Turbomaschine. Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomaschine, deren Schaufeln in verschie denen , Querschnitten verschiedene Profile aufweisen. Die Erfindung isst dadurch ge kennzeichnet, dass das Profil in jedem Quer schnitt der Schaufel mindestens annähern so geformt ist, dass :das Produkt aus Auftriebs beiwert, rechnerisch ermittelter mittlerer Strömungsgeschwindigkeit im Schaufelkanal und Schaufeltiefe für .diesen Querschnitt einen Wert besitzt, bei ;dem Sekundärströ mungen verhindert werden. Dadurch soll eine gleichmässige G eschwindigkQitsvertei- lung über die Breite zwischen Trommel und Gehäuse erreicht werden.
Die Strömungsverteilung in den Strö mungskanälen zwischen den. Schaufeln einer Turbomaschine - sei es eine Turbine oder ein Verdichter - erfährt durch eine Reihe äusserer Einflüsse in. der Weise Störungen, dass die Geschwindigkeitskomponenten in Richtung der Maschinenachse an verschiede nen Stellen des Kanalquerschnittes sehr un- terschiedliche Grössen aufweisen. Als Sekun därströmung wird diejenige Strömung be zeichnet, die einer gleichmässigen Strömungs verteilung überlagert werden muss, um .die im Beharrungszustand sich einstellende Strö- mung zu erhalten.
Sekundärströmungen kön nen durch eine Reihe von Voraussetzungen bedingt sein. Sie entstehen zum Beispiel in folge des Einflusses von Grenzschichten, die an :den Wänden .der Schaufelkanäle entstehen. Die Zentrifugierung,der Strömung in,den um die Läuferachse sich drehenden Strömungs kanälen der Laufkränze erzeugt ebenfalls eine wesentliche Beeinflussung der Geschwin digkeitsverteilung. Auch die Reibung an der sich drehenden Trommel vermag die Strö mung in erheblichem Mass zu beeinflussen. Als Folge solcher Sekundärströmungen er geben sich Wirbelablösungen insbesondere an den Schaufeln.
Diese Wirbel erzeugen erheb liche induzierte Widerstände, welche den Gesamtwirkungsgrad er Turbomaschine ver schlechtern. ' Der Auftrieb _1 einer Schaufel lässt sich nach der folgenden Beziehung ermitteln: <I>A --- p</I> T' I' <I>l</I> Hierin bedeutet p die Dichte des Strömungs mittels, T' die mittlere Strömungsgeschwin digkeit im Schaufelkanal. I' die Zirkulation des Profils und 1 ,die Länge der Schaufel.
Die Zirkulation
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!'t. stellt das erwähnte Produkt aus Auftriebsbeiwert, rechnerisch ermittelter mittlerer Strömungsgeschwindig keit im Schaufelkanal und Schaufeltiefe dar. Für Vergleichszwecke kann der konstante Faktor i;, fallengela.ssen werden.
Der Auftrieb ist die Kraft, die die Schau fel auf das Strömungsmittel rechtwinklig züi dessen Fliessrichtung ausübt, um letztere zu ändern. Die Leitschaufeln bewirken nur eine Änderung der Fliessrichtung; die Laufschau feln führen dem Strömungsmittel eine dem Produkt aus Kraftkomponente in Umfangs richtung und ihrer Eigengeschwindiglzeit ent sprechende Leistung zu oder entziehen sie ihm, je nachdem, ob es Verdichter- oder Tur- binenlaufscha.ufeln sind.
Durch Änderung des Auftriebes A kann das Strömungsmittel mehr oder weniger um gelenkt werden oder demselben mehr oder weniger Energie zugeführt bezw. entzogen werden. Durch geeignete Veränderung des Auftriebes kann den Sekundärströmungen entgegengewirkt werden und dadurch eine gleichmässigeG.eschwindigkeitsverteilung über den Sühaufelkanälen erreicht werden.
Die Änderung des Auftriebes einer Schaufel in .einer gegebenen Strömung geschieht durch Änderung des Produktes Ca.I't. Da. T' gege ben ist, können nur die Werte für<I>Ca</I> und für <I>t,</I> geändert werden.<I>Ca</I> wird durch Änderung der Wölbung des Profils oder Änderung des Anstellwinkels oder Änderung beider Grössen gleichzeitig geändert. Die Änderung der Schaufeltiefe t ist gleichbedeutend mit. einer Änderung der Schaufelfläche.
Die Zeichnung zeigt Ausfiihrtingsbei- spiele der Erfindung. Fig. 1, 2 und 3 zeigen im Aufriss bezw. im Seitenriss die Schnitte I-I, 11-II und III-111 durch einen Teil eines Schaufelgit ters.
Die gemäss der Erfindung notwendige Grösse des Produktes aus Auftriebsbeiwert, rechnerisch ermittelter mittlerer Strömungs geschwindigkeit im Schaufelkanal und Schaufeltiefe ist in Fig. 4 bis 1.1 für ver schiedene Schaufeln von Turbomaschinen je in einem Diagramm dargestellt, in \welchem als Abszisse die Schaufellänge l und als Or dinate das Produkt CaT't aus Auftriebsbei wert<I>Ca,</I> rechnerisch ermittelter mittlerer Strömungsgeschwindigkeit im Schaufelkanal T' und Schaufeltiefe t. gewählt ist.
In den Diagrammen entspricht die Abszisse G der Begrenzung durch die Crehäusewand und die Abszisse T der Begrenzung durch die T'rom- meloberfläche. Die Schaufeln 1 und ? des Schaufelgitters narb Fig. 1, ? und 3 führen eine Strömung,
welche in Richtung der Achse 3 durch das Gitter hindurchtritt. Die Schaufellänge be sitzt den Wert L. während die Schaufeltiefe an der Stelle des Schnittes III-III den Wert <I>t,</I> und der Auftriebsbeiwert die Grösse<I>Ca</I> be sitzt. Die Strömungsgeschwindigkeit T' längs einer senkrecht zur Achse 3 stehenden Gera den G soll an allen Stellen dem theoretischen <I>Wert</I> entsprechen, um Sekundärströmungen und dadurch induzierte Widerstände zti ver meiden.
Handelt es sich um eine Leitschaufel oder um eine Turbinenlaufschaufel, so muss gemäss Fig. 4 der Wert für das Produkt CaVt nach beiden Begrenzungsflächen G und T hin klei ner werden; er kann hierbei im Grenzfall bis auf den Wert 0 abfallen.
Die Enden einer Leitschaufel, welche die Strömung umlenken sollen, werden von einer Strömung getroffen, die infolge der Reibung ,in den Gehäuse- und Trommelwänden ver zögert wurde und weniger Energie enthält als die ungestörte Strömung. Zu ihrer Umlenkung uni einen gewünschten Winkel genügt eine geringere Kraft. Der Wert CaVt kann klei ner gewählt werden als im mittleren Teil der Schaufel. Wäre CaVt an den Schaufelenden gleich gross wie in der Mitte, so würde die Umlenkung an der Randströmung zu stark.
Entsprechend muss auch bei der Turbinen schaufel, die dem Strömungsmittel Energie entzieht, der Energieentzug an den Schaufel enden kleiner ;sein als in der Mitte, um die Wandgrenzschieht nur wenig oder gar nicht zu verzögern.
Bei Verdiehterlaufsehaufeln muss wie in Fig. 5 das Produkt CaYt gerade umgekehrt wie im vorerwähnten Fall gegen die Begren zungsfläche G und T hin zunehmen, um eine gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung in den Strömungskanälen zwischen Trommel und Gehäuse zu sichern. Eine Verdichterlauf- schaufel führt dem Strömungsmittel Energie zu.
Um die Grenzschichtdicke an der Trom mel- und Gehäusewand klein zu halten, muss dort .dem Strömungsmittel mehr Energie zu geführt werden als in der Mitte der unge störten Strömung. Aus diesem Grund muss der Wert CaT't an den Schaufelenden ansteigen.
Soll bei den in Fig. 4 und 5 dargestellten Verhältnissen gleichzeitig auch noch der Ein fluss der Zentrifugzerung des strömenden Kit tels berücksichtigt werden, so muss der Wert für das Produkt CaT't gemäss den Fig. 6 und 7 im mittleren Bereich von der Gehäusebe grenzung gegen die Trommelbegrenzung bei Turbinenleit- und -lauf- und bei Verdichter leitschaufeln abnehmen, bei Verdichterlauf- echaufeln zunehmen.
Infolge der 7,entri- fugierung der Laufsehaufelgrenzschichten nimmt die durchfliessende Menge und damit die axiale Strömungsgeschwindigkeit von der Trommel gegen das Gehäuse hin zu. Um eine salehe ungleichmässige Verteilung auszuglei chen, müssen die Turbinenschaufeln aussen mehr Energie entziehen bezw. die Verdichter laufschaufeln weniger Energie zuführen. Leitschaufeln zur Umlenkung der energie reicheren Strömung müssen aussen eine grö ssere Kraft aufbringen als innen.
Es kann weiter auch noch, wie in Fig. B bis 11 gezeigt, der Einfluss des Mitlaufens der Grenzschicht an der rotierenden Trommel berücksichtigt werden. Bei einer Turbinen laufschaufel imuss dann gemäss Fig. 8 :der Wert.
des Produktes CaVt in ,der Nähe der Trommel (T) erst etwas ansteigen, ehe er auf den nie-d- rigen Wert abfällt, denn die Bewegung der Trommel zieht die Grenzschicht entgegenge- setzt zu der Richtung, die ihr von den Lauf- schaufeln erteilt werden soll, weshalb die Wirkung der Laufseh.aufelndort -verstärkt werden muss.
Bei Turbinenleitschaufeln ist,dem Produkt Cay <I>t</I> gemäss Fig. 9 schon vor der Trommel oberfläche eine grössere Einknickung zu er teilen, um eine gleichmässige Geschwindig- keitsverteilung zu sichern, weil .die Trommel ,die Grenzschicht ohnehin in die Richtung zieht, .die ihr von den Leitschaufeln erteilt werden soll.
Bei Verdichterleitsehaufeln muss, wie in Fig. 10 gezeigt, ähnlich wie bei Turbinen laufsehaufeln vor dem Abfall zuerst eine ge wisse Erhöhung des Wertes für das Produkt CaVt angewendet werden, weil die Trommel ,die Grenzschicht entgegengesetzt zur Rich tung zieht, in die sie von den Leitschaufeln gebracht werden soll.
Schliesslich muss der Wert für das Pro dukt CaVt bei Verdichterlaufsehaufeln, wie aus der Fig. 11. ersichtlich, in geringem Mass ansteigen, wenn,der Einfluss der sich drehen den Trommelgrenzfläche noch berücksichtigt werden ,soll, weil die Trommel die Grenz- sohicht in dieselbe Richtung zieht, die ihr von den Laufschaufeln erteilt werden soll.
Bei radialen Turbomaschinen wird die Grenzschicht an den Scheiben zentrifugiert. Bei zentrifugaler Durchströmung enthält die Strömung deshalb in der Grenzschicht mehr, bei zentripetaler Durchströmung weniger Energie als in,der ungestörten Mitte der Strö mung.
Deshalb ist im ersten Falle bei einer Verdichter- bezw. Pumpenlaufschaufel das Produkt CaYt nach Fig. 4 zu wählen, bei einer Turbinenlaufschaufel und bei Turbi nen- und Verdichterleitschaufeln nach Fig. 5. Bei zentripetaler Durcbsträmung sind die Verhältnisse gerade umgekehrt.