DE1076444B - Gasturbinenlaufrad - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenlaufräder mit von einer Scheibe axial abstehenden Laufschaufeln, denen das Treibmittel von außen in bezug auf die Turbinenachse in annähernd radialer Richtung zugeleitet und in den Schaufelkanälen von der Radscheibe in die Achsrichtung umgelenkt wird und, im Axialschnitt gesehen, die Austrittskanten in Strömungsrichtung zur Drehachse von innen nach außen geneigt vorgesehen sind. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, mittels besonderer Ausbildung der Laufradbeschaufelung der Turbine das Druckgefälle zu erhöhen und den Wirkungsgrad zu verbessern.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelpartie an ihrem Austrittsende, in Stromlinienschnitten gesehen, über der ganzen Länge der Austrittskanten Druckmittelgeschwindigkeitsdreiecke aufweisen, die absolute Geschwindigkeiten des Druckmittels ergeben, deren Richtungen in die Richtung des Abgasrohres fallen und deren Größe der ganzen Austrittskante entlang annähernd die gleiche ist.

Die Vorteile dieser Lösung bestehen darin, daß nicht nur keine Drallwirkung im Treibmittel nach dem Laufrad auftritt, sondern auch dadurch, daß die innere Reibung der austretenden Gase und die dadurch bedingte Bremswirkung auf die Gasteile größerer Geschwindigkeit durch die Gasteile kleinerer Geschwindigkeit verhindert wird. Die Austrittsgeschwindigkeit in das Abgasrohr wird erhöht und der Wirkungsgrad der Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck in einem als Diffusor ausgebildeten Abgasrohr verbessert, wobei das Druckgefälle bzw. die Leistung der Turbine erhöht wird. Die erfindungsgemäßen Vorteile können zweckmäßig durch verschieden gerichtete Relativgeschwindigkeiten den schräggestellten Laufschaufelaustrittskanten entlang oder durch die Länge der Stromfäden in den Laufschaufelkanälen erreicht werden, im letzteren Falle kann auch eine Schrägstellung der Laufschaufeleintrittskanten herbeigezogen werden. Es entstehen dabei vom Eintritt bis zum Austritt des Druckmittels gleiche Druckänderungen in den Querschnitten der Laufschaufelkanäle. Bei konstantem Druck über dem Eintrittsquerschnitt ergibt sich dabei ein konstanter Druck über dem ganzen Austrittsquerschnitt eines einzelnen Laufradkanals.

Man kann die Austrittspartien der Laufschaufeln längs der Austrittskante unter sich eine Strecke weit parallel zueinander ausbilden; die Führung der Treibgase in den Laufschaufelkanälen wird dadurch verbessert.

Ein weiteres Merkmal der Austrittspartien der Beschaufelung des Laufrades besteht darin, daß die Schaufelwinkel beim Austritt im Zylinderschnitt, bezogen auf die Umfangsrichtung, kleiner ist als der

Anmelder:
Alfred J. Büchi, Winterthur (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 18. Juni 1955

Alfred J. Büchi, Winterthur (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

entsprechende Austrittsschaufelwinkel an ein und derselben Stelle der Austrittskante im Stromlimenschnitt. Die in Normalebenen zur Laufradachse liegenden Schaufelschnitte sind vorteilhaft auch dort radial gerichtet, wo diese die Austrittskanten der Laufschaufeln schneiden. Die Festigkeit der Schaufelpartien beim Austritt aus dem Laufrad gegen die Fliehkraftbeanspruchung wird dabei verbessert.

Die Laufschaufelaustrittskanten können unter einem Winkel, von 65 bis 87° gegenüber der Turbinenachse geneigt sein. Das Verhältnis des mittleren Krümmungsradius zur mittleren Höhe im Axialschnitt eines Laufschaufelkanals kann vorteilhaft mindestens zu 1,5 bemessen sein. Es soll auch das Verhältnis des mittleren Krümmungsradius zur mittleren Breite der im Zylinderschnitt gesehenen Laufschaufelkanäle nirgends kleiner als 1,5 sein. Diese Maßnahmen verhindern zu starke Umlenkung des Druckmittels in den Laufschaufelkanälen.

Für eine Turbine mit dem erfindungsgemäßen Turbinenlaufrad mit unter sich geteilten Eintrittskammern, wie solche besonders für Abgasturbinen verwendet werden, ist die Schaufelteilung des Laufrades in bezug auf die Teilung der Eintrittskammern vorteilhaft so bemessen, daß beim Drehen des Laufrades jeweils nur eine Laufradschaufel gleichzeitig nur einer Turbineneintrittskammerwand gegenüberstehen kann. Der Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, Stoßverluste im Treibmittel und Schwingungen zu vermeiden. Die selbständige Lösung der Aufgabe von Druckerhöhung und Wirkungsgradverbesserung auf dem Prinzip der Homogenisierung der Strömung innerhalb der Schaufelkanäle ist nicht Gegenstand der Erfindung.

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Fig. 1 zeigt die Laufschaufelung des Turbinenrades von vorn in Achsrichtung;

Fig. 2 zeigt einen partiellen Schnitt durch die Laufradscheibe mit einer Schaufel in Seitenansicht;

Fig. 3 zeigt die Kontur einer Schaufel, in Achsrichtung gesehen; in

Fig. 4 sind die radial gestellten Lauf schaufelschnitte dargestellt; die Schnittlinien sind in den Fig. 2 und 3 angegeben; :

Fig. 5 ist eine Ansicht auf die Eintrittskante A-A nach Fig. 2 und 3;

Fig. 6 ist ein Schnitt B-B nach Fig. 2 und 3;

Fig. 7 ist ein Schnitt C-C nach Fig. 2 und 3;

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Laufradschaufelung und derLeitschaufelung bei einer Turbine mit mehreren unterteilten Eintrittskammern.

In Fig. 1 ist 1 die Latifradscheibe, von der die Laufschaufeln 2 in axialer Richtung abstehen. Das Druckmittel tritt aus dem Leitapparat (nicht dargestellt) mit konstantem Druck über der ganzen Eintrittsfläche in die Laufschaufelkanäle ein und wird der Scheibenwand 2a von der radialen Eintritts richtung in die axiale Austrittsrichtung umgelenkt. Das Laufrad besitzt siebzehn Schaufeln bei einem Außendurchmesser von etwa 20 cm. Bei diesem Durchmesser werden mit fünfzehn bis zwanzig Laufschaufeln gute Resultate erzielt. Bei Laufrädern mit verschiedenen Außendurchmessern kann aus der Konstruktion eines dieser Räder, mit dem auf dem Versuchsstand gute Resultate erzielt worden sind, die totale Anzahl Laufschaufeln anderer Laufräder eines Lauf radsatzes, dadurch bestimmt werden, indem man das Verhältnis der Zehnerlogarithmen der Laufradaußendurchmesser in Zentimetern des Versuchsrades zu den anderen Rädern bestimmt und die Schaufelzahl des Versuchsrades mit dieser Verhältniszahl multipliziert. Dadurch werden für alle Laufräder die gleichen funktionellen Eigenschaften erzielt.

In Fig. 2 ist die Austrittskante V der Schaufel zur Drehachse Z von innen nach außen so stark geneigt, um den relativen Austrittsgeschwindigkeiten über dem ganzen Austrittsquerschnitt eine solche Richtung zu geben, daß die absoluten Geschwindigkeiten C₂ des Druckmittels in die Richtung des Abgasrohres fallen und deren Größe der ganzen Austrittskante entlang annähernd die gleiche ist.

In einem nachfolgenden Abschnitt wird an Hand der Fig. 6 und 7 die durch die Neigung der Austrittskante bedingte Beeinflussung der relativen Austrittsgeschwindigkeiten näher beschrieben. Nach vorliegender Ausführung ist ferner die Neigung α so groß bemessen, daß vom Eintritt bis zum Austritt der Gase die a-, b-, c-Stromfäden der Teilturbinen I, II, III und IV, denen entlang die Teilchen des Treibmittels strömen, gleich lang ausfallen, wobei die Druckänderungen vom Eintritt bis zum Austritt der Laufschaufelung ■ über dem ganzen Durchfluß querschnitt im Laufrad gleich groß ist; der Druck über der ganzen Austrittsfläche ist dann ebenfalls gleich groß, was die Stabilität der Strömung gewährleistet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kantenlinie V, im Axialschnitt gesehen, geradlinig und in einem Winkel von 75° zur Drehachse geneigt. Vorteilhafteste Resultate werden mit Winkeln α von der Größenordnung von 65 bis 87° erzielt.

Die Austrittskante V geht mit einer Rundung auf die Scheibe 1 über. Diese Ausführung vermindert Materialspannungen und gewährleistet einen homogenen Übergang von der Scheibe auf die Schaufeln bei Rädern, die nach dem Gußverfahren hergestellt werden. Die Laufschaufelkanäle sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildet.

Der innerste Durchmesser der Laufradschaufelung ist mit d_t und der mittlere äußere Durchmesser beim Eintritt ist mit d_e bezeichnet. Das Verhältnis dieser Durchmesser ist bei vorliegender Ausführung 1:2,8. Die Grenzwerte dieses Verhältnisses sind für gleiche funktionelle Eigenschaften von der Größenordnung 1:2,5 bis 1:3,5.

ίο Die Fig. 3 und 4 beziehen sich hauptsächlich auf die radiale Stellung der Laufschaufelquerschnitte. Die Schnittlinien sind mit /, K, L, M, N, P, Q₁ R und 5 bezeichnet. In Fig. 3 sind diese Schnittlinien in ihrer natürlichen Lage in bezug auf die von vorn in Achsrichtung gesehene Kontur k der Schaufel angegeben. Die zugehörige Lage der Achse ist mit Z bezeichnet. Die Ausbildung der Querschnitte von der äußeren Kontur k der Schaufel bis zum Übergang auf die Wand 2 a ist in Fig. 4 dargestellt. Die relativen Winkelstellungen der Schnitte sind dort unter sich gleich groß; die tatsächlichen Winkelstellungen sind aus Fig. 3 ersichtlich. Die Schnittformen sind so, daß bei kleinstem Materialaufwand die maximale Festigkeit gewährleistet wird. In Fig. 2 ist die Lage der Schaufelschnitte in Richtung der Drehachse ebenfalls feststellbar. Es ist ersichtlich, daß die Schaufeldicken in radialer Richtung gegen außen abnehmen. In Richtung der Drehachse, von der Radscheibe an, ist eine gleiche Ausbildung vorgesehen (s. Fig. 5, 6 und 7).

Der Grad der Verjüngung der einzelnen Schaufeln ist so vorgesehen, daß in einem großen Bereich der höchstbeanspruchten Laufradteile die Beanspruchung die zulässige Dauerstandfestigkeitsgrenze nicht überschreitet, aber bis ganz nahe daran herankommt.

Fig. 5 zeigt die Eintrittskante einer Laufschaufel. Die Wand 2 α ist dort radial gerichtet und bündig mit der Eintrittskante.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Lauf Schaufelquerschnitte in von der Drehachse äquidistanten Flächen, die den Linien B-B und C-C der Fig. 2 und 3 entsprechen. Die freien Enden 5 dieser Schnitte liegen auf der Austrittskante der Laufschaufeln; die Schnitte / und K der Fig. 4 endigen auf dieser Linie V. Einer bestimmten Neigung α dieser Kante V zur Drehachse, in einer Axialebene gesehen (s. Fig. 2), sind Schaufelformen am Austritt zugeordnet, die bestimmte Richtungen der relativen Austrittsgeschwindigkeiten W₂ über dem ganzen Austrittsquerschnitt aufweisen und je nach dem Neigungswinkel α der Kante V sich ändern. In den Fig. 6 und 7 sind zusätzlich zu den erwähnten Schnittflächen die Richtungen der durch den Punkt 5 gehenden, auf einer Strömungslinie liegenden Schnittflächen 6 strichpunktiert, angedeutet. Bei dieser Darstellung ergeben sich für die Laufschaufelformen Richtungen der relativen Austrittsgeschwindigkeiten W₂ (Fig. 6) und W₂' (Fig. 7), die tangential zu den strichpunktierten Schnitten 6 gerichtet sind und mit den ihnen zugeordneten Umfangsgeschwindigkeiten U₂ und U₂ den Winkel γ bzw. / bilden. Die ab-

soluten Austrittsgeschwindigkeiten C₂ des Druckmittels sind zufolge der durch die Schrägstellung der Kante ermöglichten Schaufelform axial gerichtet. Der Schaufelwinkel beim Austritt im Zylinderschnitt (äquidistant von der Achse) bildet mit der Umfangsrichtung einen Winkel δ, der kleiner ist als der Winkel γ, den die relativen Austrittsgeschwindigkeiten mit der Umfangsrichtung M₂ bzw. U₂ bildet. In Fig. 6 sind im gleichen achsparallelen Schnitt zwei Schaufeln dargestellt. Es wird damit gezeigt, daß die Seitenflächen in der Nähe der Austritte der Laufrad-

schaufeln auf einer Strecke χ parallel zueinander gerichtet sind. Dies wird deshalb so vorgesehen, damit die Führung des Druckmittels eine wesentliche Verbesserung erfährt. In Fig. 6 ist noch die mittlere Breite B_m und der mittlere Krümmungsradius r_m eingezeichnet. Die Verhältniszahl des mittleren Krümmungsradius r_m zur mittleren Breite B_m soll nicht kleiner als etwa 1,5 sein, damit die Umlenkverluste klein ausfallen.

In Fig. 8 ist der das Treibgas dem Laufrad zuführende Leitapparat bei einer Turbine mit getrennten Eintrittskammern dargestellt. Der Turbineneintritt ist in drei Kammern f_v f₂, f₃ gleicher Teilung T mit Wänden-F unterteilt; die Anzahl Laufschaufeln2 bzw. die Laufschaufelteilung t des Laufrades ist dabei in bezug auf die Teilung Γ so bemessen, daß von allen Laufschaufeln beim Drehen der vorgesehenen Turbineneintrittskammerwände F gegenübergestellt ist. Im Zeitmoment der dargestellten relativen Stellung des Laufrades steht nur die S chaufel 2 einer Turbineneintrittswand F' gegenüber.

In Fig. 9 ist die Laufradeintrittskante nach oben gerichtet. Diese Ausbildung kann zur Erzielung gleich großer Längen der Stromfäden (a, b, c in Fig. 2) von Vorteil sein. Aus dieser Figur ist ferner das Verhältnis des mittleren Krümmungsradius zur mittleren Höhe entnehmbar. Die Verhältniszahl des mittleren Krümmungsradius R_m zur mittleren Höhe H_m der Laufschaufelkanäle ist etwa 1,8; der minimale Wert dieser Zahl, bei dem die Umlenkverluste noch klein ausfallen, beträgt etwa 1,5.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Turbinenlaufrad mit von einer Scheibe axial abstehenden Laufschaufeln, denen das Treibmittel von außen in bezug auf die Turbinenachse in annähernd radialer Richtung zugeleitet und in den Schaufelkanälen von der Radscheibe in die Achsrichtung umgelenkt wird und, im Axialschnitt gesehen, die Austrittskanten in Strömungsrichtung zur Drehachse von innen nach außen geneigt vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelpartie an ihrem Austrittsende in Stromlinienschnitten (α, b, c) gesehen über der ganzen Länge der Austrittskanten (V) Druckmittelgeschwindigkeitsdreiecke aufweisen, die absolute Geschwindigkeiten (C₂) des Druckmittels ergeben, deren Richtungen in die Richtung des Abgasrohres fallen und deren Größe_ der ganzen Austrittskante entlang annähernd die gleiche ist.

2. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endpartien der Schaufeln längs der ganzen Austrittskante (V) unter sich eine Strecke (X) weit parallel zueinander gerichtet sind.

3. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der S chaufel winkel beim Austritt im Zylinderschnitt (äquidistant von der Achse) mit der Umfangsrichtung einen Winkel (δ) bildet, der kleiner ist als der Austrittswinkel (γ) an ein und derselben Stelle (5) der Austrittskante.

4. Turbinenlaufrad nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Normalebenen liegenden Schaufelschnitte (/, K), welche die Austrittskante (V) schneiden, radial gerichtet sind.

5. Turbinenlaufrad für Turbinen mit unter sich geteilten Eintrittskammern, besonders für Abgasturbinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelteilung (t) des Laufrades in bezug auf die Teilung (T) der Eintrittskammern (fv fv /3) ^so bemessen ist, daß beim Drehen des Laufrades jeweils nur eine Schaufel (2') gleichzeitig nur einer Turbineneintrittskammerwand (F') gegenüberstehen kann.

6. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufelaustrittskanten (V) unter einem Winkel von 65 bis 87° gegenüber der Turbinenachse geneigt sind.

7. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des mittleren Krümmungsradius zur mittleren Höhe der Laufschaufelkanäle in der Nähe des Radeintrittes mindestens zu 1,5 bemessen ist.

8. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des mittleren Krümmungsradius zur mittleren Breite der im Zylinderschnitt gesehenen Laufschaufelkanäle nirgends kleiner als 1,5 ist.

9. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Laufschaufeln den Zehnerlogarithmen der Laufradaußendurchmesser in Zentimetern verhältnisgleich ist.

10. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Laufschaufeln bei einem Laufradaußendurchmesser von 20 cm fünfzehn bis zwanzig beträgt.

11. Turbinenlaufrad nach Anspruch 1 mit von einer Scheibe axial abstehenden Laufschaufeln, denen das Treibmittel von außen in bezug auf die Turbinenachse in annähernd radialer Richtung zugeleitet und in den Schaufelkanälen von der Radscheibe in die Achsrichtung umgelenkt wird und, im Axialschnitt gesehen, die Austrittskanten in Strömungsrichtung zur Drehachse von innen nach außen geneigt vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelpartien an ihren Ein- und Austrittsenden derart ausgebildet sind, daß sämtliche Stromfäden vom Eintritt bis zum Austritt den Schaufelflächen der Laufradschaufelung entlang annähernd gleich lang ausfallen, derart, daß vom Eintritt bis zum Austritt der Laufradbeschaufelung in der S trömungs richtung gleiche Druckänderungen entstehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 168 357;
schweizerische Patentschrift Nr. 277 112;
britische Patentschrift Nr. 704 678;
Motortechnische Zeitschrift, Bd. 15, 1954, S. 228; The Oil Engine and Gas Turbine, Bd. 22, 1955, S. 472;

The Engineer, Bd. 199, 195S, S. 678.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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