DE2326466B2

DE2326466B2 - Turbine axialer Bauart

Info

Publication number: DE2326466B2
Application number: DE2326466A
Authority: DE
Inventors: Claude Dr. Zuerich Seippel; Arnulf Dipl.-Ing. Turgi Teufelberger
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1973-04-30
Filing date: 1973-05-24
Publication date: 1978-05-03
Also published as: US3953148A; FR2227425A1; JPS5013703A; CA999526A; CH557468A; GB1462470A; FR2227425B1; DE2326466A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine axialer Bauart, die von einem kompressiblen Arbeitsmittel durchströmt ist und mindestens zwei aus je einem Leit- und Laufgitter bestehende Stufen aufweist.

Hoher Wirkungsgrad, Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit sind die wichtigsten Kriterien, die der Turbinenkonstrukteur beachten muß. Billige und betriebssichere Maschinen erzielt man durch wenigstufige Turbinen. Eine Erhöhung der Stufenzahl führt zweifellos zu besseren Wirkungsgraden, gleichzeitig jedoch durch die dadurch bedingte größere Baulänge zu vermehrten Kosten sowie allgemein zu einer Verminderung der Betriebssicherheit.

Ein bekanntes Optimerungsverfahren im Turbomaschinenbau (Buch von Dzung »Flow Research On Blading«, Verlag Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1970, S. 26-28), das auf eine Verkürzung der axialen Erstreckung der Beschaufelung und somit auf kürzere Maschinenbaulänge abzielt, ist die Anwendung des Mehldahl-Kriteriums Ml, das beim besonders wichtigen Fall der Reaktionsturbine (50% Reaktion, symmetrische Leit- und Laufgitter) folgenden Ausdruck hat: b^r>

Yb² l Η + 4 γ² Ί' '²

'· IW ,,- r² J

Hierin bedeutet:

b die Gitterbreite senkrecht zur Gitterebene

/ die Schaufelteilung

W das Widerstandsmoment des Schaufelprofils

ν das Verhältnis der axialen Strömungsgeschwindigkeit zur Umfangsgeschwindigkeit

μ das Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeitsänderung beim Durchtritt durch das Schaufelgitter zur Umfangsgeschwindigkeit.

Ziel des Turbinenkonstrukteurs ist, bei möglichst gutem Wirkungsgrad ein möglichst kleines Ml zu erreichen.

Bei einer Maschine mit vorgegebener Drehzahl wird aufgrund technischer und wirtschaftlicher Überlegungen der mittlere Durchmesser einer Stufe bestimmt. Folgende auf die Mehldahl-Ziffer Ml wirkende Maßnahmen können ergriffen werden:

1. Möglichst kleines Verhältnis (W ■ t)/W. Die Biegekräfte auf die Beschaufelung erfordern bei vorgeschriebener Höchstbelastung des Schaufelmaterials ein bestimmtes, der Schaufelteilung proportionales Widerstandsmoment. Ein kleines Verhältnis (& ■ tj/W führt zu Schaufelprofilen, welche im Verhältnis zur Sehne dick sind (z. B. Schaufelprofile 10 in der später beschriebenen Fig.2). Nach heutigen Erkenntnissen erreichen sie trotzdem gute Wirkungsgrade, und gestatten kleine Gitterbreiten bund somit kurze Beschaufelungen.

2. Eine Erhöhung der axialen Strömungsgeschwindigkeit führt zu kleineren Schaufelhöhen. Sowohl die gleich groß bleibenden Tangentialkräfte als auch die bei gleichbleibendem Druckgefälle aufgrund der reduzierten Angriffsfläche kleiner werdenden Axialkräfte wirken an einem kürzeren Hebelarm. Die geringeren Biegemomente gestatten schmälere Schaufelgitter und führen damit zu kürzeren Turbinen.

3. Eine vergrößerte tangentiale Geschwindigkeitsänderung beim Durchtritt durch das Schaufelgitter zur Vergrößerung des Stufengefälles ist eine oftmals angewandte Maßnahme. Bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit wird hierdurch eine Verringerung der Stufenzahl erreicht. Allerdings wird das Biegemoment auf die einzelnen Schaufeln größer, so daß die einzelnen Gitter etwas breiter werden, jedoch überwiegt bei der Betrachtung der Maschinenlänge der Einfluß der Stufenzahl.

Im Turbinenbau ist es üblich, daß bei einer nach Optimierungsmethoden ausgelegten Stufengruppe die Zunahme der durchströmten Querschnittsflächen von Stufe zu Stufe durchwegs im Rahmen der Volumenzunahme des Arbeitsmediums oder darunter liegt. Die Strömungsgeschwindigkeiten bleiben daher von Stufe zu Stufe gleich oder wachsen noch an. Die am Austritt einer Stufe vorhandene Geschwindigkeitsenergie, welche nicht in mechanische Arbeit verwandelt worden ist, wird, sofern die Stufe nicht die letzte ist, in der darauffolgenden Stufe zum größeren Teil (60% oder mehr) verwertet.

Von Nachteil ist die Tatsache, daß die am Austritt des letzten Laufgitters vorhandene kinetische Energie, zumindestens die der tangentialen Geschwindigkeitskomponente, nur zu einem kleinen Teil in einem Diffusor ausgenützt werden kann. Bei stationären Anlagen fehlt meistens der Platz für einen guten Diffusor, so daß man oft einen gänzlichen Verlust der Austrittsenergie in Kauf nimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, im Verhältnis des zur Verfügung stehenden Arbeitsgefälles die Austrittsenergie aus dem letzten Laufgitter zu verringern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Austrittsströmungsquerschnitt aus dem letzten Laufgitter im Vergleich zum Austritüströmungsquerschnitt des vorletzten Laufgitters (um etwa 10-40%) größer bemessen ist als es dem Verhältnis des zunehmenden Volumens des Arbeitsmittels entsprich l

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des letzten i< > Laufgitters ergibt sich durch die Verminderung der Austrittsverluste ein höherer Wirkungsgrad der Turbine.

Den Austrittsströmungsquerschnitt des letzten Laufgitters vergrößert man durch eine Erhöhung des Verhältnisses Kanalbreite q zur Schaufelteilung t, was einer Vergrößerung des Schaufelwinkels entspricht, und/oder durch eine Zunahme der durchströmten Kreisringfläche, was eine Verlängerung der Schaufelhöhe und eine Veränderung eines oder beider die Kreisringfläche bestimmenden Durchmesser bedeutet.

Bei stark gefächerten Schaufelgittern, wie man sie für die Verarbeitung großer Strömungsvolumina braucht, ist zusätzlich zu berücksichtigen, daß die Ausströmgeschwindigkeiten längs der Schaufel sowohl in tangentialer als in axialer Richtung variieren. In tangentialer Richtung wegen den verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten der Schaufelschnitte, in axialer, weil die Herstellung des Kräftegleichgewichtes die räumliche Strömung in stark gefächerten Beschaufelungen ver- jo zerrt. Statt die Winkelöffnung der letzten Schaufelreihe gleichmäßig auf der ganzen Schaufellänge zu verändern, kann man sie von Schnitt zu Schnitt längs der Schaufel so verteilen, daß die Geschwindigkeit nicht nur im Ganzen herabgesetzt wird, sondern daß deren Profil in J5 axialer und tangentialer Richtung geglättet wird. Allerdings erfordert dies Schaufeln mit verdrillten Profilen, welche bekanntlich kostspielig sind. Aber man kommt mit der Verdrillung der letzten Laufschaufel allein, eventuell einer schwachen vereinfachten Verdrillung der letzten Leitschaufel, aus und hat beinahe denselben Vorteil, wie wenn man mehrere oder alle Schaufelreihen verdrillen würde.

Ist für eine Stufengruppe ein zu verarbeitendes Gefälle vorgegeben, so müssen, da das Gefälle des letzten Laufgitters durch die erfindungsgemäße Maßnahme vermindert ist, die dem letzten Gitter vorange-' henden Gitter zwangsläufig ein um den verminderten Betrag größeres Gefälle verarbeiten.

Zu diesem Zweck wird der Ausströmquerschnitt der betreffenden Gitter um einen dem kleineren Arbeitsgefälle des letzten Laufgitters entsprechenden Betrag kleiner bemessen. Die dabei anfallenden Mehrverluste sind jedoch wesentlich geringer als die Verlustminderung im letzten Laufgitter und am Austritt der Beschaufelung.

Den Austrittsströmungsquerschnitt aller dem letzten Gitter vorangehenden Gittern verkleinert man durch eine Verringerung des Verhältnisses Kanalbreite q zur Teilung t, was einer Verkleinerung des Strömungswinkels entspricht, und/oder durch eine Verkleinerung der durchströmten Kreisringfläche, was eine Verkürzung der Schaufelhöhe und eine Veränderung eines oder beider die Kreisringfläche bestimmenden Durchmesser bedeutet.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Es zeiet

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Strömungskanal einer Turbine,

Fig.2 einen Schaufelplan als Abwicklung eines Zylinderschnittes durch den Strömungskanal nach Fig. 1,

F i g. 3,4, 5 Vektordiagramme der Geschwindigkeiten zur Erläuterung der aus der Erfindung sich ergebenden Wirkungsweise.

In Fig. 1, welche eine dreistufige Turbine darstellt, sind durch die Bezugszeichen 1 der Stator, 2 der Rotor, 3,5 und 7 die Leitschaufeln, 4,6 und 8 die Laufschaufeln und 9 der Austrittsdiffusor benannt. 11-11' ist ein Schnitt senkrecht zur Maschinenachse vor dem ersten Gitter, 12-12' ist ein Schnitt zwischen dem vorletzten und dem letzten Gitter, 13-13' ist ein Schnitt nach dem letzten Gitter. Von 11-11' bis 12-12' nimmt der Strömungsquerschnitt entsprechend der Volomenzunahme des Arbeitsmittels oder weniger zu. Von 12—12' bis 13-13' nimmt der Austritts-Strömungsquerschnitt aus dem letzten Laufgitter wesentlich stärker zu als es dem Strömungsvolumen entspricht und zwar durch eine Verlängerung der Laufschaufeln 8 und einer entsprechenden Erweiterung der Kreisringfläche.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise seien die F i g. 3 und 4 näher betrachtet.

Fig. 3 stellt das übliche Vektordiagramm der Geschwindigkeiten in einer Stufe einer Reaktionsturbine mit symmetrisch gleichen Leit- und Laufschaufeln dar. öä ist die axiale Strömungskomponente, von welcher vorerst vorausgesetzt wird, sie bleibe von Gitter zu Gitter gleich, öä ist gleichzeitig die Zuströmgeschwindigkeit zum ersten Leitgitter, öcist die absolute Geschwindigkeit aus den Leitgittern, öd ist dieselbe Geschwindigkeit relativ zu den Laufschaufeln, öe ist die relative Ausströmgeschwindigkeit aus den Laufgittern. Ihr Absolutwert οΊ> ist gleichzeitig die Eintrittsgeschwindigkeit in die folgenden Leitgittern.

Fig.4 zeigt das aufgrund der Neuerung veränderte Vektordiagramm aus F i g. 3. Die relative Ausströmgeschwindigkeit öe" aus dem letzten Laufgitter wird kleiner. Dementsprechend reduziert sich die absolute Geschwindigkeit von Ö5 in F i g. 3 auf ob". Um das vorgegebene Gesamtgefälle verarbeiten zu können, erhöhen sich an allen dem letzten Gitter vorangehenden Gittern die Geschwindigkeiten öä ... öe in Fig.3 auf öä'... öe'.

Im Schaufelplan gemäß F i g. 2 sind gleiche Teile mit demselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Die Schaufel 8 zeigt ein Schaufelprofil 10 mit starker Umlenkung, das die Verarbeitung großer Gefälle gestattet. Eines besseren Überblicks wegen sind für alle Schaufelgitter gleiche Schaufelteilung t sowie für alle dem letzten vorangehenden Gitter gleiche Kanalbreite q angenommen. Die erfindungsgemäße Querschnittserweiterung des letzten Laufgitters geschieht durch eine Vergrößerung der Kanalbreite q.

F i g. 5 zeigt das der Schaufelanordnung gemäß F i g. 2 entsprechende Geschwindigkeitsdiagramm. Die Axialgeschwindigkeit öä ist von Eintritt bis Austritt der Beschaufelung gleich groß. Die Geschwindigkeiten ob' ... öe' sind aufgrund der zur Beibehaltung des Gesamtgefälles getroffenen Maßnahme etwas höher als ob... öe in F i g. 3. Im letzten Laufgitter ist die relative Geschwindigkeit durch die vergrößerte Schaufelöffnung von öe in Fig.3 auf öS" zurückgenommen. Dementsprechend wird die absolute Geschwindigkeit Ö5"kleiner.

Anstelle von dem in F iff. 2 eezeipten Profil 10

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können die Schaufeln selbstverständlich irgendein In Abweichung hiervon ließe sich eine

beliebiges Aktions- oder Reaktionsprofil aufzeigen. gestalten, bei welcher die Schaufelteilung f u

Gemäß Fig.2 sind die Schaufelteilung t bei allen Kanalbreite q für mindestens zwei Stufe

Gittern und die Kanalbreite q bei allen dem letzten mindestens zwei Gitter verschieden groß sini

Gitter vorangehenden Gittern gleich groß dargestellt. ·*>

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Turbine axialer Bauart, die von einem kompressiblen Arbeitsmittel durchströmt ist und mindestens zwei aus je einem Leit- und Laufgitter bestehende Stufen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritts-Strömungsquerschnitt aus dem letzten Laufgitter im Vergleich zum Austritts-Strömungsquerschnitt des vorletzten Lauf- ι ο gitters größer bemessen ist als es dem Verhältnis des zunehmenden Volumens des Arbeitsmittels entspricht.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung des Verhältnisses Kanalbreite (q) zur Schaufelteilung (t) und/oder eine Erweiterung der durchströmten Kreisringfläche der Vergrößerung des Austritts-Strömungsquerschnitts des letzten Laufgitters dient.

3. Turbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofils in axialer und tangentialer Richtung das Verhältnis Kanalbreite (q) zur Schaufelteilung (t) längs den Schaufeln (8) des letzten Gitters veränderlich ist.

4. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beibehaltung eines vorgegebenen Arbeitsgefälles der Austritts-Strömungsquerschnitt aller dem letzten Gitter vorangehenden Gitter um einen dem durch die Querschnittsvergrößerung des letzten Laufgitters bedingten kleineren Arbeitsgefälles entsprechenden Betrag kleiner bemessen wird.

5. Turbine nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verkleinerung des Verhältnisses Kanalbreite (q) zur Schaufelteilung (t) und/oder eine Verringerung der durchströmten Kreisringfläche der Verkleinerung des Austritts-Strömungsquerschnittes aller dem letzten Gitter vorangehenden Gitter dient.

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