DE844013C

DE844013C - Unter Last mit stark veraenderlicher Drehzahl betriebene UEberdruck-Dampf- oder -Gasturbine, insbesondere Fahrzeugturbine

Info

Publication number: DE844013C
Application number: DER1864D
Authority: DE
Inventors: Karl Dr-Ing Roeder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1940-01-28
Filing date: 1940-01-28
Publication date: 1952-07-14

Description

Unter Last mit stark veränderlicher Drehzahl betriebene Uberdruck-Dampf- oder -Gasturbine, insbesondere Fahrzeugturbine Die beiden bekannten Schaufelformen mit Gleichdruck- und mit Überdruckwirkung unterscheiden sich unter anderem dadurch voneinander, daß in den Gleichdruckstufen die Leitschaufeln einen kleineren Austrittswinkel aufweisen als die Laufschaufeln, während bei den bekannten Überdruckstufen, auch Parsonsstufen genannt, beide Winkel und beide Profile gleich sind.
Theoretisch untersucht wurden auch Überdruckstufen mit größerem Austrittswinkel der Leitschaufel als der Laufschaufel, mit dem Ergebnis, daß die besonderen Vorteile dieser Schaufelungsart nicht erkannt worden sind. Diese bestehen nach den der Erfindung zugrunde liegenden Überlegungen und Rechnungen in der Erzielung besonders großer Drehmomente bei verringerter Drehzahl.
Gemäß der Erfindung werden unter Last mit stark veränderlichen Drehzahlen arbeitende Überdruckturbinen, z. B. Fahrzeugturbinen, mit 'Stufen ausgestattet, die im Leitschaufelkranz Profile von größerem Austrittswinkel als im dazugehörigen Laufschaufelkranz aufweisen. Die mit diesen Stufen über den ganzen Drehzahlbereich erzielbaren großen Drehmomente bedeuten einerseits ein erheblich größeres Anzugsmoment der mit ihnen ausgestatteten Turbinen oder Turbinenteile gegenüber den üblichen Gleichdruck- oder Überdruckstufen. Sie gewährleisten andererseits einen flacheren Verlauf der Wirkungsgradkurve über der Drehzahl und damit ein besonders wirtschaftliches Arbeiten über den ganzen Leistungs- und Drehzahlbereich.
In den Abb. i und 2 sind vier Schaufelungen einander gegenübergestellt, von denen die eine, 2a; in der üblichen Weise gleiche Schaufelprofile und damit auch gleiche Austrittswinkel für Leit- und Laufrad aufweist. Zu dieser Schaufelung gehören die, Geschwindigkeitsdreiecke mit den Seiten cl, zot, w2 und c2. Mit dieser üblichen Ausführung nach Parsons sind drei Stufen verglichen, die den gleichen Austrittswinkel der Laufschaufel von 2o° aufweisen. Die Austrittswinkel der Leitschaufeln sind aber größer gewählt, nämlich einmal zu 30°, 2b, und zweimal zu 4o°, 2c und 2a. Zur Durchführung der Rechnung, die nur ungefähre Vergleichswerte liefern soll, sind folgende Annahmen gemacht worden.
Die Strömungsverluste innerhalb der Schaufelkanäle sind vernachlässigt, ebenso die Schaufelstärke am Schaufelaustritt; für alle Stufen ist die gleiche Umfangsgeschwindigkeit und die gleiche und gleich vorteilhafte Richtung der absoluten Austrittsgeschwindigkeit aus der Laufschaufel c., nämlich normal zur Umfangsgeschwindigkeit, zugrunde gelegt.
Diese Strömungsrichtung entspricht einer guten Ausnutzung der Strömungsenergie in den Stufen. Die Geschwindigkeitspläne in Abb. t sind in Abb. 2 durch die Profilpläne ergänzt, und zwar gehört 2a zur Leitschaufel mit 20', 2b Zur Leitschaufel mit 30° (mit ' bezeichnet) und 2c zur Leitschaufel mit 40° (mit " bezeichnet): Die Abbildungen zeigen die starke Abnahme der Umlenkung im Laufrad beim Übergang auf -größere Austrittswinkel der Leitschaufeln.
Gegenüber der Ausführung mit gleichen Profilen entsteht durch den Übergang vom Leitschaufelwinkel 2o° auf 3o° eine Verkleinerung der Umlenkung im Laufrad von 7o° auf 2411= und beim Übergang auf 4o° sogar auf 121z'°'. Auch die Umlenkung im Leitrad ist kleiner als bei der Parsonsschaufelung. Da bekanntlich die Strömungsverluste von der Größe dieser Umlenkung stark abhängig sind, so wird durch den Übergang auf die größeren Leitschaufelwinkel eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt. Gleichzeitig führt dieser Übergang auf niedrigere absolute Geschwindigkeiten, was ebenfalls für dieUmsetzung günstig ist. Dieser Vorteil besteht in gleicher Weise bei Kraft- und Arbeitsmaschinen; also nicht nur bei Dampf- und Verbrennungsturbinen, sondern auch bei Verdichtern und Gebläsen; die derartige Stufen verwenden.
Die neue Schaufelung nach der Erfindung weist außer diesem Vorteil, der übrigens auch schon den eingangs erwähnten bekannten Schaufelungen eigentümlich ist, vor allem den erheblichen Vorteil der Erzielung besonders großer Drehmomente bei stark verringerter Drehzahl auf, der beim Anfahr-und Beschleunigungsvorgang unter Last, wie er beispielsweise bei Fahrzeugturbinen durchzuführen ist, ausgenutzt wird. Um das Anzugsmoment festzustellen, soll vorerst bei den frei untersuchten Überdruckstufen angenommen werden, daß sämtliche Kanäle bei allen Drehzahlen mit strömendem Dampf gefüllt sind. Bei der Umfangsgeschwindigkeit Null fällt die relative Eintrittsgeschwindigkeit ins Laufrad in die Richtung der absoluten Austrittsgeschwindigkeit aus dem Leitrad und die absolute Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad in die Richtung der relativen. Bei den verlustlos angenommenen Vorgängen ist bei der Parsonsschaufelung (a x = ß 2) das rechnungsmäßige Anzugsmoment dem zweifachen Drehmoment bei derjenigen Drehzahl gleich, bei der der Dampf senkrecht zur Umfangsrichtung aus der Stufe austritt. Es wächst bei Vergrößerung des Leitschaufelaustrittswinkels um io° auf das 2,6fache und um 2o° auf das 3,3fache.
Die angegebenen Zahlen haben, wie schon aus den getroffenen Annahmen hervorgeht, nur Vergleichswert. Zur Feststellung exakter Zahlen müßte der geänderte Zustandsverlauf des sich entspannenden Dampfes berücksichtigt werden. An die Stelle der bei voller Drehzahl sich von der Adiabate wenig unterscheidenden Entspannungslinie tritt bei n = o die Drossellinie.
Eine Gruppe solcher Überdruckstufen kann mit besonders gutem Erfolg als Anfahr-, Beschleunigungs- und Manövrierturbine verwendet werden, wenn sie mit entsprechend ausgebildeten Untersetzungsgetrieben mit dem Fahrzeug verbunden ist. Ein solcher Anfahr- und Beschleunigungsturbosatz für Fahrzeuge weist vorteilhaft ein abschaltbares Zahnräderwechsel- und -wendegetriebe auf, über das die Turbine ihre Energie an die Treibräder weiterleitet. Der den Turbosatz verlassende Dampf umgeht zweckmäßig beim Anfahren die Stufen der Hauptturbine und durchströmt diese beim weiteren Beschleunigen des Fahrzeugs teilweise oder ganz. Wenn die die Anfahrturbine bildende Überdruckstufengruppe bei großer Geschwindigkeit des Fahrzeugs ausgeschaltet wird, sollen die Profilformen auf der Dampfeintrittsseite nicht nach den Erfordernissen der hohen Drehzahlen, sondern nach den Strömungsverhältnissen beim Anfahr- und Beschleunigungsvorgang bemessen werden. Dabei entstehen Leitradprofile, die im Gegensatz zu der üblichen Ausführungsform mit kleineren Eintritts- als Austrittswinkeln ausgebildet sind (Abb.2d).

Claims

PATENTANSPRI`CHF: i. Unter Last mit stark veränderlicher Drehzahl betriebene Überdruck-Dampf- oder -Gasturbine, insbesondere Fahrzeugturbine, mit Stufen; in denen die Leitschaufeln größere Austrittswinkel als die Laufschaufeln besitzen.
2: Turbine nach Anspruch i als Anfahr- und Beschleunigungssatz.
3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterleitung der von ihr erzeugten Energie über ein abschaltbares Geschwindigkeitswechsel- und -wendegetriebe erfolgt.
4. Turbine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Anfahr- und Beschleunigungssatz verlassende Dampf beim Anfahren die Stufen der Hauptturbine umgeht und beim weiteren Beschleunigen die Hauptturbine teilweise oder ganz durchströmt.
5. Turbine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daB die Eintrittswinkel der Leit- und Laufschaufeln nicht nach den Erfordernissen bei voller Drehzahl, sondern nach den Strömungsverhältnissen beim Anfahr- und Beschleunigungsvorgang bemessen sind.
6. Turbine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daB die Leitschaufelprofile kleinere Eintritts- als Austrittswinkel aufweisen. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 3t2 856; Paul W a g n e r, »Der Wirkungsgrad von Dampf -turbinenbeschaufelungen«, Berlin 1913, Abb. 64, 67, 70, 75 und 87 bis g1.