DE3140035A1 - Turbine - Google Patents
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Description
3UQQ353UQQ35
Turbineturbine
Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einem Strömungsmittel betriebene Turbine, die von Nachlauf-Wirkungen frei ist, die auf der Abströmseite der hinteren Düsenkanten entstehen können.The invention relates to a fluid powered turbine that is affected by wake effects is free, which can arise on the downstream side of the rear nozzle edges.
Als Mittel zum Umformen von thermischer Energie von Dampf in mechanische Energie verwenden Dampfturbinen Düsen, die den Dampf unter hohem Druck sich ausdehnen und beschleunigen lassen und ihn dann zum Strömen bringen und an bewegten Blättern, die an einer sich drehenden Welle befestigt sind, so wirken lassen, daß die Kraft abgegeben wird. Solche Turbinen, sogenannte Axial Strömungsturbinen, die Düsen und si "V bewegende Blätter aufweisen, die radial am Umfang angeordnet sind, werden bekanntlich in zwei Gruppen,As a means of converting thermal energy from steam into mechanical energy, use steam turbines Nozzles that allow the steam to expand and accelerate under high pressure and then allow it to flow and let it work on moving blades attached to a rotating shaft, that the force is released. Such turbines, so-called axial flow turbines, the nozzles and si "V have moving blades, which are arranged radially on the circumference, are known to be in two groups,
^5 die Impuls- und die Reaktionsart, unterteilt.^ 5 the type of impulse and type of reaction, subdivided.
Bei der Impulsturbine ist es bekannt, wie es die Figuren 1a und 1b zeigen, daß die Strömungsgeschwindigkeiten dos Dampfes aus den Düsen unter Einfluß von Nacheil'.virkungen, die auf der Abströmseite der ~Q hinteren Düsenkanten 2' entstehen, örtlich inkonstant sind und daß infolge der Facheilwirkungen hinter den Hinterkanten 2' Gebiete niedriger Strömungsgeschwindigkeiten gebildet werden.In the impulse turbine, it is known as 1a and 1b, the figures show that the flow velocities dos vapor from the nozzle under the influence of Nacheil'.virkungen, the rear on the downstream side of the ~ Q nozzles edges 2 are formed 'are locally inconstant and that as a result of the compartment effects behind the trailing edges 2 'areas of low flow velocities are formed.
Andererseits laufen die bewegten Blätter 1 auf einer rotierenden Welle 3 durch Gebiete hoher und niedriger Strömungsgeschwindigkeiten, wenn sie die Dampfstrahlen aufnehmen, während sie sich mit Umfangsge-On the other hand, the moving sheets 1 run on a rotating shaft 3 through areas higher and lower Flow velocities when they absorb the steam jets while they move with circumferential
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_ 3 —_ 3 -
schwindigkeit bewegen. Somit ist jedes bewegte Blatt 1 bekanntlich fluktuierenden Belastungen mit einer Frequenz vonmove speed. Thus, every moving sheet 1 is known to have fluctuating loads with a Frequency of
60
mal in der Sekunde unterworfen. Es ist auf bekannt, daß diese Frequenz beim Zusammenfallen mit einer Blatt
vibrationsfrequenz der normalen Art eine Blattvibration
entsteht, die wiederum das Blatt beschädigen kann60
times a second subjected. It is known that when this frequency coincides with a blade vibration frequency of the normal type, blade vibration occurs which in turn can damage the blade
Um dieses Resonanzphänomen zu vermeiden, war es üblieh, die charakteristische Vibrationsfrequenz einzustellen und den Arbeitsgeschwindigkeitsbereich der bewegten Blätter zu beschränken oder Vibrationsdämpfer komplexer Konstruktion zu verwenden oder auch ein besonderes Material für die Blätter zu wählen»To avoid this resonance phenomenon, it was customary set the characteristic vibration frequency and the working speed range of the moving To restrict leaves or to use vibration dampers of complex construction or even a special one Material to choose for the leaves »
^5 Diese Gegenmaßnahmen erfordern jedoch viel Arbeit und Kosten und die Wirkungen sind oft unbestimmt« Ihre Ergebnisse sind wenig zuverlässig und die Kosten der bestehenden bewegten Blätter von Dampfturbinen sind hoch.^ 5 However, these countermeasures require a lot of work and Costs and effects are often indeterminate «Your results are unreliable and the cost of the existing moving blades of steam turbines are high.
Aufgabe der Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und eine hoch zuverlässige Dampfturbine ·- anzugeben, die wenig Kosten verursacht,The object of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned and to provide a highly reliable steam turbine indicate that causes little cost,
Die -Erfindung basiert auf Untersuchungen des Prinzips, bei dem fluktuierende Kräfte auf die bewegten Blätter durch NachlaufWirkungen ausgeübt werden„ die auf der Abströmseite der Düsenhinterkanten entsteheno Nach der Erfindung wird die Beziehung zwischen der GrößeThe invention is based on investigations of the principle in which fluctuating forces are exerted on the moving sheets by trailing effects "which arise on the downstream side of the nozzle trailing edges o According to the invention, the relationship between the size
der bewegten Blätter und der der Düsen innerhalb eines bestimmten Bereichs gewählt, um die Größe der Veränderung der schwankenden Kräfte die an den Blättern ausgeübt werden, so klein wie möglich zu machen.of the moving blades and that of the nozzles are chosen within a certain range in order to make the magnitude of the change in the fluctuating forces exerted on the blades as small as possible.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Strömungsturbine gelöst, bei der die sich bewegenden Blätter mit Strömungswegen vorgeschriebener Breite auf der Abströmseite der Düsen in der Beschleunigungszone angeordnet werden, wobei die Länge der Strömungswege auf mehr als die doppelte Neigung der Düsen eingestellt ist, um schädliche Wirkungen der Nachlaufwir'cungen auf die bewegten Blätter, die hinter den Düsenhinterkanten auftreten zu beseitigen.This object is achieved according to the invention by a flow turbine in which the moving Sheets with flow paths of the prescribed width on the downstream side of the nozzles in the acceleration zone be arranged, the length of the flow paths being more than twice the inclination of the Nozzles are set to avoid harmful effects of the wake effects on the moving leaves that are behind the nozzle trailing edges occur.
Die Errindung kann in einem großen Bereich angewendet werden. Obwohl sie für eine Dampfturbine beschrieben wird, so kann sie doch auch bei Axialströmungsgas und Flüssigkeitsturbinen angewendet werden, die kraftentwickelnde Turbinen sind, die Ströumungsbeschleunigungsdüsen und Schaufeln oder bewegte Blätter kombinieren.The invention can be applied in a wide range will. Although it is described for a steam turbine, it can also be used for axial flow gas and liquid turbines which are force-generating turbines, the flow accelerating nozzles, are employed and combine shovels or moving blades.
Es wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, die auf dem Prinzip der Fluktuationskraftentwicklung beruht, mit Hilfe der Zeichungen beschrieben. In diesen ist:It becomes a preferred embodiment of the invention which is based on the principle of fluctuation force development is based, described with the help of the drawings. In these is:
Figur 1a die Ansicht der oberen Hälfte eines Radial-Figure 1a the view of the upper half of a radial
scluiitts einer gewöhnlichen Dampfturbine;scluiitts of an ordinary steam turbine;
Γ: : '.'";' : '. : - Γ: 3U0035 - 5 -Γ:: '.'";' : '.: - Γ: 3U0035 - 5 -
Figur 1b ein Schnitt an der Linie A-A der Figur 1a;Figure 1b is a section on the line A-A of Figure 1a;
Figur 2 die Darstellung einer typischen Strömungsgeschwindigkeit sverteilung an den Düsen; dieFIG. 2 shows a typical flow velocity s distribution on the nozzles; the
Fig. 3a und 3b sind Vektorendiagramme der Geschwindigkeit
sdr e ie cke ;'
dieFigures 3a and 3b are vector diagrams of speed s pressure;
the
Fig. 4a und 4-b sind Schnitte der sich bewegenden Blätter;Figures 4a and 4-b are sections of the moving ones Leaves;
^0 Figur 5a ist ein Schnitt der sich bewegenden Blätter^ 0 Figure 5a is a section of the moving blades
und Düsen, wobei die Düsensteigung P praktisch größer als die Weglänge S der Blätter ist;and nozzles, the nozzle pitch P being practically greater than the path length S of the Leaves is;
^5 Figur 5b ein Diagramm der Druckänderung in Drehrich- ,^ 5 Figure 5b is a diagram of the pressure change in rotation,
tung der Anordnung nach Figur 5a niit dem Zeitablauf;direction of the arrangement according to Figure 5 a with the passage of time;
Figur 6a ein Schnitt der bewegten Blätter und der Düsen, wobei die Du
der Weglänge S ist;FIG. 6a shows a section of the moving sheets and the nozzles, the Du
is the path length S;
Düsen, wobei die Düsenneigung P etwa gleichNozzles, where the nozzle pitch P is about the same
Figur 6b ein Diagramm der Druckänderungen in Drehrichtung und im Drehmoment der Anordnung nach Figur 6a mit dem Zeitablauf;FIG. 6b shows a diagram of the changes in pressure in the direction of rotation and in the torque of the arrangement according to FIG. 6a with the passage of time;
Figur 7a ein Schnitt der bewegten Blätter und der Düsen bei praktisch gleichem 2P und S;FIG. 7a shows a section of the moving sheets and the nozzles with practically the same 2P and S;
Figur 7b ein Diagramm der Druckänderungen in Drehrichtung und des Drehmoments der Anordnung nach Figur a mit dem Zeitablauf; undFIG. 7b shows a diagram of the pressure changes in the direction of rotation and the torque of the arrangement according to Figure a with the passage of time; and
3H00353H0035
Figur 8 ein Schnitt der bewegten Blätter und der Düsen bei einem Beispiel der Turbine nach der Erfindung.FIG. 8 shows a section of the moving blades and the nozzles in an example of the turbine according to FIG the invention.
Es wird der Mechanismus beschrieben, mit dem die fluktuierenden Blastungen sich aus der Uneinheitlichkeit der erwähnten Nachlaufwirkungen durch die Düsen ergeben.It describes the mechanism by which the fluctuating blasts emerge from the non-uniformity the mentioned after-run effects result from the nozzles.
Figur 2 zeigt eine typische Geschwindigkeitsverte1 lung an den Düsen mit einer erheblichen Differenz zwischen der Strömungsgeschwindigkeit C, des Dampfes durch die Mitte jedes Weges zwischen den Düsen 2 und der Strömungsgeschwindigkeit C-g des Dampfes, der hin-' ter den hinteren Kanten 2' der Düse strömt. Wenn die Blätter bei Nacheilwirkungen xcon der Düspnreihe laufen, wie es die Creschwindigkeitsdiagramme nach den Figuren 3a und 3b zeigen, verändern sich deshalb der Einlaßwinkel des Dampfes zum Bewegen der Blätter weitgehend mit der Strömung des Dampfes durch die Wegmitte zwischen den Düsen 2 (Figur 3a) oder hinter den Hinterkanten 21 der Düsen (Figur 3b). In beiden Diagrammen bedeutet das Symbol "u" die Umfangsgeschwindigkeit der sich bewegenden Blätter. Gewöhnlich werden die Blätter mit einer Querschnittskontur versehen, die einen Weg ergibt, der mit der relativen Einlaßgeschwindigkeit und dem Winkel übereinstimmt, bei dem der Dampf, der durch die Mitte des Weges zwischen den Düsen hindurchgegangen ist, in die Reihen der bewegten Blätter strömt. Dies bedeutet, daß der Dampf, der hinter der Hinterkante jeder Düse strömt, nicht mit dem Weg der Blätter übereinstimmt, und somit ergebenFigure 2 shows a typical velocity distribution at the nozzles with a substantial difference between the flow velocity C of the steam through the middle of each path between the nozzles 2 and the flow velocity Cg of the steam flowing behind the rear edges 2 'of the nozzle . If the leaves run with lag effects xcon of the nozzle row, as shown in the speed diagrams according to Figures 3a and 3b, the inlet angle of the steam for moving the leaves therefore largely changes with the flow of the steam through the middle of the path between the nozzles 2 (Figure 3a) or behind the rear edges 2 1 of the nozzles (Figure 3b). In both diagrams, the symbol "u" means the peripheral speed of the moving blades. Usually, the sheets are contoured in cross-section to provide a path consistent with the relative inlet velocity and the angle at which the steam, having passed through the middle of the path between the nozzles, flows into the rows of moving sheets. This means that the steam flowing past the trailing edge of each nozzle does not coincide with the path of the leaves, and thus yields
- : : :.'Γ: 3U0035 -::: .'Γ: 3U0035
sich Schwierigkeiten beim gleichmäßigen Strömen in den Strömungswegen zwischen den Blättern» Folglich entstehen intermittierende Dampfströmungen in den Wegen zwischen den Blättern, wie es die Figuren 4a und 4b zeigen. Das Symbol "A" bezeichnet einen Teil des Dampfes, der durch die Wegmitte zwischen den Düsen hindurchgegangen ist und normalerweise in den Weg zwischen den Blättern fließt, und das Symbol "B" einen Teil des Dampfes, der entlang der Hinterkante 2' jeder Düse geführt wird und nicht gleichmäßig in den Weg zwischen den Blättern eintritt. Hierbei ist der Druck niedriger als im Teil A. Gewöhnlich ist der Winkel nach Figur 3a klein und das Verhältnis CAyu ist etwa 2. Deshalb ist die rela-Difficulties in uniform flow in the flow paths between the leaves arise. As a result, intermittent steam flows arise in the paths between the leaves, as shown in FIGS. 4a and 4b. The symbol "A" denotes a portion of the steam that has passed through the middle of the path between the nozzles and normally flows into the path between the leaves, and the symbol "B" denotes a portion of the steam that has passed along the trailing edge 2 'of each nozzle and does not evenly enter the path between the leaves. Here the pressure is lower than in part A. Usually the angle according to Figure 3a is small and the ratio C A yu is about 2. Therefore the relative
^5 tive Einlaßgeschwindigkeit der gewöhnlichen Strömung in die Reihe der sich bewegenden Blätter praktisch dieselbe wie die Umfangsgeschwindigkeit= Es folgt dann, daß vor dem vollständigen Durchgang des Teils B und dem Verlassen des Weges zwischen den Blättern diese ein Stück gleich der Länge S des Weges vorrücken.^ 5 tive inlet velocity of the ordinary flow in the row of moving blades practically the same as the peripheral speed = It then follows that before the complete passage of part B and leaving the path between the leaves advance them a bit equal to the length S of the path.
Es wird nun wie üblich angenommen, daß die Düsennei- ...v gung P zur Weglänge S groß gemacht wird» Dann gelangen nach Figur 4 die beiden benachbarten Blätter, zwischen denen sich ein Teil B befindet, nicht in die Lage, in der sie einen Dampfstrahl von der Hinterkante der nächsten Düse aufnehmen, bevor der Teil B vollständig durch den Weg zwischen den Blättern geführt worden ist. Es vergeht einige Zeit bevor eine voülkommene, gewöhnliche Strömung im Weg zwischen den Blättern entstanden.ist. Somit kann der ZeitablaufIt is now assumed as usual that the Düsennei- ... v supply P to the path length S made large "Then get to 4, the two adjacent sheets, between which a Part B is not in a position in which they pick up a jet of steam from the trailing edge of the next nozzle before part B has passed completely through the path between the sheets. It takes some time before a perfect, ordinary current has developed in the path between the leaves. Thus, the passage of time
14001400
der Bewegung des Niederdruckgebiets im Teil B während der Bewegung der Blätter aus den Figuren 5a und 5b entnommen werden. Der Druck, der zu dieser Zeit in den bewegten Blättern besteht, ergibt sich aus den Kräften bei negativem Druck in den Teilen B zwischen der Druck- und der Saugfläche der Blätter auf der Basis der von den Änderungen mit der Zeit der Momente der Dampfstrahlen erzeugten Kräfte, die sich in der Impulsturbine befunden haben.the movement of the low pressure area in part B during the movement of the leaves from the figures 5a and 5b can be taken. The pressure that leads to this Time in the moving leaves results from the forces at negative pressure in the Divide B between the pressure and the suction surface of the sheets on the basis of the changes generated with the time of the moments of the steam jets Forces that were in the impulse turbine.
Diese sich ergebende Kraft ist in Figur 5b zur Lage der Blätter eingetragen. Die fluktuierende Kraft, die auf dem Blatt 1 entsteht, verläuft stets hinter einer Düse und spricht auf das beschriebene Phänomen an.This resulting force is related to the position in FIG. 5b of the leaves entered. The fluctuating force that arises on sheet 1 always runs behind a nozzle and responds to the phenomenon described.
Das Problem dieser fluktuierenden Belastung kann nach der Errindung durch die nachstehend beschriebene Konstruktion gelöst werden.The problem of this fluctuating load can be solved after inventing the following Construction to be solved.
Es wird angenommen, daß die Düsen und Blätter so angeordnet sind, daß die Düsenneigung P und die Weglänge S praktisch gleich aber nicht genau dieselben sind und daß abweichend von dem beschriebenen und ■ in den Figuren 6a und 6b gezeigten Fall stets ein oder mehrere Gebiete B negativen Drucks in jedem Blattweg bestehen. In der gleichen Weise wie der beschriebenen können die Änderungen der fluktuierenden Kräfte, die sich aus der Bewegung der Blätter ergeben, verfolgt werden. Dann ergibt sich, daß die Gebiete negativen Drucks vor und hinter jedem Blatt bestehen und konstant gegeneinanderwxrken, mit dem Ergibnis, daß die fluktuierenden Belastungen in Druckrichtung der Blätter gegeneinander ausgeglichen werden,It is assumed that the nozzles and blades are arranged so that the nozzle pitch P and the path length S are practically the same but not exactly the same and that different from the described and ■ In the case shown in FIGS. 6a and 6b, there is always one or more areas B of negative pressure in each Sheet path exist. In the same way as the one described can the changes in the fluctuating forces resulting from the movement of the blades, to be tracked. It then appears that the areas of negative pressure exist in front of and behind each sheet and constantly work against each other, with the result that the fluctuating loads in the direction of pressure the leaves are balanced against each other,
Die Gebiete B negativen Drucks zwischen der Druck- und der Saugfläche der Blätter unterliegen jedoch änderungen in relativen Lagen und erzeugen Drehmomente in den Blättern, wie es durch Pfeile angezeigt wird. Die Momente, die wie erregende Kräfte wirken, sind besonders dann unerwünscht, wenn sie mit den Torsionsvibrationen der Blätter in Resonanz kommen.However, the areas B of negative pressure between the pressure and suction surfaces of the sheets are subject to changes in relative positions and produce torques in the leaves, as indicated by arrows will. The moments that act like exciting forces are particularly undesirable when they resonate with the torsional vibrations of the blades.
Bei einer anderen Anordnung sind 2P und S etwa ^0 gleich. Nach den Figuren 7a und 7b bestehen zwei oder mehrere Gebiete B negativen Drucks in jedem Weg zwischen den Blättern. Wenn die Änderungen bei fluktuierenden Kräften, die sich aus der Bewegung in derselben Weise wie mit der vorhergehend beschriebenen ergeben, bestehen offensichtlich zwischen der Druck- und der Saugfläche der Blätter zwei oder mehrere Gebiete negativen Drucks und diese wirken gegeneinander. Es ergibt sich auch aus den Figuren, daß anders als im bereits erwähnten Fall, bei dem P etwaIn another arrangement, 2P and S are approximately equal to ^ 0. Referring to Figures 7a and 7b, there are two or more areas B of negative pressure in each path between the sheets. Obviously, if the changes in fluctuating forces resulting from the movement in the same way as the one previously described exist between the pressure and the suction surfaces of the sheets, two or more areas of negative pressure exist and act against each other. It also emerges from the figures that, unlike in the case already mentioned, in the case of the P approximately
gleich S ist, die Torsionsmomente, die von den sich bewegenden Blättern erze.ugt werden, sich gegenseitig aufheben.is equal to S, the torsional moments of the moving leaves cancel each other out.
Wenn 2xP nicht genau mit S übereinstimmt, können die relativen Stellungen der Gebiete negativen Drucks zwischen der Druck- und der Saugfläche der Blätter nicht vollständig gegeneinanderwirken» Das Verhältnis der fluktuierenden Kräfte zu den gleichmäßigen Drücken, die sich aus den Momentänderungen ergeben, wird infolge der gewöhnlichen Strömung jedoch wesentlieh kleiner.If 2xP does not exactly match S, the relative positions of the areas of negative pressure between the pressure and suction surfaces of the leaves not working completely against each other »The ratio of the fluctuating forces to the steady ones Pressures resulting from the moment changes, however, it becomes much smaller due to the ordinary flow.
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j i η υ υ ο οji η υ υ ο ο
Der Fachmann erkennt, daß die Abmessung S auf das Drei-, Vier- oder Mehrfache von P vergrößert werden kann, um die beschriebene Wirkung entsprechend zu erhöhen, und daß bei ausreichend großem S für Γ fluktuierenden Kräfte schwerlich entstehen werden. Those skilled in the art will recognize that the dimension S can be increased three, four or more times P can to increase the effect described accordingly, and that with a sufficiently large S for Γ fluctuating forces will hardly arise.
Eine Konstruktion mit dieser Beziehung der Abmessungen nach Figur 8 besitzt Düsen mit dem kleinsten möglichen F . Gewöhnlich kann die Breite der Blätter 1 nicht so groß sein, weil sie so begrenzt ist, um die Gesamtgröße der Maschine zu verringern, und um die Zentrifugalkräfte, die durch die Rotation erzeugt werden, so klein wie möglich zu halten. Eine kleine Neigung P bedeutet auch, daß die Düsen 2 eine zu kleine Querschnittskontur aufweisen und somit nicht kräftig genug sind, um die Druckdifferenz zwischen der Vorder- und der Rückseite der Düsen aufzunehmen. Diese Schwierigkeiten sind dadurch zu umgehen, daß die Dampfeinlasse im Vergleich mit der Düsenneigung P sehr lang gemacht werden. Nach Figur 8 sind die Düsen in der Schnittkontur denen der bisherigen Technik ähnlich, aber mit der dargestellten Konstruktion ist die Strömungsgeschwindigkeit an den Düseneinlässen niedriger und die Leistung der Strömung an den Düseneinlässen wird durch den Verlauf der Einlasse nicht verringert. Darüberhinaus erzielen die Düsen eine angemessene Festigkeit gegen die Druckdifferenz. A construction with this dimensional relationship of Fig. 8 has nozzles with the smallest possible F. Usually the width of the sheets 1 cannot be so great because it is so limited to to reduce the overall size of the machine, and to reduce the centrifugal forces created by the rotation be kept as small as possible. A small slope P also means that the nozzles 2 have too small a cross-sectional contour and are therefore not strong enough to withstand the pressure difference between the front and back of the nozzles. These difficulties are thereby too avoid that the steam inlets are made very long in comparison with the nozzle slope P. According to figure 8, the nozzles in the cutting contour are those of the previous ones Technique similar, but with the construction shown, the flow velocity at the Nozzle inlets lower and the power of the flow at the nozzle inlets is not reduced by the course of the inlets. In addition, achieve the nozzles have adequate resistance to the pressure difference.
Die Erfindung ist anhand einer Impulsturbine beschrieben worden. Der Fachmann kann aber die Erfindung in gleicher Weise auch bei der Reaktionsturbine anwenden, um ähnliche Vorteile, Funktionen und Wirkungen zu erzielen.The invention has been described using a pulse turbine. The skilled person can, however, the invention in apply in the same way to the reaction turbine in order to obtain similar advantages, functions and effects to achieve.
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3 UOU353 UOU35
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sie kann vielmehr alle Änderungen umfassen, die sich dem Durchschnittsfachmann ergeben, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described on the contrary, it may include any changes that occur to one of ordinary skill in the art without departing from the spirit and scope of the invention.
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