DE2048290A1 - Impeller for flow machines - Google Patents

Description

B e s c h r e i b u n g Laufrad für Strömungsmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für Strömungsmaschinen mit etwa in einer normalen Ebene zur Laufradachse liegenden inneren Schaufelkanten und auf einem zur Laufradachse konzentrischen Kegelmantel liegenden äußeren Schaufelkanten. B e s c h r e i b u n g Impeller for turbo machines The invention refers to an impeller for turbo machines with approximately in a normal plane to the impeller axis lying inner blade edges and on one to the impeller axis concentric cone shell lying outer blade edges.

Solche Laufräder werden auch als Diaganalräder bezeichnet, wobei vorausgesetzt ist, daß die Neigung der äußeren Schaufelkanten im Meridianschnitt gegen die Achsrichtung im Sinne einer Verringerung des Umlenkwinkels der Strömung - im Meridianschnitt gesehen - liegt. Sie sind gewissermaßen aus den ttRadialrädern" hervorgegangen, bei denen die äußeren Schaufelkanten auf einer zur Laufradachse konzentrischen Zylinderfläche liegen. Die Diagonairäder werden gegenüber den Radialrädern vorzugsweise dann verwendet, wenn eine größere Schnelläufigkeit verlangt wird.Such impellers are also referred to as Diaganal wheels, provided that is that the inclination of the outer blade edges in the meridional section against the axial direction in the sense of a reduction in the deflection angle of the flow - in the meridional section seen - lies. In a sense, they emerged from the tt radial wheels, in which the outer blade edges on a cylindrical surface concentric to the impeller axis lie. The diagonal wheels are preferably used over the radial wheels, when greater speed is required.

Sie können sowohl als Turbinenrad mit zentripetaler Durchströmung, d.h., also mit Zuströmung an den äußeren Schaufelkanten, wie auch als Verdichterrad mit zentrifugaler Durchströmung, d.h., mit Zugströmung an den inneren Schaufelkanten, verwendet werden.They can be used as a turbine wheel with centripetal flow, i.e., with an inflow at the outer blade edges, as well as a compressor wheel with centrifugal flow, i.e. with draft flow at the inner blade edges, be used.

Der Zweck der Erfindung ist, ein Diagonalrad zu schaffen, welches einen besseren Strömungßverlaut an den äußeren Schaufelkanten als Ubergangsstelle Statorraum - Laufradumfang ergibt und außerdem mit hoher Umfangsgeschwindigkeit infolge günstiger Gestaltung der Schaufeln betrieben werden kann.The purpose of the invention is to create a diagonal wheel which a better flow sound at the outer blade edges than the transition point to the stator space - Impeller circumference results and also with high circumferential speed as a result of favorable Design of the blades can be operated.

Bekannte Diagonalräder für hohe Umfangsgeschwindigkeiten haben am Außenumfang, d.h., an den äußeren Schaufelkanten radialendigende ebene Schaufeln, um für hohe Umfangsgeschwindigkeiten eine nicht zu hohe Beanspruchung der Schaufeln zu erreichen.Known diagonal gears for high peripheral speeds have on Outer circumference, i.e. flat blades ending radially at the outer blade edges, In order to ensure that the blades are not subjected to excessive stress for high circumferential speeds to reach.

Schwierigkeiten ergeben sich jedoch aus der universellen GU1-tigkeit des Drallsatzes r . cu = konstant, für den Strömungsraum außerhalb der äußeren Schaufelkanten. Der Radius r ist an den verschiedenen Stellen der äußeren Schaufelkante verschieden groß, sodaß sich die Umfangskomponente cu umgekehrt proportional mit dem Radius r ändern muß. Dies ist aber mit der selbstverständlichen Voraussetzung, daß die Umfangsgeschwindigkeit selbst dem Radius proportional ist, nicht ohne weiteres zu vereinbaren, weil die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit = oU der Umfangsgeschwindigkeit u ähnlich ist.Difficulties arise, however, from the universal GU1-activity of the swirl rate r. cu = constant, for the flow space outside the outer blade edges. The radius r is different at the different points on the outer blade edge large, so that the circumferential component cu is inversely proportional to the radius r must change. But this is with the obvious prerequisite that the Circumferential speed itself is proportional to the radius, not without further ado agree because the circumferential component of the absolute speed = oU of the circumferential speed u is similar.

Man kann - wie man es z.B. bei Laufrädern mit rein axialer Durchströmung tut,- der Veränderung der genannten Geschwindigkeiten mit dem Radius Rechnung tragen durch verwundene Schaufeln.You can - as you can e.g. with impellers with purely axial flow does, - take account of the change in the named speeds with the radius through twisted blades.

Diese sind aber festigkeitsmäßig ungünstig, weil es bei ihnen nicht möglich ist, die Schaufeln so zu gestalten, daß jeder Teil des Profilschnittes mit seinem Schwerpunkt über teine zum Zentrum gesehenen darunterliegenden Schnitt, bis zum Schaufelfuß hin, zu liegen kommt.However, these are unfavorable in terms of strength because they are not it is possible to design the blades so that each part of the profile cut with its center of gravity over teine underlying cut seen towards the center, up to to the tip of the blade, comes to rest.

Es sind auch Radialräder bekannt, deren. Schaufeln am Rad umfang nicht eben, sondern gewölbt sind. Diese Wölbung dient aber nur dazu, die Schaufeln schwingungssteifer zu machen.There are also known radial gears whose. No blades on the circumference of the wheel flat, but curved. This curvature only serves to make the blades more vibration-resistant close.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaufeln eines Diagonalrades für Strömungsmaschinen so zu gestalten, daß sowohl die Forderung nach höchster Festigkeit wie auch nach der Verträglichkeit mit dem Drallgesetz r . cu = konstant für jede Stelle der äußeren Schaufelkanten erfüllt ist.The invention is based on the object of the blades of a diagonal wheel to design for fluid flow machines so that both the requirement for maximum strength as well as according to the compatibility with the twist law r. cu = constant for each Position of the outer blade edges is fulfilled.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem solchen Diagonalrad die Schaufeln im Bereich der äußeren Schaufelkanten bis zur Nabenscheibe an sich bekannte radiale Erzeugende haben und daß der Winkel ß' der Schaufel zur Umfangsrichtung im Zylinderschnitt sich über die Breite der äußeren Schaufelkante so ändert, daß die Bedingung des Drallgesetzes r . cu = konst.This object is achieved in that with such a diagonal wheel the blades in the area of the outer blade edges up to the hub disc itself have known radial generatrix and that the angle ß 'of the blade to the circumferential direction in the cylinder section changes over the width of the outer blade edge so that the condition of the twist law r. cu = const.

eingehalten ist.is observed.

Es wurde ferner gefunden, daß man Vorteilhafterweise bei einem Diagonalrad nach der Erfindung, das als Turbinenrad zentripetal durchströmt wird, d.h., also mit Zuströmung zu den äußeren Schaufelkanten arbeitet, den-Winkel ist der Schaufel zur Umfangsrichtung im Zylinderschnitt so ausführt, daß er der folgenden Gleichung genügt: k1 . sin α . sin # tan ß' k1 . cos α - k2 . r2 wobei = = Winkel der Absolutgeschwindigkeit c zur Umfangsrichtung c = Absolutgeschwindigkeit am Eintritt in das Laufrad 6 = Winkel zwischen der Eintrittskante im Meridianschnitt und der Achsrichtung k1 = c r, wobei r = Radius des Bintrittspunktes zur Laufradachse k2 = u/r, wobei u = Umfangsgeschwindigkeit des Eintrittspunktes Zur Erläuterung der Erfindungan einem Beispiel dient die Zeichnung Fig. 1 bis 3 . Als Beispiel wurde ein Turbinenlaufrad benutzt. Die an diesem erläuterten «estaltungsgrundsätze für den äußeren Schaufelteil gelten jedoch auch für ein als Verdichterlaufrad mit Abströmung an den äußeren Schaufelkanten, arbeitendes Rad.It has also been found that it is advantageous to use a diagonal wheel according to the invention, which is flowed through centripetally as a turbine wheel, i.e., that is works with inflow to the outer blade edges, the angle is the blade to the circumferential direction in the cylinder section so that it corresponds to the following equation suffices: k1. sin α. sin # tan ß 'k1. cos α - k2. r2 whereby = = Angle of the absolute speed c to the circumferential direction c = absolute speed at the entrance to the impeller 6 = angle between the leading edge in the meridional section and the axis direction k1 = c r, where r = radius of the entry point to the wheel axis k2 = u / r, where u = peripheral speed of the entry point For explanation 1 to 3 of the drawing is used for an example of the invention. As an example was a turbine runner used. The design principles for however, the outer blade part also applies to a compressor impeller with an outflow on the outer blade edges, working wheel.

Fig. 1 zeigt den Meridianschnitt des erfindungsgemäßen Diagonalrades.Fig. 1 shows the meridional section of the diagonal wheel according to the invention.

Fig. 2 zeigt die dazugehörigen Geschwindigkeitsdreiecke.Fig. 2 shows the associated speed triangles.

Fig. 3 zeigt eine Schaufel des Diagonalrades im abgewickelten Zylinderschnitt, wobei die Geschwindigkeitsdreiecke direkt an den zugehörigen Schaufelpunkten angebracht sind.Fig. 3 shows a blade of the diagonal wheel in the developed cylinder section, where the speed triangles are attached directly to the associated blade points are.

5 ist die Nabe des Laufrades, dessen Drehachse durch die Mittellinie B-B angedeutet ist. 4 ist eine Schaufel des Laufrades, die in Fig. 1 in Umfangsrichtung in den Meridiansohnitt proJiziert ist. 1-2 ist die äußere Schaufelkante 7, deren linker Punkt 1 auf dem kleineren Radius r1 liegt, während der äußerste Punkt 2 durch den Radius r2 gekennzeichnet ist. Die Kante 7 ist um den Winkel # gegen die Parallele zur Achsrichtung geneigt, und zwar in dem Sinne, daß der Umlenkwinkel von der Eintritsströmung zur achsparallelen Austrittsströmung gegenüber dem Winkel eines etwa entsprechenden t'Radialrades verringert ist. In Fig. 1 sind ferner die beiden Komponenten Cml und cm2 der absoluten Zuströmgeschwindigkeit c1 und c2 eingezeichnet. Da Fig. 1 einen Meridianschnitt darstellt, erscheinen diese hier in ihrer "natürlichen 1t Größe.5 is the hub of the impeller, its axis of rotation through the center line B-B is indicated. 4 is a blade of the impeller, the one in FIG. 1 in the circumferential direction is projected into the Meridian Sonitt. 1-2 is the outer edge of the bucket 7, whose left point 1 lies on the smaller radius r1, while the outermost Point 2 is characterized by the radius r2. The edge 7 is at the angle # inclined against the parallel to the axial direction, in the sense that the deflection angle from the inlet flow to the axially parallel outlet flow versus the angle an approximately corresponding t'Radialrades is reduced. In Fig. 1 are also the both components Cml and cm2 of the absolute inflow velocity c1 and c2 are shown. Since Fig. 1 shows a meridional section, these appear here in their "natural" 1t size.

Die Geschwindigkeitsdreiecke für die beiden Eintrittspunkte 1 und 2 liegen jeweils in einer Ebene, die senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 liegt und sich mit dieser in Geraden schneidet, die durch 0m1 bzw. cm2 gekennzeichnet sind. Diese Geschwindigkeitsdreiecke sind in Fig. 2 um diese durch Cml und cm2 gekennzeichneten Geraden in die Zeichenebene herumklappt. Die Geschwindigkeiten werden also in Fig. 2 in "natürlicher" Größe ohne Einfluß von Projektionswinkeln dargestellt. c1 und c2 sind die Absolutgeschwindigkeiten der Zuströmung, wobei angenommen ist, daß diese in dem freien Zuströmraum vor dem Laufradeintritt parallel zueinander sind. Die Größe ergibt sich aus dem Gesetz r Cu = konstant, dementsprechend Cul und cu2 als Umfangskomponenten von c1 und c2 in der Größe umgekehrt proportional zu den Radien r1 und r2 erscheinen. Ferner sind die Umfangsgeschwindigkeiten Selbst u1 und u2 proportional den Radien r1 und r2 w1 und w2 sind nach der üblichen Schreibweise die Relativgeschwindigkeiten.The speed triangles for the two entry points 1 and 2 each lie in a plane which is perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 and intersects with this in straight lines, which are marked by 0m1 or cm2 are. These speed triangles are marked around them in FIG. 2 by Cml and cm2 Straight line folds around in the drawing plane. The speeds are thus shown in Fig. 2 shown in "natural" size without the influence of projection angles. c1 and c2 are the absolute velocities of the inflow, it being assumed that these are parallel to one another in the free inflow space in front of the impeller inlet. the Size results from the law r Cu = constant, accordingly Cul and cu2 as Circumferential components of c1 and c2 in size inversely proportional to the radii r1 and r2 appear. Furthermore, the peripheral speeds themselves are u1 and u2 proportional to the radii r1 and r2 w1 and w2 are according to the usual notation the relative speeds.

In Fig, 3 ist die Schaufel 4 ohne Dickenangabe nur als Kurvenzug gezeichnet. An den entsprechenden Punkten 1 und 2 der äußeren Schaufelkante sind die entsprechenden Geschwindigkeitsdreiecke gezeichnet, die hier in der Projektion aus der in Fig. 1 lediglich in 0m1 und cm2 im Schnitt gekennzeichneten Ebene der "natürlichen" Geschwindigkeitsdreiecke in die Zeichenebene von Fig. 3 erscheinen. Die einzelnen Komponenten sind daher durch den Index ergänzt, außer der Umfangsgeschwindigkeit u und der Umfangskomponenten cu, die hier parallel proJiziert sind und in "natürlicher" Größe erscheinen. Die Schaufel 4 besitzt mindestens in dem Bereich, der zwischen der äußeren Kontur 7 und der Nabenscheibe 5 liegt, radialeErzeugende; sie erscheint daher im abgewickelten Zylinderschnitt von Fig. 3 als einfacher Kurvenzug. Der Winkel 3' in der Projektion von Fig. 3 zwischen der Relativgeschwindigkeit w' und der Umfangsrichtung wird nun erfindungsgemäß als Schaufelwinkel ausgeführt, wie es bei 1 und 2 durch die Geschwindigkeitsdreiecke angedeutet ist.In FIG. 3, the blade 4 is drawn only as a curve without any indication of the thickness. At the corresponding points 1 and 2 on the outer blade edge are the corresponding Velocity triangles are drawn, which here in the projection from the in Fig. 1 plane of the "natural" speed triangles marked in the section only in 0m1 and cm2 appear in the plane of the drawing of FIG. The individual components are therefore supplemented by the index, except for the circumferential speed u and the circumferential components cu, which are projected parallel here and appear in "natural" size. the The blade 4 has at least the area between the outer contour 7 and the hub disk 5 lies, radial generators; it therefore appears in the unwound Cylinder section of Fig. 3 as a simple curve. The angle 3 'in the projection of Fig. 3 between the relative speed w 'and the circumferential direction is now designed according to the invention as a blade angle, as shown in 1 and 2 by the speed triangles is indicated.

Wie weitere Untersuchungen ergaben, wird für das l'urbinenlaufrad der Winkel i'3' im Eintrittsbereich, d.h., für den Teil zwischen der äußeren Schaufelkante 7 und der Nabenscheibe 5 durch die Gleichung k1 . sin α . sin # tan ß' k1 . cos α - k2 . r2 gekennzeichnet, wobei die einzelnen Zeichen die oben bereits angegebene Bedeutung haben.As further investigations showed, for the turbine runner the angle i'3 'in the inlet area, i.e. for the part between the outer blade edge 7 and the hub disk 5 by the equation k1. sin α. sin # tan ß 'k1 . cos α - k2. r2, whereby the individual characters are the ones above have given meaning.

Das Laufrad nach der Erfindung hat als Diagonalrad für Strömungsmaschinen den Vorteil, sowohl strömungstechnisch durch die Anpassung an die allgemeingültigen Strömungsgesetze im Statorraum wie auch festigkeitsmäßig durch die rein radiale Schaufelform den höchsten Anforderungen hinsichtlich der strömungstechnischen Belastung und des Wirkungsgrades sowie der Festigkeit zu genügen.The impeller according to the invention has a diagonal wheel for flow machines the advantage, both in terms of flow, through the adjustment to the generally applicable laws of flow in the stator space as well as in terms of strength the purely radial blade shape meets the highest requirements in terms of flow Load and the efficiency as well as the strength.

Claims (2)

Schutz-Ansprüche Protection claims Laufrad für Strömungsmaschinen %)}$Laufrad für Strömungsmaschinen mit etwa in einer Normalebene zur Laufradachse liegenden inneren Schaufelkanten und etwa auf einem zur Laufradachse konzentrischen Kegelmantel liegenden äußeren Schaufelkanten, wobei letztere im Meridianschnitt gegen die Achsrichtung im Sinne einer Verringerung des Umlenkwinkels der Strömung geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln im Bereich der äußeren Schaufelkanten bis zur Nabenscheibe an sich bekannte radiale Erzeugende haben und daß die Schaufeln in diesem Bereich so gewölbt sind, daß der Winkel /3' der Schaufel zur Umfangsrichtung im Zylinderschnitt sich über die Breite der äußeren Schaufelkante so ändert, daß die Bedingung des Drallsatzes r . Cu = konstant eingehalten ist. Impeller for fluid flow machines%)} $ Impeller for fluid flow machines with inner blade edges lying approximately in a normal plane to the impeller axis and approximately on an outer cone surface that is concentric to the impeller axis Blade edges, the latter in the meridional section against the axial direction in the sense are inclined to a reduction in the deflection angle of the flow, characterized in that that the blades in the area of the outer blade edges up to the hub disk have known radial generators and that the blades in this area so are curved that the angle / 3 'of the blade to the circumferential direction in the cylinder section changes over the width of the outer blade edge so that the condition of the Swirl set r. Cu = is kept constant. 2. Laufrad für Strömungsmaschinen nach Anspruch 1 als zentripetales iCurbinenrad mit Zuströmung zu den äußeren Schaufelkanten dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 2' der Schaufel zur Umfangsrichtung im Zylinderschnitt der Gleichung genügt: k1 . Sin α . sin # tan ß' = -k2 . cos α- k2 . r2 wobei = = Winkel der Absolutgeschwindigkeit c zur 2umfangsrichtung c = Absolutgeschwindigkeit am Eintritt in das Laufrad 6 = Winkel zwischen der Eintrittskante im f'feridianschnitt und der Achsrichtung k1 = c . r, wobei r = Radius des Eintrittspunktes zur Laufradachse k2 = u/r, wobei u = Umfangsgeschwindigkeit des Eintrittspunktes Leerseite 2. impeller for turbo machines according to claim 1 as centripetal iCurbine wheel with inflow to the outer blade edges characterized by that the angle 2 'of the blade to the circumferential direction in the cylinder section of the equation suffices: k1. Sin α. sin # tan ß '= -k2. cos α- k2. r2 whereby = = Angle of the absolute speed c to the circumferential direction c = absolute speed at the entrance to the impeller 6 = angle between the leading edge in the f'feridional section and the axis direction k1 = c. r, where r = radius of the entry point to the impeller axis k2 = u / r, where u = peripheral speed of the entry point Blank page