-
Beschaufelung für Dampf- oder Gasturbinen Die Erfindung beschäftigt
sich mit der Durchbildung der Beschaufelung von Turbinen, in denen das Arbeitsmittel
teils mit höherer, teils mit niederer als Schallgeschwindigkeit strömt, und besteht
darin, daß die mit Überschallgeschwindigkeit angeströmte Beschaufelung scharfe Anströmkanten
aufweist, während die mit Unterschallgeschwindigkeit beaufschlagten Stufen abgerundete
Anströmkanten besitzen. Die Erfindung geht dabei von folgenden Überlegungen aus:
Es hat sich eingebürgert, die Beschaufelung von Turbinen in zwei große Gruppen einzuteilen,
nämlich in Gleichdruckbeschaufelungen und überdruckbeschaufelungen. Der. Unterschied
wird darin erblickt, daß bei der Gleichdruckbeschaufelung die Umsetzung des Druckgefälles
in Geschwindigkeit nur in der ruhenden Düse erfolgt und die Kraftumsetzung im Laufrad
durch Umwandlung der Geschwindigkeit in Arbeit vor sich geht, während bei der Überdruckbeschaufelung
nur ein Teil des Druckgefälles in der Düse umgesetzt wird, während die restliche
Umsetzung in der Laufschaufel vor sich geht. Man muß jedoch, wenn man diese Beschaufelungen
von einem höheren Blickpunkt aus betrachtet,
sagen, daß diese Unterscheidung
mehr oder weniger willkürlich ist. denn die Wirkung des finit hoher Geschwindigkeit
in die Beschaufelung einer Überdruckturbine eintretenden Dampfstrahles ist in ähnlicher
Weise wie bei der Gleichdruckbeschaufelung vorhanden, und andererseits finden in
der Gleichdruckbeschaufelung Druckumsetzungen statt, schon deshalb, weil bei der
Umlenkung des Strahls in der Gleichdruckbeschauielung Geschwindigkeit in Druck umgeformt
und dieser Druck dann wieder in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Eine scharfe Grenze
lädt sich also zwischen den beiden Beschaufelungen überhaupt nicht ziehen. vor allem.
wenn man noch berücksichtigt. daß der sogenannte Reaktionsgrad. d.li. das Verhältnis
des in der Düse umgesetzten Wärmegefälles zti dem in der Lautschaufel umgesetzten
Druckgefälle, bei den einzelnen Beschaufeltingen ganz verschieden sein kann.
-
Wenn man so mit der bisherigen Unterscheidung der Beschaufelungen
nicht recht weiterkommt, ergibt sich ein technisch sehr scharfer Unterschied, wenn
man von der Größe der Strömtingsgeschwilidigkeit ausgeht; denn hier liegt eine scharfe
Grenze in der Stralilgeschwindigkeit. Es wird Stufen geben, die mit t berschalIgeschwindigkeit,
und andere Stufen. die mit Unterschallgeschwindigkeit angeströmt «-erden. Diese
verhalten sich null ganz verschieden.
-
Die Beschaufelung einer Turbine ist für einen bestimmten Anströmwillkel
berechnet und hat ihren günstigsten Wirkungsgrad dann. wenn dieser Winkel betrieblich
auftritt. Bei Abweichungen des Anströmwinkels voll dem rechnungsmäßig festgelegten
tritt ein Stob auf. Hieraus ergibt sich die bekannte Erscheinung, daß der Wirkungsgrad
mit fallender Last abnimmt. Die Untersuchungen, die in dieser Richtung angestellt
worden sind, haben ergeben, daß man zu recht günstigen Verhältnissen kommt, wenn
man dem Dampf gewissermaßen die Möglichkeit gibt, sich selbst das günstigste Anströmprofil
zu bilden. Das läßt sich erreichen, wenn man die Eintrittskanten der Schaufeln in
bekannter Weise verhältnismäßig stark abrundet. Dann gehen nämlich von dieser angeströmten
runden Kante Druckstörungen gegen die Anströmrichtung des Arbeitsmittels aus, die
eine Art Staukegel bilden. An diesen Staukegel schmiegt sich dann die eigentliche
Strömung an und wird sanft und ohne starke Richtungsänderungen in den Schaufelkanal
geführt. Derartige Beschaufelungen zeigen also auch bei Teillasten, bei denen die
Anströmrichtung unter Umständen sehr stark von der rechnungsmäßig festgelegten Richtung
abweicht, recht hohe Wirkungsgrade. Diese überlegulig versagt jedoch völlig bei
der mit Cberschallgeschwindigkeit angeströmteil Schaufel. Hier würde die Prallwirkung
des mit hoher Geschwindigkeit strömenden Arbeitsmittels auf die Schaufelfläche wegen
des auftretenden Verdichtungsstoßes zu so hohen Strömungsverlusten führen. daß eine
solche Beschaufelung unbrauchbar wäre.
-
Diese Überlegungen führen null zu einer neuen Gestaltung einer mehrstufigen
Beschaufelung, die sich insbesondere günstig auf mehrstufige Gleichdruckturbinen
auswirkt.
-
E Die Cberlegungen führen nämlich zu der neuen Bauregel, die mit L
berschallgeschwindigkeit angeströmten Schaufeln mit scharfen Anströmkanten, die
mit U literschallgeschwindigkeit angeströmten Schaufeln mit gut abgerundeten Kanten
zu versehen und in der Weiterbildung dieses Gedankenganges den mit Unterschallgeschwindigkeit
angeströmten Schaufeln Tragflügelproiil zu geben.
-
Die -usccirkungen der Erfindung seien all einigen Ausführungsbeispielen
erläutert.
-
In Fig. i ist eine Gleichdruckbeschaufelung dargestellt mit den durch
die Schaufeln 14 gebildeten Düsen i5. der ersten Laufschaufelreihe 16, der Umlenkbeschaufelung
17 und dem zweiten Laufkranz 18. Das die Düsen 15 verlassende Arbeitsmittel strömt
mit Überschallgeschwindigkeit. Infolgedessen ist die Beschaufelung 16 entsprechend
den eben dargelegten Gedankengängen mit scharfen Eintrittskanten ig versehen, die
also dem anströmenden Arbeitsmittel nur eine geringe Stoßfläche bieten. Auch nach
dem Austritt aus der Leitbeschaufelung 16 hat das Arbeitsmittel noch C berschallgeschwindigkeit,
so daß auch die Umkehrschaufeln 17 scharfe Eintrittskanten besitzen. Da nun voraussetzungsgemäß
hinter der Umkehrbeschaufelung 17 die Geschwindigkeit auf Unterschallgeschwilidigkeit
abgeklungen sein soll, so sind jetzt gemäß der Erfindung die Schaufeln 18 nicht
mehr als halbmondförmige Schaufeln mit scharfen Eintrittskanten wie die Schaufeln
16, sondern tragflügelähniich mit stark abgerundeten Eintrittskanten ausgebildet.
Hier liegt ein Gegensatz zu den bisher bekannten Bauformen vor, denn man kennt bis-
, her bei zweikränzigen, sogenannten Curtisrädern nur die scharfkantigen Profile,
nicht aber derartige abgerundete Tragflügelprofile.
-
Die Beschaufelung nach Fig. 2 zeigt Schaufelprofile nach den Vorschlägen
von P r a n d t 1- i M e v e r. Der erste Teil der Beschaufelung ist wieder mit
den scharfen Eintrittskanten versehen, da hier Überschallgeschwindigkeit herrscht.
Hinter der ersten Laufschaufelreihe herrscht bereits Unterschallgeschwindigkeit,
i so daß jetzt nicht mir die zweite Laufschaufelreihe 18, sondern auch die Umkehrbeschaufelung
1711
abgerundete Eintrittskanten und tragflügelähnliche Profile besitzt.
-
In Fig. 3 ist der Schaufelplan einer mehrstufigen Gleichdruckturbine
dargestellt, und zwar ist io die Beschaufelung eines Curtisrades, während i i und
12 die Beschaufelungen zweier einkränziger Gleichdruckräder darstellen. Die Beschaufelung
io entspricht der der Fig. i. Da voraussetzungsgemäß in allen weiteren Stufen die
Schallgeschwindigkeit nicht erreicht werden soll, sind diese Stufen, obgleich es
sich um Gleichdruckstufen handelt, mit tragflügelähnlichen Profilen ausgerüstet.
Man erkennt den wesentlichen Unterschied gegenüber den bisher gebräuchlichen Beschaufelungen.
-
Fig. q. stellt demgegenüber eine Beschaufelung dar, bei der auf das
Curtisrad ioa eine Überdruckbeschaufelung folgt. Die Beschaufelung ioa entspricht
dabei den Voraussetzungen der Fig. 2, d. h. nach dem ersten Laufkranz herrscht bereits
Unterschallgeschwindigkeit, so daß die Umkehrschaufel und der zweite Laufschaufelkranz
Tragflügelprofile aufweisen. Der Unterschied zwischen den Schaufelungsteilen i i
und i2 der Fig. 3 einerseits und dem Schaufelkranz 13 der Fig. 4. andererseits
liegt lediglich in der Wahl des Verhältnisses o : s. Wenn man nämlich das Verhältnis
so wählt, daß in der Laufbeschaufelung keine Umsetzung von Druck in Geschwindigkeit
stattfindet, so erhält man eine Gleichdruckbeschaufelung, während,, wenn man auch
in der Laufbeschaufelung eine solche Druckumsetzung hervorruft, das Ergebnis eine
Überdruckbeschaufelung ist. Auch diese Überlegung zeigt, daß der grundsätzliche
Unterschied in der Beschaufelung nicht unbedingt in den Energieumsetzungsverhältnissen
zu liegen braucht, sondern daß man zu einer einheitlichen Betrachtung der Beschaufelung
auch kommen kann, wenn man lediglich von dem Gesichtspunkt der Überschall- und Unterschallgeschwindigkeit
ausgeht.