DEP0054515DA

DEP0054515DA - Gas or steam turbine blades for radial admission

Info

Publication number: DEP0054515DA
Authority: DE
Inventors: Gustav Dipl.-Ing. Hamburg-Rahlstedt Köhler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Publication date: 1951-03-01

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.The profiles for gas or steam turbine blades are to be developed according to both fluidic and strength aspects. The latter are of particular importance in the case of radial loading. According to the invention, a profile shape is proposed in the following, which takes the above-mentioned aspects into account to a much greater extent than those previously known. To explain the concept of the invention, the respective ratios and the state of the art related to this are given below.

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.The explanations are limited, as it also applies to the description of the invention itself, to the overpressure principle and essentially to the conditions that occur in the blading of counter-pressure turbines or high-pressure parts of condensation turbines.

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 terms of flow technology, the profiles are to be designed in such a way that the conversion of the flow energy into mechanical work is associated with the lowest possible losses. With careful- In the most recent version of the blading, the losses - insofar as they come into question here - are essentially limited to the following: shock losses on the blade inlet side, friction losses on the blade walls, deflection losses, outlet losses due to the finite thickness of the blade trailing edge. The greatest losses are caused by the appearance of detachment on the canal walls. Such detachments can occur shortly after the blade leading edge if the direction of flow of the propellant deviates from the direction of the inlet rod of the blade profile, and at the points in the blade channel where the parts close to the wall are delayed by the flow in the direction of flow, delayed flow leads to a concave wall more easily to signs of separation than on a convex wall. This is explained by the fact that with a convex wall curvature the parts of the flow near the wall, apart from the boundary layer, have a higher velocity than those further away, while with a concave wall the opposite is the case. Delayed flow with or without separation phenomena is only a question of the momentum exchange of the individual elements close to the wall, which in turn depends on the magnitude of the speed prevailing there and the increase in pressure occurring there. The finite blade thickness of the trailing edge also causes a vortex area in the propellant flow.

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.In the three cases mentioned, it is always a question of energy losses due to the formation of eddies. Attempts have been made to prevent these sources of loss by the following measures. On the blade inlet side, a pronounced inlet direction was avoided by rounding off the profile. The fat the blade trailing edge has been known to be reduced more and more through special processes. For the design of the actual blade channel, it has been sufficient to design it with a continuous taper in the direction of flow. With these means it has indeed been possible to obtain blade profiles which are very favorable in terms of flow. However, their maximum and minimum moments of inertia still differ greatly from one another. With radial loading of the blade in the direction of the minimum moment of inertia, a considerable centrifugal force component is exposed, the effect of which is greatly increased by the unsuitable design of the surface of the blade cross-section, which simultaneously gives stress and resistance to bending. Therefore, these well-known blade profiles in no way meet the strength-related requirements that have to be made in the event of radial loading, if one does not want to use additional elements that make the design very sensitive and expensive. Such elements are e.g. blade support rings. The principle of radial loading becomes much more important if it is possible not only to make vane support rings unnecessary, but also to achieve circumferential speeds with the necessary blade lengths and widths that are higher than those that are possible when using vane support rings.

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.The blade shape described below fulfills the stated flow and strength requirements. According to the invention it is proposed that the profile of the blade is composed essentially of the profile of a circular or circle-like surface and that of an outlet leg surface and that the blade thus profiled has a hollow space is given. The blade or the profile should be designed according to the following additional aspects. First of all, the circular or circle-like area of the profile should be at least three times as large as the area of the outlet leg. This ratio can be much larger. Then the moments of inertia of the blade cross-section differ only insignificantly from that of a cylindrical rod. A cylindrical rod has the property that there is no maximum and minimum moment of inertia, but that this moment is the same for any axis direction and has relatively considerable values. This property of the profile cross-section is of decisive importance in the case of radial impact. With the usual blade profiles - as already explained above - there is a maximum and minimum moment of inertia which, when applied radially, are exposed to what is known as an oblique load due to the blade centrifugal forces. A centrifugal force component then acts in the direction of the minimum moment of inertia, which causes very high stresses and, when the blade is clamped on one side, i.e. when blade support rings are avoided, this is the reason why such blades can only be used for inadequately low circumferential speeds.

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.From the point of view of strength engineering, it is also important to keep the masses that load the circular profile, as they are formed by the blade outlet limb, as low as possible. The exit leg area is therefore - as mentioned - to be kept as small as possible in relation to the circular area of the profile. This gives very thick and compact profile shapes, so that a distinct steam flow omitted at the end of the blade channel. Such a guide is also not necessary, as a number of fluid dynamics tests have shown. If the back of the blade is designed correctly, the steam has no tendency to detach at this point. On the contrary, the shortening of the blade outlet leg leads to further reductions in losses. In order to further reduce the ratio of the circular area to the leg area, the leg delimitation should have a concave curvature on both sides. The profile back is thus slightly S-shaped towards its exit side. However, this design of the blade back not only has advantages in terms of strength, but also in terms of flow technology. These lie in the fact that, on the one hand, the risk of detachment in the inclined section - in particular just before the blade trailing edge - is further reduced and the otherwise necessary angular exaggeration is practically eliminated.

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. DerThe strength-related properties of the blade profiled in this way are significantly increased by the hollow design of the blade, since it is possible to reduce the loading masses to a far greater extent than the section modulus. For the special design of the blade cavity, the following is to be stated: According to the invention, this blade cavity can taper from the free end towards the base of the blade. If this is necessary, the strength-related requirements for the blade are met better, as the section modulus then increases as the bending moment increases. For rotor blades that are only held on one side, it is very advantageous to guide the blade cavity only as far as the vicinity of the blade root. the

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.The blade cross-section is then fully preserved at the blade root, where the blade centrifugal forces no longer generate any moments, and has the greatest possible moment of inertia. For manufacturing reasons, it is easiest to produce the vane cavity designed in this way by drilling out the vane. The blade shape described also gives advantages for fastening the blade in the blade carrier. It is possible to make the blade exactly circular-cylindrical at its foot over a certain length, which is possible, for example, by turning off the outlet leg, without any disadvantages in terms of strength, since the blade root can be designed without a bore. In order to fasten the blade shaped in this way in the blade carrier, it is only necessary to provide corresponding holes in the latter. This means that there are no intermediate pieces of any kind between the blade roots. In the case of a disk-shaped blade carrier, it is expedient to divide this into several parts in such a way that a number of narrow concentric rings, each of which carries a number of rows of blades, are attached to a full, thick carrier disk. The bores for receiving the blade roots can then be made continuous, so that it is possible to secure the blade roots on the rear side of this blade carrier against falling out or twisting of the blades by caulking or by some other measure causing the same.

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.The blade designed according to the invention therefore not only has advantages in terms of flow and strength, but also a number of advantages of a manufacturing technology type, which ensure a simple structure and low manufacturing costs.

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.Figs. 1 and 2 show examples of blade profiles according to the invention. In Fig. 1, circular and leg surfaces, from which the blade profile is composed, are indicated by different hatching. Fig. 2 shows similar profiles for blades with a cavity. Here, for example, the vane cavity was created by drilling, namely in the left vane by a larger and smaller and in the right vane only by a single hole. The dashed line (1) in the right blade results in the circularly shaped part of the blade profile, the circular cylindrical boundary of the blade root. Lines a and b indicate the approximate course of the incoming and outgoing propellant jet for a blade channel. The back of the blade in the inclined section - between points c and d - is slightly S-shaped.

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.Fig. 3 shows the blade with the profile according to Fig. 2 in a view and that seen in the direction of the arrow x. The hatched area (2) represents the cut blade carrier. The circular cylindrical blade root (3) is inserted in a corresponding hole in the blade carrier and is caulked at 4 on its rear side. The dashed line (5) means the delimitation of the blade cavity. The seal between the blade head and the wall (6) is made by sharpening the blade at its free end in such a way that - exactly or approximately - a self-contained peripheral tip (7) corresponding to the blade profile is created.

Claims

1.) Blade for radially acted upon gas or steam turbines, characterized in that the blade profile is composed essentially of the profile, a circular or circle-like surface and dme an outlet leg surface and that the blade thus profiled receives a cavity.

2.) Blade according to claim 1, characterized in that the cavity of the blade leads from its free end only to the vicinity of the blade root.

3.) Shovel according to claim 1 and 2, characterized in that the cavity tapers from its free end to the blade foot steadily or abruptly.

4.) shovel according to claim 1 to 3, characterized in that the cavity is created by drilling out the blade.

5.) shovel according to claim 1 to 4, characterized in that the circular or circle-like area is at least three times as large as the area of the outlet leg.

6.) Shovel according to claim 1 to 5, characterized in that the limb limitation has a concave curvature on both sides.

7.) blade according to claim 1 to 6, characterized in that the blade root is formed by turning the blade cylindrical over a certain length.

8.) blade according to claim 1-7, characterized in that the blade is inserted into a cylindrical bore in the blade carrier.

9.) Shovel according to claim 1 to 8, characterized in that the blade root is secured on the back of the blade carrier against falling out or twisting by caulking or by some other measure causing the same.