DE583399C - Beschaufelung fuer Dampf- oder Gasturbinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
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 h_wl, 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 UJc_x 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 W_x 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/c_x 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 UJc_x= 0,52, bei dem bei der Druckturbine bei ß_x = 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 UJc_x größer wie 0,52 ist es weniger und bei u/c_x 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/c_x 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/c_x aus Festigkeitsgründen für die Schaufel kaum herstellbar.

Wenn U_x < 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 UJc_x 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

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)

1. 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. 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. 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