DE2321914A1 - Beschaufelung einer von einem arbeitsmedium axial durchstroemten turbomaschine - Google Patents

Description

23219U

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

Beschaufelung einer von einem Arbeitsmedium axial durchströmten Turbomaschine.

Die Erfindung betrifft eine Beschaufelung einer von einem Arbeitsmedium axial durchströmten Turbomaschine mit Verminderung der durch die wechselnde Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufenen schlangelnden Bewegung des in eine Meridianebene zylinderprojizierten Weges eines Massenteilchens durch die Beschaufelung.

In den Beschaufelungen der axial durchströmten Turbomaschinen führt das Arbeitsmedium eine schlängelnde Bewegung in der Meridianebene aus, als Folge der periodischen Aenderung der

409840/0252

- 2 - 36/73

Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit und der damit verbundenen Aenderung der Zentrifugalkräfte. Diese schlängelnde Bewegung verursacht zusätzliche Ehergieverluste und erschwert die korrekte Auslegung der Schaufelprofile wegen der Beein- . flussung der Anströmwinkel.

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 steigt 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 Euler¹sehen 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 Aenderung der Umfangskomponente verursacht eine entsprechende Aenderung der radialen Beschleunigung, welche bei konstantem Reaktionsgrad dieser Geschwindigkeitskomponente proportional ist. Die radiale

409840/0252

23219H

- 3 - 36/73

Beschleunigung ruft ihrerseits eine radiale Geschwindigkeitskomponente und darauf eine radiale Verdrängung der Stromlinien in der Meridianebene hervor. Das ist die Erscheinung der schlangelnden Bewegung.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisch in Kurve 1 den Verlauf der radialen Beschleunigung eines Massenteilchens in einer Stufe, hervorgerufen durch die aus der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit entstehenden radialen Kräfte. Die Kurve 2 veranschaulicht den Verlauf der Geschwindigkeit und die Kurve 3 den Verlauf der Verrückung in der radialen Richtung, wobei jeweils 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 Arbeitsmediums beim Durchströmen durch die Stufe. Diese Zeit ist, bis auf den Einfluss der Verengung wegen der Schaufeldicke₃ dem axialen Abstand proportional, so dass die Kurve 3 gleichzeitig auch die in eine Meridianebene zylinderprojizierte Meridianstromlinie darstellt. Die Kurven 2 und 3 entstehen durch ein- bzw. zweimalige Integration der Kurve 1 mit den geeigneten Integrationskonstanten. - Die obigen Ausführungen bedürfen einer Modifikation, wenn die endliche Schaufeldicke berücksichtigt werden muss.

Zur Herabsetzung der schlängelnden Bewegung der Massenteilchen des Arbeitsmediums ist es bekannt (CH-PS 516 7^7), bei den

409840/025?

23219U

- H - 36/73

Schaufeln einer Turbomaschine die Eintrittskanten und die Austrittskanten gegenüber der Radialen unterschiedlich geneigt auszuführen, je nachdem, ob es sich um die stationären Leitschaufeln oder um die rotierenden Laufschaufeln handelt. Der Grundgedanke ist dabei, der auf ein Massenteilchen einwirkenden radialen Beschleunigungskraft durch die Formgebung der Schaufeln entgegenzuwirken. Obwohl sich nach dieser Methode bei zweckdienlicher Wahl des Verhältnisses der beiden Ursachen der radialen Verrückungen eine sehr gute Kompensation erreichen lässt, sind der vollen Anwendung dieser Methode oftmals Grenzen gesetzt, weil die Gestaltungsmöglichkeiten für eine Schaufel durch aerodynamische und festigkeitsmässige Gesichtspunkte beschränkt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die schlangelnde Bewegung der Massenteilchen auf eine Art zu kompensieren, die auch dort anwendbar ist, wo die bekannte Massnahme begrenzt ist.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass mindestens ein Leitrad und/oder ein Laufrad aus zwei in axialer Richtung hintereinanderliegenden Teilrädern besteht, und die Schaufeln des einen Teilrades und die Schaufeln des anderen Teilrades, in Achsrichtung gesehen, jeweils nach entgegengesetzten Richtungen gegenüber der Radialen geneigt sind.

Wird z.B. ein Leitrad erfindungsgemäss geteilt, dann entsteht im ersten Teilrad eine zentrifugale und im zweiten Teilrad eine

409840/0252

- 5 - 36/73

zentripetale Zusatzkraft, die radiale Beschleunigungen hervorrufen, welche die schlängelnde Bewegung der Massenteilchen fast völlig kompensieren.

Anhand der weiteren Figuren der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 2 einen Teil des abgewickelten Zylinderschnittes durch das Leitrad der Fig.3 nach II - II sowie durch das nachfolgende Laufrad;

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem zweiteiligen Leitrad, in Achsrichtung gesehen;

Fig. 4 dazugehörige Strömungsdiagramme.

Nach Fig. 2 besteht das Leitrad aus zwei in axialer Richtung hintereinanderliegenden Teilrädern, nämlich dem Teilrad 4 mit den Schaufeln 5 und dem Teilrad 6 mit den Schaufeln 7. In allgemeiner Strömungsrichtung des Dampfes, durch den Pfeil 8 angedeutet, ist hinter dem Teilrad 6 das Laufrad 9 mit den Schaufeln 10 angeordnet.

Die Fig. 3 zeigt je eine Schaufel der beiden Teilräder in Stirnansicht. Danach ist die Schaufel 5 des Teilrades ¹J um den positiven Winkel +")f und die Schaufel 7 des Teilrades 6 um den negativen Winkel - <jf gegenüber der Radialen geneigt. Die Schaufeln

409840/0252

- 6 - 36/7.3

des Laufrades 9 (Pig.2) sind in bekannter Weise so ausgeführt, dass bei deren Einzeichnung in die Fig.3 ihre Eintritts- und Austrittskanten mit Radialen zusammenfallen.

Bei einer derartigen Ausbildung der Beschaufelung ergibt sich im- ersten Teilrad 4 eine zentrifugale Zusatzkraft und im zweiten Teilrad 6 eine zentripetale Zusatzkraft. Diese Zusatzkräfte rufen radiale Beschleunigungen hervor, welche die linke Hälfte der Kurve 11 in Fig. 4 bilden. Im Laufrad entsteht wegen der radial verlaufenden Schaufelkanten keine Radialbeschleunigung, was aus der rechten Hälfte der Kurve 11 ersichtlich ist.

Dieser Verlauf der radialen Beschleunigung verursacht eine Geschwindigkeit und eine Verrückung in radialer Richtung, deren Verlauf in den Kurven 12 bzw. 13 der Fig. ¹J dargestellt ist. Wie ein Vergleich der Kurve 13 mit der· Kurve 3 xri Fig. 1 zeigt, wird mit der erfindungsgemässen Massnahme die durch die wechselnde Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufene Verrückung der schlängelnden Bewegung eines Massenteilchens fast völlig kompensiert.

Die Schaufelteilung des ersten Teilrades ¹I, d.h. der Abstand zwischen den Schaufeln 5» kann gleich sein der Schaufelteilung des zweiten Teilrades 6, also dem Abstand zwischen den Schaufeln 7, die beiden Schaufelteilungen können aber auch unterschiedlich sein. Es ergeben sich dadurch weitere Variationsmöglichkeiten für die Strömungsführung.

409840/0252

- 7- 36/73

Nimmt man die unvermeidlichen baulichen Komplikationen in Kauf, kann selbstverständlich auch das Leitrad einteilig und mit radial verlaufenden Schaufelkanten und das Laufrad in zwei Teilen ausgeführt werden. Es entsteht dann im ersten Teilrad des Laufrades eine zentripetale und im zweiten Teilrad eine zentrifugale Zusatzkraft, wodurch die rechte Hälfte der Kurve 1 in Fig.l kompensiert wird. Ferner ist es möglich, sowohl das Leitrad als auch das Laufrad zweiteilig auszuführen. Auch sei erwähnt, dass die erfindungsgemässe zweiteilige Radausführung mit einer der Schaufelformen nach der CH-PS 516 7^7 beliebig kombiniert werden kann.

409840/0252

Claims (2)

1. - 8 Patentansprüche

   .") Beschaufelung einer von einem Arbeitsmedium axial durchströmten Turbomaschine mit Verminderung der durch die wechselnde Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufenen schlangelnden Bewegung des in eine Meridianebene zylinderprojizierten V/eges eines Massenteilchens durch die Beschaufelung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leitrad und/oder ein Laufrad aus zwei in axialer Richtung hintereinanderliegenden Teilrädern (4,6) besteht, und die Schaufeln (5) des einen Teilrades (4) und die Schaufeln (7) des anderen Teilrades (6), in Achsrichtung gesehen, jeweils nach entgegengesetzten Richtungen gegenüber der Radialen geneigt sind. -
2. 2. Beschaufelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelteilungen im ersten Teilrad (4) und im zweiten Teilrad (6) unterschiedlich voneinander sind.

   Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

   Λ09840/0252