DEP0054515DA - Gas- oder Dampfturbinenschaufel für radiale Beaufschlagung - Google Patents

Description

Die Profile für Gas- oder Dampfturbinenschaufeln sind sowohl nach strömungstechnischen als auch nach festigkeitstechnischen Gesichtspunkten zu entwickeln. Die letzteren bekommen besondere Bedeutung bei radialer Beaufschlagung. Erfindungsgemäß wird im folgenden eine Profilform vorgeschlagen, die den genannten Gesichtspunkten in viel weitergehendem Maße Rechnung trägt als die bisher bekannt gewordenen. Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens sollen in folgendem die jeweils in Frage kommenden Verhältnisse und der Stand der bezüglichen Technik angeführt werden.

Die Ausführungen beschränken sich dabei, wie es auch für die Beschreibung der Erfindung selbst gilt, auf das Ueberdruckprinzip und im wesentlichen auf die Verhältnisse, wie sie in der Beschaufelung von Gegendruckturbinen oder Hochdruckteilen von Kondensations-Turbinen auftreten.

In strömungstechnischer Hinsicht sind die Profile so auszubilden, daß der Umsatz der Strömungsenergie in mechanische Arbeit mit möglichst geringen Verlusten verbunden ist. Bei sorgfältig- ster Ausführung der Beschaufelung beschränken sich die Verluste - soweit sie hier in Frage kommen - im wesentlichen auf folgende: Stoßverluste auf der Schaufeleintrittsseite, Reibungsverluste an den Schaufelwänden, Umlenkverluste, Austrittsverluste durch die endliche Dicke der Schaufelaustrittskante. Dabei haben die größten Verluste ihre Ursache in Ablösungserscheinungen an den Kanalwandungen. Solche Ablösungen können auftreten kurz hinter der Schaufeleintrittskante, wenn die Anströmrichtung des Treibmittels von der Richtung der Eintrittstangente des Schaufelprofils abweicht, und an den Stellen im Schaufelkanal, an denen die wandnahen Teile durch Strömung in Strömungsrichtung verzögert werden, verzögerte Strömung an einer konkaven Wand führt leichter zu Ablösungserscheinungen als an einer konvexen Wand. Dieses findet seine Erklärung darin, daß bei einer konvexen Wandkrümmung die wandnahen Teile der Strömung, abgesehen von der Grenzschicht, eine höhere Geschwindigkeit aufweisen als die weiter entfernten, während bei einer konkaven Wand das Gegenteil der Falle ist. Verzögerte Strömung mit oder ohne Ablösungserscheinungen ist lediglich eine Frage des Impulsaustausches der einzelnen Elemente in Wandnähe, der wiederum von der Größe der dort herrschenden Geschwindigkeit und des dort erfolgenden Druckanstieges bedingt ist. Auch die endliche Schaufeldicke der Austrittskante bedingt ein Wirbelgebiet in der Treibmittelströmung.

In den drei angeführten Fällen handelt es sich also immer um Energieverluste durch Wirbelbildung. Diese Verlustquellen hat man durch folgende Maßnahmen zu unterbinden versucht. Auf der Schaufeleintrittsseite wurde durch Abrundung des Profils eine ausgesprochene Eintrittsrichtung vermieden. Die Dicke der Schaufelaustrittskante hat man durch besondere Verfahren immer mehr zu verringern verstanden. Für die Gestaltung des eigentlichen Schaufelkanals hat man sich damit begnügt, diesen mit einer stetigen Verjüngung in Strömungsrichtung auszuführen. Mit diesen Mitteln ist es in der Tat gelungen, strömungstechnisch recht günstige Schaufelprofile zu gewinnen. Ihre maximalen und minimalen Trägheitsmomente unterscheiden sich aber noch sehr stark voneinander. Dabei ist bei radialer Beaufschlagung der Schaufel in Richtung des minimalen Trägheitsmomentes einer erheblichen Fliehkraftkomponente ausgesetzt, deren Wirkung durch die nicht zweckgerechte Gestaltung der gleichzeitig Belastung und Widerstand gegen Biegung gebenden Fläche des Schaufelquerschnittes noch stark erhöht wird. Deshalb genügen diese bekanntgewordenen Schaufelprofile keinesfalls den festigkeitstechnischen Anforderungen, die bei radialer Beaufschlagung gestellt werden müssen, wenn man nicht zusätzliche, die Bauart sehr empfindlich und teuer machende Elemente verwenden will. Solche Elemente sind z.B. Schaufeltragringe. Das Prinzip der radialen Beaufschlagung gewinnt wesentlich größere Bedeutung wenn es gelingt, nicht nur Schaufeltragringe entbehrlich zu machen, sondern auch Umfangsgeschwindigkeiten bei den notwendigen Schaufellängen und Breiten zu erreichen, die höher liegen als die, die bei Verwendung von Schaufeltragringen möglich sind.

Die im folgenden beschriebene Schaufelform erfüllt die angeführten strömungs- und festigkeitstechnischen Anforderungen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß sich das Profil der Schaufel im wesentlichen aus dem Profil einer Kreis- oder kreisähnlichen Fläche und dem einer Austrittsschenkelfläche zusammensetzt und daß die so profilierte Schaufel einen Hohl- raum erhält. Dabei soll im einzelnen die Schaufel oder das Profil nach folgenden weiteren Gesichtspunkten gestaltet werden. Zunächst soll die Kreis- oder kreisähnliche Fläche des Profils mindestens dreimal so groß sein als die Fläche des Austrittsschenkels. Dies Verhältnis kann noch wesentlich größer werden. Dann unterscheiden sich die Trägheitsmomente des Schaufelquerschnittes nur noch unwesentlich von dem eines zylindrischen Stabes. Ein zylindrischer Stab hat die Eigenschaft, daß es hier kein maximales und minimales Trägheitsmoment gibt, sondern daß dieses Moment für jede beliebige Achsenrichtung gleich groß ist und relativ beträchtliche Werte besitzen. Diese Eigenschaft des Profilquerschnittes ist bei radialer Beaufschlagung von entscheidender Bedeutung. Bei den üblichen Schaufelprofilen ergibt sich - wie weiter oben bereits ausgeführt - ein maximales und minimales Trägheitsmoment, die bei radialer Beaufschlagung einer sogenannten schiefen Belastung durch die Schaufelfliehkräfte ausgesetzt werden. In Richtung des minimalen Trägheitsmomentes wirkt dann eine Fliehkraftkomponente, die sehr hohe Spannungen verursacht und bei einseitiger Einspannung der Schaufel, also bei Vermeidung von Schaufeltragringen, den Grund darstellen, warum eine so ausgeführte Beschaufelung nur für unzulänglich geringe Umfangsgeschwindigkeiten verwendet werden kann.

Vom festigkeitstechnischen Standpunkt aus gesehen kommt es weiter darauf an, die das Kreisprofil belastenden Massen, wie sie durch den Schaufelaustrittsschenkel gebildet werden, möglichst gering zu halten. Die Austrittsschenkelfläche ist deshalb - wie erwähnt - im Verhältnis zur Kreisfläche des Profils möglichst klein zu halten. Damit erhält man sehr dicke und gedrungene Profilformen, so daß eine ausgesprochene Dampfführung am Ende des Schaufelkanals entfällt. Eine derartige Führung ist aber auch nicht notwendig wie eine Reihe strömungstechnischer Versuche gezeigt hat. Der Dampf hat bei richtiger Gestaltung des Schaufelrückens an dieser Stelle keine Tendenz zur Ablösung. Im Gegenteil treten durch die Verkürzung des Schaufelaustrittsschenkels weitere Verlustminderungen ein. Um das Verhältnis der Kreisfläche zur Schenkelfläche weiter zu verringern, soll die Schenkelbegrenzung auf beiden Seiten eine konkave Wölbung aufweisen. Der Profilrücken ist damit gegen seine Austrittsseite hin leicht S-förmig geschwungen. Diese Gestaltung des Schaufelrückens hat aber nicht nur festigkeitstechnische sondern auch strömungstechnische Vorteile. Diese liegen darin, daß einmal die Ablösungsgefahr im Schrägabschnitt - insbesondere kurz vor der Schaufelaustrittskante - weiter verringert wird und weiter die sonst notwendige Winkelübertreibung praktisch entfällt.

Die festigkeitstechnischen Eigenschaften der so profilierten Schaufel werden durch die hohle Ausbildung der Schaufel wesentlich gesteigert, da es so möglich wird, die belastenden Massen in weit größerem Umfang herabzusetzen als das Widerstandsmoment. Zur besonderen Gestaltung des Schaufelhohlraumes ist folgendes auszuführen: Erfindungsgemäß kann sich dieser Schaufelhohlraum vom freien Ende gegen den Fuß der Schaufel hin verjüngen. Wenn dies erforderlich ist, wird den festigkeitstechnischen Anforderungen an die Schaufel in sofern besser entsprochen werden, als dann das Widerstandsmoment mit wachsendem Biegungsmoment zunimmt. Für nur auf einer Seite gehaltene Laufschaufeln wird es sehr vorteilhaft, den Schaufelhohlraum nur bis in die Nähe des Schaufelfußes zu führen. Der

Schaufelquerschnitt ist dann am Schaufelfuß, wo die Schaufelfliehkräfte keine Momente mehr erzeugen, voll erhalten und besitzt das größtmögliche Trägheitsmoment. Aus herstellungstechnischen Gründen ist es am einfachsten, den so gestalteten Schaufelhohlraum durch Ausbohren der Schaufel herzustellen. Die beschriebene Schaufelform ergibt aber auch noch Vorteile für die Befestigung der Schaufel im Schaufelträger. Es wird möglich, die Schaufel an ihrer Fußseite auf einer bestimmten Länge genau kreiszylindrisch zu gestalten, was z.B. durch Abdrehen des Austrittsschenkels möglich wird, ohne daß festigkeitstechnische Nachteile auftreten, da je der Schaufelfuß ohne Bohrung ausgeführt werden kann. Zur Befestigung der so geformten Schaufel im Schaufelträger wird es nur noch notwendig, entsprechende Löcher im letzteren vorzusehen. Damit entfallen auch Zwischenstücke jeglicher Art zwischen den Schaufelfüßen. Bei scheibenförmigem Schaufelträger wird man zweckmäßig, diesen in mehrere Teile so auflösen, daß man an einer vollen dicken Tragscheibe eine Anzahl schmaler konzentrischer Ringe, deren jeder eine Anzahl Schaufelreihen trägt, befestigt. Die Bohrungen zur Aufnahme der Schaufelfüße können dann durchgehend gestaltet werden, so daß es möglich wird, die Schaufelfüße auf der Rückseite dieser Schaufelträger gegen Herausfallen oder Verdrehen der Schaufeln durch Verstemmen oder durch eine andere dasselbe bewirkende Maßnahme zu sichern.

Die gemäß der Erfindung gestaltete Schaufel hat also nicht nur strömungs- und festigkeitstechnische Vorteile, sondern darüber hinaus noch eine Reihe Vorteile fertigungstechnischer Art, die einen einfachen Aufbau und geringe Herstellungskosten gewährleisten.

Die Abb. 1 und 2 zeigen Beispiele von Schaufelprofilen erfindungsgemäßer Art. In Abb. 1 sind Kreis- und Schenkelflächen, aus denen sich das Schaufelprofil zusammensetzt, durch verschiedene Schraffur kenntlich gemacht. Die Abb. 2 zeigt ähnliche Profile für Schaufeln mit Hohlraum. Hier ist beispielsweise der Schaufelhohlraum durch Bohrung entstanden und zwar in der linken Schaufel durch eine größere und kleinere und in der rechten Schaufel nur durch eine einzige Bohrung. Die gestrichelte Linie (1) in der rechten Schaufel ergibt mit dem kreisförmig gestalteten Teil des Schaufelprofils die kreiszylindrische Begrenzung des Schaufelfußes. Die Linien a und b geben den ungefähren Verlauf des ein- bzw. austretenden Treibmittelstrahles für einen Schaufelkanal an. Der Schaufelrücken im Schrägabschnitt - zwischen den Punkten c und d - ist leicht S-förmig geschwungen.

Die Abb. 3 zeigt die Schaufel mit Profil nach Abb. 2 in Ansicht und zwar in Richtung des Pfeiles x gesehen. Die schraffierte Fläche (2) stellt den geschnittenen Schaufelträger dar. Der kreiszylindrische Schaufelfuß (3) steckt in einer entsprechenden Bohrung des Schaufelträgers und ist an dessen Rückseite bei 4 verstemmt. Die gestrichelte Linie (5) bedeutet die Begrenzung des Schaufelhohlraumes. Die Dichtung zwischen Schaufelkopf und Wand (6) erfolgt durch Zuschärfung der Schaufel an ihrem freien Ende und zwar so, daß - genau oder angenähert - eine dem Schaufelprofil entsprechend verlaufende, in sich geschlossene Umfangsspitze (7) entsteht.

Claims (9)

1.) Schaufel für radial beaufschlagte Gas- oder Dampfturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Schaufelprofil im wesentlichen aus dem Profil, einer Kreis- oder kreisähnlichen Fläche und dme eine Austrittsschenkelfläche zusammensetzt und daß die so profilierte Schaufel einen Hohlraum erhält.

2.) Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum der Schaufel von deren freiem Ende nur bis in die Nähe des Schaufelfußes führt.

3.) Schaufel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Hohlraum von derem freien Ende zum Schaufelfuß hin stetig oder sprungweise verjüngt.

4.) Schaufel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum durch Ausbohren der Schaufel entsteht.

5.) Schaufel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreis- oder kreisähnliche Fläche mindestens dreimal so groß ist als die Fläche des Austrittsschenkels.

6.) Schaufel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkelbegrenzung auf beiden Seiten eine konkave Wölbung aufweist.

7.) Schaufel nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß durch zylindrisches Abdrehen der Schaufel auf einer bestimmten Länge gebildet wird.

8.) Schaufel nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel in eine zylindrische Bohrung im Schaufelträger eingesetzt wird.

9.) Schaufel nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß auf der Rückseite des Schaufelträgers gegen Herausfallen oder Verdrehen durch Verstemmen oder durch eine andere dasselbe bewirkende Maßnahme gesichert ist.