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mehrstufige Turbine Zur Vereinfachung und Verbilligung der Herstellung
von Schaufeln ist es im Turbinenbau üblich, die gleiche Schaufelhöhe für mehrere
Stufen von gleichem Beaufschlagungsdürchmesser zu verwenden. Handelt es sich um
eine Gleichdruckbeschaufelung, bei der die einzelnen Räder nur teilweise, und zwar
von Rad zu Rad zunehmend, beaufschlagt werden, so kann man Gruppen von Hochdruckstufen
mit gleichen Schaufelhöhen ausführen. Auch für Überdruckturbinen; bei denen alle
Stufen voll beaufschlagt werden, verwendet man, insbesondere im Hochdruckteil, Gruppen
gleicher Schaufelhöhe- bei gleichem Beaufschlagungsdurchmesser. Derartige Schaufelgruppen
sind nun aber zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades bei Dampfturbinen nicht geeignet,
wie aus folgender Überlegung hervorgeht: Wie bekannt, ist auf den Wirkungsgrad in
erster Linie das Verhältnis der Dampf- zur Umfangsgeschwindigkeit von Einfluß, und
zwar wird ein günstiger Wirkungsgrad bei einem bestimmten Wert dieses Verhältnisses
erreicht, welches demnach für alle Stufen der Turbine vorliegen muß. Wählt man aber
bei gleicher Schaufelhöhe gleichen Beaufschlagüngsdurchmesser, also gleichen Durchgangsquerschnitt
für die einzelnen Stufen, so nimmt die Dampfgeschwindigkeit infolge der Zunahme
des spezifischen Volumens des Dampfes in- jeder Stufe innerhalb der Gruppe zu. "Da
nun die Umfangsgeschwindigkeit aller Stufen die gleiche ist, so ist- das Verhältnis
der Dampf- zur Umfangsgeschwindigkeit bei den einzelnen Stufen einer Gruppe verschieden
groß, und zwar steigt dieses Verhältnis -=von der ersten bis zur letzten Stufe jeder
Gruppe mit der Dampfgeschwindigkeit an.
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Die Erfindung will nun einen guten Wirkungsgrad bei einer mehrstufigen
Turbine mit einer oder mehreren Gruppen gleicher Schaufelhöhe und zunehmenden Beaufschlagungsdurchmesserai
erreichen. Sie besteht darin, daß die. Beaufschlagungsdurchmesser innerhalb jeder
Gruppe genau oder nahezu mit der Quadratwurzel aus dem spezifischen Volumen des
Treibmittels wachsen. Es sei hierzu bemerkt, daß eine kegelige Form der einzelnen
Läufer von mehrstufigen Turbinen, also ein Wachsen der Schaufelkränze in Richtung
des durchströmenden Dampfes, bekannt ist. Bei dieser Anordnung bleibt aber das Verhältnis
von Dampf- zur Umfangs-5eschwindigkeit nicht gleich. Ein gleichbleibendes Verhältnis
jener Geschwindigkeiten und damit auch ein guter Wirkungsgrad ergeben sich erst
bei einer Turbine nach der Erfindung, und zwar aus folgendem Grunde: Zwei Stufen
gleicher- Schaufelhöhe mit den Beaufschlagungsdurchmessern d, und d2, also den Umfangsgeschwindigkeiten
u,. und u., verarbeiten praktisch die gleiche Dampfmenge vom spezifischen Volumen
v, und v2. Die Zunahme von v, auf v2 ist maßgebend
für die Bemessung
der Zunahme von d, auf d2. Bei gleichem Verhältnis der Dampf- zur Umfangsgeschwindigkeit,
wie angestrebt, also
soll die Dampfgeschwindigkeit
sein. Der Durchgangsquerschnitt in der Stufe z ist bei gleicher Schaufelhöhe ebenfalls
im Verhältnis
größer als in der Stufe r. Der Dampf vom Volumen v2 wird also mit größerer Dampfgeschwindigkeit
(im Verhältnis
durch einen größeren Querschnitt (im Verhältnis
strömen als der Dampf vom Volumen vl. Es besteht demnach die Beziehung
ist gleich
In Überdruckturbinen werden die einzelnen Laufschaufelgruppen auf trommelförmigen
Läufern angeordnet. Die Gruppen gleicher Schaufelhöhe mit zunehmendem Beaufschlagungsdurchmesser
gemäß der Erfindung können nun derart hintereinandergeschalbet werden, daß Entlastungsflächen
innerhalb des Expansionsverlaufes entstehen, die zur Entlastung der benachbarten
Turbinenteile mitwirken. Durch das Zusammenwirken dieser Flächen läßt sich eine
nahezu vollständige Entlastung des Turbinenläufers von axial gerichteten Schüben
herbeiführen. Eine völlige Entlastung läßt sich erreichen, wenn man auch vor der
ersten Stufengruppe eine Entlastungsfläche anordnet, wie man sie bisher zum Herstellen
der Gesamtentlastung vom Achsialschub angewendet hat. Diese Entlastungsfläche braucht
jedoch bei der Erfindung lediglich die Abmessungen zu besitzen, die zum Ausgleich
des Restschubes erforderlich sind, der durch die zwischen den Laufschaufelgruppen
angeordneten Entlastungsflächen nicht ausgeglichen worden ist.
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Handelt es sich um ein Hochdruckgehäuse, dessen Auspuffdruck wesentlich
oberhalb des atmosphärischen Druckes liegt, so daß die Stopfbüchsen der Maschine
zweckmäßiger unter niedrigeren Innendruck gesetzt, also mit einer Expansionsstufe
des Niederdruckgehäuses in Verbindung gebracht werden, deren Druck mäßig über oder
sogar unterhalb des atmosphärischen liegt, so bildet man zweckmäßig die die zusätzliche
Entlastungsfläche tragende, vor der ersten Stufe liegende Scheibe und einen entsprechenden
Ansatz hinter der letzten Schaufeltrommel als Trommelabdichtungen aus. Es entsteht
so je eine ,Trommelabdichtung auf der Hoch- und auf der Niederdruckseite des Hochdruckgehäuses,
so daß die Stufengruppen gleicher Schaufelhöhe und zunehmender Beaufschlagungsdurchmesser
zwischen Stirnflächen angeordnet sind, auf die der Dampf entgegengesetzt seiner
Strömungsrichtung wirkt und so eine Entlastung gegenüber den Dampfschüben in Richtung
seiner Strömung herbeiführt. Es lassen sich auch z. B. Schaufelgruppen mit Schaufeln
gleicher Höhe und zunehmenden Beaufschlagungsdurchmessern neben Schaufelgruppen
der bisher üblichen Bauart mit zunehmenden Schaufelhöhen in demselben Gehäuse oder
in derselben Turbine verwenden.
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Die Erfindung führt zu einer Turbine, deren einzelne Stufen mit den
günstigsten Dampf- und Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden, die also das vorhandene
Wärmegefälle vorteilhaft ausnutzt. Zugleich wird mit einfachen Mitteln die Entlastung
des Läufers von axial gerichteten Schüben herbeigeführt.
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Die neue Bauart eignet sich auch für Gasturbinen.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der neuen Turbinenart
schaubildlich, dargestellt..
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Abb. r veranschaulicht eine .Turbine mit trommelförmigem Läufer, in
der drei Gruppen gleicher Schaufelhöhe, d, b und c, vorgesehen sind. Der
mittlere Beaufschlagungsdurchmesser wächst innerhalb jeder Gruppe mit der Quadratwurzel
des spezifischen Volumens des Treibmittels, das die Gruppe durchströmt. Die Stirnflächen
d, e, f und g, auf welche der Dampf entgegengesetzt dieser Strömungsrichtung
wirkt, sind derart bemessen, daß ein Ausgleich in den Dampfschüben nach beiden Seiten
erfolgt.
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Abb. a stellt eine ähnliche Ausführung mit zwei Schaufelgruppen gleicher
Höhe dar. Die Bemessung .der Beaufschlagungsdurchmesser und der Stirnflächen, welche
die der Abb. z entsprechenden Bezeichnungen tragen, erfolgt nach denselben Grundsätzen
wie dort.
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In Abb.3 ist eine Ausführungsfarm des Erfindungsgegenstandes für Radturbinen
wiedergegeben. Gleiche Schaufelhöhe der Stufe ist dabei erreicht durch Zunahme des
mittleren Beaufschlagungsdurchmessers in einem Maße, das der (Quadratwurzel aus
der Zunahme des spezifischen Volumens des Treibmittels von Stufe zu Stufe entspricht.
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In Abb. q. besteht der beschatifelte Teil der Maschine neben zwei
Gruppen gleicher Schaufelhöhe a und b, die gemäß der Erfindung mit zunehmendem Beaufschlagungsdurchmesser
ausgebildet
sind, aus einer dritten Gruppe c mit Stufen zunehmender Schaufelhöhe.