DE2043083A1

DE2043083A1 - Verfahren und Beschaufelung zur Verminderung der schlängelnden Bewegung eines Massenteilchens beim Durchströmen einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE2043083A1
Application number: DE19702043083
Authority: DE
Inventors: Lang Shuen Dr.-Ing. Wettingen Dzung (Schweiz). M
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1970-05-27
Filing date: 1970-08-31
Publication date: 1971-12-09
Also published as: GB1306891A; FR2093626A5; CH516747A; US3764225A; DE2043083C3; DE2043083B2

Description

72/70 W/ef

-Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren und Beschaufelung zur Verminderung der schlängelnden Bewegung eines Massenteilchens beim Durchströmen einer Turbo-

maschine.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der in einer von einem Arbeitsmedium axial durchströmten Turbomaschine durch die wechselnde Umfanrskomponente der Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufenen schlängelnden Bewegung des in eine Meridianebene" zylinderprojizierten Weges eines Massenteilchens durch die Be-• schaufelung der Maschine, und eine Beschaufelung zur Durchführung des Verfahrens.

In den Beschaufelungen der axial durchströmten Turbomaschinen führt das Arbeitsmedium eine schlängelnde Belegung in der Meridi~ anebene aus, als Folge der periodischen Aenderung der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit und der damit verbundenen Aenderung der Zentrifugalkräfte. Diese schlängelnde Bewegung ver-. ursacht zusätzliche Energieverluste und erschwert die korrekte

1098S0/0952.

- 2 - 72/70

Auslegung der Schaufelprofile wegen der Beeinflussung der Anströmwinkel.

Eine bekannte Gegenmassnahme besteht darin, die Schaufeln zu verwinden, so dass die Strömung mindestens in der axialen Richtung wirbelfrei ist. Eine wirbelfreie Strömung kann nämlich die Bedingung des radialen Gleichgewichtes ohne schlängelnde Bewegung erfüllen. Diese Massnehme hat den Nachteil, dass für Maschinen grossen Volumendurchflusses und damit grosser Schaufelfächerung die Schaufeln sehr stark verwunden sein müssen. Dies ver t euert die Fabrikation und ist aus Pestigkeitsgründen nicht immer ausführbar.

Es ist auch schon versucht worden, die Schaufeln schief gegenüber der Radialrichtung aufzustellen. Die radialen Kräfte sollen die Zentrifugalkräfte kompensieren; diese Massnahme erwies sich als unwirksam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die schlängelnde Bewegung des Arbeitsmediums auf seinem Wege durch die Turbomaschine und die dadurch verursachten Energieverluste herabzusetzen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass durch die Formgebung der Beschaufelung radiale Kräfte im Arbeitsmedium hervorgerufen werden, welche die aus der Umfangskomponente entstehenden radialen Kräfte wenigstens teilweise kompensieren.

Eine Beschaufelung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch

109850/0952

- 3 - 72/70

gekennzeichnet, dass die Eintritts- und Austrittskante jeder Leitschaufel, in Achsrichtung gesehen, vom Puss der Schaufel gegen den Kopf hin mindestens so stark zueinander geneigt sind, dass sie mit einer Radialen zusammenfallen, und die Eintritts- und Austrittskante jeder Laufschaufel, in Achsrichtung gesehen, vom Puss gegen den Kopf hin von den den durch die Fusspunkte der Eintritts- und Austrittskanta gelegten Radialen mindestens so weit abweichen, dass sie annähernd parallel verlaufen.

Anhand der beigelegten Zeichnung soll die Erfindung näher erläu- " tert werden. Es zeigen:

Fig. 1 verschiedene Leit- und Laufschaufelformen, in Achsrichtung

der Turbomaschine gesehen,
Fig. 2 einen Teil des abgewickelten Zylinderschnittes II-II der

Pig. 1, durch eine Leit- und Laufschaufelreihe, Fig. 3 bis 5 dazugehörige Strömungsdia&ra

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zuerst die Ursache der schlängelnden Bewegung eines Massenteilchens eingehender ™ untersucht werden. Betrachtet werde eine typische Stufe einer mehrstufigen, axial durchströmten Turbomaschine mit-konstant 50 % Reaktionsgrand (d.h. die Leit- und die Laufschaufeln verarbeiten je die Hälfte des Stufengefälles) länge dem Radius. Vor dem Leitrad der Stufe hat die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit einen bestimmten Betrag in einer zuerst willkürlich als negativ bezeichneten Richtung. Innerhalb des Leitschaufelkranzea steigt

1098 5 0/0952

-(J- 72/70

die Umfangskomponente von diesem negativen Betrag bis zu einem bestimmten neuen positiven Betrag an. Beim Durchströmen des Laufschaufelkranzes wird die absolute Umfangskomponente der Geschwindigkeit auf Grund des Euler'schen Turbinensatzes verarbeitet. Beim Verlassen des Laufschaufelkranzes hat diese Komponente wieder den selben negativen Betrag wie vor dem Leitrad, damit sich die nächste Stufe wieder anschliessen kann. Diese Aenderung der Umfangskomponente verursacht eine entsprechende Aenderung der radialen Beschleunigung, welche bei konstantem Reaktionsgrad dieser Geschwindigkeitskomponente proportional ist. Die radiale Beschleunigung ruft ihrerseits eine radiale Geschwindigkeitskomponente und darauf eine radiale Verdrängung der Stromlinien in der Meridianebene hervor. Das ist die Erscheinung der schlängelnden Bewegung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Leitschaufel 1 einer Turbomaschine mit der Eintrittskante 3 und der Austrittskante ¹J, ferner die Laufschaufel 2 mit der Eintrittskante 5 und der Austrittskante 6. Die Eintritts- und Austrittskanten beider Schaufeln fallen mit Radialen, d. h. durch den Mittelpunkt O gehenden Linien zusammen.

Fig. 3 zeigt schematisch in Kurve 21 den Verlauf der radialen Beschleunigung eines Massenteilchens in einer Stufe, hervorgerufen durch die aus der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit entstehenden radialen Kräfte. Die Kurve 22 veranschaulicht den Verlauf der Geschwindigkeit und die Kurve 23 den Verlauf der Ver-

109850/0952

- 5 - 72/70

rückung in der radialen Richtung, wobei jeweils, so wie auch in den Fig. 4 und 5, die linke Hälfte eines Diagramms den Verlauf im Leitschaufelkranz und die rechte Hälfte den Verlauf im Laufschaufelkranz einer Stufe darstellt. Die Abszissen sind jeweils die Durchlaufzeit eines Massenteilchens des Arbeitemediums beim Durchströmen durch die Stufe. Diese Zeit ist, bis auf den Einfluss der Verengung wegen der Schaufeldicke, dem axialen Abstand proportional, se dass die Kurve 23 gleichzeitig auch die in eine Meridianebene zylinderprojizierte Meridian- ' i Stromlinie darstellt. Die Kurven 22 und 23 entstehen durch ein- bzw. zweimalige Integration der Kurve 21 mit den geeigenten Integrationskonstanten. - Die obigen Ausführungen bedürfen einer Modifikation, wenn die endliche Schaufeldicke berücksichtigt werden muss.

Könnten alle Schaufeln "radial" ausgeführt werden, wie die Schaufeln 1 und 2 der Fig. 1, so könnte ausser der durch den oben beschriebenen Strönmngsvorgang verursachten radialen Be3chieunigünR keine radiale Schaufelkraft auf das Arbeitsmedium ausgeübt werden.Die herkömmliche Ausführungsart sind aber "zylindrische" Leit- und Laufschaufeln, nämlich mit praktisch parallelen Ein- ; tritts- und Austrittskanten, wie difc Leitschaufel 7 und die Laufschaufel 8 in Fig. 1. Die Eintritts- und Austrittskanten bilden dann die Winkel - #* mit den durch ihre Fusspunkte gelegten Radialen, und zwar so, dass die Eintrittskante 9 der Leitschaufel 7 und die Austritt3kante 12 der Laufschaufel 8 einen negativen

109850/0952

- 6 - 72/70

Winkel, während die Austrittskante 10 der Leitschaufel 7 und die Eintrittskante 11 der Laufschaufel 8 einen positiven Winkel bilden, wie das für die Laufschaufel 8 mit den Pusspunkten 13 und I¹I der Eintrittskante 11 bzw. der Austrittskante 12 eingezeichnet ist. Diese Winkel S sind gleichzeitig auch die Winkel zwischen der radialen und der Umfangskomponente der Kräfte, welche die Schaufeln auf das Arbeitsmedium ausüben. Da die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit in den Leit- und Laufschaufeln ™ immer einander entgegengerichtet sind, haben die zusätzlichen radialen Schaufelkraftkomponenten in den Leit- und in den Laufschaufeln und damit auch die zusätzlichen radialen Beschleunigungen immer einen ähnlichen Verlauf, z.B. nach Kurve 31 in Fig. Ί. Die Integration der Kurve 31 ergibt wieder die Geschwindigkeitskurve 32 und die Verrückungskurve 33.

Ein Vergleich der Fig. 3 und A zeigt, dass die radialen Kräfte in den Leit schaufeln sich addieren, obwohl sie sich in den Lauf*' ^ schaufeln kompensieren. Diese Sachlage trifft sowohl für eine Turbine als auch für einen Verdichter zu. Wie bei einer Schwingung verschiedener Frequenzen können eich die beiden Ursachen nicht gegenseitig aufheben. Die Energiedisspation wird^ sich sogar inmK»r addieren.

Nach der Erfindung werden nun die Laufschaufeln im wesentlichen "zylindrisch" nach 8 in Fig. 1, die Leitschaufeln jedoch im wesentlichen "radial" nach 1 in Fig.l ausgeführt, so dass radiale

1098S0/09S2 offlGlNAt

- 7 - 7?/7O

fträfte praktisch nur bei den Laufschaufeln auftreten, während die Leitschaufeln praktisch keine radialen Kräfte auf das Arbeitsmedium ausüben. Die Kurve 4l in Fig. 5 zeigt den Verlauf der Beschleunigung innerhalb der Stufe. Aus einem Vergleich mit Pig. 3 ist ersichtlich, dass nun die radialen Kräfte aus der Umfangkomponente der Strömungsgeschwindigkeit und aus der Formgebung der Beschaufelung in -den Laufschaufeln sich kompensieren, aber in den Ijeitschaufeln keine zusätzliche Störkraft vorkommt. Die Integrationen mit den geeigneten Integrationskonstanten ergeben die Kurven 42 für den Geschwindigkeitsverlauf und die Kurve 43 für die Verrückung. Ein Vergleich der Kurve 43 mit der Kurve 23 der Fig. 3 zeigt, dass bei zv/eckdienlicher Wahl des Verhältnisses der beiden Ursachen der radialen Verrückungen eine sehr gute Kompensation erreicht werden kann.

Eine verstärkte Wirkung der Kompensation 1'' -1 sich dann erreichen, wenn die Eintritts- und Austrittskanten der Laufschaufeln vom Fuss gegen den Kopf hin, in Achsrichtung gesehen, zusammenlaufen, wie es in 15 der Fig. 1 gezeigt ist. Auf diese Weise kann das Verhältnis der beiden Ursachen für die radialen Verrückungen eines Massenteilchens verändert werden.- Es sei hier ausdrücklich betont, dass diese Ausführungsart nicht mit der bekannten "Verjüngung" der Schaufeln zu verwechseln ist,Diese ist in der Regel so, dass im Axialschnitt die Schaufeln zwar am Fuss breiter als am Kopf sind, in Umfangerichtung die Verhältnisse jedoch gerade umgekehrt liegen.

109850/0952.

- 9 - 72/70

Auch bei den Leitschaufeln kann eine kompensierende Kraft angebracht werden, wenn die Eintritts- und Austrittskanten vom Puss gegen den Kopf hin noch stärker zueinander geneigt sind als die entsprechenden Radialen, z.B. gemäss 16 in Fig. 1. Mit einer Radialkraft in den Leitschaufeln von zweckentsprechender Richtung kann die Kompensation fast bis zur Vollständigkeit getrieben werden.

Eine ähnliche verstärkte Wirkung lässt sich auch dadurch erreichen, W dass bei einer erfindungsgemässen Beschaufelung die Laufschaufeln entweder in der Unfangsrichtung oder in der axialen Richtung breiter als die Leitschaufeln sind. Wie der Vergleich der Figuren 3 und 5 gezeigt hat, gibt es nur bei den Laufschaufeln eine kompensierende Wirkung. Mit einem in axialer Richtung breiteren Laufschaufelkranz erhöht sich die Durchströmzeit durch die Laufschaufeln; die gleiche radiale Beschleunigung erzeugt dann einen grösseren Betrag der radialen Geschwindigkeit und der radialen Verrückung. Mit breiteren Laufschaufeln in der (Jmfangsrichtung ™ erhöht sich der Betrag des Winkels -If in Fig. 1, wodurch die kompensierende Wirkung verstärkt wird.

109850/0952

Claims

- 9 - 72/70

Pate nt an 's prü c he;

• ·

Γΐ.Jverfahren zur Verminderung der in einer von einem Arbeitsmedium axial durchströmten Turbomaschine durch die wechselnde Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufenen schlängelnden Bewegung des in eine Meridianebene zylinderprojizie: ten Weges eines Massenteilchens durch die Beschaufelung der Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Formgebung der ( Beschaufelung radiale Kräfte im Arbeitsmedium hervorgerufen werden, welche die aus der Umfangskomponente entstehenden radialen Kräfte wenigstens teilweise kompensieren.

2, Beschaufelung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritts- und Austrittskante (3 bzw. ¹O jeder Leitschaufel (1,16), in Achsrichtung gesehen, vom Puss der Schaufel gegen den Kopf hin mindestens so stark zueinander geneigt sind, dass eic mit einer Radialen zusammenfallen, und die Eintritts- und Austrittekante (11 bzw, 12) jeder Laufschaufel (8,15), tn Achsrichtung gesehen, vom Fuse gegen den Kopf hin von den durch die Fusspunkte (13,1¹J) der Eintritts - und der Austrittskante (11 bzw. 12) gelegten Radialen mindestens so weit abweichen, dass sie annähernd parallel verlaufen.

BAD ORIGINAL

109850/0952

- 10 - 72/70

3. Beschaufelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Laufschaufeln (8,15) wenigstens in einer der beiden Haupt· richtungen (axiale und Umfangsrichtung) eine grössere Breite aufweisen als die Leitschaufel (1,16).

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie,

109850/0952