DE1428189A1 - Stossfreie Eintrittskante zylindrischer Schaufeln fuer radiale Turbomaschinen - Google Patents

Description

• "Stossfreie Eintrittskante zylindrischer Schaufeln für radiale Turbomaschinen" Die Erfindung betrifft die Formgebung der stossfreien Eintrittskante von zylindrischen Schaufeln, die in den radialen Laufrädern verschiedener Turbomaschinen ( Ventilatoren, Pumpen u.a.) Anwendung finden. Die Aufgabe zur Verwirklichung stossfreier Anströmung von Schaufeln besteht bekanntlich darin, dass man längs der Eintrittskante eine Übereinstimmung zwischen der Richtung der Relativgeschwindigkeit zum Schaufelgitter und der Anfangsneigung der Schaufeln zu erreichen sucht. Dadurch werden die sogenannten Stossverluste beseitigt und ein höhrer Wirkungsgrad der Turbomaschine gesichert. In der Regel wird die Form der Eintrittskante meist im Meridianechnitt festgelegt und aus den Richtungen der örtlichen Relativgeschwindigkeiten längs der Kante folgen die dortigen Anfangsneigungen der Schaufel. Dadurch ergeben sich räumlich verwundene Schaufeln, die aber schwerer und teuerer in der Herstellung sind als zylindrische Schaufeln, insbesondere, wenn sie aus dünnem Blech angefertigt werden, wie-es vornehmlich bei den radialen Ventilatoren der Fall ist. Die Aufgabe der Erfindung ist die Formgebung d-er stossfreien Eintrittskante von zylindrischen Schaufeln für radiale Laufräder, deren Mantellinien parallel zur Laufradachse sind.
• Derartige-Schaufeln ergeben sich bei der Auslegung des Laufrades unter der Annahme einer ebenen Strömung (z.B. mit Hilfe der Singularitätenverfahren), die nahezu verwirklicht ist, wenn die Schaufeln zwischen ebenen Trag- und Deckscheiben des Laufrades angebracht sind; die Eintrittskanten dieser Schaufeln sind achsparallele Geraden. Bei den von innen nach aussen durchströmten radialen Laufrädern treten infolge der Umlenkung der Strömung von achsialer in radiale Richtung Abwechungen von der ebenen Strömung ein, die in der Umgebung der Eintrittskante am grössten sind. Diese führen zu lokalen Unterschieden zwischen den Richtungen der Helativgeschwindigkeiten längs der achsparallelen Eintrittskante und der konstanten Anfangsneigung der zylindrischen Schaufeln, die zu örtlichen Ablösungen der Strömung und Stossverlusten führen Es kann eine stossfreie Eintrittskante gebildet werden, indem die zylindrische Schaufel um ihre ursprüngliche achsparallele Eintrittskante örtlich verlängert, bzw. verkürzt wird, d.h. ihre Punkte auf kleinere, bzw. grössere Abstände (Radien) von der Laufradachse verlegt werden, als der Abstand der ursprünglichen Eintrittskante. Dabei müssen die Richtungen der örtlichen Relativgeschwindigkeiten und die Anfangsneigungen der Schaufel derart beeinflusst werden, dass sie über die ganze Länge der neuen Eintrittskante zur Übereinstimmung kom-:.jetl. Auf diese Weise erhält man eine im ällgemeinen krummlinige Eintrittskante, die die ursprüngliche gerade Eintrittskante in dem Punkt schneidet, wo die Auslegungsgeschwindigkeit herrscht.
• Der Gegenstand der Erfindung wird zweckmässig an einem Beispiel ausführlicher erläutert: Abb. 1 zeigt im Längsschnitt ein radiales Laufrad mit zylindrischen Schaufeln 3, Deckscheibe q. und Tragscbeibe 5, die an der Welle 6 befestigt ist. Die ursprüngliche achsparallele Eintrittskante ist mit 7 und die stossfreie Eintrittskante mit 8 bezeichnet. Unmittelbar vor der Eintrittskante herrscht die absolute Anstromgeschwindigkeit C; es wird angenommen, dass ihre Radialkomponente Cr riUr die Umströmung der Schaufeln massgebend ist, wie die beim Pfeilflügel üblich ist. Wegen der Ablenkung der Strömung sind die absolute Anstromgeschwindigkeit und ihre Hadialkomponente, weiter Radialgesehwindigkeit genannt, veränderlich längs der Eintrittskante; in Abb.1 ist angenommen, dass Cr @ Cr1'@ Cr Abb. 2 zeigt.einen Querschnitt durch das Laufrad und die Konturen der zylindrischen Schaufeln 3. Die Konturneigung kann konstant sein, im allgemeinen ist sie aber veränderlich über der Schaufellänge; sie kann als eine Funktion des Radius r ausgedrückt werden:

  (1 )

  I I # iI

  In Abb. 2 ist angenommen, dass./3 = 1# r9, ß7 =#C# »/3'--A<y-

  Abb. 3 zeigt den Geschwindigkeitspolygon für@die Eintrittskante. Durch ihn können bekanntlich aus der Radialgeschwindigkeit C., der induzierten Geschwindigkeit Ci und der Umfangsgeschwindigkeit u = wr (w-Winkelgeschwindigkeit des Laufrades) der Betrag w und die Richtung 13 der Relativgeschwindigkeit bestimmt werden. Auf diese Weise ist z.B. die Anfangsneigung der Schaufel für den Punkt 1 der Eintrittskante bestimmt, wo die Radialgeschwindigkeit Crl vorliegt, die der Auslegung des ebenen Gitters zu Grunde gelegt ist.
• Aus der Veränderlichkeit der Radialgeschwindigkeit C, längs der ursprünglichen Eintrittskante ergibt sich offensichtlich eine veränderliche Richtung %3 der Relativgeschwindigkeit, während die Anfangsneigung der zylindrischen Schaufeln konstant ist. Folglich kann die ursprüngliche Eintrittskante keine stossfreie Anströmung verwirklichen, ausser in ihrem Punkt 1. Um eine stossfreie Eintrittskante zu bilden, verlegt man an den Stellen, wo C:,# @ Crl ist, die Punkte der Eintrittskante auf solche Radien r j r1, dass aus den dortigen Radialgeachwindigkeiten C r74 "r1, Umfangsgeschwindigkeiten u @ u1 und induzierten Geschwindigkeiten Cii' Cif sich solche Richtungen p i P, der Relativgeschwindigkeiten ergeben, die den dortigen Neigungen der Schaufel gleich sind. In Abb. 3 sind die Geschwindigkeitspolygone für die Punkte 1' und 1" der stossfreien Eintrittskante aus Abb. 1 und 2 angegeben, die die dortigen Neigungen P und ß"der Schaufel ergeben.
• Die Gestaltung der stossfreien Eintrittskante zylinderischer Schaufeln kann bei Berücksichtigung aller Geschwindigkeiten am genauesten mit Hilfe der Schaufelgittertheorie durchgeführt werden. Für die Radien (Achsabstände) r der Punkte der Eintrittskante ergibt sich in Abhängigkeit von der Radialgesehwindigkeit Cr und der Schaufelneigung.ß = ß(r) nach G1.(1) die angenäherte Beziehung Die Konstanten r1, 1, a, b und c sind aus der Auslegung des ebenen Schaufelgitters zu entnehmen; es bedeuten Cm2/u2® Lieferzahl ( Cm2 und u2 ƒ Meridian- und Umfangsgeschwindigkeit am Austritt des Laufrades)-, 2g R/u2 theoretische Druckzahl (H - theoretische Förderhöhe, g - Erd-

  beschleunigung) , w1 -Relativgeschwindigkeit und rl/r2 -

  Radienverhältnis.

  Die Festlegung der stossfreien Eintrittskante wird zweckmässig wie folgt durchgeführt: man bestimmt in ausreichend vielen Punkten in der Umgebung der Eintrittskante die Radialgeschwindigkeiten der Strömung durch den schaufällosen Raum, der durch das Saugrohr und die haufradscheiben gebildet ist. Dies kann analytisch, graphisch oder experimentell erfolgen.

  Es werden dann eine Anzahl von isothachen Cr/Crl = konst

  aufgezeichnet.-Die Auflösung der G1. (2) nach Cr/Crl ergibt

  Die rechte Seite dieser Gleichung stellt eine Funktion allein von r dar. Das Argument-r, für das diese Funktion den Betrag Cr/Cri einer Isothache annimmt, ergibt den Radius r des Schnittpunktes dieser Isothache mit der stossfreien Eintrittskante. Auf diese Weise kann man genügend viele Punkte für die Aufzeichnung der Eintrittskante gewinnen. @..s der Schaufelgittertheorie ergibt sich ferner, dass bei der Gestaltung der stossfreien Eintrittskante die Förderhöhe sich am wenigsten über die Breite des Laufrades ändert, wenn an den Stellen höherer Radialgeschwindigkeit (Cr > Cr1) die Schaufeln verkürzt werden und umgekehrt. Dadurch ergeben sich geringere Verluste beim Ausgleich der Geschwindigkeiten ausserhalb des Laufrades.-Diese Forderung kann nur durch Schaufelkonturen erfüllt werden, mit deren Neigungsfunktion P=P(r) die rechte Seite von G1. (3) im Bereich der Längenänderungen der Schaufeln eine ansteigende Funktion von r ist. Die Wirkung der stossfreien Eintrittskante wird günstig beeinflusst, wenn eine ablösungsfreie Strömung durch das Laufrad, insbesondere an der Deckscheibe, gesichert wird. Deswegen ist es zweckmässig, nach Abb. 4 den Spalt 9 zwischen dem Saugrohr 10 und der Deckscheibe 4 in Form eines Kanals in tangentialerRichtung zur Kontur der Deckscheibe auszubilden. Die durch ihn von dem Spiralgehäuse 11 zum Laufrad ausfliessende Strömung erhöht die Energie der dortigen Grenzechicht und unterdrückt die Ablösung. ,Die Bedingungen zu einer ablösungsfreien Strömung sind besonders ungünstig, wenn die radiale Turbomaschine an einer Saugleitung angeschlossen ist, weil dann die Grenzschicht extrem dick und zur@Ablösung sehr anfällig ist. Diese Bedingungen können wesentlich verbessert werden, wenn nach Abb. ¢ das Saugrohr 10 in Strömungsrichtung sich verengend ausgebildet wird. Dadurch wird der Strömung eine konvektive Beschleunigung verliehen, die die Grenzschicht bekanntlich verdünnt und stabiler gegenüber Ablösung macht. Es ist experimentell bestätigt, dass die nach dem Erfindungsgedanken ausgebildeten stossfreien Eintrittskanten zylindrischer Schaufeln zu wesentlichen Steigerungen des Yvirkungsgrades radialer Turbomaschinen führen.

Claims (4)

1. Patentansprüche 1 : Stossfreie Eintrittskante zylindrischer Schaufeln für radiale Laufräder, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände (Radien) ihrer Punkte von der Laufradachse die Bedingung erfüllen.
2. 2. Stosafreie Eintrittskante nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stellen grösserer radialer Anstromgeschwindigkeit (C, > Cr1) die Achsabstände ihrer Punkte grösser ( r>r1), und an den Stellen kleinerer radialer Anatromgeschwindigkeit (Cr <C r1) die Achsabstände kleiner (rer1) sind.
3. 3. Radiale Turbomaschine mit Eintrittskanten der Schaufeln nach Anspruch 1, und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen dem Saugrohr und der Deckscheibe in Form eines Kanals mit tangentialer Richtung zur Kontur der Deckscheibe ausgebildet ist.
4. 4. Radiale Turbomaschine mit Eintrittskanten der Schaufeln nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Saugrohr in Strömungsrichtung sich verengend ausgebildet ist.