit mit einem
Turbinenläufer gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene
axiale Schnittansicht des Eintrittsteils der Turbine; F i g. 3 ist eine Teilansicht,
in axialer Richtung auf die rechte Seite der F i g. 2 gesehen; F i g. 4 ist eine
Teilansicht, auf das Abgabeende des Turbinenläufers gesehen; F i g. 5 ist eine Schnittansicht
nach Linie 5-5 von Fig.1; F i g. 6, 7 und 8 sind Schnitte durch die Beschaufelung
in Ebenen, die in F i g. 1 und 4 durch die Linien 6-6 bzw. 7-7 und 8-8 angedeutet
sind.
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Gemäß F i g. 1 trägt eine Welle 2 fliegend mittels eines Flansches
4 Läufernabenabschnitte 6, 8, 12 und 14 des Kompressors und der Turbine, die aneinander
und an der Welle 2 durch Zugbolzen 16 befestigt sind.
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Der Nabenabschnitt 6 trägt die Kompressorbeschaufelung 18.
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Die Turbine umfaßt die drei Nabenabschnitte 8, 12 und 14 und die von
diesen getragenen Bauteile. Der Nabenabschnitt 8 ist mit einer Seitenscheibe
10
versehen, welche den Kompressor von der Turbine trennt und eine Wand für
Teile der Turbinengasdurchgänge schafft. Die Scheibe 10 ist an ihrem äußeren
Umfang schwach konisch ausgebildet, wo sie mit von dem Nabenabschnitt 12 getragenen
Schaufeln im Eingriff steht. Dadurch wird eine axiale Biegungskomponente der Scheibe
unter der Wirkung von Zentrifugalkräften geschaffen, welche die Scheibe gegen die
Kanten der Schaufeln preßt. Dies gewährleistet unter allen Arbeitsbedingungen eine
Berührung zwischen der Scheibe und den Schaufeln, um Vibrationen zu dämpfen und
dennoch eine unterschiedliche Ausdehnung zuzulassen.
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Die Nabenabschnitte 12 und 14 tragen die Turbinenschaufeln, die aus
Eintrittsteilen 20 und Austrittsteilen 22 bestehen.
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Die dargestellte unterteilte Ausführung der Turbine ist von besonderem
Wert für relativ große Turbinenräder, beispielsweise solche mit einem Durchmesser
von 20 cm oder mehr, bei denen Vibrationen und Wärmebeanspruchungen ein ernstliches
Problem darstellen. Bei kleineren Turbinenrädern, bei denen
ein
solches Problem keine so wesentliche Bedeutung hat, kann das ganze Turbinenrad aus
einem einzigen Stück bestehen, d. h., die beschriebenen drei Abschnitte können im
Präzisionsguß in einer einzigen Einheit hergestellt werden.
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Jeder von dem Nabenabschnitt 12 getragene Schaufeleintrittsteil
20 verjüngt sich von seinem Fuß gegen seine Spitze, wie dies insbesondere
aus F i g. 3 hervorgeht. Für maximale Festigkeit sollen die äußeren Teile der Schaufeln
eine gleichförmige Dicke radial nach innen bis zu dem Punkt haben, an dem die zentrifugalen
Beanspruchungen das Maximum erreichen, das von dieser Dicke zugelassen wird. Einwärts
von diesem Punkt werden die maximalen Beanspruchungen durch die Verwendung eines
zweckentsprechenden hyperbolischen Schaufelnprofils konstant gehalten. Die an der
Nabe zwischen den Schaufeln gebildete Mulde 26 ist derart gestaltet, daß sie den
Erfordernissen der Kontinuität des Gasdurchgangs entspricht.
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Die Scheibe 10 greift an den linken Kanten 30
(F i g.
2) der Schaufeln an, um eine den Strömungsdurchgang begrenzende Wand zu schaffen,
während auf der anderen Seite eine Wand längs der Außenkanten 31 der Schaufeln geschaffen
ist. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Gas ohne eine wesentliche axiale
Strömungskomponente aufgenommen; demgemäß erstrecken sich die äußeren Kanten
32 der Schaufeln parallel zur Läuferachse. Das eintretende Gas hat natürlich
eine hohe Umfangsgeschwindigkeitskomponente, die mittels radial auswärts der Kanten
32 angeordneter Düsen oder, was erwünschter ist, durch die freie Drehung
in einer ringförmigen Kammer erzeugt werden kann, die in der Nähe der Laufschaufeln
nicht durch Leitschaufeln unterbrochen ist. In einem solchen Fall herrscht am Eintritt
etwa Wirbelströmung.
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Diese Wirbelströmung soll bis zum Austritt aufrechterhalten werden.
Um dies vollständig zu erreichen, müßten die Zwischenteile der Beschaufelung etwas
vom radialen Zustand abweichen, jedoch zeigt die Analyse, daß, wenn die Schaufelteile
20, wie beschrieben, radial sind, die Abweichung von der Wirbelströmung nicht
so groß ist, daß der Wirkungsgrad nennenswert beeinträchtigt wird.
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In den F i g. 4 bis 8 sind die von dem Nabenabschnitt 14 getragenen
Austrittsteile 22 der Schaufeln wiedergegeben. Die Eintrittskanten
38 dieser Schaufelteile 22 sind im radialen Schnitt so gestaltet,
daß sie mit den radialen Schnitten der Eintrittsteile 20
der Schaufeln genau
übereinstimmen; sie sind ferner mit diesen am Umfang durch die Zugbolzen
16 ausgerichtet, wobei die Strömungsführungsflächen glatte Fortsetzungen
der Flächen der Schaufeleintrittsteile bilden. Im Läuferaufbau ist zweckmäßig zwischen
den Nabenabschnitten 12 und 14, die fest gegeneinandergezogen sind,
eine biegbare Federscheibe 39 angeordnet. In den meisten Fällen können jedoch die
Nabenabschnitte 12 und 14 einstückig miteinander verbunden sein, wobei
die Schaufelteile 20 und 22 ebenfalls einstückig miteinander verbunden
sind.
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Die Eintrittskante 38 jedes Schaufelteils 22 verläuft
radial. Jenseits davon tritt eine Abweichung vom radialen Zustand ein, wie dies
weiter unten näher erläutert wird; die Schaufelfläche wird demnach schraubenförmig.
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Die Austrittskante 40 des Schaufelteils 22 ist so ausgebildet,
daß ein konstanter Auslaßwinkel geschaffen ist, der je nach den geforderten Arbeitsbedingungen
beispielsweise zwischen etwa 22 und 35° variieren kann. Die Änderungen der Querschnittsdicke
des Schaufelteils 22 mit dem Radius werden dann gemäß der üblichen Beanspruchungsanalyse
bestimmt, um zulässige Beanspruchungen für die betrachteten Arbeitsbedingungen vorzusehen;
dieser Vorgang führt zu einer beträchtlichen Verjüngung der Schaufel von der Nabe
gegen den Umfang. Das Ergebnis ist die Bildung der Profile an der Eintrittskante
38 (wo der Eintrittswinkel 90° beträgt) und an der Austrittskante
40, wenn der Austrittswinkel den gewählten konstanten Wert hat. Zwischen
den Kanten 38 und 40 werden dann die Profile an verschiedenen Radien
in vorausbestimmter Weise derart ausgerichtet, daß sich ungefähr die Querschnitte
ergeben, wie sie in den F i g. 6, 7 und 8 dargestellt sind.
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Bei dem soweit beschriebenen Vorgang liegt nur der Bereich an der
Eintrittskante 38 fest, jedoch könnten im Zusammenhang mit der Aufrechterhaltung
konstanten Austrittswinkels die Austrittskantenschnitte an verschiedenen Radien
ganz willkürlich um die Läuferachse liegen, d. h., sie könnten willkürlich um diese
Achse winklig verschoben sein, und die Profile zwischen dem Eintritt und dem Austritt
an den verschiedenen Radien könnten entsprechend verschoben sein, während die richtige
Änderung des Querschnitts mit dem Radius aufrechterhalten ist.
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Diese Verschiebung der Austrittskantenschnitte mit entsprechender
Verschiebung der Profile an den verschiedenen Radien wird nunmehr so ausgeführt,
daß die Schwerpunkte der verschiedenen Schnitte in radiale Ausrichtung gebracht
werden, wie es aus den F i g. 6, 7 und 8 ersichtlich ist. Die Schwerpunkte der in
F i g. 8 bzw. 7 und 6 dargestellten Schnitte sind mit 42 bzw. 44 und
46 bezeichnet; diese Punkte liegen, wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, in
radialer Ausrichtung. Die mit 48 bzw. 50 und 52 bezeichneten
Mitten der Eintrittskanten dieser Schnitte liegen ebenfalls in radialer Ausrichtung;
dies folgt aus der angenommenen Bedingung des Übergangs des Eintritts jedes Schaufelaustrittsteils
22 in den entsprechenden Schaufeleintrittsteil 20.
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Wegen der bogenförmigen Gestalt der Profile liegen deren Schwerpunkte,
außer im Bereich der Nabe, im allgemeinen nicht innerhalb der Schnitte, mit dem
Ergebnis, daß nach radialen Ebenen verlaufende Schnitte der Schaufelteile nicht
radial sind, sondern vom radialen Zustand abweichen, wie dies aus F i g. 5 hervorgeht.
Jeder Schaufelaustrittsteil bietet jedoch unter Zentrifugalbeanspruchung einen großen
Widerstand gegen Biegung dar, da, (a) wenn ein Schnitt an irgendeinem Radius als
eine starre Einheit angenommen wird, Zentrifugalbeanspruchung das Bestreben hätte,
die Schwerpunkte der Schnitte in radialer Richtung miteinander in eine Flucht zu
bringen (dies wird, wie angegeben, erreicht), und (b) jeder Schnitt in sich eine
bogenförmige Gestalt hat, so daß die Beanspruchungen, die irgendeinen nicht radialen
Teil in eine radiale Lage abzulenken suchen, denjenigen Beanspruchungen ähnlich
wären, die einen Bogen zu strecken suchen, und ihnen in bogenförmiger Weise entgegengewirkt
würde. Jeder Schaufelteil hat so, als Ganzes betrachtet, eine hohe Starrheit trotz
des Umstands, daß einzelne, nach radialen Ebenen verlaufende Schnitte von der radialen
Gestalt beträchtlich abweichen können.
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Es sei bemerkt, daß, während die radiale Ausrichtung
der
Schwerpunkte der Schnitte theoretisch einen maximalen Widerstand gegen Biegung liefern
kann, dies im Zusammenhang mit der Erzielung eines Schaufelteils, der gegen Biegung
hochwiderstandsfähig ist, nur angenähert erreicht werden kann. Wenn beispielsweise
angenommen wird, daß der Schaufelteil 22 längs der Eintrittskanten 3$ radial ist
und daß unter zentrifugaler Beanspruchung keine Neigung für Biegung besteht, dann
können die für die Ausrichtung betrachteten Schwerpunkte nur diejenigen von einigen
willkürlichen Teilen der Schaufelschnitte sein, die näher an der Austrittskante
40 liegen, wo die in Umfangsrichtung gemessenen Schaufeldicken klein sind. Solche
Betrachtungen würden insbesondere bei der Ausführung einer Beschaufelung in Frage
kommen, bei welcher die Schaufelteile 20
und 22 einstückig sind und bei welcher
die Betrachtung der Ausrichtung der Schwerpunkte auf den Teil jeder Schaufel beschränkt
ist, wo örtliche Abweichungen von dem radialen Zustand erheblich sind.
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Wie bereits oben erwähnt, führt die Aufrechterhaltung eines etwa konstanten
Austrittswinkels an der Austrittskante jeder Schaufel dazu, daß angenähert Wirbelströmung
am Schaufelaustritt vorhanden ist, wenn der Wert von ulc der Turbine, d. h. des
Verhältnisses zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufeln am Eintritt
und der Turbinenaustrittsgeschwindigkeit der Gase in der Nähe von 0,6 bis 0,7 liegt,
und wenn die Reaktion, d. h. die Aufteilung des gesamten Wärmegefälles zwischen
den Düsen und den Schaufeln richtig durchgeführt ist. Die notwendige Reaktion wird
gewöhnlich mit dem obengenannten Bereich der Schaufelwinkel und mit dem nachstehend
angegebenen Flächenverhältnis erhalten. Ein kleinerer u/c-Wert wäre vom Gesichtspunkt
der Verringerung der Geschwindigkeit der Schaufelspitzen für ein gegebenes Wärmegefälle
und damit der Herabsetzung der Beanspruchungen erwünscht, jedoch würde er zu einem
schlechten Wirkungsgrad führen. Ein u/c-Wert über 0,7 kann gewöhnlich wegen der
Beanspruchung nicht vorgesehen werden. Es kommt daher vor, daß der obengenannte
brauchbare Bereich der u/c-Werte mit Wirbelströmung unter Bedingungen eines angenähert
konstanten Austrittswinkels längs der radialen Erstreckung der Austrittskante zusammenfällt.
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Für optimale Ergebnisse ist es erwünscht, daß die Eintritts- und die
Austrittsfläche des Turbinenläufers in richtiger Beziehung zum konstanten Austrittswinkel
stehen. Wenn die zylindrische Eintrittsfläche der Turbine mit A1 bezeichnet wird
(diese Fläche ist das Produkt aus der axialen Länge der Eintrittskante 32 und dem
Umfang an dem Radius dieser Kante), ferner die ringförmige Austrittsfläche mit A2
bezeichnet wird (diese Fläche ist diejenige, die von der Austrittskante
40 bestrichen wird) und weiterhin der Austrittswinkel mit ß2 bezeichnet wird
(F i g. 6), dann soll die Beziehung bestehen: A1 = kA, sin
ß2, wobei k nicht kleiner als etwa 1,0 und nicht größer als etwa 2,0 ist und ß2
zwischen etwa 22 und 35° variiert, wie dies oben bereits erwähnt wurde.