CH617493A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Laufschaufel für Dampf- und Gasturbinen sowie für Axialverdichter, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei Abschnitten besteht, von denen sich der erste Abschnitt (3) von einer gewählten Zwischenquerschnittsstelle (1) in Richtung zur Schaufelspitze erstreckt, wobei einer der Abschnitte derart ausgebildet ist, dass beim bei der Zwischenquerschnittsstelle (1) liegenden Ende einer der Strömungsparameter, der Reaktionsgrad bzw. die Axialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels, seinen zulässigen Grenzwert erreicht, während in dem von dieser Zwischenquerschnittsstelle (1) aus verlaufenden andern Abschnitt dieser Parameter entweder konstant bleibt oder sich nur unwesentlich verändert, wobei weiter von der Zwischenquerschnittsstelle (1) ausgehend, wo auf der Schaufeloberfläche eine Abgrenzungskante zwischen beiden Abschnitten zum Vorschein kommt der zweite Abschnitt (2) in entgegengesetzter Richtung als der erste Abschnitt (3) verwunden ist.

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für Dampf- und Gasturbinen sowie für Axialverdichter, insbesondere die lange Schaufel, welche am Austritt, d. h. in der Endstufe der Turbinen, beziehungsweise am Eintritt, d. h, in der ersten Stufe der Verdichter, Anwendung findet.

Bekannte Laufschaufeln für thermische Turbomaschinen, Dampf- und Gasturbinen sowie Axialverdichter bilden immer und ohne Ausnahme einheitliche Tragflächengebilde. Das heisst, dass die langen Laufschaufeln als vom Fuss bis zum Kopf sich verjüngende und darüber hinaus verwundene Tragflächengebilde geformt werden, womit eine vorbestimmte Veränderung der Ein- und Austrittswinkel zu verstehen ist. Bei bekannten langen Schaufeln vergrössert sich der Eintrittswinkel von einem spitzen Winkel am Schaufelfuss bis zu einem weiten Winkel am Schaufelkopf, eventuell mit gleichzeitiger Verringerung der Winkel am Schaufelaustritt. Diese Veränderung der Schaufelwinkel, in der Fachsprache Schaufelverwindung genannt, kann grundsätzlich sehr unterschiedlich verlaufen. Jedoch sind alle bisher bekannten Schaufeltypen jeweils nach einem konkreten Gesetz verwunden ausgebildet, und die auf diese Weise erhaltenen Tragflächengebilde zeichnen sich durch einen stetigen Verlauf aus und lassen sich grundsätzlich durch analytische Gleichungen beschreiben.

Der maximale Durchflussquerschnitt A der Beschaufelung, welcher Anforderungen der Festigkeit genügt, ist eine Funktion von 3 Grössen:

— der Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung m,

— einer Materialkonstanten, die als Quotient der zulässigen

Zugbeanspruchung und der Werkstoff dichte —

gebildet ist, und r-

— eines Konstruktionsfaktors (k), welcher das Verhältnis der Zugspannungen in gleich grossen Fussquerschnitten von

2 Schaufeln ausdrückt — der wirklichen, verwundenen und vom Fuss bis zum Kopf sich verengenden und verjüngenden Schaufel, und einer zweiten, zylindrischen Schaufel mit konstanter Querschnittsform, die gleich der Querschnittsform im Fuss ist.

Andererseits wird der Durchflussquerschnitt durch die Beschaufelung in Abhängigkeit von Grundabmessungen der Stufe bestimmt, und zwar

A = d n i z (1)

wobei:

d den mittleren Stufendurchmesser,

t die Schaufellänge, gleich der Hälfte der Differenz des

äusseren (dz) und inneren (dw) Durchmessers,

x einen durch endliche Schaufeldicke am Austritt bedingten

Verengungsfaktor darstellen.

Der maximale Austrittsquerschnitt Amax ist eine Funktion von 3 Parametern: —, k, und co. Er ist hingegen von der Q

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Wahl des Verhältnisses ~j", d. h. des Verhältnisses der

Schaufellänge zum mittleren Stufendurchmesser unabhängig.

£

Für einen bestimmten Wert -^nehmen also mit Vergrösse-rung des Austrittsquerschnittes sowohl der mittlere Stufendurchmesser d d= \l^~ (2)

als auch die Grenzdurchmesser, d. h. der Innen- und Aussen-durchmesser (dw und dz) der Beschaufelung, sowie die zugehörigen Umfangsgeschwindigkeiten, zu. Demgegenüber ist die zulässige Zunahme des Durchmessers dw begrenzt, weil der Innendurchmesser der Schaufel gleichzeitig den Aussen-durchmesser des die Beschaufelung auf seinen Umfang tragenden Läufers bestimmt, der seinerseits in Abhängigkeit vom Konstruktionstyp des Läufers, z. B. einer Scheibe gleicher Festigkeit, einer Scheibe mit «Nabe und Wellenbohrung», einer Trommel usw. aus Festigkeitsgründen beschränkt ist.

Somit kann man für eine bestimmte Zunahme des Austrittsquerschnittes A nur dann die Zunahme des Innendurchmessers der Schaufel dw vermeiden, wenn entsprechend hö-

£

here Werte des Verhältnisses das heisst höher als etwa i 1 nv 1 1

— ~y> z- ±>. Dis 2 75 j angesetzt werden.

Das beschriebene Verfahren ist vom Standpunkt der

Schaufelfestigkeit korrekt. Dem Übergang zu grösseren Wer-

£ 1

ten des Verhältnisses -y, etwa grösser als y, stehen jedoch strömungsbedingte Gründe im Wege, die sich in der Überschreitung von Grenzwerten solcher Strömungsparameter ausdrücken, wie die des Reaktionsgrades oder der Axialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels, sei es auf dem Innen- oder Aussendurchmesser der Schaufeltragflächen.

Ungeachtet des angenommenen Gesetzes der Schaufelverwindung, also auch ungeachtet des angenommenen Gesetzes der Veränderung der Umfangs- und Axialgeschwindigkeits-komponenten mit dem Radius, stellen die erwähnten Einschränkungen eine unvermeidbare Notwendigkeit dar. Ausgehend von einem gewählten Querschnitt und Querschnittsprofil der Schaufel als dem Bezugsquerschnitt, ist die strömungstechnisch bedingte, zulässige Schaufellänge entweder in Richtung der zunehmenden oder abnehmenden Radien immer beschränkt. So wird z. B. entsprechend dem bisherigen Stand der Technik, vorausgesetzt die Strömung des Arbeitsmittels durch den Spalt zwischen den Schaufelreihen folgt dem Ansatz des Potientialwirbels:

Cu . r = const., (3)

wobei:

Cu die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit, r den die Lage des betrachteten Schaufelquerschnittes bestimmenden Radius darstellen,

die Schaufellänge in Richtung auf den Innenradius rw beschränkt, weil auch der Reaktionsgrad mit dem Radius abnimmt, während sein Wert stets positiv bleiben sollte.

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Für einen anderen Ansatz der Drallströmung

—= const.

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ist hingegen die Schaufellänge in Richtung gegen den Aussen-radius rz beschränkt, und zwar mit Rücksicht auf die Axialkomponente der Geschwindigkeit Ca, welche sich in Richtung gegen zunehmende Radien hin rasch verringert.

Ist das Gesetz für die Veränderlichkeit der Umfangskom- 10 ponente Cu mit dem Radius gegeben, kommt man immer auf Grenzparameter, die in Abhängigkeit vom angenommenen Ver-windungsgesetz Cu = f (r) die zulässige Schaufellänge beschränken. Trotz der festigkeitstechnisch zulässigen Vergrös-serung der Schaufellänge l und des freien Austrittsquer- 15 schnitts A der Stufe lässt sich die Möglichkeit in der Praxis auf Grund des bekannten Standes der Technik effektiv nicht ausnutzen und dies hat zur Folge, dass die pro Austrittsquerschnitt zum Kondensator erreichbare Leistung wie auch die Gesamtleistung der Turbine beschränkt erscheinen. 20

Ziel der Erfindung ist die erwähnten Einschränkungen bei der Vergrösserung der Schaufellänge zu vermeiden.

Die erfindungsgemässe Laufschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei Abschnitten besteht, von denen sich der erste Abschnitt von einer gewählten Zwischenquer-25 schnittsstelle in Richtung zum Schaufelfuss, und der zweite Abschnitt in Richtung zur Schaufelspitze erstreckt, wobei einer der Abschnitte derart ausgebildet ist, dass beim bei der Zwischenquerschnittsstelle liegenden Ende einer der Strömungsparameter, der Reaktionsgrad bzw. die Axialkompo- 30 nente der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels, seinen zulässigen Grenzwert erreicht, während in dem von dieser Zwischenquerschnittsstelle aus verlaufenden andern Abschnitt dieser Parameter entweder konstant bleibt oder sich nur unwesentlich verändert, wobei weiter von der Zwischen- 35 querschnittssteile ausgehend, wo auf der Schaufeloberfläche eine Abgrenzungskante zwischen beiden Abschnitten zum Vorschein kommt, der zweite Abschnitt in entgegengesetzter Richtung als der erste Abschnitt verwunden ist.

Also ist die Laufschaufel aus zwei verschiedenen Trag- 40 flächenabschnitten gebildet, von denen der eine von einem gewählten Schaufelquerschnitt ausgehend in Richtung zum Schaufelfuss, der zweite aber zum ersten verschieden gestaltet, in Richtung zur Schaufelspitze verläuft. Beide Tragflächenabschnitte sind nach unterschiedlichen Verwindungsge- 45 setzen gestaltet, wie sie sich aus Festigkeits- und Strömungsgründen ergeben. Eine der beiden Tragflächen ist vorteilhaft so gestaltet, dass an ihrem Ende ein Grenzwert einer der Strömungsparameter, des Reaktionsgrades bzw. der Axialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmit- J0 tels, auftritt; an diesem Ende geht der Schaufeltragflächenabschnitt unmittelbar in einen anders gestalteten Tragflächenabschnitt über, längs welchem der entsprechende Strömungsparameter konstant bleibt oder sich nur unwesentlich verändert. Demgemäss weist die Schaufel nach der Erfindung 55 vom gewählten Zwischenquerschnitt ausgehend, in Richtung gegen den Fuss hin einen in einer ersten, von bestimmter Richtung verwundene Tragflächenabschnitt, in Richtung gegen die Spitze aber einen entsprechend in Gegenrichtung verwundenen Tragflächenabschnitt auf. An der Berührungs- fi0 bzw. Begegnungsstelle der beiden beschriebenen Tragflächenabschnitte, also an der Stelle des gewählten Grenzquerschnittes weisen diese Tragflächenabschnitte offensichtlich gleiche Profile auf, während an dieser Stelle auf der Schaufelfläche eine kaum sichtbare Abgrenzungskante zwischen den nach verschiedenen Gesetzen geformten Teilflächen auftritt.

Damit können Laufschaufeln hergestellt werden, deren Länge bisher bekannter Schaufellängen überschreiten, ohne die durch Strömungs- und Festigkeitsgründe des Läufers bedingten Einschränkungen zu verletzen. Damit entsteht auch die Möglichkeit, dank Vergrösserung des freien Durchflussquerschnittes der Beschaufelung die Turbinenleistung pro Austrittsquerschnitt zum Kondensator und dadurch auch die Gesamtleistung der Turbine zu vergrössern, was für die auf Leistungseinheit bezogenen Baukosten der Turbine und mittelbar auch für den erreichbaren Wirkungsgrad von Vorteil ist.

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Laufschaufel, und

Fig. 2 ihren Grundriss von der Schaufelspitze her gesehen, wobei die an bestimmten Stellen der Schaufellänge angewendeten Profile eingezeichnet sind.

Die im Beispiel dargestellte Laufschaufel der Endstufe i 1

einer Dampfturbine weist ein Verhältnis -j- = 25 auf- Dem entspricht das Verhältnis des inneren zum äusseren Radius

1 —-

1 +

0,4284

Für den mittleren Radius r = r„ =s d

r„ + r,

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wird ein Reaktionsgrad von q0 = 0,50 als der günstigste Wert vorausgesetzt. Für r = rz = 1,4 r0 gilt daher qz = 0,745. Für r = rw = 0,6 r0, würde man in konventioneller Ausführung ow < 0 erhalten, was jedoch nicht zulässig ist. Der angesetzte Grenzwert gg = 0,1 tritt bei rg = 0,746 r0 auf und an diesem Radius tritt Querschnitt 1 auf, der den äusseren Schaufelabschnitt 2 vom inneren Schaufelabschnitt 3 abgrenzt. Die äussere Begrenzung des nach dem Prinzip Cu • r = const. gestalteten Schaufelabschnittes stellt der Scheitel 4 der Schaufel beim Radius r = rz dar, wo qz = 0,745 ist. Vom Querschnitt 1 an in Richtung zum Schaufelfuss 5, bzw. zum Radius rff = 0,6 r0, reicht dann Schaufelabschnitt 3, der Cu nach dem Prinzip—— = const. mit konstantem Reaktionsgrad q = 0,1 = Qg = qw gestaltet ist.

Für den Radius rw gilt die Axialkomponente der Geschwindigkeit Caw = 1.1870 Cao, d. h. sie ist um 18,7 ®/0 grösser als beim Bezugsradius rg.

Für die angeführten Radien gelten folgende Schaufelwinkel:

r = ro ßio = 74,88°; ß2o = 24,0°; g0 = 0,5

ßu = 141,9°;

ig r = rz r = ßis = 33>22°; ßss = 28,79°;

= 18,88°; Qz = 0,745 Qe = °,1

und schliesslich für r = rw ßiM = 43>26°; = 38,30°; Qw = 0,1

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Es ergibt sich daraus, dass der Winkel ßv der seinen Maximalwert beim Radius r = rz als einen weiten Winkel gleich 141,9° erreicht, in Fussrichtung sich ständig verringert, so dass er seinen Minimalwert von 33,2° beim Radius r = r& erreicht und dann erneut bis zum Wert von 43,26° beim inneren Radius r =rw ansteigt.

Die Veränderlichkeit der Schaufelwinkel der beiden Schaufelabschnitte 2 und 3 kommt bei in Fig. 2 dargestellten seitlichen Schaufelkanten zum Ausdruck. Sowohl die Schaufeleintrittskanten, die sich aus den dem Schaufelteil 2 zugehörigen Abschnitt 6 bzw. dem Schaufelteil 3 zugehörigen Abschnitt 7 zusammensetzt, als auch die aus den Abschnitten 8

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und 9 bestehende Schaufelaustrittskante weisen in diesem Bild, im Querschnitt 1, eine Knickung auf.

Es ist auch möglich, sinngemäss eine Schaufel aus solchen 2 Teilen (Abschnitten) zusammenzusetzen, von denen der eine nach dem Gesetz Cu • r = const. gestaltet ist und vom

Fussradius r = rw bis zu einem entsprechenden grösseren Grenzradius reicht, und dann in einen zweiten Schaufelteil

Cu

übergeht, der nach dem Prinzip—— = const. gestaltet 5 ist, der bis zum Scheitel der Schaufel, r = rz reicht.

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1 Blatt Zeichnungen