DE583399C - Beschaufelung fuer Dampf- oder Gasturbinen - Google Patents
Beschaufelung fuer Dampf- oder GasturbinenInfo
- Publication number
- DE583399C DE583399C DE1930583399D DE583399DD DE583399C DE 583399 C DE583399 C DE 583399C DE 1930583399 D DE1930583399 D DE 1930583399D DE 583399D D DE583399D D DE 583399DD DE 583399 C DE583399 C DE 583399C
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- blade
- blading
- channel
- turbines
- radius
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
DEUTSCHES REICH
AUSGEGEBEN AM
9. SEPTEMBER 1933
9. SEPTEMBER 1933
REICHSPATENTAMT
PATENTSCHRIFT
KLASSE 14 c GRUPPE 11 oi
Bruno Thomas in Neugersdorf, Sa. Beschaufelung für Dampf- oder Gasturbinen
Patentiert im Deutschen Reiche vom 22.JuIi 1930 ab
Die Erfindung bezweckt, durch Ausbildung der Turbinenkanäle, wie sie einerseits durch
die Reibungswiderstände und die Krümmung der Kanäle (Richtungsänderung des Strahles)
bedingt sind und andererseits besonders bei den axial beaufschlagten Turbinen, durch Zusammenwirkung
von Raddrehung und Strömung hervorgerufene, gegen die Drehrichtung im Schaufelkanal wirbende Widerstände auf
ein geringes Maß zu vermindern.
Aus Versuchen an ruhenden Kanälen hat sich 'ergeben, daß die im Dampfturbinenbau
üblichen Schaufehl nicht den Bedingungen entsprechen, die an eine Turbinenschaufel
mit gutem Wirkungsgrad gestellt werden müssen. So haben die Versuche gezeigt, daß
es nicht möglich war, bei stoßfreiem Eintritt einen geschlossenen Strahl durch diese Schaufeln
hindurchzubringen, wenn, wie es bei den Turbinen der Fall ist, der Strahl einen freien
Zwischenraum überspringen muß. Es trat hierbei stets ein Verlust an Treibmittel auf.
Wurde dagegen an die Schaufelkrümmung ein genügend langer gerader Einlauf angesetzt,
so gelang es bei jeder Kanalform, Kreisbogen, Parabel und auch bei verschiedenem
Verhältnis von Schaufelkrümmungshalbmesser zur Strahldicke, das ist des Abstandes der
den Kanal begrenzenden Schaufelflächen, also des senkrechten Abstandes der konvexen
Schaufelfläche von der konkaven Schaufelfläche, die ganze Treibmittelmenge hindurchzubringen.
Die Länge der geraden Einlaufstrecke ist abhängig vom Ablenkungswinkel und dem
Verhältnis Krümmungshalbmesser zur, Strahldicke, die nur durch Versuche ermittelt werden
kann. Durch die Schaufelkrümmung wird eine Änderung der Geschwindigkeitsverhältnisse
hervorgerufen, die aber nicht erst in der Schaufelkrümmung, sondern schon vor der Schaufelkrümmung beginnt. Es findet
somit eine Rückwirkung auf die Strömung vor Eintritt in die Krümmung statt.
Bei der Beschaufelung gemäß der Erfindung weisen daher die Laufschaufeln einen
Halbmesser für die hohle Krümmungsseite von dem 2V2- bis 4fachen Wert des an allen
Stellen des Schaufelkanals gleichen Abstandes der den Kanal begrenzenden Schaufelflächen
auf und sind mit vom Verhältnis Halbmesser zu diesem Abstand einerseits und vom Umlenkungswinkel andererseits in der
Länge abhängigen geraden Schaufelein- und -auslaufen versehen.
In Abb. ι bis 4b sind einige Schaufelquerschnitte
dargestellt, die durchweg die gleichen Schaufelwinkel ßi—ß2 —300 aufweisen. In
Abb. ι bis 4. sind dieselben für den gleichen Krümmungshalbmesser von 10 mm und in
Abb. ib bis 4b für die gleiche Strahldicke von S 3^1111 dargestellt.
Abb. ι und ib stellen eine Beschaufelung
nach B a η k i dar, bei der gemäß der IV. Auflage des Buches von S t ο d ο la, »Die Dampf-
-turbinen«, je nach Stellung der Schaufelstege
Schwankungen in der Umfangskraft bis 30 0/0
festgestellt wurden.
Bei einer Schaufel nach Abb. 6, die etwa der Schaufel von Banki entspricht, wurde
durch Versuche mit Wasser die Feststellung gemacht, daß die Umfangskraft in der Richtung/1
etwa 73 0/0 derjenigen betrug, die hätte vorhanden sein müssen, wenn die ganze
Treibmittelmenge verlustfrei durch den Schaufelkanal geströmt wäre.
Bei einem Schaufelkanal nach Abb. 7, durch
den die ganze Treibmittehnenge hindurch-
. strömt, beträgt die Umfangskraft etwa 94 o/o
des idealen Wertes, was einem ψ-Wert von etwa 0,88 entspricht.
Die Schaufel nach Abb. 2 und 2b, die die im Druckturbinenbau übliche Schaufel darstellen
und nach Briling die günstigste Schaufelteilung ergeben haben soll, muß auf ao einen ψ-Wert von 0,7 veranschlagt werden.
Die Schaufel nach Abb. 3 und 3b nach S t ο d ο 1 a hat zweifellos einen höheren
ψ-Wert wie die Schaufel nach Abb. 2 und 2b, bleibt aber auf jeden Fall hinter der Schaufei
nach Abb. 4 und 40 erheblich zurück, ohne daß man aber mit Sicherheit einen bestimmten
Wert hierfür angeben kann.
Die Schaufel nach Abb. 4 und 4b ergibt einen ψ-Wert von etwa 0,88 und hat in bezug
auf die Umlenkung durch die Kanalkrümmung wirkungsfreie Schaufelenden.
Die Schaufel nach Abb. S ist dieselbe wie nach Abb. 4, ist jedoch für eine radial beaufschlagte
Turbine bestimmt. Hierbei muß der gerade Einlauf, um gleichbleibenden Querschnitt zu erzielen, durch eine schwache
Krümmung ersetzt werden. Bei gleichbleibender Strahl- und Stegdicke wird diese Krümmung zu einer archimedischen Spirale.
Auch hierbei sind die Schaufelenden in bezug auf die Umlenkung durch die Schaufelkrümmung
nahezu wirkungsfrei.
Abb. 8 und 10 stellt den Schaufelplan für eine Beschaufelung gemäß der Erfindung,
und zwar für ein Laufrad dar. Abb. 9 und 11 zeigt die dazugehörenden Leitschaufeln. Durch
Versuche wurde bei dieser Beschaufelung ein kleinster ψ-Wert von 0,25 : 0,291 = 0,86 festgestellt.
Die Strahlwiderstände in den Schaufelkanälen gemäß der Erfindung ergeben sich aus
folgenden Überlegungen: Nimmt die relative Geschwindigkeit in einem Kanal zu, so nimmt
die Strahltemperatur im selben Verhältnis ab, wie die lebendige Kraft des Strahles zunimmt.
Der Zunahme an lebendiger Kraft entspricht ein bestimmtes Druckgefälle. Da es keine
reibungsfreie Strömung gibt, so weichen die Meßdrücke von den Drücken der verlustfreien
Strömung ab. Dieser Unterschied ist der Druckabfall infolge des Strahlwiderstandes.
Mit Hilfe der bekannten Gleichungen läßt sich dann der Druckabfall in Temperaturgefälle
umrechnen, so daß sich der Strahlwiderstand eindeutig bestimmen läßt. Bei den Meßdrücken würde das Temperaturgefälle
größer sein wie das gemessene. Der Unterschied zwischen beiden gibt dann den Strahlwiderstand
als TemperaturgefälLe wieder, so daß man denselben sowohl als Druckunterschied als auch als Temperaturunterschied
einwandfrei nachweisen kann.
Nimmt umgekehrt die relative Geschwindigkeit in einem Kanal ab, so nimmt die
Strahltemperatur zu. Bei verlustfreier Strömung würde dann auch der Druck entsprechend
zunehmen. Auch in diesem Falle kann der Strahlwiderstand als Druckunterschied
und Temperaturunterschied nachgewiesen werden. Man kann ihn auch als Geschwindigkeitshöhe
umrechnen und mit A^Eeib. bezeichnen.
Bezeichnet man dann noch die Geschwindigkeitshöhe der relativen Eintrittsgeschwindigkeit
mit hwl, so kann man den berichtigten
Geschwindigkeitskoeffizienten ψ' nach folgender Formel berechnen:
W Reib.
Ist der Druck vor und hinter dem Rade genau gleich, so wird ψ' = ψ = W2Iw1.
Kraftwirkungen in der a-Richtung eines umlaufenden Turbinenrades können auf drei
verschiedene Arten zustande kommen, während die klassische Turbinentheorie nur zwei
Arten kannte. Die klassische Turbinenhauptgleichung lautet:
L—(
\ 2g
Zg
2g
in mkg/s.
In dieser Gleichung stellt das Doppelglied
idealen Spaltdruck dar. stellt
W\ — W\ Mf — M|
Ig
2g
Das Doppelglied
den Teil der Kraftwirkung dar, der durch die Geschwindigkeitsentziehung durch das
Rad in der K-Richtung ausgeübt wird. Wenn U1 = K2 ist, so kann diese Kraftwirkung auch
durch die bekannte Formel:
Pu= M (W1 · cos /S1 + W2 · cos /J2)
in kg berechnet werden, die mathematisch genau die Schaufeltriebkraft wiedergibt, wenn auch
die Strahlebene, in der sich der Strahl bewegt, keine Verdrehung erleidet und U1=U2 ist, wie
es auf die Kaplanturbine zutrifft.
Diese Formel behält auch ihre Gültigkeit, wenn K1 = K2 ist und die Strahlebene eine
Verdrehung erleidet, wodurch eine Kxeiselwirkung
hervorgerufen wird, die durch besondere Erfahrungsformel berechnet werden
muß und als Unterschied in der Schaufeltriebkraft und ,als Temperaturunterschied
nachgewiesen werden kann.
Nach den vorstehenden Formern hat sich der Schaufelwirkungsgrad je nach der Umfangsgeschwindigkeit
und dem Verhältnis von
ίο UJcx zu 75,95 o/o bis 85,26 o/o ergeben. Diese
Wirkungsgrade 'enthalten an Verlusten die Strahlwiderstände in den Leit- und Laufkanälen
sowie den Austrittsverlust.
Nach der bisherigen Turbinenhauptgleichung wäre nur noch die Radreibung und die
Lagerreibung abzuziehen, um die Bremsleistung zu erhalten, was Bremswirkungsgrade
von 73,88 o/g bis 83,55 % ergeben haben würde. Die Bremswirkungsgrade haben sich
ίο dagegennurzu 61,15 % — 65,55 o/o — 63,80 o/o
ergeben, was einem Unterschied von 9,5 0/0
bis 19,75 % entspricht. Dieser Fehlbetrag stellt die Erhitzung des Treibmittels durch
die Kreiselwirkung dar und hat einen Widerstand gegen die Drehrichtung im Schaufelkanal
zur Folge. Er wird, wie die Versuche mit der Versuchsturbine ergeben haben, durch
die Formel:
V+. γ us
3D P0R-W= J~"~
in kg genau oder nahezu genau wiedergegeben.
In dieser Formel bezeichnet V+ den Gesamtquerschnitt
der Laufradkanäle in cbm, γ die Dichte in kg/cbm, g =9,81 m/s die
Beschleunigung der Schwere, u in m/s die Umfangsgeschwindigkeit im Teilkreise oder
im Schwerkreise und r den Halbmesser des Laufradkanalkranzes.
Der Umdrehungswiderstand ist ein Radwiderstand, der aber mit der Treibmittelströmung
im Kanal verbunden ist. Er kann daher auch nur durch Zusammenwirken von Raddrehung bei gleichzeitiger Verdrehung der
Strahlebene und Strömung hervorgerufen werden. Er greift unmittelbar an der Schaufel
an, bleibt aber auf die Kanäle beschränkt, in denen eine Strömung stattfindet. Er wird zu o,
wenn die Umfangsgeschwindigkeit α= ο ist, oder bei beliebiger Umfangsgeschwindigkeit
u, wenn die Relativgeschwindigkeit w = ο
ist; und er erreicht seinen größten Wert, wenn u==w ist. Im Falle, daß w kleiner
ist wie u, lautet die Formel für den Umdrehungswiderstand:
*
W
g ' r
in kg, worin Wx und W2 die Relativgeschwindigkeiten
im Laufradkanal sind.
Die durch den Umdrehungswiderstand vernichtete Leistung berechnet sich zu
Pur—w · u
in mkg/s.
Der Umdrehungswiderstand hat keinen Einfluß auf das Stufengefälle und die Durchflußmenge,
aber er hat stets Einfluß auf die 'Nutzleistung und den Wirkungsgrad. Er ist in jedem Falle ein Verlust, und es ist daher
nötig, denselben auf ein Mindestmaß zu beschränken. Er kann daher bei einem bestimmten Raddurchmesser, bestimmten Schaufelwinkeln,
festgelegtem Verhältnis von u/cx und bestimmtem Durchflußquerschnitt nur durch
Verminderung des Gesamtquerschnittes der Laufradkanäle herabgesetzt werden, was nur durch Herabsetzung der axialen Schaufelbreite möglich ist; d. h. man muß die Schau-
fehl der axial beaufschlagten Turbinen im Verhältnis des Raddurchmessers möglichst
schmal ausführen.
Bei gleicher axialer Schaufelbreite und dem Verhältnis UJcx= 0,52, bei dem bei der Druckturbine
bei ßx = ß.2 = 30° nach den Reibungsgesetzen der Gipfel des Wirkungsgrades auftreten
muß, würde die neue Schaufel eine Verbesserung des Wirkungsgrades um etwa 8,2 0/0 bedingen. Bei UJcx größer wie 0,52
ist es weniger und bei u/cx kleiner wie 0,52
ist es mehr wie 8,2 o/0. Da bei dem Vorhandensein des Umdrehungswiderstandes der
Gipfel des Wirkungsgrades in den meisten für die Praxis in Frage kommenden Fällen
bei einem Verhältnis von u/cx kleiner wie 0,52
liegt, so ist die Wirkungsgradverbesserung im allgemeinen über 8,2 o/o.
Der Umdrehungswiderstand läßt sich theoretisch auch bei der axial beaufschlagten too
Druckturbine ausscheiden, indem man in bereits vorgeschlagener Weise die Laufradkanäle
so ausbildet, daß der Strahl bei umlaufendem Rade in einer Ebene verharren kann. Diese
Maßnahme ist aber bei kleinen Raddurchmessern, hohen Radgeschwindigkeiten und günstigem Verhältnis von u/cx aus Festigkeitsgründen
für die Schaufel kaum herstellbar.
Wenn Ux < U2, tritt die Fliehkraftwirkung no
auf. Sie bewirkt eine Veränderung der Pressung in den Laufradkanälen, und ihre Wirkung
in der «-Richtung wird durch die Formel:
zahlenmäßig richtig wiedergegeben. Dies stellt die Pressungserzeugung oder Entziehung
ohne Änderung der Relativgeschwindigkeit dar, die bei der radial beaufschlagten Turbine 120.
zu beachten ist. Bei dieser wird der Umdrehungswiderstand für alle UJcx ausgeschie-
den. Die Radialströmung in den Laufradkanälen kommt besonders für den Hochdruckteil
der Dampfturbinen und für Gleichdruckbrennkraftturbinen in Frage.
Die Beschaufelung nach den Ansprüchen ist anwendbar auf die Laufradschaufeln, und Umlenkschaufeln der Druckturbinen wie sinngemäß bei wechselndem Verhältnis von Schaufelkrümmungshalbmesser zur Strahldicke bei
Die Beschaufelung nach den Ansprüchen ist anwendbar auf die Laufradschaufeln, und Umlenkschaufeln der Druckturbinen wie sinngemäß bei wechselndem Verhältnis von Schaufelkrümmungshalbmesser zur Strahldicke bei
to verschiedenen Schaufelwinkeln für die Leit- und Laufschauf ein der Druck- und Überdruckturbinen,
Die neue Schaufel bewirkt eine erhebliche Verbesserung der Dampf- und Gasturbinen-Wirkungsgrade.
Claims (3)
- Patentansprüche:i. Beschaufelung für Dampf- oder Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln einen Halbmesser für die hohle Krümmungsseite von dem 21J2- bis 4fachen Wert des an allen Stellen des Schaufelkanals gleichen Abstandes der den Kanal begrenzenden Schaufelflächen aufweisen und mit. vom Verhältnis Halbmesser zu diesem Abstand einerseits und vom Umlenkungswinkel andererseits in der Länge abhängigen geraden Schaufelein- und -auslaufen versehen sind.
- 2. Beschaufelung nach Anspruch 1 für radial beaufschlagte Turbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelein- und -auslaufe nach einer Kurve für gleich- ■ bleibenden Durchlaßquerschnitt, insbesondere bei gleicher Stegdicke nach einer archimedischen Spirale ausgebildet sind.
- 3. Beschaufelung nach Anspruch 1 für axial beaufschlagte Turbinen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mit Rücksicht auf Schaufelherstellung und Betriebssicherheit erforderlichen axialen Schaufelbreite das Verhältnis UJc1 nicht höher gewählt ist, als mit Rücksicht auf den Strömungswiderstand im Schaufelkanal und den gegen die Drehrichtung im Schaufelkanal wirkenden Widerstand erforderlich ist.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE583399T | 1930-07-22 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE583399C true DE583399C (de) | 1933-09-09 |
Family
ID=6571465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1930583399D Expired DE583399C (de) | 1930-07-22 | 1930-07-22 | Beschaufelung fuer Dampf- oder Gasturbinen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE583399C (de) |
-
1930
- 1930-07-22 DE DE1930583399D patent/DE583399C/de not_active Expired
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2244178C3 (de) | Durchflußmesser für Flüssigkeiten | |
DE2540733B2 (de) | Axialgebläse mit Laufschaufeln | |
EP0417433B1 (de) | Axialdurchströmte Turbine | |
DE3213810A1 (de) | Turbine und deren verwendung | |
DE522464C (de) | UEberdruckbeschauflung | |
CH532199A (de) | Axiale Turbomolekularpumpe | |
DE1453730C3 (de) | Radialkreiselpumpenlaufrad | |
DE2735494C3 (de) | Beschaufelung einer Turbine für kompressibles Arbeitsmittel | |
DE2113514B2 (de) | Überschall-Axialverdichter mit einem zylindrischen oder konischen divergierenden die Einlauföffnung hinten verlängernden Körper | |
DE1628261B2 (de) | Luftentnahmevorrichtung an axialverdichtern | |
DE371459C (de) | Laufrad fuer Windturbinen mit allseitig geschlossenen Kanaelen, welche in mehreren konzentrisch umeinandergelagerten, mit Schaufeln versehenen Ringen angeordnet sind | |
DE2135287A1 (de) | Lauf- und leitradgitter fuer turbomaschinen | |
DE583399C (de) | Beschaufelung fuer Dampf- oder Gasturbinen | |
DE3148995A1 (de) | Axialturbine | |
DE433183C (de) | Schaufeln fuer achsiale Dampf- oder Gasturbinen | |
DE553983C (de) | Beschaufelung vorwiegend axial beaufschlagter Kreiselmaschinen, wie z. B. Dampfturbinen, Pumpen oder Luefter | |
DE2109294A1 (de) | Verfahren zum Betrieb eines Energieab sorbers und Energieabsorber, insbesondere zur Durchfuhrung des Verfahrens | |
DE971995C (de) | Ebenes Leitschaufelgitter aus duennen unprofilierten Schaufeln zur Umlenkung der Stroemung an der UEbergangsstelle zwischen etwa rechtwinklig zueinander verlaufenden Rohren | |
DE2926135C2 (de) | Laufrad einer einflutigen, zentripetal durchströmten Radialturbine | |
DE293591C (de) | ||
DE437969C (de) | Dampfturbinenschaufel grosser Laenge | |
DE2047008C (de) | Einstufiger hydrodynamischer Drehmomentwandler, insbesondere für Schienenfahrzeuge | |
DE2534607C3 (de) | Radialverdichter | |
DE759892C (de) | Beschaufelung fuer Dampf- oder Gasturbinen | |
DE325061C (de) | Kreiselmaschine |