DE2650433A1

DE2650433A1 - Laufschaufel fuer dampf- und gasturbinen und axialverdichter

Info

Publication number: DE2650433A1
Application number: DE19762650433
Authority: DE
Inventors: Robert Szewalski
Original assignee: Polska Akademia Nauk Instytut
Current assignee: Polska Akademia Nauk Instytut
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1976-11-03
Publication date: 1977-05-12
Also published as: PL111037B1; DE2650433C3; DE2650433B2; CH617493A5; US4284388A

Description

80-952 Gdansk, Gen.J.Fiszera Str.14-/Polen

PL 24-50

Laufschaufel für Dampf- und Gasturbinen und Axialverdichter

Gegenstand der Erfindung ist eine Laufschaufel für Dampfund Gasturbinen und Axialverdichter, insbesondere eine lange Schaufel, welche am Austritt, d.h. in der Endstufe von Turbinen sowie am Eintritt, d.h. in der ersten Stufe von Verdichtern Verwendung findet.

Die bekannten Laufschaufeln für thermische Turbomaschinen, Dampf- und Gasturbinen sowie Axialverdichter werden immer und ohne Ausnahme aus geschmiedeten massiven Blättern angefertigt.

Lange Laufschaufeln verjüngen sich vom Fuß bis zur Spitze und sind darüber hinaus verwunden, worunter eine bestimmte Änderung des Ein- und Austrittswinkels zu verstehen ist.

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Bei den bekannten extrem langen Schaufeln vergrößert sich der Eintrittswinkel vom spitzen Winkel am Schaufelfuß bis zu einem stumpfen Winkel an der Schaufelspitze, wobei er sich eventuell gleichzeitig am Schaufelaustritt verringern kann.

Diese Änderung der Schaufelwinkel, die als Schaufelverwindungsprinzip bezeichnet wird, kann im Prinzip sehr unterschiedlich sein.

Jedoch werden alle bisher bekannten Schaufeltypen nach einem bestimmten Prinzip verwunden. Die nach diesem Prinzip erhaltenen Blattflächen weisen eine stetige ,Charakteristik auf und lassen sich prinzipiell mit analytischen Gleichungen beschreiben.

Der maximale Austrittsquerschnitt A der Schaufeln, der aus Fertigkeitsgründen realisierbar ist, ist eine Punktion aus drei Größen und zwar:
der Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung ω , einer Materialkonstanten als Quotienten der zulässigen

λ τ Zugbeanspruchung und der Werkstoffdichte —*=—, des durch die Konstruktion bedingten Verjüngungsfaktors (k) als Verhältnis der Zugspannungen in zwei Schaufeln mit gleich großen Fußquerschnitten - der konkreten verwundenen, sich vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze verjüngenden Schaufel und einer zweiten zylindrischen Schaufel mit konstantem, dem Fußquerschnitt gleichem Querschnitt, Andererseits wird der Austrittsquerschnitt durch die Schaufeln in Abhängigkeit von ihren geometrischen Maßen bestimmt

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und zwar

a - air ι? (D

d - der mittlere Kreisdurchmesser

1 - die Schaufellänge, die der Hälfte der Differenz zwischen dem äußeren (dz) und inneren (dw) Kreisdurchmesser gleich ist, und

¹^ - ein durch die endliche Schaufeldicke am Austritt bedingter Verengungsfaktor.

Der maximale Austrittsquerschnitt A ist ale eine Funktion

IHcLjC

aus drei Parametern:

•2-2—_? k _un<ft χ von der Wahl des Verhältnisses —^ d.h. des Verhältnisses der Schaufellänge zum mittleren KreisFür einen bestimmten Wert -^ nehmen also mit Vergrößerung des

durchmesser nicht abhängig.
Für einen bestimmten Wert -^
Austrittsquerschnitts sowohl der mittlere Kreisdurchmesser d

(2)

ViTr

als auch die Eanddurchmesser, d.h. der Innen- (d) und Außendurchmesser (d ) der Schaufeln sowie die zugehörigen Umfangsgeschwindigkeiten zu. Dagegen ist die zulässige Zunahme des Innendurchmessers d begrenzt, weil der Innendurchmesser der Schaufeln gleichzeitig den Außendurchmesser des die Schaufeln auf seinem Umfang tragenden Läufers bestimmt,

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der wiederum in Abhängigkeit vom Konstruktionstyp des Läufers, z.B. Gleichfestigkeit sscheibe, Scheibe mit einer öffnung für eine Welle sowie mit entsprechender Nabe, Trommel usw. aus Festigkeitsgründen beschränkt ist. Für eine bestimmte Vergrößerung des AustrittsquerSchnitts A ist es also möglich, die Zunahme des Innendurchmessers d einer

Schaufel zu vermeiden, wenn entsprechend höhere Werte des

1 1 1 Λ Λ

Verhältnisses -jj , z.B. von 4 = -r bis oder bis angenommen werden.

Die beschriebene Verfahrensweise ist unter dem Gesichtspunkt der Schaufelfestigkeit möglich. Die Konstruktion von Schaufeln mit hohen Werten des Verhältnisses -5·, im allgemeinen -γ, ist jedoch aus strömungstechnischen Gründen nicht möglich, wie sie sich durch Überschreiten der Grenzwerte solcher Strömungsparameter, wie des Reaktionsgrades sowie der Achskomponente der Geschwindigkeit des Arbeitsmittels entweder auf dem Innen- oder Außendurchmesser des Schaufelblattes ergeben. Ohne Rücksicht auf das angenommene Schaufelverwindungsprinzip, d.h. ohne Rücksicht auf das vorausgesetzte Prinzip der Änderung der Umfangs- und Achsgeschwindigkeitskomponenten mit dem Radius sind die erwähnten Einschränkungen eine unvermeidbare Notwendigkeit. Von einem gewählten Querschnitt und einem Querprofil der Schaufel als von einem Bezugsquerschnitt ausgehend, wird die unter dem Strömungsgewi chtspunkt zulässige Schaufellänge immer in Richtung vergrößerter oder verkürzter Radien bestimmt bzw. beschränkt.

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So wird z.B. bei dem bisher bekannten Stand der Technik für vorausgesetzte freie Wirbel, die die Strömung des Arbeitsmittels durch den Spalt zwischen den Schaufeln charakterisieren, d.h. bei

C . r = const. (3)

C - die TJmfangskomponente der Geschwindigkeit des Strahles r - der Radius, der die Lage des betrachteten Schaufelquerschnitts bestimmt,

die Schaufellänge in Richtung verkürzter Innenradien r eingeschränkt, weil der Eeaktionsgrad auch mit dem Eadius sinkt, aber sein Wert immer positiv bleiben soll. Für einen vorausgesetzten aufgezwungenen Wirbel

= const. (4-)

ist die Schaufellänge in Richtung vergrößerter Außenradien r_r mit Rücksicht auf die Achskomponente der Geschwindigkeit G , welche sich mit Zunahme des Radius schnell verringert, begrenzt.

Bei der Wahl von irgendwelchen Prinzipien der Änderung der Umfangskomponente C mit dem Eadius werden immer die Grenzparameter erreicht, die in Abhängigkeit vom angenommenen Prinzip C * f(r) die zulässige Schaufellänge einschränken.

Trotz der möglichen "Vergrößerung der Schaufellänge 1 und des freien Austritttsquerschnitts A der Stufe läßt sich diese Möglichkeit in der Praxis auf der Basis des bekannten Stan-

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— » —

des der Technik aus Gründen der Schaufelfestigkeit effektiv nicht ausnutzen; dies hat zur Folge, daß die maximale an einem Austritt zum Verflüssiger erreichte Leistung sowie die Gesamtleistung der Turbine beschränkt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laufschaufel für Dampfund Gasturbinen und Axialverdichter, insbesondere eine lange Schaufel anzugeben, die die aufgezeigten Einschränkungen bei einer Vergrößerung der Schaufellänge nicht aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaufelkonstruktion, die aus zwei verschiedenen Blättern besteht, von denen das eine Blatt von einem gewählten Zwischenquerschnitt bis zum Schaufelfuß und das unterschiedliche zweite Blatt bis zur Schaufelspitze reichen, gelöst.

Jedes der genannten Blätter ist gemäß unterschiedlicher Prinzipien gestaltet, welche auf Festigkeits- und Strömungsgründe Zurückzuführen sind. Eines der Blätter ist so gestaltet, daß an seinem Ende im Zwischenquerschnitt der Grenzwert einer der Strömungsfaktoren, und zwar des Eeaktionsgrades oder der Achskomponente der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels auftritt, wobei an diesem Ende die Schaufelfläche unmittelbar in das zweite anders gestaltete Blatt übergeht, das so ausgeführt ist, daß entlang dieses Blattes der gewählte Faktor konstant bleibt oder sich nur unwesentlich ändert.

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Die Schaufel gemäß der Erfindung weist somit vom gewählten Zwischenquerschnitt in Richtung des Schaufelfußes das eine verwandene Blatt und in Eichtung zur Schaufelspitze das entsprechend in Gegenrichtung verwundene zweite Blatt auf. An der Berührungsstelle der beiden beschriebenen Blätter, also an der Stelle des gewählten Zwischenquerschnitts weisen beide Blätter gleiche Profile auf, wobei an dieser Stelle auf der Schaufelfläche eine Abgrenzungskante zwischen den Blättern auftritt.

Die Erfindung ermöglicht solche Arbeitsschaufeln herzustellen, deren Länge die bisher möglichen Schaufellänge überschreitet, ohne die aus Strömungs- und Festigkeitsgründen des Läufers bedingten Beschränkungen zu verletzen.

Durch Zunahme des freien Austrittsquerschnitts der Schaufeln besteht in Konsequenz die Möglichkeit, die Turbinenleistung am Austritt zu einem Verflüssiger und dadurch auch die Gesamtleistung von Turbinen zu vergrößern, was es ermöglicht, die pro Leistungseinheit bezogenen Baukosten einer Turbine zu senken und den erzielbaren Wirkungsgrad vorteilhaft zu erhöhen.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

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- sr -

Fig. 1 die Seitenansicht einer Laufschaufel und

Fig. 2 die Ansicht aus der Richtung der Schaufelspitze,

wobei in beiden Figuren an bestimmten Stellen der Schaufellänge die jeweiligen Profile dargestellt sind.

Die in den Zeichnungen dargestellte Laufschaufel ist die Endstufe einer Dampfturbine und weist ein "Verhältnis

4—= auf. Dem entspricht ein Verhältnis des inneren r

d 2,5 r D ₁ _ 1 ^w

zum äußeren Eadius r_g -^- - ^- = ψ- = 0,4284.

r + r Für den mittleren Eadius r = —^—^—— wird ein Reaktions-

grad von O₀ = 0,50 als der günstigste Wert vorausgesetzt.

Für den Eadius r_w * 0,6 r_Q gilt daher ξ_ζ = 0,74-5.

Bei bekannten Lösungen kann eine Größe des Eadius von r =

0,6 r nicht genommen werden, da ein Wert unter Null erhalten wird.

Der vorausgesetzte Grenzwert P =0,1 tritt bei einem Badius r = 0,7^-6 r auf; bei diesem Eadius liegt der Zwischenquerschnitt 1, der das äußere Blatt 2 vom inneren Blatt 3 abgrenzt.

Die äußere Grenze des nach dem Prinzip ^G _u · ^r = const, gestalteten Blattes 2 stellt die Scheitelspitze 4 der Schaufel dar mit dem äußeren Radius r, wobei J^ dann = 0,745 ist. Vom Querschnitt 1 zum Schaufelfuß 5 mit dem inneren Eadius r = 0,6 r reicht das Blatt 3, das nach dem Prinzip — = const, mit konstantem Reaktionsgrad ^"Ο,Ι=»^=«^ gestaltet ist. 7 0 9 8 19/0327

— 9f — /IO

Für den inneren Eadius r gilt die Achskomponente der Ge-

schwindigkeit C_aw = 1,1870 C_aQ, d.h. sie ist um 18,3% größer als beim Bezugsradius r .

Für die angegebenen Werte gelten folgende Schaufelwinkel: mittlerer Eadius r_Q: B_1Q = 7^,88°; ß_2o = 24,0°; _Q = 0,5 äußerer Eadius r^ß^ = 141,9°; ß_2z = 18,88°; _z = 0,745 Grenz-Eadius r_g: ß_1g » 33,22°;ß_2g = 28,79°; _g = 0,1 und für
innerer Eadius V ^ß1w ^{= 4}3,26°;ß_2w = 38,30°; _w = 0,1

Daraus ergibt sich, daß der Winkel B₁, der seinen Maximalwert beim äußeren Eadius r - stumpfer Winkel 14-1,9° ~ erreicht, sich ständig in Eichtung des Schaufelfußes verringert, wobei er einen Minimalwert von 33,2° beim Grenz-Eadius erreicht, am dann wieder bis zum Wert von 43,26° beim inneren

Eadius r zuzunehmen.
w

Die Änderung der Schaufelwinkel des inneren und äußeren Blattes 2,3 spiegelt sich in Gestalt der in Fig. 2 gezeigten seitlichen Schaufelkanten wider. Sowohl der erste Schaufelrand, der sich aus dem den Band des Blattes 2 darstellenden Abschnitt 6 und aus dem den Eand des Blattes 3 darstellenden Abschnitt 7 zusammensetzt,als auch der aus den Abschnitten 8 und 9 bestehende zweite Schaufelrand, weisen in dieser Figur eine Brechung auf, die an der Stelle des Querschnitts 1 auftritt.

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Es ist möglich, analog eine Schaufel aus zwei Blättern zusammenzusetzen, von denen das eine nach dem Prinzip C · r = const, gestaltet ist und vom Inneren Eadius r an bis zu einem entsprechenden Grenz-Eadius reicht, und dann in ein zweites Blatt übergeht, das nach dem Prinzip

-^- = const, gestaltet wird und bis zum Eadiuß r , d.h. bis zum Scheitel der Schaufel reicht.

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Leerseite

Claims

3. November 1976 EZ/Hu

PL 2450

Patentanspruch

( ι Laufschaufel für Dampf- und Gasturbinen und Axialverdichter, insbesondere eine lange Schaufel, dadurch gekennzeichne t , daß die aus zwei Blättern besteht, von denen das eine Blatt (3) von einem gewählten Zwischenquerschnitt (.1) zum Schaufelfuß und das andere Blatt (2) von diesem Zwischenquerschnitt zur Schaufelspitze reicht, wobei eines der Blätter (2, 3) so gestaltet ist, daß an seinem Ende am Zwischenquerschnitt (1) der Grenzwert einer der Strömungsfaktoren, und zwar der Reaktionsgrade oder die Achskomponente der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels auftritt und wobei im an diesem Zwischenquerschnitt (Ό beginnenden zweiten Blatt dieser Faktor konstant bleibt oder sich nur unwesentlich ändert, und daß vom Zwischenquerschnitt (1) an, der auf der Schaufeloberfläche die Abgrenzungskante zwischen den beiden Blättern (2, 3) bildet, das Blatt (2) in entgegengesetzter Richtung wie das Blatt (3) verwunden ist.

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