DE2650433B2

DE2650433B2 - Laufschaufel einer axialen Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE2650433B2
Application number: DE2650433A
Authority: DE
Inventors: Robert Danzig Szewalski (Polen)
Original assignee: POLSKA AKADEMIA NAUK INSTYTUT MASZYN PRZEPLLYWOWYCH DANZIG (POLEN)
Current assignee: POLSKA AKADEMIA NAUK INSTYTUT MASZYN PRZEPLLYWOWYCH DANZIG (POLEN)
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1976-11-03
Publication date: 1980-07-03
Also published as: PL111037B1; DE2650433C3; CH617493A5; DE2650433A1; US4284388A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laufschaufel einer axialen Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine lange Laufschaufel, welche am Austritt, d. h. in der Endstufe von Turbinen, b-w. am Eintritt, d.h. in der ersten Stufe von Verdichtern, Verwendung findet

Die bekannten Laufschaufeln für 'lermische Turbomaschinen — Dampf- und Gasturbinen sowie Axialverdichter — sind aus Gründen der Festigkeit und der Strömungstechnik derart gestaltet, daß sie sich zum Kopfabschnitt hin verjüngen und in einem bestimmten Verwindungsgesetz verwunden verlaufen, so daß eine bestimmte Änderung des Schaufel-Eintrittswinkels und Austrittswinkels über den Radius hin erhalten wird. Bei bekannten langen Laufschaufeln vergrößert sich der Eintrittswinkel von einem spitzen Winkel am Schaufel- * fuß bis zu einem stumpfen Winkel an dem Schaufelkopf, wobei der Austrittswinkel gegebenenfalls gleichzeitig kleiner werden kann. Das Ziel ist regelmäßig, einen möglichst großen freien Durchströmquerschnitt der Stufe und damit eine möglichst hohe Leistung der Stufe zu erreichen.

Ein gewünschter größtmöglicher Durchströmquerschnitt für ein Laufrad kann sowohl durch Wahl eines großen Nabendurchmessers bei kurzer Laufschaufel dls auch durch Wahl eines kleinen Nabendurchmessers bei langer Laufschaufel erreicht werden. Ein großer Nabendurchmesser ist aus Festigkeitsgründen unerwünscht, während eine lange Laufschaufel festigkeitsmäßig so ausgelegt werden kann, daß sie die insbesondere aus den Fliehkräften herrührenden hohen Spannungen aufzunehmen vermag (z. B. US-PS 26 60 401). Hingegen ist das größtmögliche Verhältnis von Schaufellänge zu Stufendurchmesser bei den bekannten Laufschaufelkonstruktionen aus strömungs technischen Gründen beschränkt, denn bei den bekannten Lösungen geht einerseits mit abnehmendem Fußdurchmesser der Laufschaufel eine Verringerung des Reaktionsgrades einher, der jedoch einen minimalen positiven Wert nicht unterschreiten •-oll. und andererseits nimmt mit zunehmendem Kopfdurchmesser der Laufschaufel die Axialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit ab. Für diese Axialkomponente soll ein Minimalwert ebenfalls nicht unterschritten werden. Bei

<> den bekannten Lösungen ist man daher in der Auswahl einer stfömungstechnisch zulässigen Schaufellänge — unabhängig von dem gewählten Schaufel-Verwindungsgesetz — in Richtung abnehmender Radien oder zunehmender Radien beschränkt Die festigkeitstechnisch zulässige Vergrößerung der Schaufellänge und damit des freien Austrittsquerschnittes der Stufe läßt sich daher im Stand der Technik aus strömungstechnischen Gründen nicht ausnutzen, so daß die maximal mögliche Leistung ebenfalls begrenzt ist

Es liegt die Aufgabe vor, eine Laufschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs derart zu gestalten, daß ein großes Verhältnis der radialen Schaufellänge zum mittleren Durchmesser der Axialstufe ermöglicht ist, ohne daß dadurch der aus strömungstechnischer Sicht zulässige Grenzwert des Reaktionsgrades (etwa OJ) am Schaufelfuß unterschritten wird.

Dies wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Patentanspruch erreicht

Dadurch, daß gemäß der Erfindung der Fußabschnitt im entgegengesetzten Sinn wie der Kopfabschnitt der Laufschaufel verwunden verläuft und der Reaktionsgrad entlang des Fußabschnittes im wesentlichen konstant bleibt, kann der Fußabschnitt der Laufschaufel für den aus strömungstechnischer Sicht minimalen zulässigen Reaktionsgrad ausgelegt werden und im übrigen die Laufschaufel nicht nur aus festigkeitstechnischer Sicht sondern auch aus strömungstechnischer Sicht für ein hohes Verhältnis von Schaufellänge zu mittlerem Stufendurchmesser optimiert werden, so daß

J5 eine größere Schaufellänge und dadurch eine Vergrößerung des freien Durchflußquerschnittes der Stufe und damit eine Vergrößerung der Stufenleistung wie auch der Gesamtleistung ermöglicht sind. Umgekehrt wird es durch die Erfindung ermöglicht, die auf die Leistungseinheit bezogenen Baukosten einer Kreiselradmaschine entsprechend dem erzielbaren höheren Wirkungsgrad zu senken.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laufschaufel und

F i g. 2 die Laufschaufel aus F i g. I in der Ansicht vom Schaufelkopf her, wobei an bestimmten Stellen der Schaufellänge die jeweiligen Querschniltsprofile darge-

v> stellt sind.

Die in den Zeichnungen dargestellte Laufschaufel gehört zur Endstufe einer Dampfturbine und hat ein Verhältnis Ud = 1/2,5. Dem entspricht ein Verhältnis des inneren Radius /vzum äußeren Radius ο von

" rjr, = D_w/D, = (1 -l/d)/[\ + Ud) = 0,4284.

Für den mittleren Radius r=ro=(r»+r,)/2 wird ein Reaktionsgrad p/o=O,5O als der günstigste Wert vorausgesetzt.

f>o Für den Radius r=/>= 1,4 r₀ gilt daher ρ_/=0,745. Für r — r_w = 0,6 ro würde man in konventioneller Ausführung einen Reaktionsgrad kleiner .JuII erhalten, was jedoch nicht zulässig ist. Daher nimmt bei der dargestellten Laufschaufel der Reaktionsgrad mit abnehmendem

^h> Radius bis zum Zwisehenquerschriitt 1 nur bis auf einen Grenzwert ab. der dann bis zum Schaufelfuß im wesentlichen konstant bleibt.

Der vorausgesetzte Grenzwert »« = 0·' 'ritt bei einem

Daraus ergibt sich, daß der Winkel ß\, der seinen Maximalwert beim äußeren Radius r_t — stumpfer Winkel 1413° — erreicht, in Richtung auf den Schaufelfuß sich bis zum Zwischenquerschnitt 1 ständig verringert, wobei er einen Minimalwert von 33,2" am Zwischenquerschnitt 1 erreicht, und dann wieder bis zum Wert von 43,26° am inneren Radius r_w zunimmt

Die Änderung der Schaufelwinkel am Kopfabschnitt

2 und Fußabschrütt 3 der Schaufel kommt in Fig.2 durch den dargestellten Verlauf der seitlichen Schaufelkanten zum Ausdruck. Sowohl die Schaufeleintrittskante, die rieh aus dem zum Kopfabschnitt 2 der Schaufel gehörenden Abschnitt 6 und aus dem zum Fußabschnitt

3 der Schaufel gehörenden Abschnitt 7 zusammensetzt als auch die Austrittskante, die aus den Abschnitten 8 und 9 besteht, haben in dieser Figur an der Stelle des Zwischenquerschnitts 1 einen Knick.

Es ist auch möglich, analog eine Schaufel aus zwei Abschnitten 2 und 3 zusammenzusetzen, von denen der Fußabschnitt nach dem Gesetz Q₁ · r= const, gestaltet ist und vom inneren Radius r_w an bis zu einem entsprechenden Grenzradius am Zwischenquer schnitt 1 reicht und dann in einen Kopfabschnitt übergeht, der nach dem Gesetz CJr= const gestaltet ist und bis zum Radius γ_λ d. h. bis zur Schaufelspitze, reicht Radius r*=0,746 i\> auf; bei diesem Radius liegt der Zwischenquerschnitt 1, der den Kopfabschnitt 2 der Laufschaufel von ihrem Fußabschnitt 3 unter Ausbildung einer Abgrenzungskante trennt Die radial äußere Begrenzung des nach dem Gesetz Q₁ ■ r= const gestalteten Kopfabschnittes 2 der Laufschaufel ist durch die Schaufelspitze 4 mit dem äußeren Radius r=r_t gegeben, wobei q_z dann 0,745 ist Vom Zwischenquerschnitt 1 bis zum Schaufelfuß S mit dem

ίο inneren Radius /V=0,6 λ> reicht der Fußabschnitt 3 der Laufschaufel, der nach dem Gesetz CJr= const mit konstantem Reaktionsgrade=0,1 =q_s=q_w gestaltet ist FQr den inneren Radius r_w ist die Axialkomponente

der Strömungsgeschwindigkeit CW= 1,1870 Go,d. h. sie ist um 18,3% größer als die am Bezugsradius r?

Für die angegebenen Radien gelten folgende Schaufelwinkel und Reaktionsgrade: Radius r₀: ß,o=74,88°; ß_x=24,0°; ρο = Ο,5;

Radius r,: ßu

Radius />: ß,_g=3322°;ß₂g=28J9°;

Öir=O,l;
Radius r_w: 0,,,=43,26°; 0₂*=38,30°

ρ»-= 0,1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Laufschaufel einer axialen Strömungsmaschine mit einem sich vom Schaufelfuß aus radial erstreckenden Fußabschnitt und einem sich von einem Zwischenquerschnitt aus bis zur Schaufelspitze erstreckenden Kopfabschnitt, der sich mit zunehmendem Radius verjüngt und der verwunden verläuft, so daß für den Kopfabschnitt ein von der Schaufelspitze bis zum Zwischenquerschnitt kontinuierlich aonehmender Schaufeleintrittswinkel und ein abnehmender Reaktionsgrad vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der sich mit zunehmendem Radius ebenfalls verjüngende Fußabschnitt (3) bis zu dem ihm und den Kopfabschnitt (2) gemeinsamen Zwischenquerschnitt (1) im entgegengesetzten Sinn wie der Kopfabschnitt (2) verwunden verläuft, so daß vom Zwischenquerschnitt (1) aus. bis zum Schaufelfuß (5) der Schaufeleintrittswinkel (ßi) des Fußabsc&nittes (3) wieder zunimmt wobei der Reaktionsgrad entlang des Fußabschnittes (3) im wesentlichen konstant bleibt