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Freistrahlturbine für Dampf und andere gasförmige Kraftmittel.
Bei Turbinen, insbesondere Dampfturbinen, unterliegt das durch die Schaufelkanäle mit grosser Geschwindigkeit hindurchströmende Kraftmittel an den Krümmungsstellen der Schaufeln bekanntlich der Einwirkung einer Zentrifugalkraft, die naturgemäss einen um so grösseren Wert besitzt, je stärker die Schaufel gekrümmt ist. Tritt beispielsweise ein Dampfstrahl gemäss Fig. l der beiliegenden Zeichnungen in der eingezeichneten Pfeilrichtung in die etwa mit dem Radius p kreisförmig gekrümmte Schaufel a einer Turbine ein, so stossen die (in der Umlaufrichtung des Rades) hinteren Strahlfäden auf die vorderen, wodurch sich die Dicke A b derselben @ndert sowie Stoss- und Wirbelungsverluste auftreten.
An der Innenseite des Schaufelkanales (bei c) hebt sich ferner der Dampfstrahl von der Schaufelwandung
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Bedingungen der Dampf in den Schaufelkanälen geführt und wie die letzteren profiliert worden müssen, um die oben erwähnten, durch den Zentrifugaldruck des Kraftmittel innerhalbderSchaufelnbedingtenArbeitsverlustezuvermeiden.
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ganz allmählich, d. h. mit Hilfe einer Schaufelkrümmung erfolgen muss, die mit einem Krümmungsrudius p = c beginnt und allmählich zu dem kleinsten zulässig erscheinenden
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Es sei zunächst angenommen, dass der Schaufelkasten die konstante Breite B besitzt, und dass sein Eintrittsquerschnitt durch ein Rechteck von der Breite B und der Höhe H gebildet werde (H senkrecht zur Zeichenfläche gemessen).
Der Eintrittsquerschnitt B X II ist in Fig. 3 für sich besonders dargestellt.
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Strahlfäden stossfrei, wirbelungsfrei und ohne Reibungsverluste nebeneinander herlaufen. Diese Bedingung kann nun, da der Druck p, wie erwähnt, vom Schaufelrücken nach der Schaufelh@hlung hin erheblich wächst und somit der Dampf mehr und mehr komprimiert
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anschaulich ist. Am Schaufelrücken besitzt dieser Querschnitt die Höhe H, welche mit der Höhe des Eintrittsquerschnittes übereinstimmt. An der Schaufelhöhlung dagegen ist der Querschnitt auf die Höhe h verengt.
Für die Verengungen jeder Stelle eines bestimmten Querschnittes ist, falls die Dicke d p der einzelnen Lamellen genau konstant bleiben soll, der ganze, jeweilig sich aus der Rechnung ergebende Zustand des Kraftmittels an der betreffenden Stelle zu berücksichtigen, d. h. nicht allein sein Druck, sondern auch seine Geschwindigkeit, sein spezifisches Volumen, seine Reibungsverluste usw.
Die Verengung A muss im mittleren Querschnitt E, E am grössten sein und nimmt nach den Enden des Schaufelkanales hin entsprechend dem stetigen Sinken der Krümmung allmählig ab, derart, dass sich an den Enden ein rechteckiger Querschnitt von der Breite B und der Höhe H ergibt. In Fig. 5 sind die Profile für eine grössere Anzahl von Querschnitten vergrössert dargestellt. An der Innenseite (am Schaufelrücken) ist die Höhe 9 h = H samtlicher Querschnitte die gleiche, an der Aussenseite dagegen (an der Schaufelhöhlung) ist
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, k2 bis i4, k4.
Hieraus ergibt sich, dass die Längsprofile der Schaufel, wie in Fig. 7 dargestellt, in der Mitte eingezogen erscheinen. Die in Fig. 7 veranschaulichten Profile sind nach den in Fig. 6 eingezeichneten fünf Schnitten I I, II II usw. gelegt und in Abwicklung dargestellt. Bei dem an der Schaufelhöhlung entlang laufenden Schnitt II ist die Einziehung in der Mitte am grössten, bei den anderen nimmt sie allmählich ab, bis endlich der am Schaufelrileken entlang laufende Schnitt die Einziehung Null besitzt, d. h. rechteckig ist. Es ist für diese neue Gestaltung unbedingt erforderlich, dass die Grösse des Krümmungsradius p von dem kleinsten Wert in der Mitte ganz allmählig und stetig bis auf den Wert 00 an den Endquerschnitten zunimmt.
Denn würde das Längsprofil des Kanales, wie bei früheren Turbinen, aus geradlinigen und kreisförmigen Stücken zusammengesetzt sein, so müsste, an den Übergangsquerschnitten, an denen der Krümmungsradius vom Werte x plötzlich auf einen endlichen konstanten Wert übergeht, auch die von p abhängige Kanalhöhe ganz plötzlich verengt werden, wodurch sich unmögliche Gestaltungen des Schaufelkanales ergeben wurden.
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kanales (also am Scheitel) ist das Rechteck am kleinsten und geht nach den Enden d''r Schaufeln hin allmählich in das Rechteck H # B über.
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so gut angenähert, dass diese Form für alle Fälle brauchbar erscheint. Statt der theoretischen Kurve y, :
ist der Linienzug g, m, n gewählt, der sich aus einer schrägen und einer wagerechten Geraden zusammensetzt. Es steht natürlich nichts im Woge, die theoretisch richtige Kurve durch einen mehrfachen Polygonzug noch mehr anzunähern. Beispielsweise ist in
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Es ist bei diesen Formgebungen stets die Bedingung zu erfüllen, dass an Längskanten des Kanales (beispielsweise bei mund n in Fig. 11) ein plötzliches Übertreten des Kraft- mittels aus dem einen in den anderen Querschnittsteil nicht stattfinden darf, weil hiedurch plötzlicher Riehtungswechsel, d. h. Stoss-und Wirbelungsverluste im Dampf entstehen würden.
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Eine fernere, recht gute Annäherung, welche den grossen Vorzug besitzt, eine sehr einfache und billige Herstellung der Schaufel durch Radfräser zu ermöglichen, ist in den Fig. 12 und 13 angegeben. Diese Form entspricht der in Fig. t dargestellten Annäherung
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gewählt sind.
Wird nun ein doppeltkonischer Radfräser z mit kugeligem Mittelteil angewendet, welcher um die Achse y etwa um 300 nach links und rechts schwingen kann, so ist derselbe, wie aus den Fig. 12 und 13 hervorgeht, geeignet, die ganze Schaufelform in einem arbeitsgang herzustellen.
Die Grundfläche den Schaufelbodens (an der Schaufelhöhlung) hat in der Abwicklung
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genügen, kann man folgende Massnahme treffen. Statt die Breite B dos Schaufclkanales konstant zu erhalten, was sich allerdings aus konstruktiven Rücksichten empfiehlt, kann man den Schtufelkanal nach seiner Mitte hin auch in der Querrichtung allmählich etwas verengen. Diese Quereinziehung gestattet alsdann die Höhe/t entsprechend grösser zu wählen, so dass die Kontraktionen in der Höhe geringer werden.
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dargestellten Schaufelkanales dar, so ist nach vorstehendem in den Endquerschnitten die Breite B etwa auf Bi. zu vergrössern.
Der Übergang auf die in der Mitte des Schaufelkanales vorhandene Breite B erfolgt nach Kurven ', welche derart beschaSen sein müssen, dass die Tangenten in der Mitte sowie an den Enden des Schaufelkanales parallel zur
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sein, um den eintretenden Dampf stosslos abzulenken. Allen diesen Bedingungen wird um besten durch geeignete Stnuskurven genügt.
Bei der in Fig. 16 dargestellten Verbreiterung der Kanalenden gegenüber der Kanal- ntitte lasst es sich erreichen, dass man bei sämtlichen Leit- und Laufrädern die gleichen
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(Grundriss dargestellt. Die Richtung 4 des Dampfeintrittes und die Richtung 5 des Dampfaustrittes ist für jeder Rad eingezeichnet, wobei allen Schaufeln die gleiche Mtttetsinus- linie 6, also auch derselbe Scheitelwinkel x zugrunde gelegt ist. Es lässt sich durch ent- sprechendes Drehen der Sinusl@nie 6 erreichen, dass ein und dieselbe Kurve für alle Räder brauchbar wird, wobei trotzdem der Geschwindigkeitsplan richtig bleibt, wie aus Fig. 21
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sinuslinie 6 eingezeichnet.
Der hiedurch entstehende Scbaufelkanal ist in Fig. 22 nochmals vergrössert dargestellt. Um eine einfache Herstellung sämtlicher Schaufelkanäle zu er- möglichen, sind für sämtliche Räder und Schaufeln stets nur die beiden Kurven 7 und 8 verwendet. Es ergibt sich hiebet die in Fig. 22 dargestellte sichelförmige Schaufel @ 9.
Nachdem man die Breiten und Höhen der Schaufeln und ebenso die Einziehung derselben in de !' Mitte berechnet hat, schiebt man, wie in Fig. 23 dargestellt, die untere Aquidistante 8 so weit an die obere Äquidistante 7 heran, dass die Kanalbreiten am Eintritt, in der Mitte und am Austritt den berechneten Werten entsprechen. Die untere aluni- distante 8 ist zu diesem Zwecke sowohl vertikal als horizontal zu verschieben, um die richtige Kanalform zu erhalten. Auf diese Weise erhält man ein brauchbares Schaufelprofil aus nur zwei Kurven für sämtliche Räder. In Fig. 23 ist die untere Aquidistante in ihrer
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In Fig. 24 sind mehrere Schaufelkanäle des letzten I. aufrades veranschaulicht. Die Form der sichelförmigen Schaufeln 9 ist überall und bei allen Rädern die gleiche, nur dass
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Auch die Durchtrittskanäle des Leitapparates besitzen in den meisten Fällen Krümmungs- stell@n, an denen das hindurchtretende Kraftmittel einem starken Xentrifugaldruck unter-
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Beispielsweise ist in den Fig. 17-19 eine derart ausgeführte Düse mit annähernd rechteckigem oder quadratischen Querschnitt veranschaulicht. Nach ihrem vorderen Ende
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derart gestaltet, dass die Strahlen des in ihr expandierenden Dampfes parallel gerichtet werden. An den Knickstellen v ist nun die Düse zur Vermeidung von Stossverlusten nach einer geeigneten. Kurve to auszurunden.
Aus den oben angeführten Gründen wählt der Erfinder für diese Ausrundung wieder Sinuskurven. Gemäss der Krümmung dieser Kurven treten im strömenden Dampf zentrifugale Kraftwirkungen ein, durch die der Dampf an den gekrümmten Wandungen der Düse mehr komprimiert wird als in ihrer Mitte. Um dieser Kompression Rechnung zu tragen, ist also der Querschnitt der Düse an den Krümmungsstellen senkrecht zur Richtung der Zentrifugalkraft entsprechend zu verengen. Die Verengung ist aus dem in Fig. 19 dargestellten Querschnitt ersichtlich. Die Breite b der Düse ist oben und unten. geringer als die in der Mitte vorhandene Breite B, da der Dampf oben und unten entsprechend der Krümmung der Düsenwandung stärker komprimiert wird als in der Mitte.
Es entsteht auf diese Weise ein Düsenquerschnitt, der oben und unten geradlinig, an den Flanken dagegen durch die Kurven x, x begrenzt ist. Die veränderliche Breite b lässt sich, wie erwähnt, mit Hilfe ähnlicher Berechnungen finden, wie beispielsweise in Fig. 4 die veränderliche Höho h.
Ebenso wie bei den Schaufelkanälen der Laufräder werden auch hier die Verhältnisse derart gewählt, dass gemäss Fig. 17 die Höhe h am Eintrittsquerschnitt der Düse grösser wird als -, damit nicht mehr als drei Fräser- oder Hobelschnitte zur Herstellung der Düse erforderlich werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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Mass (h in Fig. 4 und 5) verengt sind, dass die Dicke (d p in Fig. 2) der einzelnen Strahllamellen überall annähernd konstant bleibt und jedes Strahlelement an allen Stellen seiner Hahn einen seinem jeweiligen Zustand entsprechenden Durchtrittsquerschnitt vorfindet.