DE2043083B2 - Verfahren und Beschaufelung zur Verminderung der schlängelnden Bewegung eines Massenteilchens beim Durchströmen einer Turbomaschine - Google Patents

Description

35

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

In den Beschaufelungen von axial durchströmten Turbomaschinen führt das Arbeitsmedium eine schlängelnde Bewegung in der Meridianebene aus, als Folge der periodischen Änderung der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit und der damit verbundenen Änderung der Zentrifugalkräfte. Diese schlängelnde Bewegung verursacht zusätzliche Energieverluste und erschwert die korrekte 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 Maßnahme hat den Nachteil, daß für Maschinen großen Volumendurchflusses und damit großer Schaufelfächerung die Schaufeln sehr stark verwunden sein müssen. Dies verteuert die Fabrikation und ist aus Festigkeitsgründen nicht immer ausführbar.

Es ist auch schon versucht worden, die Schaufeln schief gegenüber der Radialrichtung aufzustellen. Die radialen Kräfte sollen die Zentrifugalkräfte kompensie- " ren; 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 EnergieverSuste herabzusetzen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geJöst, 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 gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittskante jeder Leitschaufel, in Achsrichtung gesehen, vom Fuß der Leitschaufel gegen den Kopf hin mindestens so stark zueinander geneigt sind, daß sie mit einer Radialen zusammenfallen, und die Eintrittsund Austrittskante jeder Laufschaufel, in Achsrichtung gesehen, vom Fuß gegen den Kopf hin von den den durch die Fußpunkte der Eintritts- und Austrittskante gelegten Radialen mindestens so weit abweichen, daß sie annähernd parallel verlaufen.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 verschiedene Leit- und Laufschaufelformen, in Achsrichtung der Turbomaschine gesehen,

F i g. 2 einen Teil des abgewickelten Zylinderschnittes H '.I der F i g. 1, durch eine Leit- und Laufschaufelreihe,

F i g. 3 bis 5 dazugehörige Strömungsdiagramme.

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% Reaktionsgrad (d.h. die Leit- und die Laufschaufeln verarbeiten je die Hälfte des Stufengefälles) längs 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 Leitschaufelkranzes sieigt 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 Eulerschen Turbinensatzes verarbeitet. Beim Verlassen des Laufschaufelkranzes hat diese Komponente wieder denselben negativen Betrag wie vor dem Leitrad, damit sich die nächste Stufe wieder anschließen kann. Diese Änderung der Umfangskomponente verursacht eine entsprechende Änderung der radialen Beschleunigung, weiche 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 F i g. 1 und 2 zeigen eine Leitschaufel 1 einer Turbomaschine mit der Eintrittskante 3 und der Austrittskante 4, 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 zusam

F i g. 3 zeigt schematisch in Kurve 21 den Verlauf der radialen Beschleunigung eines Massenteilchens in einer Stufe, hervorgerufen durch die aus der Umfangskom-

ponente der Strömungsgeschwindigkeit entstehenden radialen Kräfte, Die Kurve 22 veranschaulicht den Verlauf der Geschwindigkeit und die Kurve 23 den Verlauf der Verrückung in der radialen Richtung, wobei jeweils, so wie auch in den F i g. 4 und 5, die linke Hälfte eines S 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 Arbeitsmediums beim Durchströmen durch die Stufe. Diese Zeit ist, bis auf den Einfluß der Verengung wegen der Schaufeldikke, dem axialen Abstand proportional, so daß die Kurve 23 gleichzeitig auch die in eine Meridianebene zylinderprojizierte Meridianstromiinie darstellt Die Kurven 22 und 23 entstehen durch ein- bzw. zweimalige Integration der Kurve 21 mit den geeigneten 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. i, so könnte außer der durch den oben beschriebenen Strömungsvorgang verursachten radialen Beschleunigung keine radiale Schaufelkraft auf das Arbeitsmedium ausgeübt werden. Die herkömmliche Ausführungsart sind aber »zylindrisehe« Leit- und Laufschaufeln, nämlich mit praktisch parallelen Eintritts- und Austrittskanten, wi: die Leitschaufel 7 und die Laufschaufel 8 in Fig. 1. Die Eintritts- und Austrittskanten bilden dann die Winkel ±γ mit den durch ihre Fußpunkte gelegten Radialen, und zwar so, daß die Eintrittskante 9 der Leitschaufel 7 und die Austrittskante 12 der Laufschautel 8 einen negativen 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 Fußpunkten 13 und 14 der Eintrittskante 11 bzw. der Austtittskante 12 eingezeichnet ist. Diese Winkel γ 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 F i g. 4. Die Integration der Kurve 31 ergibt wieder die Geschwindigkeitskurve 32 und die Verrückungskurve 33.

Ein Vergleich der F i g. 3 und 4 zeigt, daß die radialen Kräfte in den Leitschaufeln sich addieren, obwohl sie sich in den Laufschaufeln kompensieren. Diese Sachlage trifft sowohl für eine Turbine als auch für einen Verdichter zu. Wie bei einer Schwingung verschiedener Frequenzen können sich die beiden Ursachen nicht gegenseitig aufheben. Die Energiedissipation wird sich sogar immer addieren.

Nach der Erfindung werden nun die Laufschaufeln im wesentlichen »zylindrisch« nach 8 in F i g. 1, die Leitschaufeln jedoch im wesentlichen »radial« nach 1 in F i g. 1 ausgeführt, so daß radiale Kräfte praktisch nur bei den Laufschaufeln auftreten, während die Leit schaufehl praktisch keine radialen Kräfte auf das Arbeitsmedium ausüben. Die Kurve 41 in F i g. 5 zeigt den Verlauf der Beschleunigung innerhalb der Stufe. Aus einem Vergleich mit F i g. 3 ist ersichtlich, daß nun die radialen Kräfte aus der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit und aus der Formgebung der Beschaufelung in den Laufschaufeln sich kompensieren, aber in den Leitschaufeln keine zusätzliche Störkraft vorkommt Die Integrationen mit den geeigneten Integrationskonstanten ergeben die Kurven 42 für den Geschwindigkeitsverlauf und die Kurve 43 für die Verrükkung. Ein Vergleich der Kurve 43 mit der Kurve 23 der F i g. 3 zeigt, daß bei zweckdienlicher Wahl des Verhältnisses der beiden Ursachen der radialen Verrückungen eine sehr gute Kompensation erreicht werden kann.

Eine verstärkte Wirkung der Kompensation läßt sich dann erreichen, wenn die Eintritts- und Austriitskanten der Laufschaufeln vom Fuß gegen den Kopf hin, in Achsrichtung gesehen, zusammenlaufen, wie es in 15 der F i g. 1 gezeigt ist Auf diese Weise kann das Verhältnis der beiden Ursachen für die radialen Verrükkungen 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 Umfangsrichtung die Verhältnisse jedoch gerade umgekehrt liegen.

Auch bei den Leitschaufeln kann eine kompensierende Kraft angebracht werden, wenn die Eintritts- und Austrittskanten vom Fuß 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, daß bei einer erfindungsgemäßen Beschaufelung die Laufschaufeln entweder in der Umfangsrichtung oder in der axialen Richtung breiter als die Leitschaufeln sind. Wie der Vergleich der F i g. 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 Umfangsrichtung erhöht sich der Betrag des Winkels ±γ in Fig. 1, wodurch die kompensierende Wirkung verstärkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verminderung der in einer von einem Arbeitsmedium axial durchströmten Turbomaschine durch die wechselnde Umfangskoraponente der Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufenen schlängelnden Bewegung des in eine Meridianebene zylinderprojizierten Weges eines Massenteilchens durch die Beschaufelung der Turbomaschine, 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 Austriitekante (3 bzw. 4) jeder Leitschaufel (1, 16), in Achsrichtung gesehen, vom Fuß der Leitschaufel gegen den Kopf hin mindestens so stark zueinander geneigt sind, daß sie mit einer Radialen zusammenfallen, und die Eintrittsund Austrittskante (11 bzw. 12) jeder Laufschaufel (8, 15), in Achsrichtung gesehen, vom Fuß gegen den Kopf hin von den durch die Fußpunkie {13,14) der Eintritts- und der Austrittskante (11 bzw. 12) gelegten Radialen mindestens so weit abweichen, daß sie annähernd parallel verlaufen.

3. Beschaufelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (8, 15) wenigstens in einer der beiden Hauptrichtungen (axiale und Umfangsrichtung) eine größere Breite aufweisen als die Leitschaufel (1,16).