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.
Steam or gas turbine. One of the difficulties that must be overcome in the design of blade systems for large steam or gas turbines is the risk that turbine blades, especially if they are long, start to vibrate that can become so large under unfavorable circumstances that fatigue fractures occur on the blades.
The causes that cause such blade vibrations are based on the one hand on incomplete balancing of the rotating turbine parts, on the other hand on irregularities in the flow of the propellant, through which the blades are set in similar vibrations, such as a flag when fluttering in the wind or like a spring that vibrates above the opening of an accordion, so that a certain tone is created.
In the same way, one finds that the vibrations that a gas or steam flow assumes when flowing through turbine blades, always automatically look for the natural frequency of the blades, so that the blades start to vibrate under the influence of the gas flow until the blades eventually break or to the limit; where the blade vibrations themselves cause damping in the gas or steam flow, which automatically limits the vibration amplitude.
From this it follows that it is important that the disturbing forces, i.e. H. The irregularities in the gas or steam flow through the turbine blades are kept as low as possible so that the damping flows caused by the vibrations of the blades are able to cancel the vibrations caused by the irregularities in the gas or steam flow.
With the normal flow of steam through the blade system of a steam turbine, a fairly uniform steam flow can generally be obtained by uniformly shaping the blade rings, so that the turbine blades are only exposed to a low degree of disruptive impulses. The situation is different, however, if the steam supply to the turbine is turned off or if the vacuum in the turbine housing is destroyed, d. H. Air is let into the casing so that the pressure in the turbine outlet increases rapidly.
As a result, the density of the medium surrounding the turbine blades is significantly increased and at the same time the outermost blades, the turbine outlet blades, act more or less like those of a centrifugal fan by constantly sucking in steam and air from the center of the turbine and hurling it out towards the periphery of the turbine. This creates a circulating flow in the turbine housing.
At the very high circumferential speeds that occur with the outlet blade rings, who in this way emitted significant amounts of energy to the amounts of gas circulating in the turbine housing.
So one has z. B. observed that a steam turbine of 50,000 kW at full speed with the steam supply switched off consumed an amount of energy of 4,000 kW, which had to be supplied by the electrical generators. It is clear that such significant amounts of energy, which are consumed in the turbine housing by a swirling amount of gas constantly circling between the blades, cause vortices in the turbine housing which, due to the elasticity of the gas amount, easily lead to periodic oscillations.
Through such constantly im. Gas quantities circulated around the circuit are of course put under extremely heavy strain on the turbine blades and can easily start to vibrate violently.
The aim of the invention is to prevent or to a great extent aggravate such blade vibrations which occur when a turbine is braked by steam or gases, ie. H. when the outlet blades work as fan blades and release energy from the propellant instead of absorbing energy from the propellant, as in normal operation.
The invention is therefore intended to prevent the propellant located in the turbine housing from being sucked in and conveyed as far as possible. For this purpose, according to the invention, the part of the turbine outlet adjoining the outlet blades is designed as an annular rotation space which is limited inwardly and laterally in relation to the propellant outflow by the aforementioned outlet blades and the adjacent parts of the turbine outlet forming the turbine outlet Walls,
and to the outside of a number of guide elements, which together form a little least approximately cylindrical guide ring and whose: guide surfaces in the flow direction of the steam flowing out of the turbine during normal operation, so that when idling or. abnormal flow of the propellant a resulting tendency of the outlet blades to act like fan blades,
counteracted and the formation of a co-rotating gas or. Steam ring is facilitated in the said rotation space. Because the mutual speed between the propellant and the blades is brought down to a minimum in this way, the outlet blades rotate in a gas or steam ring surrounding them, so that the blades are protected from disruptive impulses in this way.
The invention is described in more detail below with reference to the drawings in Fig. 1 to 7 as examples shown in the accompanying drawing embodiments of the invention.
Fig. 1 shows schematically the application of the principle of the invention to a steam turbine, a longitudinal section of which is shown;
Fig. 2 shows a cross section through the same turbine, and Fig. 3 BEZW a turbine wheel and the adjacent parts of the turbine housing. Outlet housing;
Fig. 4 shows the application of the invention in a Ljungström turbine, which is seen with a double axial blade system. 5 shows the application of the invention in a Ljungström turbine provided with curved blades, and FIG. 6 shows a cross section through the same turbine in FIG seen in the axial direction;
7 shows the outlet blades in a conventional axial turbine, the flow course between the outlet blades being indicated by arrows for those cases in which the turbine works without a steam inflow, ie. H. when energy is released from the blades, creating a swirling cycle in the turbine housing; 8 and 9 show a device for adjusting the guide members.
In Fig. 1, 2 denotes an outlet blade in a steam turbine, 3 a housing wall adjoining it, which is shaped as a rotating surface, so that between the blades 2 and said wall 3 there is a rotation space 4, the cross-sectional areas of which are axially in the turbine lying levels are all the same size.
To the outside, the said Ro tationsraum is limited by a number of useful adjustable guide members 5 in the form of blades, which outlet the in and for itself diffuser-like turbines in an inner and an outer drainage space 4 respectively. 13 to subdivide. The blades can consist of sheet metal pieces of equal thickness throughout or have a streamlined profile.
The guide elements 5 are furthermore, viewed in the axial direction, set at such an angle to the circumferential direction that a gas flow possibly directed from the outside inward is forced to rotate in the direction of rotation of the steam turbine (FIG. 2). The arrow 6 indicates the direction of rotation of the turbine and parts 7 and 8 show the direction in which steam flows through the guide elements 5 from the outside to the inside.
From the above, it can be seen that each from the outside inward flow between tween the organs 5 contributes to causing an ongoing movement of the amount of gas in the Rota tion space 4 in the direction of rotation of the turbine. If you think that there is a flow according to arrow 9 through the blades 2 (Fig. 3), then if no new steam is supplied to the turbine, a corresponding, equal-sized return flow to space 4 must follow, which Backflow is indicated by arrow 10.
The outwardly directed flow 9, which is caused by the rotation of the blades 2, is given a direction of flow by the same which corresponds to the direction of rotation of the blades. The current 9 is indicated in FIG. 2 by the arrow 11. This figure clearly shows that such a flow through the guide elements 5 is made significantly more difficult because they force the steam to completely reverse its direction of rotation if the steam in question is to flow outwards between the guide elements 5 at all.
This has the effect that only a very small amount of gas can flow outwards between the guide elements. As a result, only a very small amount of gas can flow back between the guide elements, with the amount flowing back being forced to move in the direction of arrow 12 (FIG. 2 '), ie in the direction of rotation of the turbine. In the rotation space 4 there is thus a steam ring rotating with the blades, which is influenced only very little by the state outside the blade ring 5.
Since only a very small amount of energy is required to keep the steam ring in space 4 rotating, and furthermore, since the return flow from the outside with its dangerous for the turbine blades from stö ments is largely avoided, who thereby the. Turbine blades protected from all harmful disturbances that try to set the blades in vibration.
In Fig. 8 and 9, the axial and side projection of a device serving for adjusting the guide elements is shown, which is similar to the conventional construction for setting the guide vanes in water turbines.
In these figures, the opening guide vanes 5, which surround the exit 1-tide vanes 2 of the turbine in a ring shape, are rotatably mounted by means of pins 20, 21 in the diffuser plates 22, 223 of the turbine, whereby between the outlet vane ring and the guide vanes 5 the aforementioned annular vapor space 4 is formed. With the pin 20 Ge pivot arms 24 are firmly connected, which in turn are rotatably connected to levers 26,
which are rotatably mounted in the adjusting ring 25 by means of pins. The setting of the ring 25 in the circumferential direction is determined by the angular position of the means of articulated arm 27 rotatably connected to the ring 25 arm 28, each angular position of the arm 28 corresponds to a certain angular position of the .Schau feln 5.
If these blades should offer the least possible resistance to the steam flowing out of the turbine during normal operation, the angular position of the guide blades 5 is adjusted by means of the adjusting lever 28 so that their direction constantly coincides with the direction of flow of the steam. In the previously mentioned cases in which the turbine is braked by propellant;
is, a Umstel development ider guide vanes 5 take place in one direction, in .der the surface of the guide vanes facing the turbine engine forms such an outer boundary surface for the space 4 that it is used to form the rotating gas or steam ring if possible contributes.
Both from the preceding as well as from Fig. 3 to 6 it can be seen how the guide members 5 at the same time as struts for the walls 3 and 14 respectively. 22 and 23 the nen.