DE602035C - Laufradbeschaufelung fuer Dampf- oder Gasturbinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 30. AUGUST 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVi 602035 KLASSE 14 c GRUPPE 11 oi

Aktiebolaget Ljungströms Ängturbin in Stockholm*) Laufradbeschaufelung für Dampf- oder Gasturbinen

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Juli 1927 ab

Die Erfindung betrifft eine Beschaufelung für die Laufräder in Dampf- oder Gasturbinen, in welchen die Schaufeln an der Einlaufseite stärker sind als an der Auslaufseite und besteht im wesentlichen darin, daß die in der Strömungsrichtung des Treibmittels ungeteilten Schaufeln gegen den einströmenden Dampf abgerundete Form, zweckmäßig im Querschnitt eine kreisförmige, elliptische, parabolische oder hyperbolische Form aufweisen, ferner die Schaufelkanäle an der Einlaufseite wesentlich breiter als an der Auslauf seite sind und sich nach dieser hin stetig verringern, wobei sich die im Teilkreis des Schaufelringes gemessene Schaufelteilung zur Schaufelbreite wie k: ]/ sin α verhält, wobei k wenigstens 0,5 beträgt, α den Austrittswinkel der Schaufel bezeichnet und k im Verhältnis zu α derart gewählt ist, daß die Teilung wenigstens das o,gfache der Schaufelbreite beträgt.

Bisher war man allgemein der Ansicht, daß man bei Turbinen das Verhältnis zwischen Teilung und Schaufelbreite nicht größer als etwa 0,7 wählen dürfe. Das bedingte natürlich

eine verhältnismäßig große Schaufelzahl in den Schaufelkränzen. Bei den bisher üblichen Schaufelquerschnitten war die ausgesprochene Regel Teilung: Schaufelbreite < als 0,7 richtig, und an dieser Regel wurde auch nichts Wesentliches durch den Vorschlag geändert, die Teilung am Ende der Schaufel etwa der Schaufelbreite gleichzusetzen.

Gemäß der Erfindung wird nun von den üblichen Schaufelquerschnitten abgegangen und die Schaufel so ausgebildet, daß sie an der Einlaufseite wesentlich stärker ist als an der Austrittsseite und hier an der Einlaufseite eine annähernd kreisförmige, elliptische, parabolische oder hyperbolische Form hat. Diese Schaufeln werden so angeordnet, daß die Kanäle zwischen den Schaufeln, an der Einlauf seite gemessen, wesentlich breiter sind als an der Austrittsseite. Infolge dieser Gestaltung ist es möglich, diese Schaufeln mit einer wesentlich größeren Teilung, als sie bisher üblich war, anzuwenden.

Die Teilung wird zweckmäßig bestimmt in Abhängigkeit von dem Austrittswinkel und von einer bestimmten Größe k, welche als Mindestwert 0,5 aufweisen muß, und zwar erfolgt die Ermittlung der Teilung nach der Gleichung τ: b wie k: ]/sin α. Hierbei bedeutet τ die Schaufelteilung, b die Schaufelbreite, k die bestimmte Größe mit dem Mindestwert 0,5 und α den Austrittswinkel.

k ist derart zu wählen, daß die Teilung wenigstens das o.gfache der Schaufelbreite beträgt.

Wird nach diesen Gesetzen bei der Her-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

AIf James Rudolf Lysholm in Stockholm.

stellung der Beschaufelung von Dampf- oder Gasturbinen verfahren, so ergeben sich folgende Vorteile:

Infolge der Vergrößerung der Teilung wird die Anzahl der in der Turbine erforderlichen Schaufeln bedeutend herabgesetzt und dadurch der Herstellungspreis der Turbine vermindert.

Wegen der geringen Empfindlichkeit der

neuen Schaufel gegen die verschiedenen Einlauf-

to winkel sind für verschiedene Richtungen und Geschwindigkeiten des Treibmittels nur wenig Schaufelformen erforderlich. Man kommt mit einem ganz verschwindenden Bruchteil der früher erforderlichen Anzahl von Schaufelformen aus.

Zur Darstellung der Erfindung dienen die Zeichnungen.

Abb. ι und 2 zeigen Schaufeln bisher vorkommenden Aussehens. Abb. 3 und 4 zeigen ao Schaufeln gemäß der Erfindung. Abb. 5 zeigt eine Schaufel einer abgeänderten Form in etwas größerem Maßstabe. Abb. 6 zeigt die Querschnittsfläche der Schaufel gemäß Abb. 5, wobei eine Begrenzungslinie gerade ist. Abb. 7 zeigt eine Schaufel bisher vorkommenden Aussehens und Abb. 8 die Querschnittsfläche dieser Schaufel mit einer geraden Begrenzungslinie. Abb. 9 veranschaulicht einen Vergleich zwischen einer Schaufel bekannter Art und einer erfindungsgemäß angeordneten Schaufel.

Abb. ι zeigt einige Schaufeln bekannter Art, bei der die schraffierten Flächen den Querschnitt der Schaufeln bezeichnen. C bezeichnet die absolute Strömungsrichtung desjenigen Dampfes, der von einem Schaufelring hinaustritt, welcher in der Richtung des Dampfstromes vor den in Abb. 1 dargestellten. Schaufeln gelegen ist. Die Länge der Linie C gibt die Geschwindigkeit dieses Dampfstrahles an, während U die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelringe angibt. Aus diesem Geschwindigkeitsbild geht hervor, daß die relative Einlaufgeschwindigkeit und Richtung des Dampfes zu den Schaufeln der Größe und der Richtung der Linie V entsprechen. Die Linien 15, die in ihrem oberen Teile mit der Linie V parallel sind, geben somit den Weg des Dampfes zwischen den Schaufeln 17 an.

In dieser Abbildung sind Schaufeln gezeigt worden, deren Querschnitte nicht der Richtung V des Einlaßdampfes entsprechen. Aus diesem Grunde entstehen vor den Schaufeln, in der Umdrehungsrichtung gerechnet, bei 18 Wirbelerscheinungen, die den Wirkungsgrad beträchtlich verschlechtern. Dieser Mangel entsteht bei Turbinen mit schwankender Belastung und Drehzahl, wenn die Umfangsgeschwindigkeit U im Verhältnis zur Einlaufgeschwindigkeit C zu gering ist, d. h. wenn fio der Dampf unter einem allzu kleinen Winkel zu den Schaufehl einströmt.

In Abb. 2 ist das umgekehrte Verhältnis angedeutet worden, bei dem die Umfangsgeschwindigkeit U₁ zu groß ist im Verhältnis zur Richtung und Geschwindigkeit C₁ des Dampfes. Auch in diesem Falle werden die relative Einlaufrichtung und Größe des Dampfes von der Linie V₁ angegeben. Der Dampf tritt somit durch diese Schaufeln gemäß den Linien 20 ein. In diesem Falle entsteht hinter den Schaufeln, in der Umlaufrichtung gerechnet, bei 21 Wirbelerscheinungen, welche den Wirkungsgrad der Turbine ebenfalls verschlechtern. Hieraus geht hervor, daß nur .eine solche relative Einlaufrichtung und Geschwindigkeit für die Turbine geeignet ist, die zwischen den Werten V und F₁ liegt und Wirbelerscheinungen weder hinter noch vor den Schaufeln veranlaßt. Die Richtung solchen Dampfes entspricht etwa der strichpunktierten Linie V₂ in Abb. 2 und kann nicht nennenswert verändert werden, ohne daß Wirbelerscheinungen entstehen.

In Abb. 3 werden Schaufeln 29 gemäß der Erfindung veranschaulicht, d. h. Schaufeln, deren Stärke an der Einlaufseite der Schaufel größer ist (der obere Teil der Abbildung) als an der Auslaufseite der Schaufel (der untere Teil der Abbildung), wobei der. Querschnitt gegen die Auslaufseite an Breite abnimmt. In der Abbildung wird der Weg des Dampfes zwischen den Schaufehl gezeigt, wenn die relative Einlaufrichtung und Geschwindigkeit der letzteren dieselbe ist wie in Abb. 1. Die Linien 23 deuten den Weg des Dampfes an.

In Abb. 4 wird gezeigt, wie der Dampf, dessen Weg durch die Linien 24 angegeben ist, dieselben Schaufeln passiert, die in Abb. 3 gezeigt sind, wenn der relative Einlaufwinkel der in Abb. 2 angegebene ist. Auf Grund der abnehmenden Breite der Schaufelsektionen und deren Abrundung gegen den einströmenden Dampf entstehen nicht die Wirbelerscheinungen, die in Zusammenhang mit den Abb. 1 und 2 erwähnt wurden. Versuche haben gezeigt, daß der einkommende Dampf beträchtlich schwanken kann sowohl hinsichtlich seiner Geschwindigkeit als betreffend seiner Richtung, ohne daß der Wirkungsgrad der Schaufel dadurch nennenswert verschlechtert wird.

Diesen Schaufeln gemäß der Erfindung wird, wie erwähnt, an der Einlaufseite eine größere Stärke gegeben als an der Auslaufseite. Die gegen den einströmenden Dampf gerichtete Kante der Schaufel ist nach einem Kreis, einer Ellipse, Parabel oder Hyperbel abgerundet oder annähernd in dieser Weise geformt.

Es ist bekannt, daß ein Balken rechteckigen Querschnitts ein größeres Trägheitsmoment gegen Biegung gibt, falls seine größte Seite mit den beeinflussendenKräften parallel ist, während er ein geringeres Trägheitsmoment gibt, falls die kleinere Kante mit denselben Kräften

parallel ist. Das Trägheitsmoment einer Schaufel und damit ihre Festigkeit wird somit in demselben Grade vergrößert, in dem ihr Querschnitt sich dem Querschnitt des hochkantig gestellten Balkens nähert oder aber in demselben Grade erhöht, in dem ihre größere Flächen des Querschnitts von der Trägheitsachse des Querschnittes entfernt werden.

In Abb. 5 wird eine Schaufel gemäß der Erfindung und in Abb. 7 eine Schaufel bisher bekannter Art veranschaulicht, welche beide bestimmt sind, denselben Platz in einer radialbeaufschlagten Turbine einzunehmen. Abb. 6 zeigt eine Fläche, die ebenso groß ist wie die Querschnittsfläche der Schaufel gemäß Abb. 5, jedoch derart verschoben ist, daß ihre eine Kante gerade geworden ist. In derselben Weise zeigt Abb. 8 dieselbe Fläche wie Abb. 7. Hieraus geht mit aller Deutlichkeit hervor, daß die Fläche gemäß Abb. 6 im Vergleich mit der Fläche in Abb. 8 ein größeres Trägheitsmoment geben wird, da die Fläche gemäß Abb. 6 in höherem Grade mit einem hochkantig gestellten Rechteck übereinstimmt als die Fläche in Abb. 8. Man gewinnt somit ferner den Vorteil mit Schaufeln gemäß der Erfindung, daß dieselben, ohne in der Höhenrichtung vergrößert zu werden, ein größeres Trägheitsmoment und deshalb auch größere Festigkeit erhalten werden. Die Schaufein können somit bedeutend langer gemacht werden, wodurch auch die Bauart einer Turbine erleichtert wird.

Falls in Abb. 5 eine Mittellinie 25 durch die

Schaufel gezogen und in drei gleiche Teile abgeteilt wird, während die Linien 26 und 27 durch die Teilpunkte senkrecht zur Linie 25 gezogen werden, so wird das obere Drittel der Schaufel teils die größte Masse und teils die größte Breite erhalten. Bei den bisher verwendeten Schaufeln erhält dagegen der mittlere Teil die größte Masse und die größte Breite.

Angenommen, daß A den Schwerpunkt für

den Querschnitt bildet, hat somit die Schaufel ihre größte Stärke an der Einlaufseite der durch

45= diesen Schwerpunkt gehenden, senkrecht zur Ebene des Papiers gestellten Schwerpunktslinie.

Abb, 9 veranschaulicht, wie eine Schaufel

gemäß der Erfindung durch Wegnahme eines Teiles der bisher verwendeten Schaufehl geschaffen werden kann. Größere Teilung, d. h.

ein größerer Abstand zwischen den Schaufeln im Verhältnis zur Schaufelhöhe, kann somit erhalten werden. Hierdurch wird gewonnen, daß eine geringere Anzahl Schaufeln in der ganzen Turbine erforderlich wird. Die Teilung ist bei den gebräuchlichen Schaufelarten etwa o,7mal die Schaufelabmessung gewesen, in der Dampfströmungsrichtung gerechnet, kann aber nun gleich oder annähernd gleich der genannten Abmessung gemacht werden und zwischen den Grenzen 0,9 bis 1,2 liegen.

Diese Teilung muß sich bei einer Schaufelform gemäß der Erfindung im Verhältnis zur Höhe der Schaufeln oder bei einer radialbeapfschlagten Turbine zu der radialen Aus- Q₅ dehnung 28 der Schaufeln, Abb. 5 bis 8, wie k: Y sin α verhalten, wo k > 0,5 und α den Auslaufwinkel (Abb. 5) bezeichnet.

Schaufehl gemäß der Erfindung können somit derart ausgestaltet werden, daß die Verluste verhältnismäßig unabhängig von der Richtung des einkommenden Dampf Strahles werden. Der Wirkungsgrad der Schaufel wird deshalb von denjenigen Schwankungen und Geschwindigkeitsverhältnissen unabhängig, die bei Überlastung; verminderter Belastung oder schwankender Drehzahl der Turbine entstehen. Außerdem sind derartige Schaufehl an solchen Plätzen geeignet, an denen der Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes hoch ist, weil derartige Schaufeln teils widerstandskräftiger gegen Verschleiß sind und teils den veränderten Einlaufwinkeln angepaßt sind, unter welchen die Feuchtigkeit des Dampfes den Schaufeln zugeführt wird.

Da die Schaufeln in höherem Grade von dem Einlaufwinkel des Dampfes unabhängig sind, ist es nicht mehr, wie bei bekannten Turbinen der Fall ist, notwendig, daß Schaufeln in verschiedenen Größen beispielsweise mit einer radialen Abmessung von 5, 7 und 10 mm ausgeführt werden, und daß jede Abmessung Schaufelquerschnitten, die zu verschiedenen „ Ein- und in 10 verschiedenen Auslaufwinkeln passen, oder im ganzen etwa 30 verschiedenen Schaufelformen ausgeführt wird. .Schaufeln gemäß der Erfindung können alle in einer einzigen Größe mit einer radialen Abmessung von 10 mm ausgeführt werden, und nur 2 bis 3 Schaufelarten sind für verschiedene Richtungen und Geschwindigkeiten des Dampfes erforderlich. Bei Verwendung von Schaufeln gemäß der Erfindung braucht somit nur ¹Z₁₀ der früher erforderlichen Anzahl von Schaufelarten aufgelegt zu werden. Ferner kann die Anzahl Schaufeln innerhalb einer Turbine um 20 bis 4°°/o vermindert werden, indem größere Teilungen angewandt werden können.

Aus diesem Grunde kann es wirtschaftlich vorteilhaft sein, gänzlich gefräste Schaufeln auszuführen, die unmittelbar in den die Schaufeln in den Schaufelringen zusammenhaltenden Ringverbänden eingesetzt sind, wobei auch die äußeren Schaufellängen mindestens um 20°/₀ langer hergestellt werden können, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine in entsprechendem Grade gesteigert werden kann, oder, falls dieselbe Schaufellänge verwendet wird, während die radiale Höhe der Schaufel vermindert wird, kann die Geschwindigkeitsquadratsumme erhöht werden. Um eine Tür- = bine, beispielsweise eine Gegendruckturbine mit

Überlastungsmöglichkeiten, durch Vorbeileitung unter Beibehaltung eines guten Wirkungsgrades bei allen Verhältnissen zu erhalten, muß das

V Geschwindigkeitsverhältnis -p- groß sein. Mit Schaufeln gemäß der Erfindung kann dieses

V
Verhältnis -p- bis auf Werte erhöht werden, die größer als 0,8 sind, ohne daß die bei den früheren Bauarten entstandenen dünnen Schaufeln erhalten werden. Eine mit Schaufeln gemäß der Erfindung gebaute Turbine erhält ferner ein größeres Drehmoment im Anlaßaugenblick und kann somit besser z. B. als Kraftmaschine für den Antrieb von Lokomotiven verwendet werden, wodurch die Fähigkeit der Lokomotive, Steigungen zu überwinden, erhöht wird.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Laufradbeschaufelung für Dampf- oder Gasturbinen, bei welcher die Schaufehl an der Eintrittsseite stärker als an der Auslaßseite sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil aller Laufschaufeln zum Zwecke, ihre Gesamtzahl und die Zahl der verschiedenen Profile zu vermindern sowie den Wirkungsgrad der Turbine im ganzen gegen Belastungs- und Geschwindigkeitsveränderung unempfindlicher zu machen, über die ganze Schaufellänge an der Eintrittsseite statt der üblichen, einem bestimmten Einlaufwinkel entsprechenden Spitze bzw. schwach abgerundeten Spitze einen dicken, kräftig abgerundeten Kopf aufweist, dessen praktisch kreisförmige Wölbung an das Profil in der Nähe seiner größten Schaufelstärke anschließt, daß ferner die Schaufelkanäle, gemessen an der Einlaufseite, wesentlich breiter als an der Auslauf seite sind und sich nach dieser stetig verringern, und daß die Schaufelteilung mindestens das o,gfache der Schaufelbreite beträgt.
2. 2. Beschaufelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Krümmungslinie der Schaufel die Verbindungslinie der Einlaufkanten im Winkel von etwa 90° schneidet.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

   BERLIN CEDtIUCKT IN UKH