DE418131C - Beschaufelung fuer Dampf- oder Gasturbinen - Google Patents

Description

V. St A.

Die Erfindung bezieht sich auf Dampf- oder Gasturbinen und in erster Linie auf eine Beschaufelung nach Art des Hauptpatentes., bei der der Dampfaustritt am Umfang erfolgt und welche mit gutem Effekt Niederdruckdampf ausnutzt und so gestaltet ist, daß sie mit keiner oder doch praktisch zu vernachlässigender Vibration arbeitet, keinen schädlichen Schleuderbiegungsbeanspruchungen ausgesetzt ist und auch wohlfeil hergestellt werden kann. Eine solche Beschaufelung nach dem Hauptpatent für die Niederdruckstufe von Dampfturbinen soll nicht nur den Wirkungsgrad der Turbineneinheit verbessern, sondern auch die Herstellung größerer Einheiten gestatten. Dies wird dadurch erreicht, daß der letzte Laufs chaufelkranz Schaufeln hat, welche den Dampf oder das Gas in achsialer Richtung empfangen, und ihn entweder ganz am Umfang oder am Umfang und seitlich mit geringem Austrittswinkel ausströmen lassen. Der Umfangsaustritt gestattet einen ausreichenden Austrittsquerschnitt durch Verbreiterung der Schaufeln statt durch Vergrößerung ihrer Höhe, so daß der Austrittsquerschnitt mindestens so groß gemacht werden kann wie der beaufschlagte Einlaßquerschnitt des Schaufelkranzes. Der Wirkungsgrad der Schaufeln hängt naturgemäß von dem Auslaßwinkel ab und da die bekannten Schaufeln große Auslaßwinkel haben müssen, um große Mengen von Dampf bewältigen zu können, wird der Auslaßquerschnitt beschränkt durch die nur begrenzt mögliche radiale Höhe, die mit Rücksicht auf die Schleuderbeanspruchungen nicht über ein bestimmtes Maß überschritten werden kann, so daß der Nutzeffekt ein schlechter wird. Demgegenüber kann der Nutzungseffekt bei der Beschaufelung nach vorliegender Erfindung hoch werden, weil bei dem Umfangsaustritt kleine Austrittswinkel verwendbar sind.

Ferner ist bei der bekannten Beschaufelung der Rückdruck in der Mitte der Schaufelhöhe konzentriert, d. h. die wirkliche Schaufelgeschwindigkeit ist die Umfangsgeschwindigkeit des Mittelpunktes der Schaufel. Demgegenüber ist bei dem Umfangsaustritt der Schaufel nach vorliegender Erfindung die wirkliche Geschwindigkeit größer, da der Rückdruck weiter außen wirkt, wodurch ein größerer Teil der kinetischen Energie des Dampfes in nutzbringende Arbeit umgewandelt wird.

Gemäß der Weiterausbildung der Erfindung des Hauptpatentes nach vorliegender Erfindung besteht jede Schaufel aus einem radialen Teil und einem hakenförmig oder muldenförmig gekrümmten Außenteil, der ungefähr rechtwinklig zur Einlaßkante der Schaufeln verläuft und bei einigen Ausführungsformen teilweise sich auch bis zu der der Einlaßkante gegenüberliegenden Kante der Schaufel erstreckt und in den radialen Teil der Schaufel übergeht. Bei einer abgeänderten Ausführungsform sind die muldenförmigen Außenteile der Schaufehl zu düsenartigen Ausdehnungskanälen ausgebildet, so daß eine verstärkte Expansion des Treibmittels erzielt wird. Ferner wird eine Verbesserung der Wirkung dadurch erzielt, daß jede Schaufel so geformt ist, daß ihr Schwerpunkt in die Mitte der Umfangsbreite derselben fällt, wodurch die Biegungsbeanspruchungen infolge der Schleuderkraft und eine hieraus mögliche Deformation oder Vibration vermieden werden. Das Profil der neuen Schaufeln ist ein solches, daß es leicht durch Walzen oder

Schmieden im Gesenk erzeugt werden kann ] oder auch daß die Schaufeln aus mitein- ', ander verbundenen, dünnen Blättern oder Lamellen zusammengesetzt werden können.
Die Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

Abb. ι ist ein senkrechter Längsschnitt durch den Niederdruckteil einer Turbine mit der einen Ausführungsform der Schaufeln.

ίο Abb. 2 ist ein Schaubild einer der Schaufeln von Abb. i, während

Abb. 3, 4 und 5 Schnitte nach den Linien IH-III₅ IV-IV bzw. V-V in Abb. 2 sind.
Abb. 6 ist die Einzelansicht einer etwas abgeänderten Schaufelform mit Bildung eines düsenartigen Expansionskanales, während

Abb. 7 eine abgeänderte Ausführungsform ; und

Abb. 8, 9 und 10 Einzelheiten einer weiteren abgeänderten Ausführungsform zeigen, bei der sich jede Schaufel aus einem Satz von dünnen Blättern oder Lamellen zusammensetzt. In Abb. ι ist 10 der Läufer der Turbine, der in einem Zylinder 11 gelagert ist. Beide tragen mehrere Stufen 12, 13, 14, 15 und 16, die die Energie des Treibmittels ausnutzen \ und diesen in eine Auslaßkammer 17 ausströmen lassen, aus deren unterer Mündung 18 er in einen nicht dargestellten Kondensator gelangt.

Die Niederdruckstufe 16 enthält einen Satz feststehender Leitschaufeln 19, die am Zylinder befestigt sind, und einen Kranz ver- ; hältnismäßig breiter Überdruckschaufeln 20 gemäß der Erfindung, die an dem Läufer 10 befestigt sind. Dieser Schaufelkranz nimmt , wie beim Hauptpatent den Dampf in achsialer Richtung von den. Leitschaufeln 19 auf, und läßt ihn nach Expansion am Umfang und seitlich ausströmen, so daß große Dampfmengen bei günstigem kleinen Austrittswinkel bewältigt werden können. Die dem letzten Schaufelkranz vorhergehenden Stufen können beliebig als Druckstufen oder Überdruckstufen ausgebildet sein.

Jede Schaufel 20 des letzten breiten Laufschaufelkranzes ist vorteilhaft mit einer scharfen Einlaßkante 21 (Abb. 3 und 4) versehen, die entsprechend der Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes aus dem Leitschaufelkranz 19, deren Austrittswinkel und der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln 20 abgeschrägt ist. Die Kante des Außenrandes jeder Schaufel 20 erstreckt sich nach rückwärts, ist gekrümmt und geht in die hintere radiale Kante 22 über. Jede Schaufel besteht aus einem innen liegenden, radialen Teil 23 und einem Außenteil 24, der hakenförmig oder muldenförmig gekrümmt ist und sich von der radialen Einlaßkante rund um die gekrümmte Hinterkante erstreckt, sich nach einwärts radial j.

verringert und schließlich in. den radialen Teil 23 bei 25 übergeht.

Der Außenrand des muldenförmigen Außenteiles 24 bildet eine Auslaßkante von kleinem Auslaßwinkel, wodurch der Wirkungsgrad der Schaufeln gesteigert wird. Da ein großer Teil des Dampfes am Umfang ausströmt, wirkt der Rückdruck auf die Schaufeln an Stellen von größerer wirksamer Geschwindigkeit, so daß ein größerer Teil der kinetischen Energie in nutzbare Arbeit umgewandelt wird, als dies bei Schaufeln der Fall sein würde, die eine kleinere wirksame Geschwindigkeit haben wurden.

Die Schaufeln 20 können an dem Läufer in irgendeiner geeigneten Weise befestigt sein, beispielsweise durch die Fußbefestigung 30 mit mehrfachem Schwalbenschwanz, wie aus Abb. 6 ersichtlich.

Eine Ringscheibe 31 ist an den Schaufeln 20 vorgesehen, um den radialen Rand abzuschließen und den Dampf in die Umfangsrichtung zu lenken. Es ist ersichtlich, daß diese Schaufelform leicht im Gesenk schmiedbar ist.

Aus der Zeichnung geht ferner hervor, daß der Schwerpunkt jeder Schaufel symmetrisch in bezug auf die Umfangsverteilung der Schaufelmasse zu liegen kommt, d.h. der Schwerpunkt fällt im wesentlichen in die Mitte der Umfangsbreite des inneren radialen Teiles 23. Hierdurch wird der Entstehung zentrifugaler Biegungskräfte durch den größeren Teil der Schaufellängen vorgebeugt.

Abb. 6 zeigt eine abgeänderte Schaufelform, bei welcher der äußere Teil 26 des Muldenteiles oder Hakenteiles 24 düsenartige Expansionskanäle 27 mit einer Verengung oder Drosselstelle bei 28 bildet. Infolgedessen können diese Schaufeln nicht nur große Dampfmengen bewältigen, sondern auch eine erhöhte Expansion bewirken.

Abb. 7 zeigt eine weitere Abänderung, bei welcher der muldenförmige Außen teil die Form der Abb. 5 oder 6 hat, aber sich nicht um die Außenecke herum erstreckt, sondern gerade verläuft. Diese Schaufelform ist vom Standpunkt der leichten Herstellung vorteilhaft, weil sie nicht nur im Gesenk geschmiedet, sondern auch als Profil gewälzt werden kann. Bei dieser Schaufelform ist wesentlich, daß der Außenrand abgeschlossen wird, damit keine Randwirbel entstehen, und zu diesem Zweck ist die Abschlußscheibe 33 angeordnet.

Abb. 8, 9 und 10 zeigen eine Ausführungsform des letzten Schaufelkranzes, bei der die Schaufeln den Querschnitt nach den Abb. 5 und 6 haben, aber aus einer großen Anzahl dünner Blätter oder Lamellen zusammengesetzt sind. Da es mit Rücksicht auf eine billige Herstellung vorteilhaft ist, den Schaufellamellen dasselbe Profil zu geben, so geht

hier die Muldenform wie bei Abb. 7 gerade durch die Abschlußplatte 33'. Die Lamellen 35 werden aus Blech ausgestanzt und umfassen nicht nur das eigentliche Schaufelprofil, sondern auch einen Nabenteil 36, der am ! Läufer befestigt wird und mit den Schaufeln 37 aus einem Stück besteht. Statt einer durchgehenden Ringscheibe kann auch der Nabenteil aus einzelnen Ringabschnitten zusammengesetzt sein, die am Läufer in geeigneter Weise befestigt werden. Vorteilhaft kann dies \ durch schwalbenschwanzförmige Ausschnitte j erfolgen, um der Zentrifugalkraft besser zu widerstehen und im Falle der Herstellung in ! Ausschnitten können diese überlappt sein. Wenn die Lamellen 37 zusammengesetzt sind, so entstehen muldenförmige Schaufeln ent- ' sprechend der Abb. 7, deren Außenkanten durch die Abschlußscheiben 33' abgedeckt sind. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, den letzten Schaufelkranz mit geringen Herstellungskosten in jeder gewünschten Breite zusammenzusetzen und dabei widerstandsfähige Schaufeln zu erzielen, die in anderer Weise nicht leicht erreichbar sind. Ein weiterer Vorteil der Zusammensetzung der Schaufeln aus ausgestanzten Lamellen ist der Fortfall der üblichen Fußbefestigung, da liier der eigentliche Schaufelteil mit der Nabe aus einem Stück besteht, was die Anbringung vorteilhafter Befestigungsmittel an dem Läufer erleichtert.

Eine Dampfturbine mit einer Beschaufelung gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt: Das Treibmittel wird in den üblichen Turbinenstufen expandiert und gelangt in die letzte Stufe 16 mit dem breiten Kranz von Überdruck- j schaufeln. Der Dampf tritt achsial zwischen ; den Innenkanten 21 der Schaufeln 20 ein, ex- ^! pandiert und wechselt hierbei gleichzeitig seine Richtung, um unter kleinem Austrittswinkel aus den muldenförmigen Rändern der Schaufeln, sei es am Umfang und seitlich (Abb. 1) oder nur am Umfang (Abb. 7 und 10) auszuströmen. Der Umfangsaustritt gestattet einen i ausreichenden Austrittsquerschnitt und die Er- ! zielung eines wirksamen Rückdruckes des mit j großer Geschwindigkeit austretenden Dampfes ■ auf einen Schaufelteil, der eine hohe Ge- ; sch windigkeit hat, während der kleine Austrittswinkel in Verbindung mit dem großen ! Austrittsquerschnitt einen wesentlich gesteigerten Wirkungsgrad der Schaufeln ergibt.

Ist eine erhöhte Expansion erwünscht, so wird die Schaufelform nach Abb. 6 verwendet, welche bei richtiger Bemessung der Düsenkanäle gestattet, Dampf mit höherem i Anfangsdruck auf den gleichen Rückdruck herunter zu expandieren als die Schaufelform nach Abb. 1.

Aus dem Vorhergehenden folgt, daß wegen der ebenerwähnten Vorteile die neue Schaufelform es ermöglicht, bei gleicher Größe Turbinen mit großer Leistung oder aber überhaupt größere Turbineneinheiten herzustellen.

Claims (6)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Beschaufelung für Dampf- oder Gasturbinen mit einem Kranz von verhältnismäßig breiten Schaufeln in der letzten Turbinenstufe, welche den Dampf oder das Gas in der Richtung aufnehmen, in der er durch die vorhergehenden Stufen strömt und ihn in einer anderen oder teils in der gleichen, teils in einer ,anderen Richtung abgeben, nach Patent 400598, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel aus einem radialen und einem haken- oder muldenförmig gekrümmten Außenteil besteht, der ungefähr rechtwinklig zur Einlaßkante der Schaufeln gestellt ist.
2. 2. Beschaufelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der muldenförmige Außenteil nicht nur über den Außenrand erstreckt, sondern auch teilweise in die der Einlaßkante gegenüberliegende radiale Kante übergeht.
3. 3. Beschaufelung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve des hakenförmigen Außenteiles der Schaufeln so gekrümmt ist, daß düsenartige Expansionskanäle zwischen den einzelnen Schaufeln entstehen.
4. 4. Beschaufelung nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Endkante gegenüber der Einlaßkante eine Abschlußscheibe vorgesehen ist, um den Dampf zwischen die muldenförmigen Umfangsteile der Schaufeln zu leiten.
5. 5. Beschaufelung nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Zentrifugalbiegungsbeanspruchungen der Schwerpunkt jeder Schaufel innerhalb des radial beaufschlagten Teiles derselben verlegt ist.
6. 6. Beschaufelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln aus dünnen, aneinandergereihten Lamellen bestehen, die neben dem Schaufelprofil einen Teil der Nabe umfassen, durch den die Befestigung der zusammengesetzten Lamellen am Läufer erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.