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Laufschaufelprofil für Dampf-oder Gasturbinen
Ein besonderes Problem beim Bau von Dampf-oder Gasturbinen ist die Wahl eines entsprechenden Profils für die Laufschaufeln, insbesondere für jene Stufen, in denen die Strömung überschallgeschwindigkeit erreicht. Letzteres ist vor allem im Spitzenquerschnitt langer
Niederdruckschaufeln der Fall, wo sich Umfangsgeschwindigkeiten von 400 bis 600 m/sec ergeben.
Dabei ist an solchen Laufschaufelprofilen ein hoher Reaktionsgrad (70 bis 80%) gegeben, d. h., die
Energieumsetzung erfolgt zum Grossteil in den Laufschaufeln, und es ist daher der Wirkungsgrad einer solchen Stufe ganz besonders von der richtigen Gestaltung des Laufschaufelprofils abhängig. Infolge der hohen Umfangsgeschwindigkeiten wird ein hohes Gefälle verarbeitet und erfolgt beim Durchgang durch das Laufschaufelgitter eine Beschleunigung der Strömung bis auf fast doppelte Schallgeschwindigkeit (Mach 2). Die Richtungsänderung der Relativströmung ist dabei gering, hingegen ist eine hohe Beschleunigung erforderlich, um ein verlustfreies axiales Abströmen zu gewährleisten. Bei Laufschaufeln mit konventionellem Profil ergeben sich bei überschallgeschwindigkeiten (etwa ab Mach 1, 3) die folgenden Nachteile.
Im Einlauf in den Kanal zwischen zwei Profilen wird die ankommende Unterschallströmung beschleunigt, bis sie an der engsten Öffnung zwischen zwei Profilen gerade Schallgeschwindigkeit erreicht. Die Schallinie, d. h., die Grenze zwischen Unter-und Überschallströmung, trifft bei konventionellen Schaufelprofilen gerade die Austrittskante des Schaufelprofils. Da für die Expansion auf Schallgeschwindigkeit jedoch nur ein Teil des Druckgefälles verbraucht wird, steht beim Austritt der Strömung aus dem engsten Querschnitt noch ein Anteil zur Beschleunigung auf überschallgeschwindigkeit zur Verfügung. Es resultiert daher von der Schallinie aus um die Austrittskante des Schaufelprofils eine Prandtl-Meyer'sche Expansion der Schallströmung auf Überschall, bei der die Strömung in die Richtung der Turbinenachse schwenkt.
Aus diesem als Winkelabweichung durch Expansion im Schrägabschnitt bezeichneten Effekt resultiert also eine unerwünschte Ablenkung. Die Folge davon ist ein hoher Wert der Absolutströmung und damit ein hoher Verlust. Ausserdem entstehen in der Austrittsebene des Profils Teilströme mit stark unterschiedlicher Richtung. Beim Zusammentreffen dieser Teilströme entstehen daher starke Verdichtungsstösse, die ebenfalls Verluste bedingen. Ein konventionelles Profil ist also bei hohen Mach-Zahlen nicht imstande, die gewünschte Ablenkung der Strömung zu erzeugen. Das Gefälle wird nutzlos in Verdichtungsstössen und hoher Austrittsgeschwindigkeit verbraucht. Hier Abhilfe zu schaffen, ist das Ziel der Erfindung.
Die durch periodisch auftretende Verdichtungsstösse zu befürchtende Schwingungsanregung für Turbinenschaufeln war auch die Ursache für die bekannte Laufschaufelprofilierung nach der Schweizer Patentschrift Nr. 230954, wonach die Schaufeln so weit auseinandergerückt werden, dass sich die Verdichtungsstösse nebeneinanderliegender Schaufeln nicht beeinflussen können. Die in dieser Patentschrift gegebene Anweisung, die Teilung der Schaufeln so gross zu machen, dass der in Drehrichtung gesehen vorderste Punkt am Schaufelrücken in Strömungsrichtung gesehen nicht vor der im Endpunkt der Innenseite des Austrittsschenkels der in Drehrichtung vorhergehenden Schaufel errichteten Senkrechten liegt, bedeutet bei konventionellen Profilen mit Eintrittskrümmung und
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geradem Auslauf eine weite Teilung.
Bei einer weiteren Teilung erfolgt zwar keine Beeinflussung der Schaufeln und keine Schwingungsanregung durch Verdichtungsstösse, doch ist auch der Abströmwinkel der Strömung nicht mehr herstellbar. Die Strömung wird im stärkeren Winkel zur Umfangsrichtung (d. h. mehr in Achsrichtung) verlaufen, als der geometrische Austrittswinkel des Profils angibt. Auch dieser Nachteil lässt sich in Befolgung des erfindungsgemässen Vorschlages vermeiden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Laufschaufelprofil für die im überschallgebiet arbeitenden Spitzenquerschnitte langer Endstufenschaufeln von Dampf-oder Gasturbinen, bei dem in erfindungsgemässer Weise das Profil aus der Richtung der eintretenden Strömung in Umfangsrichtung umbiegt, nach dem engsten Querschnitt zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln in Umfangsrichtung verläuft und hierauf im Gegenbogen in die gewünschte Richtung der Austrittsöffnung übergeht.
An Hand der Zeichnung soll die erfindungsgemässe Schaufelprofilgebung näher erläutert werden.
Wie die Zeichnung erkennen lässt, besteht das erfmdungsgemässe Schaufelprofil aus dem Eintrittsteil
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ungefähr im engsten Querschnitt der Kanäle verlaufen. Nicht ganz zu vermeidende Verdichtungsstösse sind durch die Stosslinien--c--angedeutet.
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einen beträchtlichen Teil des Umfanges der Zutritt der Unterschallströmung in das Schaufelgitter gesperrt. Da es sich im Einlauf bis zur Schallinie an der engsten Stelle um eine beschleunigte Unterschallströmung handelt, ist diese Expansion nicht mit zusätzlichen Verlusten verbunden, weil eine solche Strömung der Profilkontur leicht folgt. Durch die anschliessende Gegenbiegung des Profils wird Platz zur Expansion auf überschallströmung ähnlich wie bei einer Laval-Düse geschaffen.
Die Ablenkung und Expansion der überschallströmung erfolgt in der richtigen Richtung, d. h., die relative Austrittsgeschwindigkeit --w2-- erhält die gewünschte Richtung. Durch die Ablenkung des unmittelbar am Profil strömenden Fadens treten zwar in dem zuletzt genannten Profilabschnitt einige schwache Verdichtungsstösse auf, ebenso infolge der endlichen Profilstärke unmittelbar hinter dem Profil, sie bewirken aber nur geringe oder praktisch gar keine Verluste. In der Austrittsebene des Gitters ist für alle Stromfäden die gewollte Abströmrichtung erreicht.
Die Vorteile der erfindungsgemässen Schaufelformgebung sind wie folgt. Die gewünschte Abströmrichtung wird auch bei Beschleunigung auf hohe überschallgeschwindigkeiten sicher erreicht. Schwere Verdichtungsstösse im Profilbereich und auch nachher werden vermieden. Daraus resultieren geringe Verluste und damit ein hoher Stufenwirkungsgrad. Ferner ist ein hohes Teilungs-Sehnenlängen- Verhältnis von etwa 1, 1 bei voller Wahrung der vorher genannten Vorteile erreichbar. Schliesslich ist es möglich, ein solches Profil sehr flach, mit nur wenig veränderlicher Stärke auszuführen. Die nahezu konstante Profilstärke ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Profilgebung, weil damit ein langgestrecktes Profil mit geringer Masse, d. h. mit geringem Flächeninhalt, hergestellt werden kann.
Dies ist im Hinblick auf das Gesamtgewicht, die Fussbefestigung und das Schwingungsverhalten von langen Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln von besonderer Bedeutung. Es ist damit die Möglichkeit gegeben, im Spitzenprofil mit geringen Querschnittsflächen auszukommen und damit die Fliehkräfte der gesamten Schaufel festigkeitsmässig zu beherrschen.