DE2926135A1

DE2926135A1 - Laufrad einer radialturbine

Info

Publication number: DE2926135A1
Application number: DE19792926135
Authority: DE
Inventors: Yasuo Sumi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1980-04-17
Also published as: GB2031528A; JPS5933841Y2; GB2031528B; US4305698A; DE2926135C2; JPS5559105U

Description

Be Schreibung;

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Radialturbinen, das als Rotor für Turbolader, Gasturbinen und dergleichen bestimmt ist.

Ein Laufrad einer Radialturbine weist im allgemeinen Schaufeln und eine Laufradscheibe auf, die üblicherweise einstückig durch Formschmieden oder spanabhebende Bearbeitung ausgebildet sind, und es ist eine Welle bzw. Achse vorgesehen, die durch das Laufrad geht. Die Schaufeln sind üblicherweise unter Berücksichtigung einer leichten Herstellung derart geformt, daß die stromaufwartigen Abschnitte der Schaufeln im wesentlichen parallel zu der Achse und die stromabwärtigen Abschnitte in radialen Richtungen gebogen sind. Wenn das Laufrad der Turbine von einem Gasstrom durchströmt wird, treiben die Kraftkomponenten des Gasstromes, die senkrecht zu den Flächen der Schaufeln wirken, das Laufrad der Turbine an. Gleichzeitig treten axial gerichtete Kraftkomponenten des Gasstromes auf, die Reibungskräfte bewirken, die der Drehbewegung entgegengerichtet sind, so daß ein Antriebskraftverlust vorhanden ist.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Laufrad einer Radialturbine derart weiterzubilden, daß Antriebskraftverluste infolge von Axialdruckkräften vermieden sind.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Laufrad für eine Radialturbine mit Schaufeln und einer Laufradscheibe dadurch aus, daß Jede Schaufel eine gekrümmte Fläche hat, die symmetrisch zu einer Ebene'ist,--die senkrecht zu einer- Achse.des" Laufrades ist and durch einen Mittelab- " schnitt der Längserstree-fcaag der Scheibe in" axialer Riefe-" tung geht.

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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Beispielen näher erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Laufrades einer Radialturbine nach dem Stand der Technik, das in einem Gasströmungskanal angeordnet ist,

Figur 2 ist eine vergrößerte Ausschnittsansicht des Turbinenlaufrades nach Figur 1,

Figur 5 ist eine Schaufel des Laufrades nach Figur 1, in der die Kräfte eingetragen sind, die senkrecht auf die gekrümmten Flächen der Schaufel wirken,

Figur 4 ist eine Figur 3 ähnliche Ansicht, in der die Kräfte eingetragen sind, die auf die Schaufel in einer axialen Richtung einwirken,

Figuren 5 bis 7 sind schematische Ausführungsformen von Schaufeln eines Laufrades einer Radialturbine nach der Erfindung,

Figuren 8 und 9 zeigen eine Schaufel eines Laufrades nach Figur 5» bei der die senkrecht auf die Flächen der Schaufeln und in Achsrichtung der Schaufeln wirkenden Kräfte jeweils eingetragen sind, und

Figuren 10 und 11 sind weitere Ausführungsformen eines Turbinenlaufrades nach der Erfindung.

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In den Figuren 1 und 2 ist ein Laufrad oder eine Laufscheibe nach dem Stand der Technik (die nachstehend als Rotor bezeichnet wird) in einem Gasströmungskanal einer Radialturbine angeordnet, das in einer Seitenansicht und in einer vergrößerten Ausschnittsansxcht dargestellt ist. Der Rotor umfaßt Schaufeln 1 und eine Scheibe 2, die üblicherweise durch Formschmieden oder spanabhebende Bearbeitung einstückig ausgeformt sind. Desweiteren ist eine Achse oder Welle 3 vorgesehen, die durch das Laufrad geht, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist. Aus Gründen einer vereinfachten Herstellung sind die Schaufeln derart geformt, daß die einlaßseitigen Abschnitte der Schaufeln etwa parallel zu der Achse 3 und die auslaßseitigen Abschnitte in radialen Richtungen stark gebogen sind (vgl. Figuren 3 und 4).

Wenn Gas in und durch den Rotor wie mit Pfeilen in Figur 2 angedeutet strömt (hierbei ist nur eine Komponente parallel zu der Zeichenebene eingetragen, obgleich die Strömungsrichtungen tatsächlich schräg zu dieser Zeichenebene verlaufen), wirkt die Komponente des Gasstromes, die senkrecht zu den Flächen der Schaufeln gerichtet ist, wie dies in Figur 3 mit Pfeilen eingetragen ist, derart, daß der Rotor in Richtung eines Pfeiles ρ angetrieben wird. Gleichzeitig haben diese Kräfte auch axiale Komponenten oder axiale Druckkräfte Q, die der Drehbewegung Reibungskräfte entgegensetzen, wodurch sich Verluste bei den Antriebskräften ergeben.

Die Schaufeln 11 eines Rotors nach der Erfindung hingegen umfassen gekrümmte Flächen, die mit A-B-C-D-E-F-G-H-I-J bezeichnet sind, die relativ zu der Ebene gekrümmt sind, die eine Drehachse L und eine parallel dazu verlaufende Linie M enthält, wie dies in den Figuren 5 bis 7 gezeigt ist. Die gekrümmte Fläche ist symmetrisch zu einer Ebene, die in der Nähe eines Mittelabschnittes C der Längserstreckung der Scheibe 12 in axialer Richtung

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durchgeht (vgl. die Linie C-H, die durch eine Spitze H der Schaufel 11 in Figur 6 geht).

Wenn, wie mit Pfeilen in Figur 7 gezeigt, der Gasstrom durch den Rotor strömt, wirken Kraftkomponenten des Gasstromes in senkrechter Richtung auf die gekrümmten Flächen der Schaufeln ein, die die Schaufel in Richtung eines Pfeiles P in Figur 8 zu verdrehen suchen.

Andererseits wirken axiale Kräfte in Gegenrichtungen auf beide Seiten einer Mittellinie N senkrecht zu der Achse des Rotors derart ein, daß diese gegeneinander ausgeglichen werden. Dies hat zur Folge, daß der Rotor keiner Axialkraft ausgesetzt ist, so daß kein Drehwiderstand auftritt. Nach der Erfindung wird somit ein Verlust der Antriebskräfte weitgehend vermieden.

In Figur 10 ist eine Ausführungsform eines Rotors nach der Erfindung gezeigt, dessen Auslegung derart getroffen ist, daß sie nicht nur symmetrisch zu den Krümmungen der Schaufeln, sondern auch zu der Längserstreckung A ist. In Figur 11 ist eine weitere Ausführungsform eines Rotors nach der Erfindung gezeigt, bei dem die Krümmungen der Schaufeln symmetrisch sind, jedoch die axiale Längserstreckung von stromabwärtigen und stromaufwärtigen Abschnitten der Schaufeln A und B asymmetrisch sind. Bei dieser Ausführungsform ist die Länge A größer als die Länge B. Der Längenunterschied zwischen A und B kann innerhalb folgenden Bereiches liegen: A:B =2:1.

Bei der Ausführungsform nach Figur 11, die in Längserstreckung asymmetrisch ist, ist der Druck des Gasstromes auf die stromaufwärtige Seite der Schaufel im allgemeinen höher als der Druck auf die stromabwärtige Seite, so daß die Axialkräfte an beiden Seiten der Mittellinie N ausgeglichen werden können.

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Wie zuvor beschrieben, ii?erden -nach der Erfindung die
Schaufeln eines Laufrades für eine Radialturbine derart ausgelegt, d,aß sie im wesentlichen symmetrisch
sind, wodurch Axialkräfte (Druckkräfte) wesentlich
verringert werden, die der Drehbewegung.eiaen Widerstand entgegensetzen. Hierdurch ergibt sich ein Laufrad für einen Turbolader oder eine Gasturbine, das geringere Antriebskraftverluste mit sich bringt»

Desweiteren kann, wie in Eigur 8 gezeigt, das Laufrad für eine Radialturbine nach der Erfindung derart ausgelegt werden, daß die Drücke auf den stromabwärtigen Abschnitten der Schaufeln dazu genutzt werden, die Antrieb skomponent en auf die Scheibe im Vergleich zu dem Stand der Technik (Figur 5) zu vergrößern« Hierbei kann die Anzahl der Schaufeln verringert werden. So hat sich beispielsweise ergeben, daß bei einem Rotor mit einem Henndurchmesser von 60 mm nach der Erfindung nur 9 Schaufeln vorgesehen sind, wenn er dieselbe Abgabeleistung wie ein Rotor mit denselben Abmessungen hat, der nach dem Stand der Technik ausgebildet ist und 11 Schaufeln trägt.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DlPL-ING

H. KtNKELDEY

Öä-ING

W. STOCKMAIR

DR-ING AeEtCALTECH

K. SCHUMANN

_β DR. RER .NAT OPL.-PHYS

P. H. JAKOB

DfPU-ING-

G. BEZOLD

ΏΛΚΚΝΛΤ DR.OEM

8 MÜNCHEN

MAXIMIUANSTRASSE

P 13 978

28. Juni 1979

Nissan Motor Co. _t Ltd.

2, Takara-Cho, Kanagawa-Ku, Yokohama City, Japan

Laufrad einer Radialturbine

Patentansprüche

/i.yLaufrad einer Radialturbine mit Schaufeln und einer Laufradscheibe, dadurch g e k e η η ζ e lehnet, daß jede Schaufel (11) eine gekrümmte Fläche (A-J) hat, die symmetrisch zu einer Ebene ist, die senkrecht zu einer Achse (L) des Laufrades ist und durch einen Mittelabschnitt (C) der Längserstreckung der Scheibe (12) in axialer Richtung geht.
2. Laufrad für eine Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (11) vollständig symmetrisch nicht nur bezüglich der Krümmung, sondern auch der axialen Längserstreckung ausgelegt ist.
3. Laufrad für eine Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennsei cn net, daß jede Schaufel (11) im Hinblick auf die Krümmung symme-

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trisch, jedoch im Hinblick auf die axiale Längserstreckung asymmetrisch ausgelegt ist.

4-, Laufrad für eine Radialturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzei chnet, daß ein stromabwartiger Abschnitt in der axialen Längserstreckung größer als ein stromaufwartiger Abschnitt jeder Schaufel (11) ist.

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