CH351065A - Laufrad für Turbomaschinen, speziell Axialkompressoren - Google Patents

Description

  Laufrad für     Turbomaschinen,        speziell        Axialkompressoren       Bei den Strömungsmaschinen wird danach ge  strebt, jedem Teilchen des Arbeitsmediums den glei  chen Energiezuwachs zu erteilen. Bei     Axialkompres-          soren    mit kleinem     Nabenverhältnis        DNabe/Da"ssen    stösst  dies auf Schwierigkeiten, da die Umfangsgeschwindig  keit des Laufrades an der Nabe wesentlich kleiner  ist als an der Schaufelspitze. Neben der Umfangs  geschwindigkeit ist die dem Medium erteilte Energie  noch von der     Strömungsumlenkung    abhängig.

   Um  an der Nabe wirklich genügend Energie erteilen     zu     können, wird es deshalb notwendig sein, die Strö  mung hier stärker umzulenken als an der Spitze.  Diese     Strömungsumlenkung    wird hauptsächlich durch  die Profilwölbung des Schaufelgitters erzielt, wobei  normalerweise der Wölbung durch Formgebung der       Profilskelettlinie    als Kreisbogen oder als andere stetig  gekrümmte     Kurve    Rechnung getragen wird. Für kon  stante Energiezuteilung längs dem Radius ist es not  wendig, diese Wölbung von der Nabe zur Spitze zu  abnehmen zu lassen.  



  Infolge der radialen Zunahme der Umfangsge  schwindigkeit wird im allgemeinen auch der Winkel  zwischen Profilsehne und Umfangsrichtung nach  aussen zu abnehmen, was eine Verwindung der Schau  feln bedeutet.  



  Solche     Beschaufelungen    weisen, wenn Schaufel  partien zur radialen Richtung schief stehen, am  Schaufelfuss aus den Zentrifugalkräften resultierende  zusätzliche Biegespannungen auf.  



  Bei grossen Umfangsgeschwindigkeiten z. B. über  etwa 350 m pro sec wird es äusserst schwierig, diese  Kräfte zu beherrschen.  



  Das erfindungsgemässe Laufrad ist dadurch ge  kennzeichnet, dass dieses Schaufeln aufweist, deren  Skelettflächen sich aus mindestens zwei verschiedenen  Flächen zusammensetzen, wobei mindestens eine    Fläche mindestens annähernd als Schraubenregel  fläche mit der     Laufradachse    als Achse ausgebildet  ist, wobei die     Schraubenregelfläche    Erzeugende be  sitzt, die diese Achse senkrecht schneiden.  



  Eine derartige Fläche wird durch Drehung und  gleichzeitige Verschiebung einer Geraden um und  längs einer Achse erzeugt, wobei die Gerade die  Achse schneidet und auf dieser rechtwinklig steht.  Das Verhältnis von Drehwinkel und Verschiebungs  weg ist dabei konstant.  



  Die Skelettlinie eines Profils ist der Ort aller  Mittelpunkte von Kreisen, für welche die Profil  umrisse Umhüllende bilden. Als Skelettfläche     wird     die durch die Skelettlinien einer Schaufel gebildete  Fläche definiert.  



  Das erfindungsgemässe Laufrad wird anschliessend  anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbei  spielen erläutert.  



  Es zeigen:       Fig.    1 ein Laufrad in perspektivischer Darstellung,       Fig.    2     eine    Abwicklung von Schaufelschnitten  längs eines zur Drehachse koaxialen Zylinders,       Fig.3-6    weitere Abwicklungen von Schaufel  schnitten anderer     Laufradausführungen,          Fig.    7 einen Querschnitt durch das Rad gemäss       Fig.    1,       Fig.    8 eine weitere schematische Darstellung einer  Gitterabwicklung,       Fig.    9 eine schematische Schaufeldarstellung mit       abgeschrägter    Austrittskante,

         Fig.    10 eine weitere Ausführungsform eines  Schaufelgitters.  



  Das Laufrad gemäss'     Fig.    1 besitzt einen Naben  körper 1, dessen Durchmesser     DNave    beträgt, sowie  Schaufeln 2, wobei der auf einem     Nabendurchmesser     gemessene Abstand zweier Schaufelenden     Da"ssen     beträgt.      Der     Nabenkörper    1 setzt sich aus     kegelstumpf-          förmigen    Teilen zusammen. Er kann aber auch zylin  drisch sein, oder einen zylindrischen mit anschliessend  kegelförmigem Teil aufweisen.  



  Die in     Fig.    1 dargestellte vorzugsweise Ausfüh  rungsform des     Nabenkörpers    setzt sich aus drei in       Flussrichtung    des Mediums im Durchmesser zu  nehmenden Kegelstümpfen zusammen.  



  Der     Nabenkörper    1 braucht bezüglich seiner  Drehachse nicht rotationssymmetrisch zu sein, son  dern kann gemäss dem Schweiz. Patent Nr. 329147  ausgebildet sein.  



  Aus     Fig.2    ist die Form der Skelettlinie 3 der  Schaufeln 2     (Fig.    1) ersichtlich. Der zuerst ange  strömte Teil der Schaufel weist eine Skelettlinie 4 und  der anschliessende Teil eine Skelettlinie 5 auf. Die  beiden gehen im Punkte 6 in einem Knick inein  ander über, da die Skelettfläche zur Linie 4 minde  stens annähernd eine     Schraubenregelfläche    darstellt,  deren Erzeugende die Drehachse schneidet und mit  ihr einen rechten Winkel einschliesst.

   Derartige       Schraubenregelflächen    werden in Fachkreisen als  flachgängig geschlossen bezeichnet     (Darst.        Geom.     Grossmann 1927, S. 208, 209), während die zur Linie  5 gehörende Skelettfläche einer analogen Schrauben  regelfläche grösserer Steigung angehört. Die eine oder  andere der beiden     Skelettflächen,    vorzugsweise nicht  diejenige des erstangeströmten Schaufelteils, kann  auch eine andere Fläche sein. Vorzugsweise wird aber  auch eine aus mehreren Teilen zusammengesetzte  Schaufel so ausgebildet, dass die     einzelnen    Skelett  züge 7-9     (Fig.3)    solchen     Schraubenregelflächen     verschiedener Steigung angehören.  



  Auf diese Art ist z. B. die Skelettlinie 10 der       Fig.    4 entstanden. Der Teil 11 gehört ein und dersel  ben     Schraubenregelfläche    an, während der Teil 12  sich aus mehreren     Schraubenregelflächen    zunehmen  der Steigung zusammensetzt, wobei die     Unstetigkeits-          stellen    bei stetig ändernder Steigung verschwinden.  



  Wo endliche Sprünge der Steigung vorhanden  sind, können diese derart geglättet werden, dass stetige  Schaufelkonturen entstehen     (Fig.    6).  



  Die Schaufeln können an der Übergangsstelle von  einer Skelettfläche in die nächste materiell     getrennt     sein     (Fig.    5), ohne     däss    dadurch der festigkeitstech  nische Vorteil der vorliegenden Konstruktion aufge  hoben wird. Auch strömungstechnisch braucht diese  Ausführung denjenigen gemäss den     Fig.    2, 3, 4 und 6  nicht nachzustehen.  



  Der in     Fig.    7 dargestellte Schnitt zeigt die Erzeu  genden 13, 14 der Skelettflächen, welche auf der  Achse 15 senkrecht stehen, so dass die Massenkräfte  der Schaufeln auf die Schaufelfüsse 16, 17 praktisch  keine zusätzlichen Biegemomente ausüben.  



       Fig.    8 zeigt Skelettlinien     eines    Schaufelgitters  eines Läufers. Es ist aus strömungstechnischen Grün  den vorteilhaft, das Gitter so zu gestalten, dass die  Skelettlinie 18 des zuerst angeströmten Teiles 19 einer  Schaufel von der durch den Eintrittspunkt 21 eines       Nachbarschaufelprofiles    gelegten Geraden 22 normal    zu seiner Skelettlinie geschnitten wird. Der Schnitt  punkt ist mit 23 bezeichnet.  



  Um die Energiezufuhr über die ganze Schaufel  höhe möglichst gleichmässig zu gestalten, wird die  Schaufeltiefe längs der Schaufel 24 nach aussen ver  ringert, so dass die     Schaufelaustrittskante    25 nicht  mehr in einer Normalebene zur Rotationsachse liegt  und insbesondere keine Erzeugende einer Schrauben  regelfläche darstellt, welche die Drehachse senkrecht  schneidet     (Fig.    9). Anstelle dieses Zurückschneidens  der     Schaufelaustrittskante        (Fig.    9) kann auch die Ein  trittskante zurückgeschnitten werden.  



       Fabrikatorisch    einfach gestalten sich z. B. die  jenigen Schaufeln, die eine aus zwei derartigen       Schraubenregelflächen    zusammengesetzte Skelett  fläche aufweisen, welche durch Drehbearbeitung her  gestellt sind. Die materiellen     Schaufelbegrenzungs-          flächen    sind dann praktisch ebenfalls Schraubenregel  flächen, deren Steigung und Erzeugende entsprechend  dem gewünschten Dickenverlauf in der Richtung der  Profiltiefe, wie auch in radialer Richtung gewählt  werden.  



  Bei     Nabenkörpern,    bei welchen die     Nabenkontur     unstetig verläuft und sich beispielsweise aus einem  zylindrischen und anschliessendem kegelförmigen Teil  zusammensetzt, braucht der     übergang    von einer  Skelettfläche in die andere nicht an der     L7bergangs-          stelle    von einem     Nabenteil    zum andern zu liegen.  



  Es ist ferner möglich, zu einer sich aus zwei  Flächen zusammensetzenden Skelettfläche die Schau  felkonturflächen auf einer Seite so zu wählen, dass auf  der andern eine einzige     Schraubenregelfläche    entsteht,  deren Erzeugende auf der Drehachse senkrecht steht  und sie schneidet. Diese Ausführung weist Schaufel  schnitte gemäss     Fig.    10 auf.  



  Die Schaufelfläche 26 ist eine einzige derartige       Schraubenregelfläche,    während die Skelettfläche 27  sich aus zwei solchen     Schraubenregelflächen    verschie  dener Steigungen zusammensetzt.  



  Profilzüge mit Knicken haben sich für relative  Eintrittsgeschwindigkeiten im Überschallgebiet als  günstig erwiesen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Laufrad für Turbomaschine, dadurch gekenn zeichnet, dass dieses Schaufeln aufweist, deren Skelett flächen sich aus mindestens zwei verschiedenen Flä chen zusammensetzen, wobei mindestens eine Fläche mindestens annähernd als Schraubenregelfläche mit der Laufradachse als Achse ausgebildet ist, wobei die Schraubenregelfläche Erzeugende besitzt, die diese Achse senkrecht schneiden. UNTERANSPRÜCHE 1. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zuerst angeströmte Schaufelteil eine Skelettfläche aufweist, die als Schraubenregelfläche ausgebildet ist, deren Erzeugende die Achse senkrecht schneiden. 2.

   Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel skelettfläche mindestens eine weitere Schaubenregel- fläche anderer Steigung aufweist, deren Erzeugende die Achse senkrecht schneiden. 3. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch und Unteranspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die verschiedenen Schraubenregel flächen, deren Erzeugende die Achse senkrecht schneiden, derart durch Abrundungen ineinander übergeführt sind, dass die Tangentialebenen der Flä chen stetig ineinander übergehen. 4.

   Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Länge einer Skelettlinie des zuerst angeströmten Teiles so bemessen ist, dass die durch den Eintrittspunkt eines Schaufelprofiles normal zur Skelettlinie dieser Schaufel gelegte Gerade die Skelett linie der Nachbarschaufel schneidet. 5. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Austrittskante der Skelettfläche der Schaufel keine Erzeugende der Regelfläche ist. 6. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Eintrittskante der Skelettfläche der Schaufel keine Erzeugende der Regelfläche ist. 7.

   Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Naben fläche als Rotationsfläche ausgebildet ist. B. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Naben fläche aus mindestens zwei aneinander anschliessen den Rotationsflächen gebildet ist. 9. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch und Unteranspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die Nabenfläche aus mindestens einer Kegelstumpffläche mit in Durchflussrichtung zuneh mendem Durchmesser gebildet ist. 10. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch und Unteranspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die Nabenfläche als Zylinder ausge bildet ist. 11.

   Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeich net, dass die Nabenfläche einen zylindrischen und einen anschliessenden kegelförmigen Teil aufweist. 12. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, d'ass die Naben fläche nichtrotationssymmetrisch ausgebildet ist. 13. Laufrad für Turbomaschine nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Skelett fläche sich aus mindestens zwei voneinander materiell getrennten, verschiedenen Flächen zusammensetzt.