EP0982474A1 - Steam turbine - Google Patents

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Publication number
EP0982474A1
EP0982474A1 EP98810856A EP98810856A EP0982474A1 EP 0982474 A1 EP0982474 A1 EP 0982474A1 EP 98810856 A EP98810856 A EP 98810856A EP 98810856 A EP98810856 A EP 98810856A EP 0982474 A1 EP0982474 A1 EP 0982474A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control wheel
outflow part
wheel according
flow channel
turbine control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98810856A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Dr. Greim
Said Dr. Havakechian
Peter Dr. Leidner
Harald Römer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Schweiz AG
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority to EP98810856A priority Critical patent/EP0982474A1/en
Publication of EP0982474A1 publication Critical patent/EP0982474A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/16—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines characterised by having both reaction stages and impulse stages

Definitions

  • the present invention relates to the outflow part of a turbine control wheel, formed by a housing-side and a hub-side channel wall, which Channel walls include a flow channel, which flow channel as Ringtorus is formed.
  • the first stage of the high pressure part of steam turbines is preferred as Equal pressure blading designed.
  • the constant pressure wheels offer this Despite the potentially higher pressure blading compared to Lattice losses noticeable advantages over those in the following stages usual reaction stages.
  • the diffuser is in the form of nozzles integrated in the housing realized in segments with working fluid under high pressure be charged. It is therefore possible to segment the level close to yours Design point to operate when the machine is operated at partial load. In this case there is no pronounced pressure drop across the impeller, and harmful short-circuit currents through the unloaded Blade channels are largely avoided.
  • the blades of the control stages are often of one diameter arranged, which is significantly larger than the diameter of the following Overpressure levels.
  • high enthalpy reduction can be made without a significant Axial thrust is transmitted to the rotor.
  • the compared to the flow through blade channels arranged on a large diameter Gap between impeller and housing can be done without special measures be tolerated, since at least during operation at the design point there is no significant pressure difference.
  • Another advantage is that due to the resulting low ratio of bucket height to medium Bucket radius the degree of reaction even without three-dimensional Bucket contouring remains almost constant over the radius, a real one Equal pressure blading can be easily implemented.
  • the present invention relates to the outflow part of a turbine control wheel, formed by a housing-side and a hub-side channel wall, which Channel walls include a flow channel, which flow channel as Ringtorus is formed.
  • the object of the invention is to design the mixing chamber and Arrange overflow channel that when the control wheel is partially loaded necessary lossy mixing takes place with sufficient intensity, by a homogeneous flow in the circumferential direction of the downstream ones Ensure turbine stage. In addition, it must also be ensured that the Influence of developing boundary layers within a reasonable framework held and a radially uniform flow of the following Level is reached.
  • the Flow channel in longitudinal section downstream of the control wheel a curvature receives, downstream of which the channel with a radial component on the Diameter of the downstream stage is performed.
  • the flow channel is given the radius of the next stage a deflection opposite to the first curvature, and becomes parallel led to the machine axis in the downstream guide grill.
  • the discontinuities customary in the prior art Channel contouring avoided.
  • Flow diversions form the flow channel, which of course in The circumferential direction runs around the machine axis, one in the machine longitudinal section generally S-shaped ring torus. As without further ado understandable, this approaches the cylindrical ring torus all the more the smaller the difference in diameter between the control wheel and the subsequent turbine stage, this limit case also here is included.
  • the radially outer duct wall continues to be used arranged a circumferential mixing cavity, which is preferred in a suitable manner through an annular gap, is connected to the flow channel. Doing so the volume of the mixing cavity and the cross section of the entry gap so be coordinated that, on the one hand, good mixing of an in Circumferential direction inhomogeneous flow is reached. On the other hand, the Formation of flow resonances through the geometric adaptation of the Volume of the mixing cavity and its connection to the flow channel be avoided.
  • the axial position of the mixing cavity or the entry gap into the Mixing cavity should be chosen appropriately, since otherwise undesirable Interactions with the main flow occur.
  • outflow part of a control wheel becomes the flow channel between the control wheel and the downstream one Turbine level compared to the wheel chambers of conventional design with clearly flows through less turbulent cross exchange.
  • This way emerging thick boundary layers can be counteracted by the Flow channel overall slightly nozzle-shaped, that is, with decreasing Cross-sectional area is designed.
  • Another advantage of the invention is that the angular momentum is one swirling flow from the control wheel outlet to the entry of the following Level is largely preserved, since only the for Circumferential homogenization of the necessary partial stream is mixed turbulently.
  • the swirl can thus be used efficiently when designing the step kinematics become; which in the case of a swirling flow, especially in the case of a radial inward flow channel inevitably arising positive radial Pressure gradient can be created by designing the channel curve in the transition effective from the inclined part against the machine axis to the purely axial part be compensated.
  • the basic embodiment of the invention is shown in Figures 1 and 2 of the figure.
  • the regulating wheel rotor LA I with the center cut diameter D 1 is arranged on the shaft 40 of a turbomachine.
  • An axial distance x total downstream of the control wheel outlet is a second turbine stage consisting of the guide wheel LE II and the impeller LA II, the center-cut diameter D 2 of which is generally different from that of the control wheel.
  • 1 shows the case D 2 ⁇ D 1
  • the outflow part is formed by the housing-side channel wall 31 and the hub-side channel wall 41, which enclose the flow channel 50.
  • the channel walls (31, 41) are formed by the shaft 40 and the housing 30.
  • the outflow channel 50 of the control wheel transfers the flow from the diameter D 1 to the diameter D 2 without discontinuities in the channel walls 31, 41, ie without abrupt changes in the channel height h. With this change in diameter, the angular momentum of a swirling control wheel outflow is retained, which is why, in the configuration shown in FIG. 1, the swirl of the flow increases significantly until it enters the downstream stator LE II, which in turn forms a strong radial pressure gradient over the channel height , such that the pressure increases from the hub-side channel wall to the housing-side channel wall.
  • a radially inhomogeneous flow against the guide wheel LE II can be counteracted by the curvature of the channel contour in the region AA, BB, which in turn induces a pressure increase from the housing-side channel wall 31 to the hub-side channel wall 41, and which, with an appropriate design, the radial pressure distribution and consequently also meridional and circumferential component of the speed homogenized.
  • points B and BB of the hub-side channel wall 41 can be identical, in the case of which in FIG. 1 configuration, however, is not.
  • the analog statement can be about the location of the points A and AA of the housing-side duct wall become.
  • the housing 30 has the head region 65 of the control wheel rotor LA I and thus covers the leakage gap 67.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the mixing cavity, as shown in a longitudinal section through the machine.
  • the chamber geometry which is shown elliptical in this case, is of minor importance; In principle, any shape, for example a polygon shape, is possible here.
  • the volume of the mixing chamber must absorb sufficient working fluid to enable the peripheral inhomogeneities to be mixed well. On the other hand, there must not be so much working fluid circulating here that the losses are driven up to a necessary extent. It proves expedient if the cross-sectional area designated here with the A chamber corresponds to between 70% and 130% of the area that would result if the channel height h were squared.
  • the annular gap 110 is defined by the extent in the main flow direction b, and by the depth of the neck L thus resulting.
  • the dimension b likewise from the considerations made above, is expediently 0.5-1.5 times the channel height h.
  • FIGS. 1 and 2 The position of the mixing cavity in the axial direction or in the flow channel is shown in FIGS. 1 and 2 by the axial position of the center of gravity P of the mixing cavity in the machine longitudinal section, x P , and the distance of the trailing edge A from the downstream grille inlet along a main streamline, ⁇ , Are defined. It is essential here that the interaction between the mixing chamber flow and the current effect of the following vane grille is largely avoided.
  • the distance ⁇ along a main flow line from the exit edge A of the mixing cavity to the entry into the blade grille LE II should advantageously be more than one chord length s, defined in FIG. 4, of the blades LE II. From a constructional and fluid mechanical point of view, a dimension x P between 40% and 80% of the axial dimension x total has also proven to be expedient.
  • control wheel as a single Component manufactured - for example cast - is, with a hub of Control wheel rotor bridges the diameter difference.
  • the control wheel is in this case appropriately attached to the shaft so that the moment of the control wheel rotor can be transferred.
  • the hub 60 of the Control wheel rotor LA I added radially on the shaft, for example welded or pressed on, the joint 66 extending axially.
  • this should not be understood in a restrictive sense, since for a number of other connection options are obvious to the expert. So In principle, a number of positive connections could be used here find, also a conical seat, or an axial connection by means of tie rods or a flange connection, and the like. However, this affects in in no case the essence of the invention, which is why it is neither here attached is still possible, the execution alternatives in full to explain.
  • the control wheel runner can be without Restriction of the function according to the invention from several circumference segments exist to facilitate assembly on the shaft, or it can be radially assembled several segments for manufacturing reasons his. All these constructive details touch the essence of the invention not either.
  • FIG. 5 shows an embodiment variant in which the control wheel rotor LA I is mounted on a thickened shaft 40. This in turn forms the wave 40 the hub-side channel wall 41. Characteristic of this The variant of the embodiment is the hub-side step of the flow channel 50 immediately downstream of the control wheel rotor LA I. The resulting here Recirculation area is essentially overflowing; therefore they keep generated losses to a reasonable extent. In return, it sinks Manufacturing effort significantly.
  • the hub 60 of the control wheel rotor LA I is designed such that its radially outer contour forms the hub-side channel wall 41, which in the generally any combination of features according to the invention can include.
  • the disadvantage of the variant shown here is Extension of the joining connection 66 between the hub 60 and the shaft 40.
  • FIG. 7 and 8 are therefore exemplary alternative mounting options shown.
  • Fig. 9 discloses an embodiment in which the construction of runners and shaft of an executed machine can be kept unchanged.
  • This is a circumferentially symmetrical shaft cover 45, which the forms the hub-side flow channel wall 41, downstream of the control wheel rotor LA I attached to the shaft 40 or to the control wheel hub 60.
  • the housing-side channel wall 31 can be opened in a suitable manner in the housing fixed mounting part 35 are formed, in which the Mixing cavity 100 is integrated. This offers the advantage of housing 30 one continue to use the executed machine without changing the mold, and there may be unfavorable cast designs in a new construction can be avoided since the channel wall 31 and the mixing cavity 100 are independent arise from the housing 30.
  • Cavities 36, 46 have stiffening ribs; you can as well each with one or more pressure compensation holes between Flow channel 50 and the cavity 36 and 46 may be provided.
  • Fig. 11 the embodiment shown in Fig. 10 is supplemented to the extent that on downstream end of the guide grill LE II directly between the Covers 35, 45 is integrated, and the guide vanes LE II also one Fulfill function as striving.
  • Rotor cover 45 and the housing cover 35 are of course also can be used without the counterpart, in which case the opposite channel wall contoured in a different way must become.
  • rotor cover 45 and housing cover 35 be assembled from several individual parts, where this is for the sake of Ease of assembly or manufacturing is required.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

The trailing part at the same time represents the inflow to a downstream turbine stage (LE II, LA II). An all-round mixture chamber (100) is arranged on the radial outer wall (31) of the flow channel and is connected with the flow channel. Downstream of the regulating wheel the flow channel (50) has continuous wall contours. The outlet cross-section of the flow channel is less than 110 per cent of the entry cross-section. The regulating wheel (LA I) is arranged on a greater diameter than a subsequent stage (LE II, LA II). The flow channel (50) is inclined in a central part to the machine axis (10).

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft den Abströmteil eines Turbinen-Regelrades, gebildet durch eine gehäuseseitige und eine nabenseitige Kanalwand, welche Kanalwände einen Strömungskanal einschliessen, welcher Strömungskanal als Ringtorus ausgebildet ist.The present invention relates to the outflow part of a turbine control wheel, formed by a housing-side and a hub-side channel wall, which Channel walls include a flow channel, which flow channel as Ringtorus is formed.

Stand der TechnikState of the art

Die erste Stufe des Hochdruckteils von Dampfturbinen wird bevorzugt als Gleichdruckbeschaufelung ausgelegt. Die Gleichdruck-Räder bieten an dieser Stelle trotz der gegenüber einer Überdruckbeschaufelung potentiell höheren Gitterverluste merkliche Vorteile gegenüber den in den folgenden Stufen üblichen Reaktionsstufen.The first stage of the high pressure part of steam turbines is preferred as Equal pressure blading designed. The constant pressure wheels offer this Despite the potentially higher pressure blading compared to Lattice losses noticeable advantages over those in the following stages usual reaction stages.

Bevorzugt werden sie als Regelstufen eingesetzt, wenn die Maschine in Festdruckfahrweise nicht mit ihrem Auslegungsmassenstrom beaufschlagt wird. Hierzu wird der Leitapparat in Form von im Gehäuse integrierten Düsen realisiert, die segmentweise mit unter hohem Druck stehendem Arbeitsfluid beaufschlagt werden. Es ist damit möglich, die Stufe segmentweise nahe ihrem Auslegungspunkt zu betreiben, wenn die Maschine in Teillast betrieben wird. Über das Laufrad besteht in diesem Fall kein ausgeprägtes Druckgefälle, und schädliche Kurzschluss-Strömungen durch die nicht beaufschlagten Schaufelkanäle werden weitgehend vermieden.They are preferably used as control stages when the machine is in Fixed pressure mode is not subjected to its design mass flow becomes. For this purpose, the diffuser is in the form of nozzles integrated in the housing realized in segments with working fluid under high pressure be charged. It is therefore possible to segment the level close to yours Design point to operate when the machine is operated at partial load. In this case there is no pronounced pressure drop across the impeller, and harmful short-circuit currents through the unloaded Blade channels are largely avoided.

Die Schaufeln der Regelstufen werden häufig auf einem Durchmesser angeordnet, der deutlich grösser ist, als der Durchmesser der folgenden Überdruckstufen. Somit kann in der ersten Stufe der Hochdruckturbine ein hoher Enthalpieabbau vorgenommen werden, ohne dass ein nennenswerter Axialschub auf den Läufer übertragen wird. Der im Vergleich zu den durchströmten Schaufelkanälen auf einem grossen Durchmesser angeordnete Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse kann ohne besondere Massnahmen toleriert werden, da über den Spalt zumindest bei Betrieb im Auslegungspunkt keine nennenswerte Druckdifferenz vorliegt. Als weiterer Vorteil sei angemerkt, dass durch das resultierende geringe Verhältnis von Schaufelhöhe zu mittlerem Schaufelradius der Reaktionsgrad auch ohne dreidimensionale Schaufelkonturierung über den Radius nahezu konstant bleibt, eine echte Gleichdruckbeschaufelung also einfach realisiert werden kann.The blades of the control stages are often of one diameter arranged, which is significantly larger than the diameter of the following Overpressure levels. Thus, in the first stage of the high pressure turbine high enthalpy reduction can be made without a significant Axial thrust is transmitted to the rotor. The compared to the flow through blade channels arranged on a large diameter Gap between impeller and housing can be done without special measures be tolerated, since at least during operation at the design point there is no significant pressure difference. Another advantage is that due to the resulting low ratio of bucket height to medium Bucket radius the degree of reaction even without three-dimensional Bucket contouring remains almost constant over the radius, a real one Equal pressure blading can be easily implemented.

Bei Teilbeaufschlagung einer Regelstufe ist die Abströmung aus dem Laufrad im Teillastbetrieb mit starken Gradienten in Umfangsrichtung behaftet. Es muss vermieden werden, die folgende Überdruckstufe in Umfangsrichtung derart inhomogen anzuströmen, da ansonsten strukturmechanische Probleme wie auch starke Sekundärströmungen in den folgenden Schaufelgittern auftreten.When a control stage is partially loaded, the outflow from the impeller is with partial gradients with strong gradients in the circumferential direction. It must be avoided, the following overpressure stage in the circumferential direction in such a way to flow inhomogeneously, since otherwise structural mechanical problems such as strong secondary flows also occur in the following vane grids.

Üblicherweise werden die Übergänge der Raddurchmesser vom Austritt des Regelstufen-Laufrades zum Eintritt in die folgende Stufe daher nicht kontinuierlich ausgeführt, sondern durch eine Stufe der Nabe unmittelbar am Laufradaustritt, die den Nabendurchmesser sprunghaft auf den des folgenden Schaufelgitters reduziert. Desgleichen wird das Gehäuse zunächst eine Strecke stromab des Regelrades auf dessen Aussendurchmesser weitergeführt, bevor es sprunghaft auf den Aussendurchmesser der stromab folgenden Stufe reduziert wird. Durch die Unstetigkeiten der Kanalkontur entstehen stromab des Regelrades zwei grosse Rezirkulationsgebiete, in denen die Regelrad-Abströmung ausgemischt und in Umfangsrichtung homogenisiert wird. Diese Wirbel sind mit grossen Verlusten behaftet, auch im Vollastbetrieb, wenn ohnehin eine in Umfangsrichtung weitgehend homogene Regelrad-Abströmung gegeben ist, und keine turbulente Mischung notwendig wäre.Usually the transitions of the wheel diameter from the exit of the Control stage impeller to enter the next stage is therefore not run continuously, but by a step of the hub immediately on Impeller outlet that jumps the hub diameter to that of the following Blade grid reduced. Likewise, the case is initially a Distance downstream of the control wheel on its outside diameter continued before it jumped to the outside diameter of the downstream following level is reduced. Due to the discontinuity of the channel contour two large recirculation areas arise downstream of the control wheel, in which the control wheel outflow mixed and in the circumferential direction is homogenized. These eddies are associated with great losses, also in the Full load operation if a largely homogeneous one in the circumferential direction anyway Control wheel outflow is given, and no turbulent mixing is necessary would.

Zugleich wird die Zuströmung zur folgenden Stufe über die Kanalhöhe sehr inhomogen, wodurch weitere Verluste induziert werden.At the same time, the inflow to the next stage over the channel height is very high inhomogeneous, which induces further losses.

Die Verwendung S-förmiger Tori zur Führung einer axialen Hauptströmung einer Strömungsmaschine zwischen Stufen mit stark unterschiedlichen Mittelschnittdurchmessern ist bekannt und auch naheliegend. Insbesondere im vorliegenden Fall ist diese a priori ungeeignet. Es ergeben sich dabei im Teillastbetrieb Probleme in der nachfolgenden Stufe, die aufgrund des Fehlens einer Mischkammer im Strömungspfad in Umfangsrichtung stark inhomogen angeströmt wird, da im Teillastbetrieb die verlustbehaftete turbulente Ausmischung ja ein wichtiges Funktionsprinzip von Regelradmaschinen darstellt.The use of S-shaped Tori to guide an axial main flow a fluid machine between stages with very different Middle cut diameters are known and also obvious. Especially in In the present case, this is unsuitable a priori. It results in Part load problems in the subsequent stage due to the lack a mixing chamber in the flow path strongly inhomogeneous in the circumferential direction flow is made because the lossy turbulent Blending is an important functional principle of control wheel machines represents.

Es sei noch anzumerken, dass sich hier gerade in dem Fall, dass die Mittelschnitt-Durchmesser des Regelrades und der stromab folgenden Stufe nicht stark unterschiedlich sind, bei der konventionellen Art der Mischkammergestaltung Probleme ergeben, da auch in einem solchen Fall keine hinreichende Intensität der Ausmischung erreicht wird.It should also be noted that in the event that the Center cut diameter of the control wheel and the downstream stage are not very different in the conventional type of Mixing chamber design problems, because even in such a case sufficient mixing intensity is not achieved.

Die Auslegung des Überströmbereichs von einer Regelstufe einer Turbomaschine zu einem stromab folgenden Schaufelgitter bewegt sich also im Spannungsfeld zwischen einer verlustarmen Strömung bei Vollbeaufschlagung und einer guten - verlustbehafteten - Ausmischung der Umfangsinhomogenitäten bei Teilbeaufschlagung. Beides zu realisieren, und gleichzeitig eine auch über die Kanalhöhe möglichst homogene Anströmung der folgenden Stufe zu erreichen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.The design of the overflow area from a control stage Turbomachine to a blade vane following downstream therefore moves in the Voltage field between a low-loss flow when fully loaded and a good - lossy - mix of Scope inhomogeneities with partial loading. To do both, and at the same time, a flow that is as homogeneous as possible even over the channel height To achieve the following stage is the object of the present invention.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die vorliegenden Erfindung betrifft den Abströmteil eines Turbinen-Regelrades, gebildet durch eine gehäuseseitige und eine nabenseitige Kanalwand, welche Kanalwände einen Strömungskanal einschliessen, welcher Strömungskanal als Ringtorus ausgebildet ist.The present invention relates to the outflow part of a turbine control wheel, formed by a housing-side and a hub-side channel wall, which Channel walls include a flow channel, which flow channel as Ringtorus is formed.

Aufgabe der Erfindung ist, die Mischkammer so zu gestalten und im Überströmkanal anzuordnen, dass bei Teilbeaufschlagung des Regelrades die notwendige verlustbehaftete Ausmischung mit hinreichender Intensität abläuft, um eine in Umfangsrichtung homogene Anströmung der stromab folgenden Turbinenstufe zu gewährleisten. Daneben ist auch darauf zu achten, dass der Einfluss sich ausbildender Grenzschichten in einem vertretbaren Rahmen gehalten und eine radial möglichst gleichförmige Anströmung der folgenden Stufe erreicht wird.The object of the invention is to design the mixing chamber and Arrange overflow channel that when the control wheel is partially loaded necessary lossy mixing takes place with sufficient intensity, by a homogeneous flow in the circumferential direction of the downstream ones Ensure turbine stage. In addition, it must also be ensured that the Influence of developing boundary layers within a reasonable framework held and a radially uniform flow of the following Level is reached.

Erfindungsgemäss werden diese Ziele dadurch erreicht, dass der Strömungskanal im Längsschnitt stromab des Regelrades eine Krümmung erhält, stromab derer der Kanal mit einer radialen Komponente auf den Durchmesser der stromab folgenden Stufe geführt wird. Im Anschluss an den geneigten Teil erhält der Strömungskanal auf dem Radius der folgenden Stufe eine der ersten Krümmung entgegengerichtete Umlenkung, und wird parallel zur Maschinenachse in das stromab gelegene Leitgitter geführt. Dabei werden die bei nach dem Stand der Technik üblichen Unstetigkeiten der Kanalkonturierung vermieden. Durch die zwei entgegengesetzt verlaufenden Strömungsumlenkungen bildet der Strömungskanal, der selbstverständlich in Umfangsrichtung um die Maschinenachse verläuft, einen im Maschinen-Längsschnitt allgemein S-förmigen Ringtorus. Wie ohne weiteres nachvollziehbar, nähert sich dieser um so mehr einem zylindrischen Ringtorus an, je geringer der Durchmesserunterschied zwischen dem Regelrad und der nachfolgenden Turbinenstufe ist, wobei dieser Grenzfall hier ebenfalls eingeschlossen ist.According to the invention, these goals are achieved in that the Flow channel in longitudinal section downstream of the control wheel a curvature receives, downstream of which the channel with a radial component on the Diameter of the downstream stage is performed. Following the inclined part, the flow channel is given the radius of the next stage a deflection opposite to the first curvature, and becomes parallel led to the machine axis in the downstream guide grill. In doing so the discontinuities customary in the prior art Channel contouring avoided. By the two opposing ones Flow diversions form the flow channel, which of course in The circumferential direction runs around the machine axis, one in the machine longitudinal section generally S-shaped ring torus. As without further ado understandable, this approaches the cylindrical ring torus all the more the smaller the difference in diameter between the control wheel and the subsequent turbine stage, this limit case also here is included.

Erfindungsgemäss wird weiterhin an der radial aussen liegenden Kanalwand eine umlaufende Mischkavität angeordnet, die auf geeignete Weise, bevorzugt durch einen Ringspalt, mit dem Strömungskanal verbunden ist. Dabei müssen das Volumen der Mischkavität und der Querschnitt des Eintrittsspaltes so abgestimmt werden, dass einerseits eine gute Durchmischung einer in Umfangsrichtung inhomogenen Strömung erreicht wird. Andererseits muss die Bildung von Strömungsresonanzen durch die geometrische Anpassung des Volumens der Mischkavität und ihrer Verbindung zum durchströmten Kanal vermieden werden.According to the invention, the radially outer duct wall continues to be used arranged a circumferential mixing cavity, which is preferred in a suitable manner through an annular gap, is connected to the flow channel. Doing so the volume of the mixing cavity and the cross section of the entry gap so be coordinated that, on the one hand, good mixing of an in Circumferential direction inhomogeneous flow is reached. On the other hand, the Formation of flow resonances through the geometric adaptation of the Volume of the mixing cavity and its connection to the flow channel be avoided.

Auch ist die axiale Lage der Mischkavität bzw. des Eintrittsspaltes in die Mischkavität zweckmässig zu wählen, da ansonsten unerwünschte Wechselwirkungen mit der Hauptströmung auftreten.The axial position of the mixing cavity or the entry gap into the Mixing cavity should be chosen appropriately, since otherwise undesirable Interactions with the main flow occur.

Aus dieser Konfiguration resultiert bei zweckmässiger Auslegung der Kanal- und Mischkammer-Geometrie folgende Wirkung: Bei Vollbeaufschlagung des Regelrades strömt das Arbeitsfluid nahezu axial, d.h. ohne signifikanten Drall, aus dem Regelrad aus, und der Strömungskanal wird ohne nennenwerte Umfangskomponente durchströmt. Da das Arbeitsfluid keine wesentliche Geschwindigkeitskomponente normal zur Kanalwand hat, wird die Mischungskavität weitgehend überströmt. In diesem Falle resultieren keine Mischungsverluste. Bei Teilbeaufschlagung des Regelrades hingegen ist die Regelradabströmung mit einer Umfangskomponente behaftet, die umso stärker ist, je grösser der Abstand des Lastpunktes vom Auslegungspunkt, mithin also auch, je inhomogener die Regelradabströmung, ist. Im Falle der drallbehafteten Strömung tritt nun aufrgrund der Zentrifugalkräfte Fluid in die Mischkammer ein, so, dass in Umfangsrichtung vorliegende Inhomogenitäten ausgemischt werden. Die Ausmischung ist umso intensiver, je stärker der Drall der Regelradabströmung ist. Die Ausmischung der Umfangshomogenitäten und die hierbei notwendig in Kauf zu nehmenden Druckverluste werden somit lastabhängig durch diese Inhomogenitäten selbst gesteuert.This configuration results in the channel and Mixing chamber geometry has the following effect: When the Control wheel, the working fluid flows almost axially, i.e. without significant twist, from the control wheel, and the flow channel is without any noteworthy values Flows through the circumferential component. Because the working fluid is not essential Velocity component normal to the duct wall, the Mixing cavity largely overflows. In this case, none result Mixing losses. With partial loading of the control wheel, however, is the Control wheel outflow with a peripheral component, the stronger is, the greater the distance of the load point from the design point, therefore also, the more inhomogeneous the control wheel outflow is. In the case of swirls Flow now enters the mixing chamber due to the centrifugal forces so that existing inhomogeneities are mixed in the circumferential direction become. Mixing is more intense, the stronger the swirl Control wheel outflow is. The blending of the circumferential homogeneity and the In this case, pressure losses that have to be accepted are thus necessary Controlled by these inhomogeneities depending on the load.

Aufgrund der speziellen Funktionsweise - Drallsteuerung der Mischintensität - sind Unstetigkeiten des Verlaufs des Strömungskanals zwischen Regelrad und folgender Stufe keine Voraussetzung für die bestimmungsgemässe Funktion des Regelrad-Abströmteils. Durch die erfindungsgemässe Ausführung des Regelrad-Abströmteils wird auch dann eine im Bedarfsfall hinreichende Mischintensität erreicht, wenn das Regelrad und die nachfolgende Stufe den gleichen Mittelschnitt-Durchmesser aufweisen, und aus dem S-förmigen Ringtorus ein zylindrischer Ringtorus wird.Due to the special mode of operation - swirl control of the mixing intensity - are discontinuities in the flow channel between the control wheel and following level is not a prerequisite for the intended function of the control wheel outflow part. Due to the inventive design of the The regulating wheel outflow part will then also be sufficient if necessary Mixing intensity is reached when the control wheel and the subsequent stage have the same center cut diameter, and from the S-shaped Ringtorus becomes a cylindrical Ringtorus.

Bei der erfindungsgemässen Ausführung des Abströmteils eines Regelrades wird der Strömungskanal zwischen dem Regelrad und der stromab folgenden Turbinenstufe gegenüber den Radkammern herkömmlicher Bauart mit deutlich geringerem turbulentem Queraustausch durchströmt. Den hierdurch entstehenden dicken Grenzschichten kann entgegengewirkt werden, indem der Strömungskanal insgesamt leicht düsenförmig, das heisst mit abnehmender Querschnittsfläche, ausgelegt wird.In the embodiment of the outflow part of a control wheel according to the invention becomes the flow channel between the control wheel and the downstream one Turbine level compared to the wheel chambers of conventional design with clearly flows through less turbulent cross exchange. This way emerging thick boundary layers can be counteracted by the Flow channel overall slightly nozzle-shaped, that is, with decreasing Cross-sectional area is designed.

Als weiterer Vorteil der Erfindung ist aufzuführen, dass der Drehimpuls einer drallbehafteten Strömung vom Regelrad-Austritt zum Eintritt der folgenden Stufe weitgehend erhalten bleibt, da bei zweckmässiger Auslegung nur der zur Umfangs-Homogenisierung notwendige Teilstrom turbulent vermischt wird. Somit kann der Drall effizient bei der Auslegung der Stufenkinematik genutzt werden; der bei drallbehafteter Strömung insbesondere bei einem radial nach innen gerichteten Strömungskanal zwangsläufig entstehende positive radiale Druckgradient kann durch die Gestaltung der Kanalkrümmung im Übergang vom gegen die Maschinenachse geneigten zum rein axialen Teil wirkungsvoll kompensiert werden. Another advantage of the invention is that the angular momentum is one swirling flow from the control wheel outlet to the entry of the following Level is largely preserved, since only the for Circumferential homogenization of the necessary partial stream is mixed turbulently. The swirl can thus be used efficiently when designing the step kinematics become; which in the case of a swirling flow, especially in the case of a radial inward flow channel inevitably arising positive radial Pressure gradient can be created by designing the channel curve in the transition effective from the inclined part against the machine axis to the purely axial part be compensated.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Im folgenden werden Beispiele für die Ausführung der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigen:

  • Fig. 1 die Kanalkonturierung und die Anordnung der Mischkammer bei einer Maschine, bei der das Regelrad auf einem grösseren Durchmesser als die folgende Stufe angeordnet ist.
  • Fig. 2 die Kanalkonturierung und die Anordnung der Mischkammer bei einer Maschine, bei der das Regelrad auf einem kleineren Durchmesser als die folgende Stufe angeordnet ist.
  • Fig. 3 die Mischkammer und deren Verbindung mit dem Strömungskanal.
  • Fig. 4 einen Teil einer Abwicklung der radial äusseren Kanalwand mitsamt dem folgenden Turbinen-Leitrad mit Blickrichtung von der Maschinenachse radial nach aussen.
  • Fig. 5 eine Ausführungsvariante der nabenseitigen Kanalwand.
  • Fig. 6, 7, 8 Beispiele für weitere zweckmässige Ausführungsformen der nabenseitigen Kanalwand.
  • Fig. 9, 10, 11 Beispiele für die Ausführung der Erfindung durch Einbauten in ausgeführten Maschinen.
In the following examples for the implementation of the invention are explained with reference to the drawing. In detail show:
  • Fig. 1 shows the channel contouring and the arrangement of the mixing chamber in a machine in which the control wheel is arranged on a larger diameter than the following stage.
  • Fig. 2 shows the channel contouring and the arrangement of the mixing chamber in a machine in which the control wheel is arranged on a smaller diameter than the following stage.
  • Fig. 3 shows the mixing chamber and its connection to the flow channel.
  • Fig. 4 shows a part of a development of the radially outer duct wall together with the following turbine guide wheel, looking radially outward from the machine axis.
  • Fig. 5 shows an embodiment variant of the hub-side channel wall.
  • 6, 7, 8 examples of further expedient embodiments of the hub-side channel wall.
  • Fig. 9, 10, 11 examples of the implementation of the invention by built-in machines.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Die prinzipielle Ausführung der Erfindung ist in den Figuren 1 und 2 der Abbildung dargestellt. Auf der Welle 40 einer Turbomaschine ist der Regelrad-Läufer LA I mit dem Mittelschnitt-Durchmesser D1 angeordnet. Eine axiale Strecke xges stromab des Regelrad-Austritts ist eine zweite Turbinenstufe, bestehend aus dem Leitrad LE II und dem Laufrad LA II angeordnet, dessen Mittelschnitt-Durchmesser D2 im allgemeinen von dem des Regelrades verschieden ist. In Fig. 1 ist der Fall D2 < D1 dargestellt, in Fig. 2 der Fall D2 > D1. Der Abströmteil wird durch die gehäuseseitige Kanalwand 31 und die nabenseitige Kanalwand 41 gebildet, die den Strömungskanal 50 einschliessen. In den Figuren 1 und 2 werden die Kanalwände (31, 41) durch die Welle 40 und das Gehäuse 30 gebildet. Der Abströmkanal 50 des Regelrades überführt die Strömung ohne Unstetigkeiten der Kanalwände 31, 41, d.h. ohne sprunghafte Änderungen der Kanalhöhe h, vom Durchmesser D1 auf den Durchmesser D2. Bei dieser Durchmesseränderung bleibt der Drehimpuls einer drallbehafteten Regelradabströmung erhalten, weshalb sich bei der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration der Drall der Strömung bis vor den Eintritt in das stromab folgende Leitrad LE II signifikant erhöht, wodurch sich wiederum ein starker radialer Druckgradient über der Kanalhöhe ausbildet, dergestalt, dass der Druck von der nabenseitigen Kanalwand zur gehäuseseitigen Kanalwand ansteigt. Einer radial derart inhomogenen Anströmung des Leitrades LE II kann entgegengewirkt werden durch die Krümmung der Kanalkontur im Bereich AA, BB, die ihrerseits einen Druckanstieg von der gehäuseseitigen Kanalwand 31 zur nabenseitigen Kanalwand 41 induziert, und die bei zweckmässiger Auslegung die radiale Druckverteilung und mithin auch die meridionale- und Umfangskomponente der Geschwindigkeit homogenisiert.The basic embodiment of the invention is shown in Figures 1 and 2 of the figure. The regulating wheel rotor LA I with the center cut diameter D 1 is arranged on the shaft 40 of a turbomachine. An axial distance x total downstream of the control wheel outlet is a second turbine stage consisting of the guide wheel LE II and the impeller LA II, the center-cut diameter D 2 of which is generally different from that of the control wheel. 1 shows the case D 2 <D 1 , in FIG. 2 the case D 2 > D 1 . The outflow part is formed by the housing-side channel wall 31 and the hub-side channel wall 41, which enclose the flow channel 50. In Figures 1 and 2, the channel walls (31, 41) are formed by the shaft 40 and the housing 30. The outflow channel 50 of the control wheel transfers the flow from the diameter D 1 to the diameter D 2 without discontinuities in the channel walls 31, 41, ie without abrupt changes in the channel height h. With this change in diameter, the angular momentum of a swirling control wheel outflow is retained, which is why, in the configuration shown in FIG. 1, the swirl of the flow increases significantly until it enters the downstream stator LE II, which in turn forms a strong radial pressure gradient over the channel height , such that the pressure increases from the hub-side channel wall to the housing-side channel wall. A radially inhomogeneous flow against the guide wheel LE II can be counteracted by the curvature of the channel contour in the region AA, BB, which in turn induces a pressure increase from the housing-side channel wall 31 to the hub-side channel wall 41, and which, with an appropriate design, the radial pressure distribution and consequently also meridional and circumferential component of the speed homogenized.

Bei Teilbeaufschlagung des Regelrades LA I resultiert eine in Umfangsrichtung stark inhomogene und drallbehaftete Abströmung aus dem Regelrad-Läufer LA I. Um eine Ausmischung der Umfangsinhomogenitäten zu erreichen, ist an der gehäuseseitigen Kanalwand die umlaufende Mischkavität 100 angeordnet und mit dem Strömungskanal 50 beispielsweise über einen umlaufenden Ringspalt 110 verbunden. Je stärker der Drall der Regelrad-Abströmung ist, desto mehr Fluid wird durch Zentrifugalkräfte über den Ringspalt 110 in die Mischkavität 100 gefördert und dort turbulent in Umfangsrichtung ausgemischt, wodurch die Umfangs-Inhomogenitäten ausgeglichen werden. Die Förderung von Fluid in die Mischkammer 100 wird weiterhin durch eine über den Strömungskanal gegenüberliegende Nase B der nabenseitigen Kanalwand 41 intensiviert. Es ist zu beachten, dass bei der in Fig. 2 dargestellten Konfiguration die Punkte B und BB der nabenseitigen Kanalwand 41 identisch dein können, bei der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration hingegen nicht. Die analoge Aussage kann über die Lage der Punkte A und AA der gehäuseseitigen Kanalwand getroffen werden.When the control wheel LA I is partially loaded, a circumferential direction results strongly inhomogeneous and swirled outflow from the control wheel rotor LA I. To achieve a mixture of the inhomogeneities of the circumference, the the circumferential mixing cavity 100 arranged on the housing-side channel wall and with the flow channel 50, for example, via a circumferential annular gap 110 connected. The stronger the swirl of the control wheel outflow, the more Fluid is transferred into the mixing cavity via the annular gap 110 by centrifugal forces 100 promoted and mixed turbulently in the circumferential direction, whereby the Scope inhomogeneities are compensated. The promotion of fluid in the mixing chamber 100 is further through a via the flow channel opposite nose B of the hub-side channel wall 41 intensified. It is it should be noted that in the configuration shown in FIG. 2, points B and BB of the hub-side channel wall 41 can be identical, in the case of which in FIG. 1 configuration, however, is not. The analog statement can be about the location of the points A and AA of the housing-side duct wall become.

Im Interesse der Strömungsführung und der Verlustminimierung ist es von Vorteil, wenn das Gehäuse 30 den Kopfbereich 65 des Regelrad-Läufers LA I und somit den Leckagespalt 67 überdeckt.In the interest of flow management and loss minimization it is of Advantage if the housing 30 has the head region 65 of the control wheel rotor LA I and thus covers the leakage gap 67.

Die bevorzugte Dimensionierung der Mischkavität 100 und deren bevorzugte Lage werden im folgenden anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert. Fig. 3 zeigt eine vergrösserte Darstellung der Mischkavität, wie sie sich bei einem Längsschnitt durch die Maschine darstellt. Die Kammergeometrie, die in diesem Fall ellipsenförmig dargestellt ist, ist hierbei von untergeordneter Bedeutung; prinzipiell ist hier eine beliebige Form, beispielsweise Polygonform, möglich.Das Volumen der Mischkammer muss hinreichend viel Arbeitsfluid aufnehmen, um eine gute Ausmischung der Umfangsinhomogenitäten zu ermöglichen. Andererseits darf hier auch nicht so viel Arbeitsfluid zirkulieren, dass die Verluste über ein notwendiges Mass in die Höhe getrieben werden. Zweckmässig erweist es sich, wenn die mit AKammer bezeichnete hier dargestellte Querschnittsfläche zwischen 70% und 130% der Fläche entspricht, die sich ergäbe, wenn die Kanalhöhe h quadriert würde. The preferred dimensioning of the mixing cavity 100 and its preferred position are explained below with reference to FIGS. 1 to 4. Fig. 3 shows an enlarged view of the mixing cavity, as shown in a longitudinal section through the machine. The chamber geometry, which is shown elliptical in this case, is of minor importance; In principle, any shape, for example a polygon shape, is possible here. The volume of the mixing chamber must absorb sufficient working fluid to enable the peripheral inhomogeneities to be mixed well. On the other hand, there must not be so much working fluid circulating here that the losses are driven up to a necessary extent. It proves expedient if the cross-sectional area designated here with the A chamber corresponds to between 70% and 130% of the area that would result if the channel height h were squared.

Der Ringspalt 110 ist durch die Erstreckung in Hauptströmungsrichtung b definiert, sowie durch die Tiefe des sich so ergebenden Halses L. Das Mass b beträgt, ebenfalls aus den oben angestellten Überlegungen, zweckmässig das 0,5 - 1,5 - fache der Kanalhöhe h. Das Mass L kann dann bei ansonsten festgelegter Dimensionierung aus der Forderung bestimmt werden, dass die Eigenfrequenz ωKammer der Mischkavität grösser sein soll, als die grösste in der Aussenströmung vorkommende Anregungsfrequenz. Hieraus ergibt sich die Bestimmungsgleichung zur Dimensionierung des Eintrittshalses 110: bL = ωKammer a 2 · AKammer worin a die Schallgeschwindigkeit des Arbeitsfluides ist.The annular gap 110 is defined by the extent in the main flow direction b, and by the depth of the neck L thus resulting. The dimension b, likewise from the considerations made above, is expediently 0.5-1.5 times the channel height h. The dimension L can then be determined with the otherwise specified dimensioning from the requirement that the natural frequency ω chamber of the mixing cavity should be greater than the largest excitation frequency occurring in the external flow. This results in the determination equation for dimensioning the entry neck 110: b L = ω chamber a 2nd · A chamber where a is the speed of sound of the working fluid.

Die Lage der Mischkavität in axialer Richtung bzw. im Strömungskanal ist in Fig. 1 und 2 durch die axiale Lage des Flächenschwerpunktes P der Mischkavität im Maschinen-Längsschnitt, xP, und den Abstand der Austrittskante A vom stromab gelegenen Gittereintritt entlang einer Hauptstromlinie, ξ, definiert. Wesentlich ist hier, dass die Wechselwirkung zwischen der Mischkammerströmung und der Stromaufwirkung des folgenden Schaufelgitters weitgehend vermieden wird. Der Abstand ξ entlang einer Hauptstromlinie von der Austrittskante A der Mischkavität bis zum Eintritt ins Schaufelgitter LE II sollte mit Vorteil mehr als eine Sehnenlänge s, definiert in Fig. 4, der Schaufeln LE II betragen. Unter konstruktiven und fluidmechanischen Gesichtspunkten erweist sich weiterhin ein Mass xP zwischen 40% und 80% des axialen Masses xges als zweckmässig.The position of the mixing cavity in the axial direction or in the flow channel is shown in FIGS. 1 and 2 by the axial position of the center of gravity P of the mixing cavity in the machine longitudinal section, x P , and the distance of the trailing edge A from the downstream grille inlet along a main streamline, ξ , Are defined. It is essential here that the interaction between the mixing chamber flow and the current effect of the following vane grille is largely avoided. The distance ξ along a main flow line from the exit edge A of the mixing cavity to the entry into the blade grille LE II should advantageously be more than one chord length s, defined in FIG. 4, of the blades LE II. From a constructional and fluid mechanical point of view, a dimension x P between 40% and 80% of the axial dimension x total has also proven to be expedient.

In den Ausführungsbeispielen, die in Fig. 1 und 2 dargestellt sind, sind die Schaufeln des Regelradläufers LA I direkt auf der Welle 40 befestigt, wobei die Welle eine solche Form hat, dass sie gleichzeitig die nabenseitige Kontur des Strömungskanals 50 bildet. Gerade in dem häufigen Fall, dass der Nabendurchmesser des Regelrad-Läufers grösser ist als der der folgenden Stufen, resultiert aus dieser Ausführung ein extrem hoher Fertigungs- und Materialaufwandaufwand durch die Bearbeitung eines Wellen-Rohlings mit grossem Durchmesser. Es sei auch darauf verwiesen, dass die Figuren 1 und 2 in erster Linie dazu dienen, dem Fachmann die Idee der Erfindung nahezubringen, obschon die gezeigten Ausführungsvarianten der Erfindung bei entsprechend grossem Aufwand durchaus realisierbar sind.In the embodiments shown in Figs. 1 and 2, the Paddles of the control wheel rotor LA I attached directly to the shaft 40, the Shaft has such a shape that it simultaneously the contour of the hub side Flow channel 50 forms. Especially in the frequent case that the Hub diameter of the control wheel rotor is larger than that of the following Stages, this design results in an extremely high manufacturing and Material expenditure due to the machining of a shaft blank with large diameter. It should also be noted that Figures 1 and 2 primarily serve the person skilled in the art the idea of the invention to suggest, although the shown embodiment variants of the invention are quite feasible according to great effort.

Wesentlich häufiger ist in der Praxis der Fall, dass das Regelrad als einzelnes Bauteil gefertigt - beispielsweise gegossen - wird, wobei eine Nabe des Regelrad-Läufers die Durchmesser-Differenz überbrückt. Das Regelrad wird in diesem Fall auf geeignete Weise so auf der Welle befestigt, dass das Moment des Regelrad-Läufers übertragen werden kann.In practice it is much more common that the control wheel as a single Component manufactured - for example cast - is, with a hub of Control wheel rotor bridges the diameter difference. The control wheel is in this case appropriately attached to the shaft so that the moment of the control wheel rotor can be transferred.

In den nachfolgend herangezogenen Figuren 5 bis 8 ist die Nabe 60 des Regelrad-Läufers LA I radial auf der Welle aufgefügt, beispielsweise aufgeschweisst oder aufgepresst, wobei die Fügestelle 66 sich axial erstreckt. Dies darf jedoch nicht in einschränkendem Sinne verstanden werden, da für den Fachmann eine Reihe anderer Verbindungsmöglichkeiten naheliegen. So könnten hier prinzipiell eine Anzahl formschlüssiger Verbindungen Verwendung finden, ebenso ein Kegelsitz, oder eine axiale Verbindung mittels Zuganker oder einer Flanschverbindung, und dergleichen mehr. Dies berührt jedoch in keinem Falle das Wesen der Erfindung, weshalb es an dieser Stelle weder angebracht noch möglich ist, die Ausführungsalternativen vollzählig darzulegen.5 to 8, the hub 60 of the Control wheel rotor LA I added radially on the shaft, for example welded or pressed on, the joint 66 extending axially. However, this should not be understood in a restrictive sense, since for a number of other connection options are obvious to the expert. So In principle, a number of positive connections could be used here find, also a conical seat, or an axial connection by means of tie rods or a flange connection, and the like. However, this affects in in no case the essence of the invention, which is why it is neither here attached is still possible, the execution alternatives in full to explain.

Zur konstruktiven Ausgestaltung der Nabe, zum Beispiel hohlgegossen, sowie der Art der Verbindung von Nabe und Welle ist jede problemangepasste Lösung vorstellbar. Insbesondere kann der Regelrad-Läufer ohne Einschränkung der erfindungsgemässen Funktion aus mehreren Umfangs-Segmenten bestehen, um die Montage auf der Welle zu erleichtern, oder es können aus Fertigungsgründen radial mehrere Segmente zusammengebaut sein. All diese konstruktiven Details berühren das Wesen der Erfindung ebenfalls nicht. For the constructive design of the hub, for example hollow cast, as well The type of connection between the hub and shaft is tailored to the problem Solution imaginable. In particular, the control wheel runner can be without Restriction of the function according to the invention from several circumference segments exist to facilitate assembly on the shaft, or it can be radially assembled several segments for manufacturing reasons his. All these constructive details touch the essence of the invention not either.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei der der Regelrad-Läufer LA I auf einer verdickten Welle 40 montiert ist. Dabei bildet wiederum die Welle 40 die nabenseitige Kanalwand 41. Kennzeichnend für diese Ausführungsvariante ist die nabenseitige Stufe des Strömungskanals 50 unmittelbar stromab des Regelrad-Läufers LA I. Das hier entstehende Rezirkulationsgebiet wird im Wesentlichen überströmt; daher halten sich die generierten Verluste in einem vertretbaren Mass. Im Gegenzug sinkt der Fertigungsaufwand erheblich.5 shows an embodiment variant in which the control wheel rotor LA I is mounted on a thickened shaft 40. This in turn forms the wave 40 the hub-side channel wall 41. Characteristic of this The variant of the embodiment is the hub-side step of the flow channel 50 immediately downstream of the control wheel rotor LA I. The resulting here Recirculation area is essentially overflowing; therefore they keep generated losses to a reasonable extent. In return, it sinks Manufacturing effort significantly.

In Fig. 6 ist die Nabe 60 des Regelrad-Läufers LA I dergestalt ausgeführt, dass ihre radial äussere Kontur die nabenseitige Kanalwand 41 bildet, die im allgemeinen jede beliebige Kombination erfindungsgemässer Merkmale beinhalten kann. Nachteilig bei der hier dargestellten Variante ist die Erstreckung der Fügeverbindung 66 zwischen Nabe 60 und Welle 40. In Fig. 7 und 8 sind daher exemplarisch alternative Befestigungsmöglichkeiten aufgezeigt.6, the hub 60 of the control wheel rotor LA I is designed such that its radially outer contour forms the hub-side channel wall 41, which in the generally any combination of features according to the invention can include. The disadvantage of the variant shown here is Extension of the joining connection 66 between the hub 60 and the shaft 40. In FIG. 7 and 8 are therefore exemplary alternative mounting options shown.

Fig. 9 offenbart eine Ausführungsvariante, bei der die Konstruktion von Läufer und Welle einer ausgeführten Maschine unverändert beibehalten werden kann. Dabei wird eine umfangssymmetrische Wellenabdeckung 45, das die nabenseitige Strömungskanalwand 41 bildet, stromab des Regelrad-Läufers LA I auf der Welle 40 beziehungsweise an der Regelrad-Nabe 60 befestigt.Fig. 9 discloses an embodiment in which the construction of runners and shaft of an executed machine can be kept unchanged. This is a circumferentially symmetrical shaft cover 45, which the forms the hub-side flow channel wall 41, downstream of the control wheel rotor LA I attached to the shaft 40 or to the control wheel hub 60.

Ebenso kann die gehäuseseitige Kanalwand 31 durch ein auf geeignete Weise im Gehäuse befestigtes Einbauteil 35 gebildet werden, in welches die Mischkavität 100 integriert ist. Dies bietet den Vorteil, das Gehäuse 30 einer ausgeführten Maschine weiterzuverwenden, ohne die Gussform zu ändern, und es können bei einer Neukonstruktion ungünstige Gusskonstruktionen vermieden werden, da die Kanalwand 31 und die Mischkavität 100 unabhängig vom Gehäuse 30 entstehen.Likewise, the housing-side channel wall 31 can be opened in a suitable manner in the housing fixed mounting part 35 are formed, in which the Mixing cavity 100 is integrated. This offers the advantage of housing 30 one continue to use the executed machine without changing the mold, and there may be unfavorable cast designs in a new construction can be avoided since the channel wall 31 and the mixing cavity 100 are independent arise from the housing 30.

Selbstverständlich können die Einbauteile 35, 45 in dem zwischen Wellenabdeckung 45 und Welle 40 bzw. Gehäuseabdeckung entstehenden Hohlräumen 36, 46 über Versteifungsrippen verfügen; ebenso können sie jeweils mit einer oder mehreren Druckausgleichbohrungen zwischen Strömungskanal 50 und dem Hohlraum 36 bzw. 46 versehen sein.Of course, the built-in parts 35, 45 in the between Shaft cover 45 and shaft 40 or housing cover are created Cavities 36, 46 have stiffening ribs; you can as well each with one or more pressure compensation holes between Flow channel 50 and the cavity 36 and 46 may be provided.

Bei den in Fig. 10 und 11 dargelegten Ausführungsvarianten der Erfindung wird die erfindungsgemässe Strömungsführung durch zwei relativ zum Gehäuse feststehende umfangsymmetrische Einbauteile realisiert. Dabei wird die Gehäuseabdeckung 35 auf geeignete Weise im Gehäuse 30 befestigt. Vom Gehäuse 30 weisen Streben 38 in den Strömungskanal 50 hinein, an denen die Rotorabdeckung 45 befestigt ist. Anzahl und Position der Streben 38 werden dabei in erster Linie durch die Festigkeit bestimmt, die notwendig ist, um die Rotorabdeckung 45 sicher zu fixieren; daneben auch durch den Strömungswiderstand, den die Streben 38 induzieren, respektive deren Funktion zur zusätzlichen Strömungsführung, so diese angestrebt wird. Aus den gleichen Überlegungen resultiert deren vorzugsweise Querschnittsgestaltung, und die Streben 38 können beispielsweise als einfache Stäbe, Leitbleche oder schaufelförmig ausgeführt werden. Zu dieser Ausführungsvariante wäre anzumerken, dass bei einem zur Maschinenachse 10 hin orientierten Strömungsverlauf zwischen Regelrad LA I und einem stromab folgenden Leitrad LE II eine möglicherweise durch Zentrifugalkräfte induzierte Rückströmung in der Grenzschicht vermieden werden kann.In the embodiment variants of the invention set forth in FIGS. 10 and 11 the flow guidance according to the invention through two relative to the housing fixed circumferentially symmetrical built-in parts realized. The Housing cover 35 attached in a suitable manner in the housing 30. From Housing 30 have struts 38 into the flow channel 50, on which the Rotor cover 45 is attached. Number and position of the struts will be 38 determined primarily by the strength that is necessary to achieve the To fix rotor cover 45 securely; also by the Flow resistance induced by the struts 38 or their Function for additional flow guidance, if this is desired. Out the same reasoning preferably results Cross-sectional design, and the struts 38 can be simple, for example Rods, baffles or shovel-shaped. To this Design variant would be noted that one with the machine axis 10 oriented flow path between control wheel LA I and downstream idler LE II possibly due to centrifugal forces induced backflow in the boundary layer can be avoided.

In Fig. 11 ist die in Fig. 10 dargestellte Ausführung insofern ergänzt, dass am stromab gelegenen Ende das Leitgitter LE II unmittelbar zwischen die Abdeckungen 35, 45 integriert ist, und die Leitschaufeln LE II auch eine Funktion als Streben erfüllen. In diesem Falle kann zwischen der Rotorabdeckung 45 und der Welle 40 bzw. der Nabe 60 eine Abdichtung vorgenommen werden, was zweckmässig in dem Ringspalt 48 geschehen könnte. Weiterhin ist eine in den Hohlraum 46 hineinragende Versteifungsrippe der Rotorabdeckung dargestellt.In Fig. 11, the embodiment shown in Fig. 10 is supplemented to the extent that on downstream end of the guide grill LE II directly between the Covers 35, 45 is integrated, and the guide vanes LE II also one Fulfill function as striving. In this case, you can choose between the Rotor cover 45 and the shaft 40 or the hub 60 a seal be made, which are conveniently done in the annular gap 48 could. Furthermore, there is a stiffening rib projecting into the cavity 46 the rotor cover shown.

Wie für den Fachmann ohne weiteres nachvollziehbar ist, können die Rotorabdeckung 45 und die Gehäuseabdeckung 35 selbstverständlich auch ohne das Gegenstück eingesetzt werden, wobei dann die jeweils gegenüberliegende Kanalwand auf eine andere Art und Weise konturiert werden muss. Ebenso können Rotorabdeckung 45 und Gehäuseabdeckung 35 aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt werden, wo dies aus Gründen der Montagefreundlichkeit oder der Fertigung erforderlich ist. As is readily understandable for the expert, the Rotor cover 45 and the housing cover 35 are of course also can be used without the counterpart, in which case the opposite channel wall contoured in a different way must become. Likewise, rotor cover 45 and housing cover 35 be assembled from several individual parts, where this is for the sake of Ease of assembly or manufacturing is required.

BezugszeichenlisteReference list

1010th
MaschinenachseMachine axis
3030th
Gehäusecasing
3131
gehäuseseitig strömungsbegrenzende Wandflow-limiting wall on the housing side
3535
gehäuseseitiges EinbauteilInstallation part on the housing side
3636
zwischen gehäuseseitigem Einbauteil und Gehäuse gebildeter Hohlraumformed between the housing-side installation part and the housing cavity
3838
StützstrebenSupport struts
4040
Wellewave
4141
nabenseitig strömungsbegrenzende Wandflow-limiting wall on the hub side
4545
WellenabdeckungShaft cover
4646
zwischen Wellenabdeckung und Gehäuse gebildeter HohlraumCavity formed between the shaft cover and the housing
4848
Leckagespalt zwischen Rotorabdeckung und WelleLeakage gap between rotor cover and shaft
5050
StrömungskanalFlow channel
6060
Nabe des Regelrad-LäufersControl wheel rotor hub
6464
Regelrad-LaufschaufelnControl wheel blades
6565
Kopfbereich des Regelrad-LäufersHead area of the control wheel runner
6666
FügeverbindungJoint connection
6767
Regelrad-LeckagespaltControl wheel leakage gap
100100
MischkammerMixing chamber
110110
Verbindung zwischen Mischkammer und StrömungskanalConnection between mixing chamber and flow channel
AA
Austrittsebene der MischkammerExit level of the mixing chamber
AAAA
Gegenknickstelle der gehäuseseitig strömungsbegrenzenden WandCounterbend of the flow-restricting side of the housing wall
AKammer A chamber
Fläche der Mischkammer im Maschinen-LängsschnittArea of the mixing chamber in the machine longitudinal section
BB
Nase der nabenseitig strömungsbegrenzenden WandNose of the flow-limiting wall on the hub side
BBBB
Gegenknickstelle der nabenseitig strömungsbegrenzenden WandCounter kink of the flow limiting wall on the hub side
D1 D 1
Mediandurchmesser der RegelradesMedian diameter of the control wheel
D2 D 2
Mediandurchmesser der dem Regelrad stromab nachfolgenden StufeMedia diameter downstream of the control wheel step
LL
Tiefe der Mischkammer-ÖffnungDepth of the mixing chamber opening
LA ILA I
Regelrad-Läufer Control wheel runners
LA IILA II
Laufgitter der dem Regelrad stromab nachfolgenden StufePlaypen of the stage downstream of the control wheel
LE IILE II
Leitgitter der dem Regelrad stromab nachfolgenden StufeGuide grill of the stage downstream of the control wheel
PP
Schwerpunkt der MischkammerCenter of gravity of the mixing chamber
bb
Erstreckung der Mischkammer-Öffnung entlang der KanalwandExtension of the mixing chamber opening along the channel wall
hH
KanalhöheChannel height
ss
Sehnenlänge der Leitschaufeln der dem Regelrad stromab folgenden StufeChord length of the guide vanes downstream of the control wheel following stage
xP x P
axiale Lage des Mischkammer-Schwerpunktesaxial position of the mixing chamber center of gravity
xges x total
axialer Abstand zwischen Regelrad-Austritt und stromab folgendem Stufen-Eintrittaxial distance between control wheel outlet and downstream following step entry
ξξ
Stromlinien-angepasste KoordinateStreamlined coordinate

Claims (26)

Abströmteil eines Turbinen-Regelrades (LA I), gebildet durch eine gehäuseseitige (31) und eine nabenseitige (41) Kanalwand, welche Kanalwände (31, 41) einen Strömungskanal (50) einschliessen, welcher Strömungskanal als Ringtorus ausgebildet ist, wobei dieser Abströmteil zugleich die Zuströmung zu einer stromab angeordneten Turbinenstufe (LE II, LA II) darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass eine umlaufende Mischkammer (100) an der radial äusseren Wand (31) des Strömungskanals (50)angeordnet ist, welche Mischkammer mit dem Strömungskanal verbunden ist.Outflow part of a turbine control wheel (LA I), formed by a housing-side (31) and a hub-side (41) channel wall, which Channel walls (31, 41) include a flow channel (50) which Flow channel is designed as a ring torus, this outflow part at the same time the inflow to a downstream turbine stage (LE II, LA II), characterized in that a circumferential Mixing chamber (100) on the radially outer wall (31) of the Flow channel (50) is arranged, which mixing chamber with the Flow channel is connected. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (50) stromab des Regelrades stetige Wandkonturen aufweist.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 1, characterized characterized in that the flow channel (50) downstream of the control wheel has constant wall contours. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt des Strömungskanals weniger als 110% des Eintrittsquerschnitts beträgt.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 1 or 2, characterized characterized that the outlet cross section of the flow channel is less than 110% of the entrance cross-section. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Regelrad (LA I) auf einem grösseren Durchmesser als eine nachfolgende Stufe (LE II, LA II) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (50) in einem Mittelteil zur Maschinenachse (10) hin geneigt ist.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 3, the control wheel (LA I) having a larger diameter than one subsequent stage (LE II, LA II) is arranged, characterized in that that the flow channel (50) in a central part to the machine axis (10) is inclined. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (50) an einem stromabwärtigen Teil (AA, BB) so gekrümmt ist, dass eine Linie von jeder Strömungskanalwand (31, 41) zum Zentrum der Krümmung von der Maschinenachse (10) weg weist. Outflow part of a turbine control wheel according to claim 4, characterized characterized in that the flow channel (50) on a downstream Part (AA, BB) is curved so that a line from each Flow channel wall (31, 41) to the center of the curvature from the Machine axis (10) points away. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Regelrad (LA I) auf einem kleineren Durchmesser als eine nachfolgende Stufe (LE II, LA II) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (50) in einem Mittelteil von der Maschinenachse (10) weg weist.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 3, wherein the control wheel (LA I) on a smaller diameter than one subsequent stage (LE II, LA II) is arranged, characterized in that that the flow channel (50) in a central part of the machine axis (10) points away. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (50) an einem stromabwärtigen Teil (AA,BB) so gekrümmt ist, dass eine Linie von jeder Strömungskanalwand (31, 41) zum Zentrum der Krümmung zur Maschinenachse (10) hin weist.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 6, characterized characterized in that the flow channel (50) on a downstream Part (AA, BB) is curved so that a line from each Flow channel wall (31, 41) to the center of the curvature Machine axis (10) points out. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Längsschnitt der Maschine sich ergebende Schnittfläche (AKammer) der Mischkavität (100) zwischen 70% und 130% der Fläche beträgt, die sich bei Quadrierung der Kanalhöhe (h) ergibt.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 7, characterized in that a sectional area (A chamber ) of the mixing cavity (100) which results in the longitudinal section of the machine is between 70% and 130% of the area which occurs when the channel height is squared (h) results. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenschwerpunkt (P) der Mischkavität (100) zwischen 40% und 80% des axialen Abstandes (xges) zwischen Regelradaustritt und folgendem Leitrad-Eintritt stromab des Regelrad-Austritts angeordnet ist.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 8, characterized in that the center of gravity (P) of the mixing cavity (100) is between 40% and 80% of the axial distance (x total ) between the control wheel outlet and the following stator wheel inlet downstream of the control wheel -Exit is arranged. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (100) mit dem Strömungskanal (50) durch einen umlaufenden Ringspalt (110) verbunden ist.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 9, characterized in that the mixing chamber (100) with the Flow channel (50) connected by a circumferential annular gap (110) is. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtige Kante des Ringspaltes (A) mehr als eine Sehnenlänge (s) einer folgenden Leitschaufel (LE II) stromauf des Eintritts in eine folgende Stufe (LE II, LA II) angeordnet ist. Outflow part of a turbine control wheel according to claim 10, characterized characterized in that the downstream edge of the annular gap (A) more as a chord length (s) of a following guide blade (LE II) upstream of the Entry into a subsequent stage (LE II, LA II) is arranged. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung des Ringspaltes (b) auf der Kanalwand (31) in Hauptströmungsrichtung zwischen 50% und 150% der Kanalhöhe (h) beträgt.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 10 or 11, characterized in that the extension of the annular gap (b) the channel wall (31) in the main flow direction between 50% and 150% the channel height (h). Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Mischkammer (100) und die Verbindung (110) zum Strömungskanal (50) so aufeinander abgestimmt sind, dass eine resultierende Eigenfrequenz grösser als eine durch die Aussenströmung aufgeprägte Erregerfrequenz ist.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 12, characterized in that the volume of the mixing chamber (100) and the connection (110) to the flow channel (50) in this way are agreed that a resulting natural frequency is greater than one excitation frequency impressed by the external flow. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innen liegende Kanalwand (41) an der Stelle, die im Strömungskanal (50) der Mischkammer (100) gegenüberliegt, eine Nase (B) in den Strömungskanal hinein aufweist.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 13, characterized in that the radially inner channel wall (41) the location in the flow channel (50) of the mixing chamber (100) opposite, has a nose (B) into the flow channel. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Läufer des Turbinen-Regelrades (LA I) mindestens aus einem Schaufelkranz (64) und einer Nabe (60) besteht, welche Nabe (60) mit einer Welle (40) verbunden ist.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 14, characterized in that a rotor of the turbine control wheel (LA I) consists of at least one blade ring (64) and a hub (60), which hub (60) is connected to a shaft (40). Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Kanalwand (41) unmittelbar am Regelrad-Austritts eine radial nach innen gerichtete Stufe aufweist.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 15, characterized characterized in that the hub-side channel wall (41) immediately on Control wheel outlet has a radially inward step. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Kanalwand (41) durch eine Welle (40) der Turbine gebildet wird.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 16, characterized in that the hub-side channel wall (41) by a Shaft (40) of the turbine is formed. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Wand (41) des Strömungskanals (50) durch die stromab des Regelrad-Austritts axial fortgeführte Nabe (60) des Regelrad-Läufers (LA I) gebildet wird.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 15, characterized characterized in that the hub-side wall (41) of the flow channel (50) through the hub (60) axially continued downstream of the control wheel outlet of the control wheel rotor (LA I) is formed. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Wand (41) des Strömungskanals (50) durch eine umfangssymmetrische Rotorabdeckung (45) gebildet wird.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 16, characterized in that the hub-side wall (41) of the Flow channel (50) through a circumferentially symmetrical rotor cover (45) is formed. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorabdeckung (45) an den rotierenden Teilen der Maschine (40, 60) befestigt ist.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 19, characterized characterized in that the rotor cover (45) on the rotating parts the machine (40, 60) is attached. Abströmteil eines Turbinenregelrades nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorabdeckung (45) mit der gehäuseseitigen Kanalwand (31) fest verbunden ist.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 19, characterized characterized in that the rotor cover (45) with the housing side Channel wall (31) is firmly connected. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorabdeckung (45) durch Stützstreben (38) an der gehäuseseitigen Kanalwand (31) befestigt ist.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 21, characterized characterized in that the rotor cover (45) by support struts (38) the housing-side duct wall (31) is attached. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorabdeckung (45) durch im Wesentlichen radial nach innen gerichtete Platten an der gehäuseseitigen Kanalwand (31) befestigt ist.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 21, characterized characterized in that the rotor cover (45) by essentially radially inward-facing plates on the housing-side duct wall (31) is attached. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, die Rotorabdeckung (45) durch Schaufelprofile an der gehäuseseitigen Kanalwand (31) befestigt ist.Outflow part of a turbine control wheel according to claim 21, characterized characterized, the rotor cover (45) by blade profiles on the housing-side channel wall (31) is attached. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (LE II) der stromab folgenden Turbinenstufe (LE II, LA II) zwischen gehäuseseitiger Kanalwand (31) und Rotorabdeckung (45) integriert sind. Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 21 to 24, characterized in that the guide vanes (LE II) of the downstream following turbine stage (LE II, LA II) between the housing-side duct wall (31) and rotor cover (45) are integrated. Abströmteil eines Turbinen-Regelrades nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäuseseitige Kanalwand (31) den Kopfbereich (65) des Regelrad-Läufers (LA I) überdeckt.Outflow part of a turbine control wheel according to one of claims 1 to 25, characterized in that the housing-side channel wall (31) the Head area (65) of the control wheel rotor (LA I) covered.
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