DEP0044483DA - Schaufelprofil für Entspannungsstufen mit Überdruckwirkung, insbesondere für Dampf- oder Gasturbinen - Google Patents

Description

Übliche Profilformen und Umfangsteilungen der Schaufelgitter von Turbinen, die für einen bestimmten Betriebszustand, d.h. für ein bestimmtes Verhältnis der Schaufel- zur Strömungsgeschwindigkeit, also für eine bestimmte Schnellaufzahl unter Beachtung des sog. stossfreien Eintritts ausgelegt sind, bilden Strömungswege, deren Eintritt für die Strahlbeschleunigung wirkungslos ist und den Strahl nur auffängt und die nur auf einem kurzen Teil des Weges, am Austritt, den Strahl beschleunigen. Die vorliegende Erfindung will sie ersetzen durch Profilgitter, die Strömungswege darbieten, die über einen großen Bereich von Schnellaufzahlen gute Strömungsverhältnisse aufweisen. Sie sollen dem Strömungsmittel auch bei stark voneinander abweichenden Anströmrichtungen eine beschleunigende Strömung aufzwingen, die sich nicht auf den Kanalteil vor dem Austritt aus dem Kanal beschränkt, sich vielmehr über den ganzen Strömungsweg erstreckt. Die Ausbildung des Schaufelkopfes und seine Neigung zur ankommenden Strömung soll auch die Strömung zwischen den Gittern beeinflussen. Ausserdem soll die zusätzliche Entspannung des Mittels innerhalb des Gitters, die auf die durch die gebogene Strömungsbahn erzwungene Rückverdichtung folgt und von der aktiven Schaufelseite ausgeht, sich bei den verschiedenen Schnellaufzahlen durch unbehinderte Weiterdrehung des Dampfes entfalten können, ohne durch die Rückseite der Nachbarschaufel behindert zu werden.

Die Erfindung besteht darin daß der an den wohlgerundeten Profilkopf anschliessende Profilverlauf auf der Bauchseite für die Strömung bei höchster Schnellaufzahl u/c, aber derjenige auf der Rückseite für die Strömung bei niedrigster Schnellaufzahl u/c gestaltet wird.

Daraus ergibt sich die Profilbegrenzung, abhängig von den Anströmrichtungen bei diesen Grenzzuständen. Dabei ist für die Ausbildung der Profilform und für die Wahl der Gitterteilung die mit der Ablenkung des Dampfstrahles zusammenhängende örtliche Druckerhöhung im Kanal zu beachten, da die ihr unmittelbar folgende, mit Volumenzunahme verbundene Entspannung richtungsändernd auf die Strömung des Treibmittels wirkt, sie quer überlagert.

Wird Gitterteilung und Profilform nicht derart ausgebildet, daß die mit dieser Entspannung verbundene Strahldrehung ungehindert sich auswirken kann, so lenkt der benachbarte Schaufelrücken die Strömung ab, sodaß die gewonnene Umfangskraft im betrachteten und im darauffolgenden Gitter kleiner wird.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß an die Stelle der bisher als vorteilhaft angesehenen Parallelführung auf der Austrittsseite eine Profilbegrenzung durch Bögen tritt, deren Tangenten am Profilende einen Winkel miteinander einschliessen, der der zusätzlichen Strahldrehung Rechnung trägt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen dargestellt. Darin zeigt:

Abb. 1 eine Strömungsweg zwischen zwei erfindungsgemäßen Profilen, in dem die Strömungslinien und die Linien gleichen Druckes eingezeichnet sind,

Abb. 2 einen Strömungsweg zwischen erfindungsgemäßen und nicht erfindungsgemäßen Profilen,

Abb. 3 und 4 Strömungswege gemäß der Erfindung bei zwei verschiedenen Anströmwinkeln.

In der Abb. 1 ist die Strömung im Kanal einer Turbine für elastische Strömungsmittel - nur dem Charakter, nicht dem Grade nach - dargestellt. Der Strahl ist durch die angedeuteten Stromlinien 1 bis 5 in

Teilstrahlen zerlegt, die unendlich schmal zu denken sind. Nur der Strahl 1-2 wirkt unmittelbar auf das Schaufelprofil. Die Umlenkung der übrigen Strahlen und die Übertragung ihres Umfangsdruckes auf die Schaufel kann nur durch eine Verdichtung der Nachbarstrahlen auf der Bauchseite einschließlich des Strahles 1-2 erfolgen.

So entsteht eine Druckverteilung innerhalb des Kanales, die in der Abbildung durch die Linien gleichen Druckes p(sub)1 bis p(sub)7 angedeutet ist. Diese sog. Rückverdichtung führt zu einem Druckgefälle innerhalb des Strömungskanales, dessen anschliessende mit Volumenzunahme verbundene Entspannung in Richtung y abgelenkt wird und sich richtungsändernd auf der Treibmittel auswirkt. Sie hat zur Folge, daß die Austrittsrichtungen des Strahles stärkeren Winkeländerungen entsprechen als die Krümmung der Bauchseite des Profiles erwarten lässt.

Die größten Änderungen der Anströmrichtung treten bei den sogenannten Regelstufen auf. Diesen stehen im Betrieb verschieden große Gefälle zur Verfügung, und die Profile arbeiten mit großen Verschiedenheiten in den Anströmrichtungen. Ausserdem sind sie stärkeren Biegungsbeanspruchungen ausgesetzt, die mit dem bei Lastaufnahme zunehmenden Reaktionsgrad zusammenhängen.

In Abb. 2 sind zwei durch Schraffur hervorgehende Profilformen a und b dargestellt. a zeigt die übliche Ausbildung für stoßfreien Eintritt bei der Anströmrichtung (Alpha)(sub)1 mal b ist nach den neuen Gesichtspunkten gestaltet und gilt für alle Anströmrichtungen zwischen (Alpha)(sub)1 und (Alpha)(sub)2. Dieses Profil ist für den Laufkranz einer Regelstufe gedacht, bei dem die Vollastanströmrichtung (Alpha)(sub)1 in die Teillastrichtung (Alpha)(sub)2 übergeht. Die eingezeichneten Kreise d(sub)1, d(sub)2, e, f und g zeigen die Verengung des Strömungsquerschnittes über den Strömungsverlauf, und zwar von der Vollastanströmung mit Kreis d(sub)1 bis zur Teillastanströmung mit Kreis d(sub)2.

Die Profilform b ist nicht nur strömungstechnisch, sondern auch vom Festigkeitsstandpunkt aus günstiger als die Profilform a, weil sie ein grösseres Widerstandsmoment hat und das spitze Eintrittsende vermeidet.

Da die Änderung der Anströmrichtung beim ersten Laufkranz am kleinsten ist und da die Beanspruchungen der später durchströmten Kränze beim Übergang auf Teillast stärker steigen, wird vorgeschlagen, bei mehrkränzigen Regelstufen die verwendeten Profile für einen umso größeren Bereich der Anströmrichtungen auszubilden, je weiter sie von den Düsen abliegen, und zwar auf der Bauchseite unter Beachtung der Strömung bei Vollast, auf der Rückenseite unter Berücksichtigung der Strömungszustände, wenn das zuerst öffnende Düsenventil allein offen ist.

Die Abbildungen 3 und 4 zeigen Schaufelprofil a für einen großen, gezeichneten Bereich der Anströmrichtungen. Die Grenzen der gesunden Strömung sind angegeben unter Berücksichtigung der Stauschicht i vor dem Kopf, der Grenzschichten k an den Profilwänden und der zu bekämpfenden Wirbelschleppe 1 hinter den Profilenden. Die gesunde Strömung verläuft bei beiden gezeichneten Anströmrichtungen zwischen sich ununterbrochen verengenden Strömungsquerschnitten.

Abb. 3 gilt für hohe, Abb. 4 für niedere Schnellaufzahl.

Claims (6)

1.) Schaufelprofil für Entspannungsstufen mit Überdruckwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln solche Form und Teilung haben, daß sie dem Strömungsmittel für einen großen Bereich von Anströmrichtungen eine - abgesehen von der Verdichtung durch Strahlablenkung - sich praktisch ununterbrochen beschleunigende Strömung aufzwingen und eine störungsfreie Entspannung durch die Strahlablenkung verursachten Rückverdichtung gewährleisten.

2.) Schaufelprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Profileinlauf auf der Bauchseite in den wohlgerundeten Profilkopf für ablösungsfreie Strömung bei höchster vorgesehener Schnellaufzahl u/c gestaltet ist.

3.) Schaufelprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Profileinlauf auf der Rückseite in den wohlgerundeten Profilkopf für ablösungsfreie Strömung bei niedrigster vorgesehener Schnellaufzahl u/c gestaltet ist.

4.) Schaufelprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an den kräftigen wohlgerundeten Profilkopf anschliessende Profilverlauf auf der Bauchseite für ablösungsfreie bei Vollast gestaltet ist.

5.) Schaufelprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an den kräftigen wohlgerundeten Profilkopf anschliessende Profilverlauf auf der Rückseite für ablösungsfreie Strömung bei der Teillast gestaltet ist, bei der das zuerst öffnende Düsenventil allein offen ist.

6.) Schaufelprofil für mehrkränzige Entspannungsstufen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend den mit der Belastung sich ändernden Anströmrichtungen und Dampfdrücken die Profile für einen umso größeren Bereich von Anströmrichtungen ausgebildet sind, je weiter die Schaufeln von den Düsen abliegen.