DE3237669C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialströmungsmaschine mit prismatischen oder höchstens geringfügig verwundenen Leit-Schaufeln und Lauf-Schaufeln, die jeweils in mehre­ ren, nacheinander von einem gasförmigen Medium durch­ strömbaren Reihen angeordnet sind, wobei jede Schaufel einer Reihe sowie jede Schaufel der nächstdurchströmten Reihe in radialer Richtung derart ausgerichtet sind, daß sich diese Schaufeln während des Betriebs, in Strömungs­ richtung des Mediums gesehen, unter einem spitzen Winkel α schneiden und Überdeckungsbereiche bilden.

Bei dieser aus der CH-PS 2 91 602 bekannten Axialströ­ mungsmaschine wird zur Vermeidung von sogenannter Düsen­ erregung, die die Schaufeln zu Schwingungen innerhalb der Pakete anregt, die vorgenannte Ausrichtung der Schaufeln empfohlen. Die Größe des Winkels α soll so groß gewählt werden, daß der Dampfstoß auf die Schaufeln stets nahezu gleich groß ist. Als Anhaltswert für die Winkelgröße kann der Zeichnung des Ausführungsbeispiels der Entgegenhaltung entnommen werden, daß ein Wert von 10° ausreichend ist. Dementsprechend ist die mit Rück­ sicht auf eine Düsenerregung gewählte Ausrichtung der Schaufeln kaum geeignet, die Wirkung von Hinterkanten­ wirbeln, Wirbelstraßen oder Strömungsablösungen der Schaufeln auszuschalten. Denn diese Wirbel und Profilab­ lösungen treffen bei dem angegebenen Winkel α noch so große Überdeckungsbereiche der nächstdurchströmten Schaufel, daß stochastisch erregte Schaufelschwingungen auftreten können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Axialströmungsmaschine der genannten Art auf einfache, kostengünstige und universell einsetzbare Weise so aus­ zubilden, daß trotz Hinterkantenwirbel, Wirbelstraßen oder Strömungsablösungen der Turbinenschaufeln eine sto­ chastische Erregung dieser Schaufeln vermieden ist. Dar­ über hinaus soll das Betriebsverhalten, insbesondere der Wirkungsgrad, der Axialströmungsmaschine nicht ungünstig sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Winkel α zwischen den Schaufeln der beiden erstdurchströmten Reihen 20 bis 25° beträgt sowie, in Strömungsrichtung des Mediums gesehen, bei Verdichtern von Reihe zu Reihe abnimmt, bei Turbinen dagegen zu­ nimmt, wobei die Abnahme bzw. Zunahme, bezogen auf den Ausgangswert, insgesamt 50 bis 90%, vorzugsweise 80% beträgt.

Durch diese Ausrichtung der Schaufeln wird die während des Betriebs auftretende, scherenartige Überdeckung der einzelnen Schaufeln auf ein solches Maß reduziert, daß die Überdeckungsflächen jeweils sehr klein sind im Ver­ hältnis zur Gesamtfläche der Hinterkantenbereiche bzw. Vorderkantenbereiche der Schaufeln. Hinterkantenwirbel und Profilablösungen beaufschlagen daher die stromab ge­ legenen Schaufeln jeweils nur in den sehr kleinen Über­ deckungsflächen, so daß der Einfluß solcher Hinterkanten­ wirbel und Profilablösungen entsprechend gering ist und nicht zu Schaufelschwingungen führen kann. Hierbei wird durch die angegebene Veränderung des Winkels α in den nachgeschalteten Schaufelreihen eine Anpassung an den axialen Strömungsverlauf des Mediums erreicht.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß sich die Schau­ feln in ihrer Gesamtheit unter dem angegebenen Winkel α schneiden, gemäß einer vorteilhaften Abwandlung des Erfindungsgedankens ist es in vielen Fällen ausreichend, wenn sich wenigstens die Hinterkantenbereiche einer Reihe sowie wenigstens die Vorderkantenbereiche unter dem an­ gegebenen Winkel α schneiden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen und schematischen Zeichnungen näher erläu­ tert. Hierbei zeigt

Fig. 1 das Anordnungsschema von Reihen mit Leit- Schaufeln und Lauf-Schaufeln in Frontansicht, wobei lediglich ein Ausschnitt der auf einem Kreisring angeordneten Schaufeln dargestellt ist,

Fig. 2 den Bereich II der Fig. 1 in vergrößerter, perspektivischer Ansicht, wobei die Schaufeln in ihrer tatsächlichen Gestalt dargestellt sind,

Fig. 3 das Schema der Schaufelanordnung einer Aus­ führungsvariante in einer Darstellung entspre­ chend Fig. 1,

Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3 als weitere Ausfüh­ rungsvariante.

Fig. 1 zeigt das Anordnungsschema von Leit- und Lauf- Schaufeln in Ansicht. Die Leit-Schaufeln 10 sind hierbei in einer Reihe 12 in Form eines Kreisringes angeordnet. Die in Strömungsrichtung nachgeschalteten Lauf-Schaufeln 14 bilden ebenfalls eine Reihe 16 von Kreisringform. Die Lauf-Schaufeln 14 sind hierbei zur besseren Unterschei­ dung mit gestrichelten Linien angedeutet. Es können hierbei beliebig viele Reihen von Lauf-Schaufeln und Leit-Schaufeln in Strömungsrichtung hintereinander ange­ ordnet sein. Wie aus Fig. 1 deutlich zu ersehen ist, sind die Leit-Schaufeln 10 und die Lauf-Schaufeln 14 derart ausgerichtet, daß sich diese während des Betriebs der Axialströmungsmaschine unter dem spitzen Winkel α aneinander vorbeibewegen bzw. schneiden. Zur Bildung dieses Winkels a ist jeweils die Richtung der Leit- Schaufeln 10 und der Lauf-Schaufeln 14 verschieden von der radialen Richtung 18, die durch das Zentrum des nicht dargestellten Läufers geht, welcher die Lauf- Schaufeln 14 trägt. Die gegenseitige Anordnung der Schaufeln und deren Ausrichtung ist aus Fig. 2 noch besser zu erkennen, die den Ausschnitt II der Fig. 1 in größerer Darstellung und in perspektivischer Ansicht zeigt, wobei die Schaufeln in ihrer tatsächlichen Ge­ stalt dargestellt sind.

Man erkennt die Leit-Schaufel 10 der vorderen Reihe 12, die Lauf-Schaufel 14 der stromab gelegenen Reihe 16 sowie eine weitere, stromab der Reihe 16 gelegene Reihe 22 mit einer Leit-Schaufel 23. Weiter erkennt man hier sehr deutlich die Ausrichtung der Schaufeln 10, 14, 23 derart, daß diese bzw. ihr Hinterkanten-Bereich 24, 26 sowie ihr Vorderkanten-Bereich 28, 30 während des Um­ laufs der Lauf-Schaufeln 14 sich unter dem Winkel α schneidend aneinander vorbeibewegen. Die Leit-Schaufeln 10, 23 sind hierbei gegenüber der radialen Richtung 18 in Laufrichtung 32 der Lauf-Schaufeln geneigt, wogegen die Lauf-Schaufel 14 gegen die Laufrichtung 32 geneigt ist. Es wäre jedoch ebenso gut möglich, die vorgenannten Neigungsrichtungen zu vertauschen. Die Strömungsrichtung 34 des gasförmigen Mediums, welches die Axialmaschine beaufschlagt, ist in Fig. 2 durch einen Pfeil angedeu­ tet.

Wie sich aus Fig. 2 leicht ersehen läßt, überdecken sich während des Umlaufs der Lauf-Schaufeln 14, in Strömungs­ richtung 34 gesehen, jeweils nur kleine Flächen dieser Schaufeln. Die Überdeckungs-Fläche ist jeweils die Pro­ jektion der stromauf stehenden Schaufel bzw. des Kanten­ bereichs auf die sich stromab befindende Schaufel. Beim Vorbeilaufen der Lauf-Schaufel 14 an den Leit-Schaufeln 10, 23 wandert diese Überdeckungs-Fläche vom Fuß der Schaufeln in radialer Richtung zur Spitze hin. Hinter­ kantenwirbel, Wirbelstraßen oder Strömungsablösungen der Leit-Schaufel 10 bzw. der Lauf-Schaufel 14 beaufschlagen daher nur die Überdeckungsflächen der in Strömungsrich­ tung 34 nachgeschalteten Schaufel. Da diese Überdec­ kungsflächen jeweils sehr klein sind im Verhältnis zur Gesamtfläche der Hinterkantenbereiche bzw. Vorderkanten­ bereiche der Schaufeln bzw. des Schaufelumrisses in Strömungsrichtung 34 gesehen, ist eine stochastische Er­ regung ausgeschlossen oder zumindest weitgehend vermin­ dert. Dies gilt auch für die weiteren nachgeschalteten Reihen von Schaufeln. Hierbei ist allerdings zu unter­ scheiden, ob es sich um einen Verdichter oder um eine Turbine handelt. Im Falle eines Verdichters nimmt der Winkel α von Reihe zu Reihe ab, bei einer Turbine da­ gegen nimmt dieser Winkel α zu. Das Ausmaß der Abnahme bzw. Zunahme beträgt insgesamt gesehen 50 bis 90% des Ausgangswertes. Wegen des einfachen Sachverhalts ist dies in den Figuren nicht dargestellt. In Fig. 2 ist übrigens noch das Zentrum des Läufers, welcher die Lauf-Schaufeln 14 trägt, als Punkt 36 angedeutet. Durch diesen Punkt 36 verläuft jene Linie, welche die radiale Richtung 18 andeutet.

Da aus Festigkeitsgründen eine Neigung der Lauf-Schau­ feln 14 gegenüber der radialen Richtung 18 nur schwer zu verwirklichen ist, bevorzugt man die Ausführungsvariante gemäß Fig. 3. Hier sind die Lauf-Schaufeln 14 entspre­ chend der radialen Richtung 18 ausgerichtet, wogegen die Leit-Schaufeln 10 die Lauf-Schaufeln 14 bzw. die radiale Richtung 18 unter dem Winkel α schneiden. Die Leit- Schaufeln 10 sind hierbei gegen die Laufrichtung 32 der Lauf-Schaufeln geneigt. Jedoch ist es ebenso möglich, die Leit-Schaufeln 10 gegenüber den Lauf-Schaufeln 14 bzw. der radialen Richtung 18 in Laufrichtung 32 zu nei­ gen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Abschließend wird noch bemerkt, daß unter dem Begriff "geringfügig verwundene Schaufel" eine Schaufel charak­ terisiert ist, die eine Verwindung von höchstens 25° aufweist, und daß der Begriff "Axialströmungsmaschine" axialdurchströmte Dampfturbinen, Luft- oder Gasturbinen und entsprechende Verdichter umfaßt.

Claims (2)

1. Axialströmungsmaschine mit prismatischen oder höchstens geringfügig verwundenen Leit-Schaufeln (10, 23) und Lauf-Schaufeln (14), die jeweils in mehreren, nacheinander von einem gasförmigen Medium durchströmba­ ren Reihen (12, 16, 22) angeordnet sind, wobei jede Schaufel (10 bzw. 14) einer Reihe (12 bzw. 16) sowie jede Schaufel (14 bzw. 23) der nächstdurchströmten Reihe (16 bzw. 22) in radialer Richtung derart ausgerichtet sind, daß sich diese Schaufeln während des Betriebes, in Strömungsrichtung (34) des Mediums gesehen, unter einem spitzen Winkel α schneiden und Überdeckungsbereiche bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α zwi­ schen den Schaufeln der beiden erstdurchströmten Reihen (12 und 16) 20 bis 25° beträgt sowie, in Strömungsrich­ tung des Mediums gesehen, bei Verdichtern von Reihe zu Reihe abnimmt, bei Turbinen dagegen zunimmt, wobei die Abnahme bzw. Zunahme, bezogen auf den Ausgangswert, ins­ gesamt 50 bis 90%, vorzugsweise 80%, beträgt.

2. Abwandlung der Axialströmungsmaschine nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens die Hinterkantenbereiche (24 bzw. 26) einer Reihe sowie wenigstens die Vorderkantenbereiche (28 bzw. 30) unter dem angegebenen Winkel α schneiden.