DE553983C

DE553983C - Blading of mainly axially loaded centrifugal machines such. B. steam turbines, pumps or fans

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Publication number: DE553983C
Application number: DEA60099D
Authority: DE
Original assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1929-01-04
Filing date: 1929-12-24
Publication date: 1932-07-02
Also published as: FR686078A; BE357126A

Description

Soll in einer Turbine die Forderung erfüllt werden, daß die Ausnutzung· der Energie sämtlicher Stromfäden des Treibmittels, abgesehen von den Reibungs- und sonstigen Verlusten, längs der ganzen beschaufelten! Länge des Turbinenhalbmessers eine gleichmäßige ist, auch wenn die Schaufellänge im Vergleich zum Raddurchmesser groß ist, dann muß der Unterschied der Tangentialkompοίο nenten der Strömungsgeschwindigkeit des Treibmittels am Eintritt in die Leit- und Laufschaufeln sowie am Austritt aus denselben in jedem Punkt des Rades der auf diesen Punkt bezogenen Umfangsgeschwindigkeit, somit der demselben entsprechenden Achsenentfernung, umgekehrt proportional sein.Should the requirement be met in a turbine that the utilization of the energy all current threads of the propellant, apart from the friction and others Losses, shoveled along the whole! Length of the turbine radius a uniform is, even if the blade length is large compared to the wheel diameter, then must be the difference of Tangentialkompοίο components of the flow rate of the propellant at the entry into the guide and Rotor blades as well as at the exit from them at each point of the wheel the peripheral speed related to this point, thus the axis distance corresponding to it, be inversely proportional.

In der von der Theorie des TragflügelsIn that of the theory of the hydrofoil

von Joukowski, Lanchester, Prandtl abgeleiteten Theorie der Kreiselmaschinen läßt sich diese Bedingung einfach dadurch ausdrücken, daß in jedem der die Leitkränze von den Laufrädern trennenden Spalte die Zirkulation um die Welle einen unveränderten Wert haben muß, oder der wirbelfreie Charakter der anfänglichen Bewegung muß in der ganzen. Raumausdehnung des Treiboder Arbeitsmittels beibehalten werden.The theory of gyroscopic machines derived from Joukowski, Lanchester, Prandtl this condition can be expressed simply by the fact that in each of the guide rings The circulation around the shaft remains unchanged from the gap separating the impellers Must have value, or the vortex-free character of the initial motion must be in the whole. Spatial expansion of the drive or Work equipment are retained.

Ist nun hingegen, wie es bei einer gewöhnlichen Turbine der Fall sein muß, die Axialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit beinahe unabhängig vom Radius, dann kann der obenerwähnten Bedingung praktisch nur durch die Verwendung von Schaufeln mit stark veränderlichem Querschnitt und stark veränderlichen Schaufelwinkeln sowie verschiedenem Reaktionsgrad zwischen Schaufelfuß und -kopf Genüge geleistet werden; es führt nämlich, falls das Verhältnis der Schaufelbegrenzungsradien den Wert j/T erreicht, die Wahl des Reaktionsgrades 1:2 (Parsonsturbine) am Schaufelkopf bereits zu einem Betriebe ohne Reaktion, d.h. mit reinem Gleichdruck am Schaufelfuß.On the other hand, it is the axial component, as must be the case with an ordinary turbine the flow velocity almost independent of the radius, then the above-mentioned condition can practically only through the use of blades with a highly variable cross-section and strong variable blade angles and different degrees of reaction between the blade root and head are satisfied; If the ratio of the blade boundary radii reaches the value j / T, it leads to the choice of the degree of reaction 1: 2 (Parson turbine) at the blade head is already closed an operation without reaction, i.e. with pure equal pressure at the blade root.

Die sich daraus ergebende Notwendigkeit einer starken Verwindung der Schaufehl bietet besonders für die Laufschaufeln Schwierigrigkeiten bei der Herstellung. Die Erfindung hat insbesondere den Zweck, diese Schwierigkeiten zu beheben, und besteht darin, daß die Axialgeschwindigkeit des Arbeits- oder Treibmittels nach dem Umfang hin durchThe resulting need for a strong twisting of the Schaufehl offers Difficulties in manufacturing especially for the blades. The invention has the particular purpose of overcoming these difficulties and is that the axial speed of the working or propellant through the circumference

Einführung von zu den Meridianebenen senkrecht stehenden, gebundenen Wirbeln in die Strömung vergrößert ist. Infolgedessen ist es möglich., die Schaufel auf der ganzen Schaufellänge mit gleichbleibendem mittlerem Neigungswinkel zu versehen und auszuführen. Es ist übrigens zu erwähnen, daß sich das Arbeits- oder Treibmittel bereits bei Dampfturbinen mit Schaufeln von nahezu gleichbleibendem Querschnitt von. selbst auf solche Axialgeschwindigkeit einzustellen sucht; da diese Einstellung jedoch unvereinbar ist mit dem wirbelfreien Charakter, den die Strömung in den Meridianebenen aufweisen muß, so bedingt dieselbe, daß in der gesamten Arbeits- oder Treibmittelmasse um die Tangente herum eine Wirbelkomponente mehr oder weniger gleichförmig verteilt ist, deren Richtung in Abb. 1 durch die Pfeile 1 angegeben ist. Diese Abbildung stellt im Längsschnitt die allgemeine Anordnung der Schaufeln in einer Turbine dar, deren Läufer sich in der durch Pfeil 2 angedeuteten Richtung dreht; Abb. 2 zeigt eine schematische Draufsicht der Beschaufelung.Introduction of bound eddies perpendicular to the meridian planes into the Flow is increased. As a result, it is possible to put the shovel all over the place Provide and implement the blade length with a constant mean angle of inclination. Incidentally, it should be mentioned that the working or propellant is already used in steam turbines with blades of almost constant cross-section of. seeks to adjust itself to such an axial speed; there however, this setting is incompatible with the eddy-free character of the flow must have in the meridional planes, so the same conditions that in the entire work or propellant mass around the tangent around a vortex component is more or less uniformly distributed, the direction of which is indicated in Fig. 1 by the arrows 1 is. This figure shows in a longitudinal section the general arrangement of the blades in a turbine, its rotor rotates in the direction indicated by arrow 2; Fig. 2 shows a schematic Top view of the blading.

Diese von dem Arbeits- oder Treibmittel mitgeführten freien Wirbel entstehen in den ersten Stufen der Turbine in folgender Weise: Da die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel an ihrem äußersten Ende mit Rücksicht auf den für die ganze Schaufellänge gewählten mittleren Neigungswinkel zu groß ist, so folgt daraus, daß der Auftrieb sowie die Zirkulation um die Schaufel bei den ersten Leitscheiben und Laufrädern am Umfang geringer sind als gegen das Zentrum hin. Hier^: aus erfolgt nach der Theorie von L a η chester-Prandtl die Ablösung von schichtförmigen Wirbeln 4 längs den Austrittskanten der Leitschauf ein 3. Diese Wirbel sind zur Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit parallel gerichtet; sie winden sich in Schraubenlinienform um die Welle herum und liefern eben zur Tangentialkomponente des Wirbels den obenerwähnten benötigten Beitrag. Da die Laufschaufel gegen ihr Ende zu auf das Arbeits- oder Treibmittel nur eine ungenügende Reaktion ausübt und infolgedessen dort das Wärmegefälle geringer ist, so vergrößert sich gleichzeitig die Axialgeschwindigkeit nach dem Umfange hin derart, daß sich in Ausströmrichtung das in Abb. ι durch das Diagramm 5-5' dargestellte Ajdalgeschwindigkeitsverhältnis allmählich einstellt. These free eddies carried along by the working fluid or propellant arise in the first stages of the turbine in the following way: Since the peripheral speed of the blade at its outermost end is too great with regard to the mean angle of inclination chosen for the entire blade length, it follows that the buoyancy and the circulation around the blade at the first guide disks and impellers are less at the circumference than towards the center. Here ^: according to the theory of Lachester-Prandtl, layered eddies 4 are separated along the exit edges of the guide vane 3. These eddies are directed parallel to the speed of the working fluid; they wind around the shaft in a helical shape and provide the above-mentioned required contribution to the tangential component of the vortex. Since the rotor blade only reacts insufficiently towards its end towards the working fluid or propellant and as a result the heat gradient there is lower, the axial velocity increases at the same time to such an extent that in the outflow direction the diagram shown in Fig 5-5 'gradually adjusts Ajdal speed ratio.

Diese selbständige Anpassung geht nicht ohne Verluste vor sich, da sie eine ungenügende Arbeitsleistung im Umf angsbereich der ersten Stufen" nach sich zieht und entsprechende Verluste durch die am Austritt übrigbleibende Geschwindigkeit bedingt. Diese Austrittsverluste können im Hinblick auf die von dem Ausfluß in diesem Punkte eingenommene turbulente Strömungsart nicht mehr zurückgewonnen werden.This independent adjustment does not take place without losses, since it is inadequate Work performance in the scope of the first stages "entails and corresponding Losses caused by the speed remaining at the exit. These Losses at the outlet can be in terms of the amount taken up by the outflow at this point turbulent flow type can no longer be recovered.

Nun kann aber der gleiche allgemeine Verlauf der Strömung in den Meridianebenen, d.h. das Anwachsen der Axialgeschwindigkeit nach außen, wodurch letztere der sich entsprechend vergrößernden Tangentialgeschwindigkeit proportional wird, erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß die von dem Arbeits- oder Treibmittel ständig mit sich weggeführten und ebenso ständig zu erneuernden freien Wirbel 6 durch gebundene und gleichbleibende Wirbel in derselben mittleren Verteilung ersetzt werden.But now the same general course of the flow in the meridian planes, i.e. the increase in the axial velocity outwards, whereby the latter is the is proportional to increasing tangential velocity, according to the invention can be achieved in that the constantly carried away by the working or propellant and also constantly to be renewed free eddies 6 are replaced by bound and constant eddies in the same mean distribution.

Diese gebundenen Wirbel 1 können z. B. mit Hilfe kreisförmiger, konzentrisch zur Welle angeordneter Schaufeln erzeugt werden, deren Schaufebrücken nach außen gerichtet sind, so daß um jede dieser Schaufeln eine Zirkulation entsteht und jede derselben einen Auftrieb erleidet, dessen Summenwert für die Gesamtheit der Schaufelquerschnitte die gewünschte Verdichtung des Stromes nach dem Umfang hin sichert.These bound vertebrae 1 can, for. B. using circular, concentric to Shaft arranged blades are generated, whose blade bridges are directed outwards so that around each of these blades there is a circulation and each of them one Buoyancy suffers, the sum of which for all of the blade cross-sections is the desired Ensures compression of the stream according to its size.

Diese Beschaufelungen können beispielsweise in Form von längs den Leitschauf ein 3 stufenweise angeordneten Zwischenstücken 7 ausgeführt werden, wie in Abb. 3, 4 und 5 schematisch angedeutet ist, wobei Abb. 3 einen Längsschnitt der Turbine, Abb. 4 einen Querschnitt und Abb. 5 eine Ansicht der zwei Schaufelreihen von oben darstellt.These blading can, for example, be in the form of a 3 along the guide vane stepwise arranged intermediate pieces 7 are executed, as in Fig. 3, 4 and 5 is indicated schematically, with Fig. 3 a longitudinal section of the turbine, Fig. 4 a cross section and Figure 5 is a top view of the two rows of blades.

Nun ergeben die Leitschaufel^. 3 und deren Zwischenstücke 7, zusammen betrachtet, zwei Systeme gebundener Wirbel, die zu einem einzigen resultierenden System zusammengesetzt werden können. Sind die jedem Element, d.h. Schaufel oder Zwischenstück, entsprechenden Zirkulationen 1 einander gleich, so wird das resultierende System einfach dadurch erhalten, daß an Stelle der beiden Systeme von Schaufeln 3 und 7 nur ein einziges System von Leitschaufein 8 ohne Zwischenstücke angebracht wird, und zwar in der Richtung derjenigen Diagonalen des ursprünglichen, aus den Schaufeln 3 und 7 entstandenen gitterartigen Gebildes, für welche der Schaufelrücken nach außen gekehrt ist. Ist nun die Verteilung der kreisförmigen Wirbel oder der letztere erzeugenden, notwendigerweise in ihrer Anzahl beschränkten Zwischenstücke 7 längs des Turbinenhalbmessers eine gleichmäßige, so müßten die Leitschaufeln 8 theoretisch in Form von archimedischen Spiralen gekrümmt sein; es wird aber im allgemeinen zur Vereinfachung genügen, sie in Richctung der Sehne des· entsprechenden Spiralbogens anzuordnen. Die Einführung der kreisförmigen Zwischen-Now the guide vane results in ^. 3 and their Intermediate pieces 7, considered together, two systems of bound eddies that become one single resulting system can be put together. They are everyone Element, i.e. blade or intermediate piece, circulations 1 correspond to one another equals, the resulting system is obtained simply by replacing the both systems of blades 3 and 7 only a single system of guide vanes 8 without Intermediate pieces is attached, in the direction of those diagonals of the original, from the blades 3 and 7 resulting grid-like structure, for which the back of the blade is turned outwards. Now is the distribution of the circular vortex or the latter producing, necessarily limited in number Intermediate pieces 7 along the turbine radius a uniform, so the Guide vanes 8 theoretically be curved in the form of Archimedean spirals; it but it will generally suffice for the sake of simplicity to point it in the direction of the tendon of the corresponding spiral arch to be arranged. The introduction of the circular intermediate

stücke 7 sowie die Neigung der Schaufeln wurden obenstehend lediglich für die Leitkränze ins Auge gefaßt; diese Lösung wird in bauEcher Hinsicht für Turbinen mit höherer Drehzahl im allgemeinen den Vorzug verdienen; aber dieselben Mittel können selbstverständlich auch sowohl auf die Laufräder allein als auch gleichzeitig auf Leit- und Laufschaufeln Anwendung finden.Pieces 7 as well as the inclination of the blades were only shown above for the guide rings envisaged; In structural terms, this solution is used for turbines with higher Speed generally deserve preference; but the same means can of course can also be used both on the impellers alone and on guide vanes and rotor blades at the same time.

ίο Kurzgefaßt wird demnach die Verwendung von Leit- und auch Laufschaufeln mit praktisch gleichbleibendem mittlerem Schaufelwinkel an die Forderung einer unveränderten Zirkulation um die Welle angepaßt ohne zusätzliche Hilfsmittel, einzig und allein durch die Anwendung einer geringen Neigung (meistens von der Größenordnung 5 bis 10) der Leitschaufeln, was mit geeigneten Zwischenstücken leicht erreicht werden kann.ίο In short, the use of guide and rotor blades is therefore practical constant mean blade angle to the requirement of an unchanged Circulation around the shaft adapted without additional aids, just through the application of a slight slope (mostly of the order of 5 to 10) of the Guide vanes, which can easily be achieved with suitable spacers.

Obwohl sich obige Beschreibung besonders auf Dampfturbinen bezieht, sei es für Gleichdruck oder Überdruck, so ist sie natürlich ebensogut auf alle Arten von vorwiegend axial beaufschlagten Kreiselmaschinen, wieAlthough the above description relates particularly to steam turbines, be it for constant pressure or overpressure, it is of course equally good in all kinds of predominant axially loaded centrifugal machines, such as

z. B. Pumpen oder Lüfter, anwendbar.z. B. pumps or fans, applicable.

Claims

Patent claims:

1. Blading of centrifugal machines mainly acted on axially, thereby characterized in that the axial speed of the working or propellant according to towards the circumference by introducing bound eddies perpendicular to the meridian planes into the flow is enlarged.

2. Blading according to claim 1, characterized in that the bound Vortex by means of circular guide pieces concentric to the shaft, e.g. B. in shape stepwise arranged intermediate pieces (7) with an inwardly curved cross-section, be it for the guide vanes, be it for the rotor blades or for both together.

3. Blading according to claim 1 with blades placed at an angle to the radius, characterized in that the blade axes are in the form of an Archimedean Spiral or a shape approaching this curve are arranged.

For this purpose ι sheet of drawings