DE4228879A1 - Axialdurchströmte Turbine - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine axialdurchströmte Turbine mit mindestens einer Reihe gekrümmter Leitschaufeln und minde­ stens einer Reihe Laufschaufeln.

Gekrümmte Leitschaufeln werden insbesondere eingesetzt, um die Sekundärverluste zu verringern, die durch die Umlenkung der Grenzschichten in den Leitschaufeln entstehen.

Stand der Technik

Turbinen mit gekrümmten Leitschaufeln sind beispielsweise der DE-A-37 43 738 bekannt. Dort sind Schaufeln gezeigt und beschrieben, deren Krümmung über der Schaufelhöhe gegen die Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet ist. Es sind auch aus dieser Schrift Schaufeln bekannt, deren Krümmung über der Schaufelhöhe gegen die Saugseite der jeweils in Umfangsrichtung benach­ barten Leitschaufel gerichtet ist. Damit sollen auf wirksame Weise sowohl radiale als auch in Umfangsrichtung verlaufende Grenzschicht-Druckgradienten verringert werden und damit die aerodynamischem Schaufelverluste verkleinert werden. Unab­ hängig davon, gegen welche Seite der benachbarten Schaufel die Krümmung dieser bekannten Schaufel gerichtet ist, ver­ läuft sie in jedem Fall genau in Umfangsrichtung. Dies bedeutet, daß bei den dargestellten zylindrischen Schaufeln zumindest deren Vorderkanten über der Schaufelhöhe in der gleichen Axialebene liegen.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer axial durchströmten Turbine der eingangs genannten Art eine Maßnahme zu schaffen, mit welcher die genannten Verlu­ ste weiter reduziert werden können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Krüm­ mung der Leitschaufeln über der Schaufelhöhe senkrecht zur Sehne gewählt ist, und daß die Leitschaufeln in ihrer radialen Erstreckung verjüngt sind. Zugleich sollte die Krümmung gegen die Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet sein.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß infolge der Krümmung senkrecht zur Schaufelsehne die in Radialrichtung projizierte Schaufelfläche größer ist als bei der bekannten Krümmung in Umfangsrichtung. Dadurch erhöht sich die Radialkraft auf das Arbeitsmittel; dieses wird an die Kanalwandungen gedrückt, wodurch dort die Grenz­ schichtdicke reduziert wird.

Bei axialdurchströmten Turbinen mit zumindest annähernder zylindrischer Schaufelträgerkontur im Bereich der Leitschau­ felfüße und konisch öffnender Nabenkontur im Bereich der Leitschaufelspitzen, wie sie beispielsweise bei einstufigen Gasturbinen von Abgasturboladern Anwendung finden, sind die Leitschaufeln mit Vorteil über der Schaufelhöhe verwunden. Die Kombination von Krümmung und Verwindung erlaubt eine Optimierung des Reaktionsgrades über der Schaufelhöhe, ohne dabei die Verteilung des Eintrittswinkels der Laufschaufeln stark verändern zu müssen. Ein weiterer Vorteil ist also darin zu sehen, daß bei der Auslegung einer Turbinenstufe die bisherigen Laufschaufeln tel quel übernommen werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einstufigen Abgasturboladerturbine mit axial/radi­ alem Austritt dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Turbine;

Fig. 2 die teilweise Abwicklung eines Zylinderschnittes auf dem äußeren Durchmesser des durchströmten Kanals gemäß Fig. 1;

Fig. 3 das Skelett einer gekrümmtem Leitschaufel in Perspektive;

Fig. 4 Profilschnitte einer gekrümmtem Leitschaufel;

Fig. 5 Meridionalstromlinien in einem Axialschnitt;

Fig. 6 ein Schaubild Vergleich Gasaustrittswinkel und Schaufelaustrittswinkel über der Kanalhöhe.

Fig. 7 ein Schaubild Verlustreduktion in Funktion des Turbinendruckverhältnisses.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli­ chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Verdichterteil, die Gehäuse, der Rotor mitsamt Lagerung usw. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmit­ tels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In der in Fig. 1 schematisch gezeigten Gasturbine sind die den durchströmten Kanal 1 begrenzenden Wandungen zum einen die innere Nabe 2 und zum andern der äußere Schaufelträger 3. Letzterer ist auf geeignete Art im nicht gezeigten Gehäuse eingehängt. Im Bereich der Laufschaufeln 4 wird der Kanal 1 innen begrenzt durch die Rotorscheibe 5 und außen durch die Abdeckung 6. Im ganzen Beschaufelungsbereich ist die Nabe 2 infolge der Volumenzunahme des expandierenden Arbeitsmittels konisch ausgebildet und zwar in öffnender Weise.

Stromaufwärts des Laufgitters ist ein festes Leitgitter angeordnet. Dessen Schaufeln 7 sind hinsichtlich Anzahl sowie bezüglich ihres Verhältnisses Sehne S zu Teilung T (Fig. 2) strömungstechnisch für Vollast optimiert. Sie ver­ leihen der Strömung den für den Eintritt in das Laufgitter erforderlichen Drall. Abweichend von der schematischen Dar­ stellung ist dieses Leitgitter in der Regel mitsamt seinen außen und innen begrenzenden Wandungen als Ganzes herge­ stellt, beispielsweise als einteilig gegossener Düsenring, so daß nicht eigentlich von Schaufel spitze oder Schaufel­ fuß gesprochen werden kann.

Anhand der Fig. 1 und 3 ist erkennbar, daß infolge der Schaufelkrümmung sowohl die Eintrittskante 9 als auch die Austrittskante 8 der Leitschaufel nicht in einer gleichen Axialebene liegen.

Die Krümmung der Schaufeln verläuft senkrecht zur Sehne, was durch eine Verschiebung der Profilschnitte sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung erreicht wird.

Die Krümmung wird durch einen kontinuierlichen Bogen gebil­ det, der mit dem Schaufelträger 3 den spitzen Winkel α_Z und mit der Nabe 2 den spitzen Winkel α_N bildet. Hierbei ist der Winkel α_Z am äußeren Durchmesser kleiner bemessen als der Winkel α_N am inneren Durchmesser. Die in Fig. 1 dargestell­ ten Winkel sind als solche nicht in der Axialebene, sondern senkrecht zur Sehnenebene der Schaufel zu betrachten.

Die Leitschaufeln sind radial einwärts verjüngt. Die Verjün­ gung ist so gewählt, daß die Leitschaufel vom äußeren Radius bis etwa zur halben Schaufelhöhe mit zunehmendem Ver­ hältnis Sehne zu Teilung und von halber Schaufelhöhe bis zum inneren Radius mit etwa konstantem Verhältnis Sehne zu Tei­ lung ausgebildet ist. Das Schaufelprofil bleibt im wesentli­ chen über der Schaufelhöhe unverändert.

Das Maß der Krümmung und der Verjüngung sowie die Schaufel­ profile sind aus Fig. 4 ersichtlich. Darin sind 5 über der Schaufelhöhe zumindest annähernd äquidistante Profilschnitte in radialer Ansicht zu sehen. Mit Z ist das Profil am äuße­ ren Durchmesser, d. h. am Zylinder bezeichnet, mit N jenes am inneren Durchmesser, d. h. an der Nabe, mit V das Profil auf halber Schaufelhöhe, während mit U und W zwei weitere Pro­ file auf 1/4 respektiv 3/4 Schaufelhöhe bezeichnet sind.

Diese Maßnahmen tragen zu der gewünschten Entlastung der Randzonen bei.

Neben der Krümmung und der Verjüngung wird über der Blatt­ länge der Leitschaufel noch eine Verwindung des Schaufel­ blattes vorgenommen, um der Änderung der Umfangsgeschwindig­ keit der auf die Leitschaufeln folgenden Laufschaufeln über der Kanalhöhe Rechnung zu tragen. In Fig. 4 zeigt sich die Verwindung in Form von unterschiedlichen Staffelungswinkel β_N respektiv β_W, welche die Sehne der entsprechenden Profile N und W mit der Umfangsrichtung eingeht. Ohne Verwindung der Leitschaufeln müßten die Eintrittswinkel der Laufschaufeln an die Abströmwinkel der Leitschaufeln angepaßt werden. Dies hätte wiederum eine unerwünschte Änderung des Schluck­ vermögens der Turbine zur Folge.

Der Zylinderschnitt in Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab den Schaufelplan in der betrachteten Turbinenzone. In der Regel verlassen die Abgase das Leitgitter bei Vollast unter einem Winkel von ca. 15-20°. Erkennbar ist insbesondere die infolge der Beeinflussung der Grenzschicht an der äußeren Kanalwand vorliegende Abweichung des Gasaustrittswinkels vom Austrittswinkel der Schaufelhinterkante.

Dieser Sachverhalt der Randzonenentlastung ist im Schaubild in Fig. 6 erläutert. Darin ist auf der Abszisse der Aus­ trittswinkel in [°] und auf der Ordinate die Kanalhöhe im Bereich der Leitschaufel-Hinterkante in [%] aufgetragen.

Verglichen werden die Gasaustrittswinkel σ_G und Schaufelaus­ trittswinkel σ_S über der Kanalhöhe bei herkömmlichen, zylin­ drischen Leitschaufeln und bei nach erfindungsgemäßen Kri­ terien gekrümmten dreidimensionalen Schaufeln. Die gestri­ chelten Werte gelten für zylindrische Schaufeln; klar erkennbar ist die bei konstantem Schaufelaustrittswinkel σ_S sehr unregelmäßige Verteilung des Gasaustrittswinkels σ_G über der Schaufelhöhe. Der Knick im Kurvenverlauf im Naben­ bereich, in welchem die Schaufelteilung klein ist, ist auf die dort herrschende transonische Strömung zurückzuführen. Die voll ausgezogenen Linien, welche für gekrümmte Schaufeln gelten, zeigen indes einen relativ konstanten Gasaustritts­ winkel σ_G über der Schaufelhöhe. Obwohl die Schaufeln am Gehäuse und an der Nabe zugedreht sind, d. h. mit kleineren Schaufelaustrittswinkel σ_S versehen sind, sind die maßge­ benden Gasaustrittswinkel σ_G in den Randzonen größer als in der Schaufelmitte. Die oben genannten Übergeschwindigkeiten an der Nabe treten bei Anwendung der neuen Maßnahmen nicht auf.

Diese Randzonenentlastung bewirkt ein Abdrängen der Meridio­ nallinien radial auswärts gegen die Schaufelträgerwandung und radial einwärts gegen die Nabenwandung, wie dies in Fig. 5 veranschaulicht ist.

Die auf die Strömung ausgeübte Radialkomponente bewirkt dem­ nach das bezweckte Andrücken der Strömung an die Nabe und an den Zylinder.

Da die Austrittskanten 8 der Leitschaufeln nicht in einer gleichen Axialebene liegen, verlaufen auch die Nachlaufdel­ len nicht radial. Dies kann sich möglicherweise vorteilhaft auf die Schwingungsanregung der stromab angeordneten Lauf­ schaufeln 4 auswirken.

Das Schaubild in Fig. 7, in welchem auf der Abszisse das Tur­ binendruckverhältnis in [bar] und auf der Ordinate die Druckverlustreduktion in [%] aufgetragen ist, zeigt, wie sich mit zunehmendem Druckverhältnis die Maßnahme vorteil­ haft auswirkt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In Abwei­ chung hierzu könnte die Krümmung der Leitschaufeln auch gegen die Saugseite der jeweils in Umfangsrichtung benach­ barten Leitschaufel gerichtet ist. Im Gegensatz zur beschriebenen Lösung, bei welcher die Grenzschichten am Zylinder und an der Nabe beschleunigt werden, werden dann die Grenzschichten nicht beeinflußt, sondern die Krümmung wirkt sich in positiver Weise auf die Kernströmung aus.

Bezugszeichenliste

1 Kanal
2 Nabe
3 Schaufelträger
4 Laufschaufel
5 Rotorscheibe
6 Abdeckung
7 Leitschaufel
8 Austrittskante von 4
9 Eintrittskante von 4
S Sehne der Leitschaufel (Fig. 2)
T Teilung der Leitschaufel (Fig. 2)
α_Z Krümmungswinkel der Schaufel am Zylinder (Fig. 1)
α_N Krümmungswinkel der Schaufel an der Nabe (Fig. 1)
σ_G Gasaustrittswinkel (Fig. 6)
σ_S Schaufelaustrittswinkel (Fig. 6)
β Staffelungswinkel (Fig. 4)

Claims (4)

1. Axialdurchströmte Turbine mit mindestens einer Reihe gekrümmter Leitschaufeln (7) und mindestens einer Reihe Laufschaufeln (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Leitschaufeln (7) über der Schaufelhöhe senkrecht zur Sehne (S) gewählt ist, und daß die Leit­ schaufeln in ihrer radialen Erstreckung verjüngt sind.

2. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Leitschaufeln gegen die Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet ist.

3. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung so gewählt ist, daß die Leitschaufel vom äußeren Radius bis etwa zur halben Schaufelhöhe mit zunehmendem Verhältnis Sehne (S) zu Teilung (T) und von halber Schaufelhöhe bis zum inneren Radius mit etwa konstantem Verhältnis Sehne (S) zu Teilung (T) ausgebildet ist.

4. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 1 mit konisch öffnender Nabenpartie (2) im Bereich der Leitschaufel­ spitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln über der Schaufelhöhe verwunden sind.