DE3932244A1 - Radialstroemungsrotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Radialströmungsrotoren, die in Gasturbinentriebwerken oder anderen Strömungsmittelturbinen benutzt werden, um eine Kompression zu bewirken oder Energie abzuziehen.

Wenn man beispielsweise die Anwendung bei einer Turbine betrachtet, so ergibt sich, daß die rotierenden Schaufeln einer Radialströmungsturbine Energie von den sie durchströmenden Gasen abziehen. Die Schaufeln sind so ausgebildet, daß soviel Energie als möglich abgezogen wird, um die Turbine zu drehen und ein mechanisches Drehmoment zu liefern. Der Wirkungsgrad der Radialturbine wird jedoch schwerwiegend beeinträchtigt, wenn der Energieaustausch und die Übertragung mit mechanischen, thermodynamischen und aerodynamischen Verlusten verknüpft ist. Die aerodynamischen Verluste schließen Verluste infolge von Sekundärströmungen in den Kanälen zwischen benachbarten Schaufeln ein.

Diese Sekundärströmungen ziehen Strömungsmittel aus der Oberflächengrenzschicht ab und transportieren sie unter dem Einfluß von statischen Druckgradienten von der Schaufeldruck­ fläche nach der benachbarten Schaufelsaugfläche über den Kanal und die Wände. Die resultierenden Strömungen besitzen Geschwindigkeitsvektoren, die von den Hauptströmungsvektoren der Bewegungsgase wesentlich unterschieden sind, so daß hierdurch die aerodynamischen Verluste erhöht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Steuerung der Grenzschicht­ bewegung in den Zwischenschaufelbereichen zu unterstützen.

Die rotierenden Schaufeln einer Radialströmungsturbine sind außerdem sowohl mechanischen als auch aerodynamischen Erreger­ quellen ausgesetzt, die zu einer Resonanzvibration oder einem Flattern führen können, wenn zwischen Wirkungen mit dem Eigenfrequenzansprechen des Rotoraufbaus auftreten. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht demgemäß darin, Mittel vorzusehen, um die natürlichen Vibrationsresonanzfrequenzen des Radial­ strömungsrotors zu modifizieren.

Gemäß der Erfindung ist ein Radialströmungsrotor mit einer Drehachse mit mehreren allgemein axial verlaufenden Schaufeln versehen, die axial verlaufende Gaskanäle bilden und so ausgebildet sind, daß benachbarte Schaufeloberflächen Druck­ und Saugoberflächen definieren, wobei wenigstens ein Teil der axialen Erstreckung der Schaufeln eine Druckoberfläche besitzt, die in Spannrichtung betrachtet konvex ist.

Vorzugsweise besitzt wenigstens ein Teil der axialen Erstreckung jeder Schaufel eine Saugoberfläche, die in Spannrichtung konkav ist.

Die Krümmung in Spannrichtung befindet sich vorzugsweise am Einlaß oder Auslaß des Radialströmungsrotor oder verläuft über die gesamte Stromlinienlänge.

Vorzugsweise wird jede Schaufel durch einen Stapel von elementaren Stromlinienabschnitten gebildet, so daß sich eine Krümmung in Spannrichtung ergibt und diese Abschnitte sind so gestapelt, daß die Druckoberfläche in Spannrichtung konvex ist. Vorzugsweise ist die Saugoberfläche in der gleichen Richtung konkav.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perskektivische Ansicht einer herkömmlichen Radialtrubine, die nicht nach den Lehren der Erfindung ausgebildet ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Strömungskanals, der durch zwei benachbarte herkömmliche Schaufeln der Radialturbine gemäß Fig. 1 definiert wird;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Radialturbine;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Strömungskanal, der durch zwei benachbarte Schaufeln der Radialturbine gemäß Fig. 3 definiert wird.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Radialturbine (10), die nicht gemäß den Lehren der Erfindung ausgebildet ist und Schaufeln (12) besitzt, welche eine Krümmung in Richtung der Hauptströmung (14) aufweisen. In einer Richtung (16) normal zur Hauptströmungs­ richtung (14) erstrecken sich die Schaufeln (12) radial von einer zentralen Nabe (18). Benachbarte Schaufeln (12) definieren einen Strömungskanal (20), durch den ein Antriebsgas strömt.

Der in Fig. 2 dargestellte Strömungskanal (20) wird durch eine Saugoberfläche (SS) der einen Schaufel (12), durch eine Druckoberfläche (PS) der benachbarten Schaufel (12) und innere (22) und äußere (24) Umfangsstirnwände definiert. Die Innenwand (22) wird durch die zentrale Nabe (18) und die äußere Umfangs­ wand (24) wird durch das nichtdargestellte Triebwerksgehäuse definiert. Die Saug- und Druckoberflächen (SS und PS) erstrecken sich beide radial und besitzen Konturen konstanten statischen Druckes (26), die im Strömungskanal (20) vorhanden sind.

Die Konturen konstanten statischen Druckes (26), die im Strömungskanal (20) vorhanden sind, sind in der Nähe der Druck­ oberfläche (PS) bei (P 16) am größten und sie fallen über den Strömungskanal (20) nach einem geringeren Druck (P 1) in der Nähe der Saugoberfläche (SS) ab. Die Pfeile zeigen die Richtung des Druckgradienten in abnehmendem Sinne.

Die Antriebsgase, die durch den Strömungskanal (20) in Haupt­ strömungsrichtung (14) abfließen, wirken mit den Schaufeln (12) zusammen, und dies führt dazu, daß eine Grenzschicht mit geringer Geschwindigkeit an der Oberfläche der Schaufeln (12) gebildet wird. Diese Grenzschicht sucht von der Druckseite (PS) nach der Saugseite (SS) einer benachbarten Schaufel (12) längs der inneren (20) und äußeren (24) Stirnwände unter dem Einfluß der Druckgradienten abzufließen, die durch die Pfeile in Fig. 2 dargestellt sind. Die Querkanalströmung oder Sekundär­ strömung besitzt einen Geschwindigkeitsvektor, der sich beträchtlich von dem Hauptströmungsvektor der Antriebsgase unterscheidet, und dies führt zu aerodynamischen Verlusten.

Die Spitzenbereiche (13) der Schaufeln (12) sind in Umfangs­ richtung nicht abgestützt und sie neigen daher zu einem Klappern. Dieses Klappern oder die Torsions-Vibrations-Moden treten längs typischer Knoten (15) auf.

Die Ausbildung von Schaufeln gemäß der Erfindung sucht die sich drehenden Schaufeln zu versteifen, und zwar insbesondere in den Spitzenbereichen (13), und es sollen die zweckmäßigen radialen Druckoberflächengradienten verbessert werden, um die Steuerung der Grenzschichtbewegung im Zwischenschaufelbereich zu unterstützen.

Gemäß Fig. 3 besitzt eine Radialturbine (28) gemäß der Erfindung Schaufeln (30), die eine Krümmung normal zur Hauptströmungs­ richtung (32) aufweisen. Die Krümmung kann am Einlaßende (34) oder am Auslaßende (36) der Schaufeln (30) oder über die gesamte Stromlinienlänge der Schaufeln eingeführt werden.

Gemäß Fig. 4 wird der Strömungskanal (38) durch eine konvexe Druckoberfläche (PS) einer Schaufel (30), eine konkave Saug­ oberfläche (SS) einer benachbarten Schaufel (30) und innere (40) und äußere (42) umlaufende Stirnwände definiert. Die Innenwand (40) wird durch eine zentrale Nabe (35) definiert, und die äußere Umfangswand (42) wird durch ein nichtdargestelltes Triebwerksgehäuse definiert.

Durch Einführung konvexer Druckoberflächen (PS) der Schaufeln (30) schneidet die Druckoberfläche (PS) eine Zahl von Konturen konstanten statischen Druckes. Die Enden der Druckoberfläche (PS) schneiden Konturen höheren statischen Drucks (P 16) und (P 14), während der Mittelpunkt der Druckoberfläche (PS) eine Kontur mit niedrigerem statischen Druck (P 11) schneidet. Die konvexe Krümmung, die dadurch eingeführt wird, führt zur Bildung eines zweckmäßigen statischen Druckgradienten längs der Druckoberfläche (PS), wie durch die ausgezogenen Pfeile in Fig. 4 dargestellt. Die Pfeile zeigen die Richtung der Druck­ gradienten im abnehmenden Sinne. Die Grenzschicht an der Druck­ oberfläche der Schaufel (30) hat daher Druckgradienten, die ein Wandern der Grenzschicht über die Stirnwand (40) nach der Saugseite verhindern, wo sie sonst in die Sekundärströmung eingesaugt würde.

Durch die Anordnung der konkaven Krümmung auf der Saugoberfläche (SS) der Schaufel (30) schneiden die extremen Enden Konturen konstanten statischen Druckes (P 2 und P 6), während der mittlere Punkt der Saugoberfläche (SS) eine Kontur niedrigeren statischen Druckes (P 1) schneidet. Die ausgezogenen Pfeile zeigen die Richtung der Druckgradienten in abnehmendem Sinne auf der Saug­ seite (SS). Die Grenzschichtströmung auf der Saugseite zeigt daher Druckgradienten, die eine Strömung über die Stirnwand (42) verhindern.

Obgleich die Saugoberfläche in konkaver Form dargestellt ist, kann sich die Krümmung der Saugoberfläche in der Tat ändern. Die Krümmung, die auf der Saugseite eingeführt wird, hängt von Beanspruchungskriterien ab, die notwendig sind, um die konvexe Krümmung der Druckoberfläche zu erzeugen.

Die eingeführte Krümmung in Spannrichtung ergibt zweckmäßige radiale Oberflächen-Druckgradienten, die die Bewegung der Grenzschicht erregen und dies führt dazu, daß eine Strömung von der Druckseite nach der Saugseite verhindert wird, wo diese Strömung sonst in die Sekundärströmung eingesaugt würde. Dadurch werden die aerodynamischen Verluste vermindert, da die Störung der Hauptströmung vermindert wird.

Die eingeführte Krümmung unterstützt die Steuerung der Grenz­ schichtströmung über die Stirnwände der Zwischenschaufelkanäle und erhöht außerdem die mechanische Festigkeit der Schaufeln (30). Die Krümmung in Spannrichtung bewirkt eine Versteifung der sonst flexiblen Schaufelenden durch Erhöhung der Eigen- Resonanzvibrationsfrequenzen der Schaufeln (30).

Die Krümmung modifiziert das modale Muster, wie bei (31) angedeutet. Obgleich das dargestellte Ausführungsbeispiel eine konvexe Ausbildung der Druckoberfläche zeigt, so ist es für den Fachmann jedoch klar, daß die Krümmungsverteilung in irgendeiner Spannrichtung die Schaufeln (30) versteift.

Das aerodynamische Profil einer derart unkonventionell gestalteten Schaufel (30) kann dadurch definiert werden, daß eine Zahl von elementaren Stromlinienabschnitten derart gestapelt wird, daß jedes Element der Hinterkante normal zu den örtlichen Primärströmungslinien der Antriebsgase verläuft. Die Anwendung hiervon bei nichtparallel zur Drehachse gerichteter Ausströmung kann das Mehrfachneigungsprinzip benutzen, welches gewährleistet, daß die Strömung senkrecht aus dem Kanal ausgeblasen wird, wie dies aus der Britischen Offenlegungsschrift GB 21 64 098A hervorgeht.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit einer Radialturbine beschrieben. Es ist jedoch für den Fachmann klar, daß die gleichen Prinzipien auf irgendwelche radialen oder gemischten Strömungsrotoren in Gasmaschinen oder bei anderen Anwendungen benutzt werden können.

Die Radialströmungsturbine kann bewegliche Schaufeln in Kombination mit teilweise beweglichen Schaufeln aufweisen, die als "Splitters" bekannt sind. Die Erfindung ist sowohl für voll drehbare Schaufeln und Splitter anwendbar, und zwar einzeln oder in Kombination.

Claims (7)

1. Radialströmungsrotor mit einer Drehachse der mit mehreren allgemein axial verlaufenden Schaufeln ausgestattet ist, die allgemein axial verlaufende Gaskanäle definieren und so ausgebildet sind, daß benachbarte Schaufeloberflächen Druck­ seiten und Saugseiten definieren, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der axialen Erstreckung jeder Schaufel (30) eine Druckoberfläche besitzt, die konvex in Spannrichtung betrachtet ist.

2. Radialströmungsrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der axialen Erstreckung jeder Schaufel (30) eine Saugfläche aufweist, die in Spannrichtung betrachtet konkav ist.

3. Radialströmungsrotor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil jeder Schaufel (30) am Einlaß (34) des Radialströmungsrotors (28) in Spannrichtung gekrümmt ist.

4. Radialströmungsrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil jeder Schaufel (30) am Auslaß (36) des Radialströmungsrotors (28) in Spannrichtung gekrümmt ist.

5. Radialströmungsrotor mit einer Drehachse, der mit mehreren allgemein axial verlaufenden Schaufeln ausgestattet ist, die allgemein axial verlaufende Gaskanäle definieren und so ausgebildet sind, daß benachbarte Schaufeloberflächen Druck­ und Saugseiten definieren, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (30) durch einen Stapel von elementaren stromlinienförmigen Abschnitten definiert wird, derart, daß eine Krümmung in Spannrichtung erfolgt, wobei die Abschnitte so gestapelt sind, daß die Druckfläche konvex in Spannrichtung ausgebildet ist.

6. Radialströmungsrotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte so gestapelt sind, daß die Saugseite in Spannrichtung betrachtet konkav ist.

7. Radialturbinentriebwerk mit einem Strömungsrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.