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Turbinenschaufelung mit tangentialem Eintritt und axialem Austritt,
insbesondere für Dampf- oder Gasturbinen Bei Dampf- und Gasturbinen mit Axialschaufelungen
ist die Abgabe des Treibmittels in geschlossenem Strom, insbesondere bei der steigenden
Verwendung von höheren Drücken, für die Hintereinanderschaltung mehrerer Laufräder
unentbehrlich. Von gleicher Bedeutung ist die volle Ausfüllung des zwischen den
Schaufeln liegenden Raumes durch den Dampf- oder Gasstrom, da nur in dieser Weise
eine Druck- oder Rückdruckwirkung erreichbar wird.
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Die bekannten tangential beaufschlagten Schaufelungen haben gegenüber
den Axialschaufelungen den Vorteil besserer Ausnutzung des Strahles und geringerer
Störungen durch axialen Schub. Diese Schaufelungen mußten aber gefräst werden und
wurden daher zu kostspielig, oder sie ergaben eine fächerartige Ausbreitung des
aus der Schaufel austretenden Strahles, so daß eine Hintereinanderschaltung mehrerer
Laufschaufelungen mit Druck- oder Geschwindigkeitsabstufung nicht möglich war. Bei
den bekannten Schaufelungen mit Abgabe eines einigermaßen ge-, schlossenen Strahles
ist infolge der durch die begrenzten Möglichkeiten des Fräswerkzeuges bedingten.
Formen der einzelnen Schaufeltaschen eine allseitige Führung für den Dampfstrom
und die Abstufung mehr oder weniger starker Druck- oder Rückdruckwirkung nicht möglich.
Bekannt sind auch Schaufelungen mit tangential-radialem Treibxnitteleintritt und
axialem Austritt, bei denen sowohl die Eintritts- wie auch die Austrittskanäle in
das Laufrad gebohrt und in ihren Schnittpunkten durch Ausrundungen verbunden sind.
Diese Schaufelungen sind einerseits kostspielig, andererseits ist bei dieser Herstellungsart
weder eine brauchbare Schaufelform noch ein auch nur annähernd tangentialer Treibmitteleintritt
und ein geschlossener Austrittsstrom erreichbar.
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Die Erfindung betrifft eine Scbaufelung mit tangentialem Eintritt
und axialem Austritt des Treibmittels und besteht darin, daß gegenüber einer tangential
angeordneten Leitvorrichtung eine an sich für Axialturbinen bekannte Laufschaufelung
im Laufradkranze eingesetzt und diese für Tangentialbeaufs,chlagung und für axialen
Auslaß des Treibmittels in geschlossenem Strom ausgebildet ist, indem die Schaufeln-
an einem in Richtung des tangential zuströmenden Treibmittelstrahles liegenden Flächenteil
eine Eintrittskante und eine radial gerichtete, im wesentlichen gerad-. linige Austrittskante
erhalten.
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Eine derartige Schaufelung ergibt die Möglichkeit, die Vorteile der
tangentialen Beaufschlagung voll auszunutzen und gleichzeitig an die tangential
beaufschlagten Laufräder axial beaufschlagte Laufräder anzuschließen, die von dem
abgegebenen, geschlossenen
Strahl mit gutem Wirkungsgrad beaufschlagt
werden und die in dem Treibmittel noch enthaltene Energie in bekannter Weise in
weiteren Druck- oder Geschwindigkeitsstufen ausnutzen.
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Die Schaufeln- der - tangential beaufschlagten Schaufelungen werden
vorteilhaft derart ausgebildet, daß die Schaufelköpfe in einer Breite gleich der
des eintretenden Strahles gegen die Eintrittskante hin schräg fortgeschni.tten sind,
oder daß die Eintrittskante im gleichen Sinne derart schräg gestellt ist, daß der
Treibmittelstrahl von einem seitlichen Querschnittspunkte her angeschnitten wird.
Die schräg liegende Eintrittskante kann dadurch erreicht werden, daß die kreisbogenähnlichen
Krümmungen der Schaufeln vom Schaufelfuß zum Schaufelkopf hin abnehmende Krümmun.gshalbmesser
erhalten und daß die Krümmungsscheitelpunkte der Schaufelquerschnitte auf einer
radialen Geraden liegen, so daß die Eintrittskante auch im Drehsinne gegenüber der
Radialen schräg steht.
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Zur Erreichung einer einfachen Leitvorrichtung ist es zweckmäßig,
bei mehrstufigen Turbinen nur die erste Stufe für tangentiale Beaufschlagung auszubilden
und mit einer tangentialen Leitvorrichtung zu versehen, dagegen die weiteren Druck-
oder Geschwindigkeitsstufen mittels axialer Umkehrschaufelungen für axiale Beaufschlagung
auszubilden.
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Um die Turbinen von Axialschüben frei zu halten, -ist es vorteilhaft,
am ersten tangential beaufschlagten Turbinenrade zwei nach entgegengesetzten Richtungen
axial das Treibmittel in geschlossenem Strom abgebende und gemeinsam tangential
,beaufschlagte Schaufelungen vorzusehen, an die sich dann entgegengesetzt gerichtete
Stufen anschließen können.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen
und gibt weitere wertvolle Einzelheiten. Es ist Abb. i eine Darstellung einer tangential
beaufschlagten Laufschaufelkrümmung unter Einzeichnung der Dicke des Treibmittelstrahles
und des Austrittsdiagramms, Abb. z, 3 und 4 Ansichten und Querschnitt einer Schaufel
erster Ausführungsform, Abb. 5 und 6@ Umfangsansicht und Querschnitt eines Rades
mit eingebauter Schaufelung, Abb.7 Seitenansicht dieser Schaufelung, Abb.8 und g
eine ähnliche. Schaufelun:g in doppelter Ausbildung für zweiseitige Abströmung,
Abb. i o und i i eine vereinfachte Schaufelurig mit überall gleichen Krümmungshalbmessern,
Abb. 12 und 13 eine entsprechende Schaufelung in doppelter Ausführung für Abströmung
nach beiden Seiten, Abb. 14 und i 5 Teillängsschnitt und Diagrammdarstellung einer
Schaufelung mit Geschwindigk eits- und Druckabstufung, Abb. 16 und, 17 Querschnitt
und Schaufelungseinzelansicht eines Laufrades mit Druckabstufung und rein axialem
Durchtritt nach erstmaliger tangentialer Beaufsichlagung, Abb. 18 eine Schaufelung
nach Art der Abb. 16 in doppelter Ausbildung für beiderseitige Abströmung, Abb.
i9 eine Einzeldarstellung einer Düse nebst Laufradteil.
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Das Diagramm (Abt. i) veranschaulicht, wie der Dampfstrahl mit Stärke
S senkrecht zur Schaufelebene 1-i im Punkte a mit einer Geschwindigkeit c, eintritt,
in ihr auf einer Bahn mit dem mittleren Halbmesser r umgelenkt wird und unter einem
Winkel (3 mit der relativen Austrittsgeschwindigkeit w" im Punkte 3 austritt. Wie
ersichtlich, sind infolge der tangentialen Ansichmiegung zwischen Strahl und Schaufelkrümmung
im Punkte z ein Eintrittswinkel und der entsprechende Verlust nicht vorhanden. Der
Austrittswinkel (3 'kann wegen der zulässigen großen Schaufelteilung klein gewählt
werden, ohne daß der Ausströmungsquerschnitt für den Dampf zu klein wird; dadurch
ergibt sich aus der Zusammensetzung der relativen Austrittsgeschwindigkeit w" und
der Umfangsgeschwindigkeit u die kleine absolute Austrittsgeschwindigkeit ca. '
Die Schaufelung nach Abb. z bis 4 ermöglicht diese Dampfströmung, indem an jedem
Querschnitte der Schaufel dies entsprechenden Verhältnisse verwirklicht sind. Die
Eintrittskante verläuft hierbei von ihrem untersten Punkte z bis zu ihrem obersten
Punkte 4 als schräge geradlinige Kante 5, indem die Mittelpunkte der S-chaufelkrünlmungen
in den entsprechenden Ebenen vom Punkte 6 zum Punkte 7 hin allmählich verschoben
sind; dabei nehmen die Kr»mmungshalbmesser gleichzeitig nach dem Schaufelkopfe hin
ab, so daB sich die Austrittskante radial ergibt. Die Punkte 6 und 7 sind neben
der Verschiebung um die axiale Strecke b zugleich um eine tangentiale Strecke a
so verschoben, daß die Krümmungsscheitel in sämtlichen Querschnitten auf eine gemeinsame
gerade Linie E fallen. Die Eintrittskante 5 erhält dabei eine schräge Lage im Raum
mit einer derartigen axialen Projektion, daß diese der eingezeichneten Strahlstärke
S gleich ist.
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Diese Schaufelung wird nach Abb. a, 3 ünd 4 in einer Grundfläche 8
begrenzt, die derart gekrümmt ist, daß sie überall mit Ausrundungen in die Dampfumlenkungsflächen
übergeht
und dadurch neben guter Festigkeit auch wirbelfreie Dampfführung ergibt. Die Schaufeln
tragen ferner Nietzapfen 9, die, wie in Abb.5 und 6 näher dargestellt ist, zur Aufnietung
eines ringsum laufenden Stahlbandes dienen. Dieses Stahlband erstreckt sich nur
bis an den Punkt ¢ der Eintrittskante 5, so da.ß zwischen ihm und dem Laufrede i
i genügender Raum für die Stärke des Dampfstrahles besteht, gegebenenfalls mit einem
kleinen Spielrauen zwischen den Wandungen des Stahlbandes io und des Turbinenrades
i i und der Außenbegrenzung des Dampfstrahles. An der einen Seite der Schaufelung,
die im vorspringenden Laufradkranze i i eingebettet ist, ist eine Einsetzungsleiste
i a vorgesehen, die für die Schaufelung eine hohe Festigkeit und sichere Festlegung
ergibt.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 8 und 9 sind Doppelschaufeln mit
Ausströmung nach beiden Seiten hin derart vorgesehen, daß ein Dampfstrahl von der
Stärke 2 S durch den eine Doppelschneide bildenden Teil 13 richtig angeschnitten
und verarbeitet wird. Im übrigen entspricht die Schaufelung der .beschriebenen.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. i o und i i ist die Umlenkfläche
der Schaufeln in allen Querschnitten einheitlich als Zylinderfläche durchgeführt,
und die Eintrittskante 5 ist durch einfache schräge Abschneidung der Schaufel an
der Dampfeinströmungsstelle erzielt. Die Eintrittskante besitzt hierbei; sofern
die Umlenkfläche .als Kreiszylinder oder elliptischer Zylinder ausgebildet ist,
die Gestalt einer schräg im Raum liegenden Kurve ellipsenähnlicher Art, ohne daß
dadurch etwas an dem günstigen Dampfeintritt geändert wird. Ein Verlust tritt hierbei
nur insofern: ein, als nach dem obersten Punkte q. der Eintrittskante hin immer
mehr Abweichung der Eintrittsfläche von der Richtung des Dampfstrahles besteht und
daß dadurch ein gewisser Eintrittstoßverlust sich ergibt; dafür aber ist diese Schaufelung
außerordentlich einfach herstellbar.
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Bei der Ausführung nach Abb. 12 und 13 ist eine derartige Schaufelung
mit Doppelschaufeln für Austritt des D.ampfstrahles nach beiden Seiten des Rades
hin veranschaulicht, während im übrigen die Verhältnisse unverändert beibehalten
sind.
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In Abb. 14 . ist eine in Stufen unterteilte Turbine veranschaulicht.
Das Laufrad der ersten Stufe ist hierbei wie oben beschrieben ausgebildet, nur ist
die Grundfläche 8 der Schaufeln hier geradlinig ausgeführt. An die Austrittskante
ist hier ein Leitkanal i q. angeschlossen, der in seinem :ersten Teile eine Umkehrschaufelung
15
(in Abb. 15 besonders dargestellt) enthält. Der hinter dieser Leitschaufelung
frei bleibende Teil des Kanals ergibt dabei für die Dampfströmung die Möglichkeit
zu einer Verteilung über einen größeren Kreisausschnitt des Turbinenumfangs, und
vom Ende des Kanals i q. tritt dann durch Düsen 16 der Dampf in ein zweites Laufrad
ein, das genau wie das erste gebaut ist, aber infolge der Verteilung im Kanal i
q. auf einen größeren Umfang beaufschlagt ist. Die Düsen und die Schaufelung können
für reine Geschwindigkeitsabstufung ausgebildet sein; vorteilhafter läßt sich jedoch
diese Anordnung ausnutzen, indem die Dampfdurchgangsquerschnitte in Düsen und Schaufeln
für Druckabstufung derart ausgebildet sind, daß in den Düsen 16 regelrechte Weiterexpansion
von einem Zwischendruck im Kanal i q. eintritt. An das zweite Laufrad ist durch
.einen weiteren Leitapparat 17, der weitere Expansion ergibt, ein drittes Laufrad
18, i9 angeschlossen, dessen Schaufelung 18 rein axial beaufschlagt ist.
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Die Schräglage des Kanals i q, ermöglicht nicht nur die Hochführung
des Dämpfen dergestalt, daß er aus dem ersten Laufrede in ein zweites ebenso großes
Laufrad übergeleitet wird, sondern die hierdurch sich ergebende spiralenähnliche
Gestalt der Kanäle i q. ergibt auch eine sanftere, also weniger durch Wirbelung
und Reibung gestörte Umlenkung des Dampfes in der Leitschaufelung 15 und
im übrigen Teile des Kanals 14.
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Bei mit Doppelschaufelung versehenen Rädern kann auch die eine Beschaufelungshälfte
als erste und durch Einfügung passender Umlenkungsschaufeln die zweite Laufschaufelnhälfte
als zweite Druck- oder Geschwindigkeitsstufe ausgebildet werden.
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Bei der Ausführung nach Abb. 16 und 17 sind auf einem gemeinsamen
Laufrede zwei Laufschaufell>ränze vorgesehen, und zwar ist von diesen der erste
rein gemäß der Erfindung ausgebildet; die Grundflächen der Laufschaufeln sind hier
nach der Austrittskante hin so erweitert, daß beispielsweise eine Verbreiterung
des Dampfstrahles und auch eine Rückdruckwirkung innerhalb der Laufschaufelung erreicht
wird. Eine anschließende Leitschaufelung 15 ist ebenfalls in ähnlicher Weise
nach der Austrittskante hin verbreitert, so daß sie günstige Expansionswirkung und
Ausbreitung des Dampfstrahles ergibt. Die daran anschließende zweite Laufschaufelung
2o ist mit rein axialer Beaufschlagung und mit Erweiterung- an der Grund- und Kopffläche
ausgebildet.
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In Abb. 18 ist eine ähnliche Ausführung nur mit doppelkränziger Ausbildung
und dementsprechend beiderseitiger Abströmung des Dampfes veranschaulicht.
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Der rein geradlinige Durchtritt des Dampfes ergibt bei den Ausführungsformen
nach
Abb. 15, 16 und 18 besonders wirbelfreien Durchtritt, und der
tangentiale Eintritt in der ersten Stufe beseitigt dabei die Eintrittsverluste,
während diese bei den weiteren Stufen nicht mehr ins Gewicht fallen.
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In Abb. 1 9 ist veranschaulicht, wie eine Düse 2 i im Eintrittswinkel
a gegenüber der Laufschaufelung des Rades angeordnet ist, daß der Dampfstrahl die
in sehr weiter Teilung aufgesetzten Schaufeln gerade jede voll beaufschlagt, indem
er an der langen schrägen Austrittskante i der Düse in die Schaufel übertritt. Dabei
ist zugleich punktiert angedeutet, wie durch eine geringe Schrägstellung um den
Winkel y gegenüber der rein, radialen Lage die Schaufelaxe in genau rechtwinklige
Lage (Winkel x) gegenüber der Dampfstrahhnittellinie gebracht ist. Dadurch ist glatte
Umlenkung und rein axiale Ausströmung des Dampfes sichergestellt.