EP0916812A1 - Endstufe für axialdurchströmte Turbine - Google Patents

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EP0916812A1
EP0916812A1 EP97810873A EP97810873A EP0916812A1 EP 0916812 A1 EP0916812 A1 EP 0916812A1 EP 97810873 A EP97810873 A EP 97810873A EP 97810873 A EP97810873 A EP 97810873A EP 0916812 A1 EP0916812 A1 EP 0916812A1
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guide
radial
blade
stator
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Carsten Mumm
Andreas Dr. Weiss
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General Electric Switzerland GmbH
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F01D5/142—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of the blades of successive rotor or stator blade-rows
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    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades

Definitions

  • the invention relates to the final stage of a turbine with a large axial flow Channel divergence with a series of curved guide vanes and a series of tapered, twisted blades.
  • Curved vanes are used in particular to reduce secondary losses reduce by redirecting the boundary layers in the Guide vanes are created.
  • Turbines with guide vanes curved in the axial direction and in the circumferential direction are known for example from DE-A-42 28 879. Upstream of the playpen a fixed guide grill is arranged. Whose blades are regarding The number as well as the relationship between chord and pitch in terms of flow technology optimized for full load. They give the flow for entry into the Playpen required swirl. The curvature of the blades is vertical to the tendon, which is caused by a displacement of the profile cuts both in the circumferential direction as well as in the axial direction. The curvature of the guide vanes is against the pressure side of the adjacent in the circumferential direction Guide vane directed. This curvature is created by a continuous arc formed with the shovel carrier and with the have an acute angle forms.
  • the present invention has for its object in an axially flow Turbine of the type mentioned, in particular one with small hub ratio to create a measure by which the detachment the flow from the hub can be avoided and with the more even Pressure distribution over the blading height can be achieved.
  • FIG. 1 In the steam turbine shown schematically in FIG. 1, these are the flow through Channel 1 bounding walls on the one hand the rotor-side channel limitation 3 and on the other hand the stator-side channel limitation 5.
  • the output stage exists from a row of guide vanes 10 and a row of moving blades 20.
  • the guide vanes are attached in a manner not shown in the stator 4, the Blade carrier itself is suspended in a suitable manner in an outer housing.
  • the blades 20 are fastened in the rotor 2 in a manner not shown.
  • the blade airfoil is tapered in its longitudinal extension and strongly twisted (twisted). The airfoil seals against the stator-side channel boundary 5 with its top.
  • the rotor-side channel boundary 3 runs in the entire blading area cylindrical while due to the volume increase of the expanding working medium the stator-side channel boundary 5 is conical and at highly loaded machines can have an opening angle of up to 60 °. It goes without saying that the inner channel contour is also conical can.
  • the guide vanes 10 are on their in the axial direction end of the rotor on the rotor side is a positive arrow and a negative arrow on its end on the stator side,
  • the sweep which is both the leading blade edge 11 and the
  • the guide vane trailing edge 12 relates here to the cylindrical Course of the rotor-side channel limitation 2.
  • the arrow angle A is selected so that the guide vane trailing edge 12 is at least approximately parallel to the leading edge 21 of the blade 20 runs.
  • This positive arrow extends to approx. 2/3 of the bucket height. It causes radial channel limitation to the rotor side 3 acting force on the flow, like this from the course of the meridian streamlines 6 is recognizable.
  • the selected contour adapted to the shape of the leading edge 21 of the blade the guide vane trailing edge 12 also allows in the lower 2/3 of the flowed channel the setting of the radially variable optimal length of the blade-free axial diffuser between the guide and barrel rows.
  • This axial diffuser that occurs in the blade-free space due to the strong channel divergence, has a width C in the example. The narrower this axial diffuser is is, the cheaper this affects the design of the following Blade from. The less the fluid in this area in his Axial component is delayed, the greater the stagger angle of the subsequent blade profile can be selected. About the considered bucket height has the consequence that the airfoil is less twisted overall (twisted) must be.
  • FIG. 2 A further measure is shown in FIG. 2, which advantageously relates to the displacement the flow affects the rotor-side channel boundary.
  • the guide vanes 10 over a large part of their radial extent in the circumferential direction inclined in such a way that the inclination towards the suction side 13 which is directed in the circumferential direction adjacent vane 10 '.
  • On the end of the rotor is directed radially. From about 15% of the radial extension it inclines in the circumferential direction and returns on its stator side End back in the radial R.
  • a Angle of inclination B to the radial R in the range of 10-17 °, preferably 12-15 ° a sufficiently large force acting radially towards the rotor on the flow generated and pressed against the rotor.

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Abstract

Eine Endstufe einer axialdurchströmten Turbine mit grosser Kanaldivergenz weist eine Reihe gekrümmter Leitschaufeln (10) und eine Reihe verjüngter, verdrehter Laufschaufeln (20) auf. Die Leitschaufeln sind in axialer Richtung an ihrem rotorseitigen Kopfende positiv und an ihrem statorseitigen Ende negativ gepfeilt, bezogen auf den Verlauf der rotorsseitigen Kanalbegrenzung (2). Die positive Pfeilung der Leitschaufelhinterkante (12) verläuft über einen Grossteil der radialen Erstreckung parallel zur Vorderkante (21) der Laufschaufel (20). Über den überwiegenden Teil ihrer Höhe sind die Leitschaufeln in Umfangsrichtung geneigt. Die Neigung ist gegen die Saugseite (13) der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel (11') gerichtet. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Endstufe einer axialdurchströmten Turbine mit grosser Kanaldivergenz mit einer Reihe gekrümmter Leitschaufeln und einer Reihe verjüngter, verdrehter Laufschaufeln.
Stand der Technik
Gekrümmte Leitschaufeln werden insbesondere eingesetzt, um die Sekundärverluste zu verringern, die durch die Umlenkung der Grenzschichten in den Leitschaufeln entstehen.
Es sind Turbinen mit nur in Umfangsrichtung gekrümmten Leitschaufeln beispielsweise aus der DE-A-37 43 738 bekannt. Dort sind Schaufeln gezeigt und beschrieben, deren Krümmung über der Schaufelhöhe gegen die Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet ist. Es sind auch aus dieser Schrift Schaufeln bekannt, deren Krümmung über der Schaufelhöhe gegen die Saugseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet ist. Damit sollen auf wirksame Weise sowohl radiale als auch in Umfangsrichtung verlaufende Grenzschicht-Druckgradienten verringert werden und damit die aerodynamischem Schaufelverluste verkleinert werden. Unabhängig davon, gegen welche Seite der benachbarten Schaufel die Krümmung dieser bekannten Schaufel gerichtet ist, verläuft sie in jedem Fall genau in Umfangsrichtung. Dies bedeutet, dass bei den dargestellten zylindrischen Schaufeln zumindest deren Vorderkanten über der Schaufelhöhe in der gleichen Axialebene liegen.
Turbinen mit in Axialrichtung und in Umfangsrichtung gekrümmten Leitschaufeln sind beispielsweise aus der DE-A-42 28 879 bekannt. Stromaufwärts des Laufgitters ist ein festes Leitgitter angeordnet. Dessen Schaufeln sind hinsichtlich Anzahl sowie bezüglich ihres Verhältnisses Sehne zu Teilung strömungstechnisch für Vollast optimiert. Sie verleihen der Strömung den für den Eintritt in das Laufgitter erforderlichen Drall. Die Krümmung der Schaufeln verläuft senkrecht zur Sehne, was durch eine Verschiebung der Profilschnitte sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung erreicht wird. Die Krümmung der Leitschaufeln ist gegen die Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet. Diese Krümmung wird durch einen kontinuierlichen Bogen gebildet, der mit dem Schaufelträger und mit der Habe einen spitzen Winkel bildet. Infolge der Krümmung senkrecht zur Schaufelsehne ist die in Radialrichtung projezierte Schaufelfläche grösser als bei der bekannten Krümmung in Umfangsrichtung. Dadurch erhöht sich die Radialkraft auf das Arbeitsmittel; dieses wird an die Kanalwandungen gedrückt, wodurch dort die Grenzschichtdicke reduziert wird.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer axial durchströmten Turbine der eingangs genannten Art, insbesondere einer solchen mit kleinem Nabenverhältnis, eine Massnahme zu schaffen, mit welcher das Ablösen der Strömung von der Nabe vermieden werden kann und mit der eine gleichmässigere Druckverteilung über der Beschaufelunghöhe erzielt werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentanprüche erreicht.
Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass infolge der verbesserten Zuströmung eine wesentlich verwindungsärmere Laufschaufelkonstruktion zur Anwendung gelangen kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der letzten Niederdruckstufe einer Dampfturbine dargestellt.
Es zeigen:
  • Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Turbine;
  • Fig. 2 einen Teilquerschnitt der Turbine.
    • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Schaufelfüsse, mit denen die Schaufeln in ihren tragendn Partien eingehängt sind sowie eventuelle SchaufelDeckplatten zur Verbessrungder Dichtwirkung. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
    In der in Fig.1 schematisch gezeigten Dampfturbine sind die den durchströmten Kanal 1 begrenzenden Wandungen zum einen die rotorseitige Kanalbegrenzung 3 und zum andern die statorseitige Kanalbegrenzung 5. Die Endstufe besteht aus einer Reihe Leitschaufen 10 und einer Reihe Laufschaufeln 20. Die Leitschaufeln sind auf nicht dargestellte Weise im Stator 4 befestigt, wobei der Schaufelträger selbst auf geeignete Art in einem Aussengehäuse eingehängt ist. Die Laufschaufeln 20 sind auf nicht dargestellte Weise im Rotor 2 befestigt. Das Laufschaufelblatt ist in seiner Längserstreckung verjüngt und stark verdreht (twisted). Gegen die statorseitige Kanalbegrenzung 5 dichtet das Schaufelblatt mit seiner Spitze.
    Im ganzen Beschaufelungsbereich verläuft ist die rotorseitige Kanalbegrenzung 3 zylindrisch, während infolge der Volumenzunahme des expandierenden Arbeitsmittels die statorseitige Kanalbegrenzung 5 konisch ausgebildet ist und bei hochbelasteten Maschinen einen Öffnungswinkel von bis zu 60° aufweisen kann. Es versteht sich, dass auch die innere Kanalkontur konisch ausgebildet sein kann.
    Gemäss der Erfindung sind die Leitschaufeln 10 in axialer Richtung an ihrem rotorseitigen Ende Kopf positiv und an ihrem statorseitigen Ende negativ gepfeilt, Die Pfeilung, welche sowohl die Leitschaufelvorderkante 11 als auch die Leitschaufelhinterkante 12 betrifft, bezieht sich hierbei auf den zylindrischen Verlauf der rotorseitigen Kanalbegrenzung 2. Der Pfeilwinkel A ist so gewählt, dass die Leitschaufelhinterkante 12 zumindest annähernd parallel zur Vorderkante 21 der Laufschaufel 20 verläuft. Diese positive Pfeilung erstreckt bis ca. 2/3 der Schaufelhöhe. Sie bewirkt eine radial zur rotorseitigen Kanalbegrenzung 3 hin wirkende Kraft auf die Strömung, wie dies aus dem Verlauf der Meridianstromlinien 6 erkennbar ist.
    Bezogen auf die rotorseitige Kanalkontur geht ab ca. 2/3 der Schaufelhöhe die positive Pfeilung in eine negative Pfeilung über. Diese ist so gewählt, dass am statorseitigen Ende die Leitschaufelhinterkante 12 und die Leitschaufelvorderkante 11 mindestens annähernd senkrecht zur strömungsbegrenzenden Wand 5 gerichtet sind. Mit dieser Massnahme wird erreicht, dass die Stromlinien 6 im Bereich des Stators senkrecht auf die Leitschaufelvorderkante 11 auftreffen.
    Es ist somit erkennbar, dass die nicht geradlinigen und nicht radial verlaufenden Eintritts- und Austrittskanten der Leitschaufeln es ermöglichen, eine aerodynamisch optimale Schaufelbreite zu verwirklichen.
    Die gewählte, an den Verlauf der Laufschaufelvorderkante 21 angepasste Kontur der Leitschaufelhinterkante 12 ermöglicht zudem in den unteren 2/3 des durchströmten Kanals die Einstellung der radial veränderlichen optimalen Länge des schaufelfreien Axialdiffusors zwischen Leit- und Laufreihe. Dieser Axialdiffusor, der im schaufelfreien Raum infolge der starken Kanaldivergenz entsteht, weist im Beispielsfall eine Breite C auf. Je schmäler dieser Axialdiffusor ausgebildet ist, umso günstiger wirkt sich dies auf die Gestaltung der nachfolgenden Laufschaufel aus. Je weniger das Strömungmittel in diesem Bereich in seiner Axialkomponente verzögert wird, umso grösser muss der Staffelungswinkel des nachfolgenden Schaufelprofils gewählt werden. Über die betrachtete Schaufelhöhe hat dies zur Folge, dass das Schaufelblatt insgesamt weniger stark verwunden (twisted) werden muss.
    Genau die gegenteilige Folge ergibt sich im Bereich der statorseitigen Kanalbegrenzung, wo eine negative Pfeilung vorherrscht. Hier entsteht im letzten Drittel der Schaufelhöhe zwischen Leit- und Laufschaufeln ein sich gegen die Wandung stetig verbreitender Axialdiffusor mit zunehmender Verzögerung der Axialkomponente des Strömungsmittels. Dies bewirkt, dass der Staffelungswinkel des nachfolgenden Schaufelprofils zunehmend kleiner gewählt werden muss. Über die betrachtete Schaufelhöhe hat dies wiederum zur Folge, dass das Schaufelblatt insgesamt weniger stark verwunden werden muss.
    Positiver und negativer Pfeilwinkel zusammen der Leitschaufel ergeben somit eine nachfolgende Laufschaufel mit einer radial optimalen Verwindungsverteilung, was sich auch auf die Festigkeit der Laufschaufel günstig auswirkt.
    In Fig. 2 ist eine weitere Massnahme gezeigt, die sich vorteilhaft auf das Abdrängen der Strömung zur rotorseitigen Kanalbegrenzung hin auswirkt. Hierzu sind die Leitschaufeln 10 über einen Grossteil ihrer radialen Erstreckung in Umfangsrichtung geneigt und zwar derart, dass die Neigung gegen die Saugseite 13 der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel 10' gerichtet ist. An ihrem rotorseitigen Ende ist die Leitschaufel radial gerichtet. Ab ca. 15% der radialen Erstreckung neigt sie sich in Umfangsrichtung und kehrt an ihrem statorseitigen Ende wieder zurück in die Radiale R. Es hat sich gezeigt, dass ein Neigungswinkel B zur Radialen R im Bereich von 10-17°, vorzugsweise 12-15° eine hinreichend grosse radial zum Rotor hin wirkende Kraft auf die Strömung erzeugt ud diese gegen den Rotor drückt.
    Bezugszeichenliste
    1
    Kanal
    2
    Rotor
    3
    rotorseitige Kanalbegrenzung
    4
    Stator, Schaufelträger (vane carrier)
    5
    statorseitige Kanalbegrenzung
    6
    Meridianstromlinien
    10
    Leitschaufel (vane)
    11
    Leitschaufelvorderkante (leading edge)
    12
    Leitschaufelhinterkante (trailing edge)
    13
    Leitschaufel-Saugseite (suction side)
    14
    Leitschaufel-Druckseite (pressure side)
    20
    Laufschaufel (blade)
    21
    Laufschaufelvorderkante
    R
    Radiale
    A
    Pfeilungswinkel (sweep angle)
    B
    Neigungswinkel (lean angle)
    C
    Breite des Axialdiffusors zwischen 10 und 20

    Claims (6)

    1. Endstufe einer axialdurchströmten Turbine mit grosser Kanaldivergenz mit einer Reihe gekrümmter Leitschaufeln (10) und einer Reihe verjüngter, verdrehter Laufschaufeln (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln in axialer Richtung an ihrem rotorseitigen Ende Kopf positiv und an ihrem statorseitigen Ende negativ gepfeilt sind, bezogen auf den Verlauf der rotorsseitigen Kanalbegrenzung (2).
    2. Endstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Pfeilung der Leitschaufelhinterkante (12) über einen Grossteil der radialen Erstreckung parallel zur Vorderkante (21) der Laufschaufel (20) verläuft.
    3. Endstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Pfeilung am statorseitigen Ende so gewählt ist, dass die Leitschaufelhinterkante (12) und/oder die Leitschaufelvorderkante (11) zum mindestens annähernd senkrecht zur strömungsbegrenzenden Wand (5) gerichtet ist.
    4. Endstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (10) über einen Grossteil ihrer radialen Erstreckung in Umfangsrichtung geneigt sind und dass die Neigung gegen die Saugseite (13) der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel (11') gerichtet ist.
    5. Endstufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (10) an ihrem rotorseitigen Ende radial gerichtet ist, sich ab ca. 15% der radialen Erstreckung in Umfangsrichtung neigt und sich an ihrem statorseitigen Ende wieder zumindest annähernd in die Radiale (R) zurückneigt.
    6. Endstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (B) zur Radialen (R) ca. 12-15° beträgt.
    EP97810873A 1997-11-17 1997-11-17 Endstufe für axialdurchströmte Turbine Expired - Lifetime EP0916812B1 (de)

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