Dampf- oder Gasturbine. Eine der Schwierigkeiten, die bei der Konstruktion von Schaufelsystemen für grosse Dampf- oder Gasturbinen zu über winden sind, besteht in der Gefahr, dass Tur binenschaufeln, besonders wenn sie lang sind, in Schwingungen geraten, die unter un günstigen Umständen so gross werden kön nen, dass an den Schaufeln Ermüdungs brüche auftreten.
Die Ursachen, die derartige Schaufelschwingungen hervorrufen, beruhen einerseits auf unvollständigem Auswuchten der rotierenden Turbinenteile, anderseits auf Ungleichmässigkeiten in der Strömung des Treibmittels, durch die die Schaufeln in ähnliche Sch-v#,ingungen versetzt werden, -ie eine Flagge beim Flattern im Wind oder wie eine Feder, die über der Tonöff nung einer Ziehharmonika in Schwingungen gerät, so dass ein bestimmter Ton entsteht.
In gleicher Weise findet man, dass die Schwingungen, die ein Gas- oder Dampf strom beim Durchströmen von Turbinen schaufeln annimmt, immer automatisch die Eigenschwingungszahl der Schaufeln auf suchen, so dass die Schaufeln unter dem Ein fluss des Gasstromes in eine zunehmende Schwingung geraten, bis die Schaufeln schliesslich brechen oder bis zu der Grenze; wo die Schaufelschwingungen selbst eine Dämpfung im Gas- oder Dampfstrom her vorrufen, die die Schwingungsamplitude selbsttätig begrenzt.
Hieraus geht hervor, dass es von Wichtigkeit ist, dass die stören den Kräfte, d. h. die Ungleichmässigkeiten im Gas- oder Dampfstrom durch die Turbi nenschaufeln so gering wie möglich gehalten werden, so dass die durch die Schwingungen der Schaufeln hervorgerufenen dämpfenden Strömungen imstande sind, die durch die Un gleichmässigkeiten im Gas- oder Dampfstrom entstehenden Schwingungen aufzuheben.
Bei der normalen Strömung des Dampfes durch das Schaufelsystem einer Dampftur bine kann man im allgemeinen durch gleich mässige Ausformung der Schaufelkränze einen ziemlich gleichmässigen Dampfstrom erhalten, so dass die Turbinenschaufeln nur in geringem Masse störenden Impulsen aus gesetzt sind. Anders werden jedoch die Ver hältnisse, wenn die Dampfzufuhr zur Tur bine abgestellt oder wenn das Vakuum im Turbinengehäuse zerstört, d. h. Luft in das Gehäuse eingelassen wird, so dass der Druck im Auslass der Turbine rasch steigt.
Dadurch wird die Dichte des die Turbinenschaufeln umgebenden Mediums bedeutend erhöht und gleichzeitig wirken die äussersten Schaufeln, die Austrittsschaufeln der Turbine mehr oder weniger wie die eines Zentrifugal- gebläses, indem sie Dampf und Luft ständig von der Turbinenmitte ansaugen und nach der Peripherie der Turbine hinausschleudern. Dadurch entsteht eine umwälzende Strömung im Turbinengehäuse.
Bei den sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten, die bei den Austrittsschaufelkränzen vorkommen, wer den auf diese Weise bedeutende Energie mengen an die im Turbinengehäuse kreisen den Gasmengen abgegeben.
So hat man z. B. beobachtet, dass eine Dampfturbine von 50 000 kW bei voller Drehzahl und abgestellter Dampfzufuhr einen Energiebetrag von 4000 kW ver brauchte, der von den elektrischen Genera toren zugeführt werden musste. Es ist klar, dass solche bedeutende Energiemengen, die im Turbinengehäuse durch eine herumwir belnde, ständig zwischen den Schaufeln krei sende Gasmenge verbraucht werden, Wirbel im Turbinengehäuse hervorrufen, die zufolge der Elastizität der Gasmenge leicht zu perio dischen Schwingungen führen.
Durch solche ständig im. Kreislauf herumgeförderte Gas mengen werden natürlich die Turbinenschau feln äusserst stark in Anspruch genommen und können dabei leicht in heftige Schwin- gungen geraten.
Die Erfindung bezweckt derartige Schau- felschwingungen zu verhindern oder in hohem Grade zu erschweren, die entstehen wollen, wenn eine Turbine durch Dampf oder Gase gebremst wird, d. h. wenn die Austrittsschau feln als Gebläseschaufeln arbeiten und Ener gie an .das Treibmittel abgeben, anstatt, wie beim normalen Betrieb, Energie vom Treib mittel aufzunehmen.
Durch die Erfindung soll also ein Ansaugen und Fördern des im Turbinengehäuse befindlichen Treibmittels weitmöglichst verhindert werden. Zu diesem Zweck ist gemäss der Erfindung der an die Austrittsschaufeln anschliessende Teil des Turbinenauslasses als ein ringförmiger Rota- tionsraum ausgebildet, der in bezug auf die Treibmittelausströmung nach innen und seit lich begrenzt ist von den genannten Austritts schaufeln und den ihnen benachbarten Teilen der den Turbinenauslass bildenden Wan dungen,
sowie nach aussen hin von einer An zahl Leitorgane, die zusammen einen wenig stens angenähert zylindrischen Leitkranz bilden und deren: Leitflächen in der Strö mungsrichtung des bei normalem Betrieb aus der Turbine ausströmenden Dampfes verlau fen, so,dass bei Leerlauf bezw. nicht normaler Strömung des Treibmittels einer dabei ent stehenden Neigung der Austrittsschaufeln, wie Gebläseschaufeln zu wirken,
entgegen gewirkt und die Bildung eines mitrotierenden Gas- bezw. Dampfringes in dem genannten Rotationsraum erleichtert wird. Dadurch, dass auf diese Weise die gegenseitige Geschwin digkeit zwischen dem Treibmittel und den Schaufeln auf einen Mindestbetrag herunter gebracht wird, rotieren die Austrittsschaufeln in einem sie umgebenden Gas- oder Dampf ring, so dass auf diese Weise die Schaufeln von störenden Impulsen geschützt sind.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in beiliegenden Zeich nungen in Fig. 1 bis 7 als Beispiele ge zeigten Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anwendung des Erfindungsprinzipes auf eine Dampf turbine, wovon ein Längsschnitt dargestellt ist;
Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch die gleiche Turbine dar, und Fig. 3 ein Turbinenlaufrad sowie die be nachbarten Teile des Turbinengehäuses bezw. Auslassgehäuses;
Fig. 4 zeigt die Anwendung der Erfin dung bei einer Ljungströmturbine, die mit einem doppelten Axialschaufelsystem ver sehen ist Fig. 5 zeigt die Anwendung der Erfin dung bei einer mit Bogenschaufeln ver- sehenen Ljungströmturbine, und Fig. 6 einen Querschnitt durch die gleiche Turbine in axialer Richtung gesehen;
Fig. 7 zeigt die Austrittsschaufeln in einer gewöhnlichen Achsialturbine, wobei durch Pfeile der Strömungsverlauf zwri- schen den Austrittsschaufeln für solche Fälle angegeben ist, bei denen die Turbine ohne Dampfzufluss arbeitet, d. h. wenn Energie von den Schaufeln abgegeben wird, wobei ein wirbelnder Kreislauf im Turbi nengehäuse entsteht; Fig. 8 und 9 zeigen eine Einrichtung zum Verstellen der Leitorgane.
In Fig. 1 bezeichnet 2 eine Austritts schaufel in einer Dampfturbine, 3 eine dar an anschliessende Gehäusewand, die als Drehfläche ausgeformt ist, so dass zwischen den Schaufeln 2 und der genannten Wand 3 ein Rotationsraum 4 vorhanden ist, dessen Querschnittsflächen mit in der Turbinen achse liegenden Ebenen alle gleich gross sind.
Nach aussen hin ist der genannte Ro tationsraum durch eine Anzahl zweckmässig verstellbarer Leitorgane 5 in Form von Schaufeln begrenzt, welche den an und für sich diffusorartig ausgebildeten Turbinen auslass in einen innern und einen äussern Ablaufraum 4 bezw. 13 zu unterteilen. Die Schaufeln können aus durchgehend gleich dicken Blechstücken bestehen oder ein strom linienförmiges Profil aufweisen.
Die Leit- organe 5 sind ferner, in der Achsenrichtung gesehen, in einem solchen Winkel gegen die Umfangsrichtung gestellt, dass eine mög licherweise von aussen nach innen gerichtete Gasströmung gezwungen wird, in der Dreh richtung der Dampfturbine zu rotieren (Fig. 2). Der Pfeil 6 gibt die Drehrichtung der Turbine an und die Teile 7 und 8 zeigen die Richtung, in der von aussen nach innen strö mender Dampf durch die Leitorgane 5 strömt.
Aus obenstehendem geht hervor, dass jede von aussen nach innen gerichtete Strömung zwi schen den Organen 5 dazu mitwirkt, eine um laufende Bewegung der Gasmenge im Rota tionsraum 4 in der Drehrichtung der Turbine hervorzurufen. Denkt man sich, es bestehe eine Strömung gemäss Pfeil 9 durch die Schaufeln 2 (Fig. 3), dann muss auf eine solche Strömung, wenn kein neuer Dampf -der Turbine zugeführt wird, eine entsprechende, gleichgrosse Rückströmung zum Raum 4 fol gen, welcher Rückstrom durch Pfeil 10 ange deutet ist.
Der nach aussen gerichtete Strom 9, der .durch die Drehung der Schaufeln 2 verursacht wird, erhält durch dieselben eine Strömungsrichtung, die mit der Drehrichtung der Schaufeln übereinstimmt. Der Strom 9, ist in Fig. 2 durch den Pfeil 11 angegeben. Aus dieser Figur geht :deutlich hervor, dass eine derartige Strömung durch die Leitorgane 5 bedeutend erschwert wird, weil diese den Dampf zwingen, seine Drehrichtung voll ständig umzukehren, falls der betreffende Dampf überhaupt zwischen den Leitorganen 5 nach aussen strömen soll.
Dies bewirkt, dass nur eine sehr kleine Gasmenge zwischen den Leitorganen nach aussen strömen kann. Folg lich kann ebenfalls nur eine sehr kleine Gas menge zwischen den Leitorganen zurückströ men, wobei die rückströmende Menge gezwun gen wird, sich in der Richtung des Pfeils 12 (Fig. 2'), also in der Drehrichtung der Turbine zu bewegen. Im Rotationsraum 4 ent steht somit ein mit den Schaufeln rotierender Dampfring, der nur sehr wenig vom Zustand ausserhalb des Schaufelkranzes 5 beeinflusst wird.
Da nur eine sehr kleine Energiemenge benötigt wird, um den Dampfring im Raume 4 in Rotation zu halten, und da ferner der Rückstrom von aussen mit seinen für die Aus trittsschaufeln der Turbine gefährlichen Stö rungen zum grössten, Teil vermieden ist, wer den dadurch die. Turbinenschaufeln von allen schädlichen Störungen geschützt, die die Schaufeln in Schwingungen zu versetzen ver suchen.
In Fig. 8 und 9 ist die Achsial- und Seitenprojektion einer zum Verstellen der Leitorgane dienenden Vorrichtung gezeigt, die der bei Wasserturbinen üblichen Kon struktion zur Einstellung der Leitschaufeln ähnlich ist.
In diesen Figuren sind die be- fxeffenden Leitschaufeln 5, welche die Aus- 1-rittssehaufeln 2 der Turbine ringförmig um geben, vermittelst Zapfen 20, 21 in den Diffusorplatten 22, 223 der Turbine drehbar gelagert, wodurch zwischen dem Austritts- schaufelkranz und den Leitschaufeln 5 der vorher erwähnte ringförmige Dampfraum 4 gebildet wird. Mit den Zapfen 20 sind Ge lenkarme 24 fest verbunden, welche ihrerseits mit Hebeln 26 drehbar verbunden sind,
die vermittelst Zapfen im Einstellring 25 drehbar gelagert sind. Die Einstellung des Ringes 25 in der Umfangsrichtung wird durch die Winkellage des mittelst Gelenkarm 27 mit dem Ring 25 drehbar verbundenen Armes 28 bestimmt, wobei jede Winkellage des Armes 28 einer bestimmten Winkellagen,der .Schau feln 5 entspricht.
Wenn diese Schaufeln bei normalem Betrieb dem aus der Turbine ausströmenden Dampf möglichst geringen Widerstand bieten sollen, wird die Winkel lage der Leitschaufeln 5 vermittelst des Ein stellhebels 28 so eingestellt, :dass deren Rich tung ständig mit,der Strömungsrichtung .des Dampfes übereinstimmt. In den vorher er wähnten Fällen, in denen die Turbine durch Treibmittel gebremst;
wird, kann eine Umstel lung ider Leitschaufeln 5 in eine Richtung stattfinden, in .der die dem Turbinenmotor zu gekehrte Fläche der Leitschaufeln eine solche äussere Begrenzungsfläche für den Raum 4 bildet, ,dass diese nach Möglichkeit zur Aus bildung des rotierenden Gas- oder Dampf ringes beiträgt.
Sowohl aus dem Vorhergehenden wie auch aus Fig. 3 bis 6 geht hervor, wie die Leitorgane 5 gleichzeitig als Verstrebungen für die Wände 3 und 14 bezw. 22 und 23 die nen.