EP0990770A1 - Blading for highly loaded turbines - Google Patents

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EP0990770A1
EP0990770A1 EP98810980A EP98810980A EP0990770A1 EP 0990770 A1 EP0990770 A1 EP 0990770A1 EP 98810980 A EP98810980 A EP 98810980A EP 98810980 A EP98810980 A EP 98810980A EP 0990770 A1 EP0990770 A1 EP 0990770A1
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EP
European Patent Office
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blade
turbine
row
rsh
chord length
Prior art date
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EP98810980A
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German (de)
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Ralf Dr. Greim
Said Dr. Havakechian
Harald Römer
Peter Szincsàk
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General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Schweiz AG
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Priority to JP26908599A priority patent/JP4475703B2/en
Priority to CN991196856A priority patent/CN1218115C/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/02—Formulas of curves
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    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/05—Variable camber or chord length

Definitions

  • the invention relates to a turbine according to the preamble of claim 1.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the object of the invention is in a Heat engine of the type mentioned a blading specify the high step enthalpy conversion with low losses combined.
  • the essence of the invention is, therefore, with an essentially axial flow Turbine to design the blading so that at a given Mass flow and predetermined entry and exit states of the Working medium as small a number of stages is required, and the Enthalpy turnover with little loss.
  • This will be a big one Flow deflection is provided, and at the same time the chord length of the Shovels kept small.
  • large height buckets are chosen, and placed on a large diameter.
  • these variables are used when assessing a degree of Fulfillment of tasks in a very complex context stand so that the simple specification of geometric indicators for themselves taken to characterize the blading according to the invention is unsuitable. Therefore, the features of the subject matter of the invention a dimensionless figure to be explained below, previously called RSH based.
  • FIG. 1 shows a turbine with four stages, the blades LA of which are fastened to a shaft 20 and the guide blades LE of which are fastened in a housing 30.
  • the stages are arranged between an inflow section 31 and an outflow section 32, in which the pressure p 0 or p 1 prevails.
  • the rows of blades are numbered from the inflow section 31 to the outflow section 32 of the housing 30; if z is the number of stages, there are 2z rows of blades, in the case shown four rows of four blades.
  • geometrical quantities relevant to the invention are shown in FIG. 1. These are the bucket height h, the average diameter D M , and the axial chord length of a bucket s ax .
  • the single-flow turbine shown here is by no means restrictive To understand the meaning, in particular it could also be part of a large steam turbine set. Several turbines could also be used with own or common inflow and outflow sections in one Housing.
  • the specific performance is treated as a blade load parameter.
  • the performance of a turbomachine is proportional to the mass flow and the square of the speed.
  • the relationship is thus obtained for the dimensionless level-specific performance P' ⁇ P z m ⁇ N 2nd ⁇ L 2nd L is a characteristic length scale of one or more turbine stages, or a turbine.
  • RSH K P 2nd ⁇ P 4th ⁇ H 8th e.g. 8th ⁇ S ax 6 ⁇ D M 2nd ⁇ N 8th ⁇ m 6
  • the assessment of the blading of a machine using the RSH key figure can be useful for any turbine with essentially axial flow be made.
  • the turbine is defined as all in one common housing between an inflow section and a Outflow section alternately arranged as guide and run rows Shovels; it can therefore also be a partial turbine of one Steam turbine set, such as the medium pressure turbine Three-pressure system, act.
  • Fig. 2 shows the RSH areas in which are usually executed today Turbines typically lie.
  • the RSH area in which today's gas turbines typically work is marked GT and is less than 0.1.
  • Executed steam turbines can be found in the area marked with DT, from about 0.1 to 0.7.
  • the execution of a turbine with the Highly loaded HRSH blading according to the invention leads to a RSH that is greater than 1.
  • Fig. 3 shows the top view of a guide and a rotor blade, in the hub section.
  • the outflow angle ⁇ to the circumferential direction U is advantageously kept greater than 8 °, despite the desired large flow deflection ⁇ , which applies both to the outflow angle of a guide vane ⁇ LE and to the outflow angle of a moving blade ⁇ LA .
  • this is advantageous in order to limit the swirl of the grating outflow, and on the other hand in order not to obtain an excessive blockage of the flow channels.

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Abstract

The turbine has an axial turbine stage of guide blade row (LE) and rotor blade row (LA) in a common housing (30) with intake section (31) and outlet section (32). The ratio of axial chord length (Sax) to height (h) of the blade rows for a turbine part located between intake and outlet sections, is chosen, so that a figure RSH is larger than 1. RSH is.................. P (W) = turbine output p (Pa) = arithmetical mean between intake and outlet pressure of turbine z (-) = number of stages m (kg/s) = working medium mass flow rate through turbine N (1/s) = RPM hi (m) = height of blade in row i, on outlet side of blade DM,i(m)= average mean of outer hub diameter and inner housing diameter measured on outlet side of blade in row i, sax,i (m) = max. axial chord length of blade in same row.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft eine Turbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a turbine according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Auslegung axial durchströmter Stufen von Turbinen werden heute im wesentlichen zwei Ansätze verfolgt. So wird einerseits bei einem hohen Arbeitsumsatz in der Stufe die Sehnenlänge der Schaufeln und der Nabenschnitt-Durchmesser gross gewählt, bei gleichzeitig geringer Schaufelhöhe. Diese Auslegung jedoch widerspricht der fluidmechanischen Erkenntnis, dass zur Verminderung von Leckage- und Wandreibungsverlusten die Schaufelhöhe gross gewählt werden sollte, bei gleichzeitig kleinem Nabendurchmesser, und weiterhin, dass bei einem kleinen Verhältnis von Schaufelhöhe zu Sehnenlänge die Sekundärströmungsverluste drastisch ansteigen.When designing axially flowed stages of turbines today in pursued two main approaches. So, on the one hand, with a high Work turnover in the stage the chord length of the blades and the Hub cut diameter is large, but at the same time smaller Bucket height. However, this interpretation contradicts the fluid mechanical Realization that to reduce leakage and wall friction losses the bucket height should be large, while at the same time being small Hub diameter, and further that at a small ratio of Bucket height to chord length the secondary flow losses drastically increase.

Bei dieser Anordnung der Schaufeln auf grossen Nabendurchmessern wird die Turbine meist in Kammerbauweise gebaut, um bei der geringen Schaufelhöhe die Spaltverluste an den Schaufelspitzen zu begrenzen. Damit allerdings steigen die Radreibungsverluste stark an. Weiterhin ist die Kammerbauweise sehr kostenintensiv. Andererseits lassen sich gerade bei Impulsturbinen grosse Nabendurchmesser kaum vermeiden, da ansonsten die Umlenkung in Nabennähe derart ansteigt, dass die Strömung ablösen und nicht zu verantwortende Verluste generieren würde.With this arrangement of the blades on large hub diameters, the Turbine mostly built in chamber design, with the low blade height limit the gap losses at the blade tips. With that, however wheel friction losses increase sharply. Furthermore, the chamber construction very expensive. On the other hand, large impulses can be used Hardly avoid hub diameter, otherwise the deflection in Hub proximity rises in such a way that the flow detaches and not closes would generate responsible losses.

Daher wird als weiterer Ansatz der gewählt, den Arbeitsumsatz relativ gering zu halten, und grosse Schaufellängen auf kleinen Durchmessern zu plazieren, wobei die Schaufeln bei kleinerer Strömungsumlenkung eine geringe Sehnenlänge erhalten. Bedingt durch den wesentlich kleineren Nabendurchmesser kann die weitaus kostengünstigere Trommelbauart Verwendung finden. Allerdings resultiert für eine Maschine mit gegebenen Ein-und Austrittszuständen des Arbeitsmediums eine grosse Stufenzahl. Somit wird wiederum die Baulänge einer Maschine in die Höhe getrieben, was einerseits die Rotordynamik negativ beeinflusst; andererseits wird auch der Vorteil der geringeren Verluste eines einzelnen Schaufelgitters durch die notwendige hohe Stufenanzahl zumindest teilweise wieder aufgehoben. Zudem treibt eine Bauweise mit einer hohen Stufenzahl die Kosten wiederum nach oben.Therefore, as a further approach, the choice is made to reduce the work turnover relatively low hold, and to place large blade lengths on small diameters, the blades with a small flow deflection a small one Preserve tendon length. Due to the much smaller Hub diameter can be the much cheaper drum design Find use. However, for a machine with given inputs and results Leaving states of the working medium a large number of stages. Thus in turn, the overall length of a machine increased, which on the one hand negatively affects rotor dynamics; on the other hand, the advantage of lower losses of a single vane grille due to the necessary high Number of levels at least partially canceled. In addition, one drives Construction with a high number of stages in turn increases the costs.

Aus den angeführten Gründen werden beispielsweise in real ausgeführten Dampfturbosätzen meist beide Ausführungsvarianten kombiniert. Weit verbreitet ist beispielsweise der Einsatz einer oder mehrerer Stufen geringer Reaktion und mit hohem Arbeitsumsatz bei höchsten Drücken, und gering belasteten Repetierstufen hoher Reaktion im weiteren Verlauf der Expansion des Arbeitsmittels. Durch diese Bauweise wird ein hoher Druck in den ersten Stufen schnell abgebaut, ohne nennenswerten Axialschub auf den Läufer zu übertragen, wobei für ein bestimmtes Mass an Expansion eine geringere Länge des Läufers notwendig ist. Hierbei wird aus Gründen insbesondere der aerodynamischen Belastung die Sehnenlänge der Schaufeln gross gewählt, um die zur Erzielung des hohen Arbeitsumsatzes notwendige Strömungsumlenkung nicht zu krass ausfallen zu lassen. Ebenso werden die Schaufeln auf grossen Durchmessern plaziert, um die Umlenkung im Nabenschnitt zu begrenzen. Der weitere Enthalpieabbau erfolgt dann in Stufen hoher Reaktion.For the reasons given, for example, are executed in real Steam turbo sets usually combine both versions. Far for example, the use of one or more stages is less common Reaction and with high work turnover at highest pressures, and low stressed repetition stages of high reaction in the further course of the expansion of the work equipment. Due to this design, a high pressure in the first Steps dismantled quickly without significant axial thrust towards the rotor transmitted, with a shorter length for a certain degree of expansion of the runner is necessary. Here, for reasons in particular aerodynamic load the chord length of the blades is large, the necessary to achieve the high turnover of work Flow deflection not to be too blatant. Likewise, the Paddles placed on large diameters to the deflection in the Limit hub cut. The further enthalpy degradation then takes place in stages high response.

Damit werden in heute üblichen real ausgeführten Maschinen die Vorteile, aber insbesondere auch die Nachteile, beider Bauweisen kombiniert. Eine Beschaufelung, welche die Merkmale der Auslegungsvarianten so kombiniert, dass deren Vorteile uneingeschränkt zum Tragen kommen, ist bis anhin in der Technik nicht bekannt.With this, in today's usual real-life machines, the advantages, however in particular, the disadvantages of both designs combined. A Blading, which combines the features of the design variants, So far, it has been known in the United States that their advantages are fully exploited Technology not known.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art eine Beschaufelung anzugeben, die einen hohen Stufen-Enthalpieumsatz mit geringen Verlusten kombiniert.The invention seeks to remedy this. The object of the invention is in a Heat engine of the type mentioned a blading specify the high step enthalpy conversion with low losses combined.

Erreicht wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.This is achieved by the characterizing features of claim 1.

Kern der Erfindung ist es also, bei einer im wesentlichen axial durchströmten Turbine die Beschaufelung so auszulegen, dass bei einem vorgegebenen Massenstrom und vorgegebenen Ein- und Austrittszuständen des Arbeitsmediums eine möglichst geringe Stufenzahl benötigt wird, und der Enthalpieumsatz mit geringen Verlusten vor sich geht. Hierzu wird eine grosse Strömungsumlenkung vorgesehen, und gleichzeitig die Sehnenlänge der Schaufeln klein gehalten. Weiterhin werden Schaufeln grosser Höhe gewählt, und auf einem grossen Durchmesser plaziert. Für den Fachmann ist ohne weiteres ersichtlich, dass diese Grössen bei der Beurteilung eines Grades der Aufgabenerfüllung in einem sehr komplexen Zusammenhang miteinander stehen, so dass die einfache Angabe geometrischer Kennzahlen für sich genommen zur Charakterisierung der erfindungsgemässen Beschaufelung ungeeignet ist. Daher werden die Merkmale des Erfindungsgegenstandes auf eine unten zu erläuternde, vorab RSH genannte, dimensionslose Kennzahl bezogen.The essence of the invention is, therefore, with an essentially axial flow Turbine to design the blading so that at a given Mass flow and predetermined entry and exit states of the Working medium as small a number of stages is required, and the Enthalpy turnover with little loss. This will be a big one Flow deflection is provided, and at the same time the chord length of the Shovels kept small. Furthermore, large height buckets are chosen, and placed on a large diameter. For the specialist is without it can also be seen that these variables are used when assessing a degree of Fulfillment of tasks in a very complex context stand so that the simple specification of geometric indicators for themselves taken to characterize the blading according to the invention is unsuitable. Therefore, the features of the subject matter of the invention a dimensionless figure to be explained below, previously called RSH based.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Verwendungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous configurations and uses result from the Subclaims.

Nachfolgend soll die Bedeutung einer sogenannten HRSH-Turbine (Hohe Relative Schaufelbelastungs-Höhe) anhand der Zeichnung erläutert werden.The importance of a so-called HRSH turbine (high Relative blade load height) will be explained with reference to the drawing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

  • Fig. 1 zeigt exemplarisch eine Turbine mit vier axial durchströmten Stufen, und erläutert die zur Bildung des Belastungsparameters RSH massgeblichen geometrischen Grössen.Fig. 1 shows an example of a turbine with four axially flow stages, and explains the key factors for the formation of the load parameter RSH geometric sizes.
  • Fig. 2 charakterisiert unterschiedliche Maschinentypen anhand typischer RSH-Bereiche.2 characterizes different machine types on the basis of typical RSH ranges.
  • Fig. 3 illustriert exemplarisch die Umlenkungs- und Abströmwinkel einer Leit-und einer Laufschaufel.3 exemplarily illustrates the deflection and outflow angles of a guide and a blade.

    • Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

    Fig. 1 zeigt eine Turbine mit vier Stufen, deren Laufschaufeln LA auf einer Welle 20 und deren Leitschaufeln LE in einem Gehäuse 30 befestigt sind. Die Stufen sind zwischen einem Einströmabschnitt 31 und einem Ausströmabschnitt 32 angeordnet, in denen der Druck p0 respektive p1 herrscht. Die Schaufelreihen sind vom Einströmabschnitt 31 zum Ausströmabschnitt 32 des Gehäuses 30 numeriert; wenn z die Anzahl der Stufen ist, existieren 2z Schaufelreihen, also im dargestellten Fall bei vier Stufen acht Schaufelreihen. Weiterhin gehen aus Fig. 1 erfindungsrelevante geometrische Grössen hervor. Es sind dies die Schaufelhöhe h, der Mittelschnittdurchmesser DM , sowie die axiale Sehnenlänge einer Schaufel sax.1 shows a turbine with four stages, the blades LA of which are fastened to a shaft 20 and the guide blades LE of which are fastened in a housing 30. The stages are arranged between an inflow section 31 and an outflow section 32, in which the pressure p 0 or p 1 prevails. The rows of blades are numbered from the inflow section 31 to the outflow section 32 of the housing 30; if z is the number of stages, there are 2z rows of blades, in the case shown four rows of four blades. Furthermore, geometrical quantities relevant to the invention are shown in FIG. 1. These are the bucket height h, the average diameter D M , and the axial chord length of a bucket s ax .

    Die hier dargestellte einflutige Turbine ist keinesfalls in einem einschränkenden Sinne zu verstehen, insbesondere könnte es sich auch um einen Teil eines grossen Dampfturbosatzes handeln. Ebenso könnten auch mehrere Turbinen mit eigenen oder gemeinsamen Ein- und Ausströmabschnitten in einem Gehäuse untergebracht sein.The single-flow turbine shown here is by no means restrictive To understand the meaning, in particular it could also be part of a large steam turbine set. Several turbines could also be used with own or common inflow and outflow sections in one Housing.

    Selbstverständlich ist auch wie oben erwähnt bei der Beurteilung einer erfindungsgemässen Turbinenbeschaufelung die Strömungsumlenkung in den Schaufelkanälen von grosser Bedeutung; diese kann zunächst jedoch vollkommen äquivalent auch über deren massenstrom- und drehzahlspezifischen Enthalpieumsatz, respektive bei einer vorgegebenen Maschine auch durch eine stufen- und massenstromspezifische Leistung, ausgedrückt werden, wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist.Of course, as mentioned above, when assessing a Turbine blading according to the invention the flow deflection in the Blade channels of great importance; however, this can initially completely equivalent also over their mass flow and speed-specific enthalpy conversion, or at a given Machine also by a step and mass flow specific performance, are expressed, as is readily apparent to those skilled in the art.

    Zum Vergleich der Schaufeln unterschiedlicher Turbinen oder Stufen ist nun eine Kennzahl notwendig, die es ermöglicht, solche Schaufeln in Maschinen unterschiedlicher Leistungs- und Massenstromklassen, sowie bei unterschiedlichen Druckniveaus zu charakterisieren. Weiterhin müssen bei der oben beschriebenen Optimierungsaufgabe Schaufelbelastungs- und Verlustparameter sinnvoll in Beziehung gesetzt werden.Now to compare the blades of different turbines or stages a key figure is required that enables such blades in machines different power and mass flow classes, as well as at characterize different pressure levels. Furthermore, the Optimization task described above blade load and Loss parameters are sensibly related.

    Eine im wesentlichen axial durchströmte Stufe oder Turbine wird im Hinblick auf die Erfindung wesentlich durch die folgenden Grössen beschrieben:

    • Leistung P
    • Drehzahl N
    • Stufenanzahl z
    • Druck p
    • Massenstrom m ˙
    • Schaufelhöhe h
    • axiale Sehnenlänge sax
    • Mittelschnittdurchmesser DM, definiert als Mittelwert von Gehäuse-Innen- und Naben-Aussendurchmesser
    An essentially axially flowed stage or turbine is essentially described in terms of the invention by the following sizes:
    • Power P
    • Speed N
    • Number of steps z
    • Pressure p
    • Mass flow m ˙
    • Bucket height h
    • axial chord length s ax
    • Center cut diameter D M , defined as the mean value of the inside and hub outer diameters

    Diese dimensionsbehafteten Grössen sind zunächst in sinnvoller Weise zu entdimensionieren.These dimensional variables are initially reasonable undimension.

    Hier wird zunächst die spezifische Leistung als Schaufelbelastungsparameter behandelt. Die Leistung einer Turbomaschine ist proportional dem Massenstrom und dem Quadrat der Drehzahl. Für die dimensionslose stufenspezifische Leistung erhält man somit die Beziehung P'∝Pz·m·N2·L2 L ist dabei ein charakteristischer Längenmasstab einer oder mehrerer Turbinenstufen, oder einer Turbine. Die Stufenkinematik legt hierbei nahe, den Mittelschnittdurchmesser als charakteristischen Längenmasstab zu wählen; damit wird die dimensionslose spezifische Leistung zu P'=Pz·m·N2·DM 2 First, the specific performance is treated as a blade load parameter. The performance of a turbomachine is proportional to the mass flow and the square of the speed. The relationship is thus obtained for the dimensionless level-specific performance P'∝ P z m · N 2nd · L 2nd L is a characteristic length scale of one or more turbine stages, or a turbine. The step kinematics suggests to choose the middle section diameter as a characteristic length scale; thus the dimensionless specific performance becomes P '= P z m · N 2nd · D M 2nd

    Als weitere charakteristische Grösse ist das mittlere Druckniveau zu nennen, das nunmehr ebenso in einen dimensionslosen Belastungsparameter zu überführen ist. Die physikalische Einsicht lehrt hierbei, dass insbesondere das Druckgefälle über eine Schaufelreihe oder Stufe im vorliegenden Zusammenhang eine signifikante Einflussgrösse darstellt. Damit wird für den Druck p'∝Pz kgs2·m Another characteristic variable is the average pressure level, which can now also be converted into a dimensionless load parameter. Physical insight teaches that the pressure drop across a row of blades or step is a significant factor in the present context. This is for printing p'∝ P e.g. kg s 2nd · M

    Die dargestellte Dimension zeigt, welche Grössen weiterhin notwendig sind, um den Druck zu entdimensionieren. Es sind dies eine charakteristische Masse, ein Zeitmasstab, sowie ein Längenmasstab. Daher werden hier der Massenstrom und die Drehzahl verwendet, um die Grösse bezüglich Masse und Zeit zu entdimensionieren. Weiterhin zeigt die physikalische Einsicht, dass mit dem Ziel der Bildung eines Belastungsparameters als Längenmasstab ein Hebel zu wählen ist, über den die Druckkräfte an der Schaufel angreifen. Letztlich wird der dimensionslose Druckgradient damit zu p'=pz·m·N ·h The dimension shown shows which sizes are still necessary to undimension the pressure. These are a characteristic mass, a time scale, and a length scale. Therefore, the mass flow and the speed are used to undimension the size with respect to mass and time. Furthermore, the physical insight shows that with the aim of forming a load parameter as a length scale, a lever is to be selected via which the pressure forces act on the blade. Ultimately, the dimensionless pressure gradient increases p '= p z m · N ·H

    Ein der Erfindung wesentlich zugrundeliegender Aspekt ist die Minimierung der Sekundärströmungsverluste, die in hohem Ausmasse vom Verhältnis der Schaufelhöhe zur axialen Sehnenlänge bestimmt werden. Daher muss auch die geometrische Kenngrösse h'=hsax berücksichtigt werden, die auch als Kenngrösse für die Sekundärverluste aufgefasst werden kann.One aspect on which the invention is essentially based is the minimization of the secondary flow losses, which are largely determined by the ratio of the blade height to the axial chord length. Therefore, the geometric parameter must also h '= H s ax are taken into account, which can also be understood as a parameter for the secondary losses.

    Wie oben erwähnt, ist die Erhöhung der Stufenbelastung und die damit verbundene Reduktion der Stufenzahl kein Selbstzweck; hingegen werden durch eine Reduktion der Rotorlänge die Rotorschwingungen leichter beherrschbar. Dabei ist das Schwingungsverhalten massgeblich vom Verhältnis der Rotormasse und Biegelänge, wesentlich widergegeben durch z·sax, und dem Flächenträgheitsmoment des Rotors, bei ansonsten gegebener Geometrie, wesentlich charakterisiert durch DM 2, abhängig. Damit wird eine dimensionslose Grösse definiert, die das Rotor-Schwingungsverhalten beschreibt: S'=DM 2 (z·sax)2 S' gibt in gewisser Weise die Steifigkeit des Rotors wieder.As mentioned above, increasing the level load and the associated reduction in the number of levels is not an end in itself; on the other hand, the rotor vibrations can be controlled more easily by reducing the rotor length. The vibration behavior is largely dependent on the ratio of the rotor mass and bending length, essentially reflected by z · s ax , and the area moment of inertia of the rotor, given the other geometry, essentially characterized by D M 2 . This defines a dimensionless quantity that describes the rotor vibration behavior: S '= D M 2nd (zs ax ) 2nd In a way, S 'reflects the rigidity of the rotor.

    Zur Kennzeichnung der erfindungsgemässen Turbinenschaufeln mit hoher Gitterbelastung und geringen Verlusten, bei gleichzeitig günstigem resultierendem Rotor-Schwingungsverhalten wird somit die Grösse RSH ("Relative Schaufelbelastungs-Höhe") in der Form RSH = K·P'A·p'B·h'C·S'D aus den dimensionslosen Belastungs-, Verlust-, und Schwingungskenngrössen gebildet. K ist eine Konstante, mit der RSH auf eine sinnvolle Grössenordnung anzupassen ist.In order to identify the turbine blades according to the invention with high lattice load and low losses, while at the same time resulting in a favorable rotor vibration behavior, the size RSH (“relative blade load height”) is in the form RSH = K · P ' A · P ' B ·H' C. · S ' D formed from the dimensionless load, loss and vibration parameters. K is a constant with which RSH can be adjusted to a reasonable size.

    Die Exponenten A, B, C und D sind nunmehr so zu wählen, dass der Parameter RSH eine erfindungsgemässe Beschaufelung mit hohem Stufen-Enthalpieumsatz und geringen Sekundärströmungsverlusten, bedingt durch ein grosses Verhältnis von Schaufelhöhe zu Sehnenlänge, bestmöglich charakterisiert. Es wird gewählt RSH = K·P'2·p'4·h'4·S' The exponents A, B, C and D are now to be selected such that the parameter RSH best characterizes a blading according to the invention with a high step enthalpy conversion and low secondary flow losses due to a large ratio of blade height to chord length. It is elected RSH = K · P ' 2nd · P ' 4th ·H' 4th · S '

    Diese Wahl der Exponenten erfolgt, um eine grosse Umfangsarbeit bei gleichzeitig grossem Verhältnis von Schaufelhöhe zu Sehnenlänge hoch zu gewichten, was ja den Kern der Erfindung darstellt. In den dimensionsbehafteten Basisgrössen ausgedrückt, ergibt sich RSH als RSH=K·P2·p4·h8 z8·sax 6·DM 2·N8·m 6 This choice of exponents is made in order to weight a large circumferential work with a high ratio of blade height to chord length, which is the essence of the invention. Expressed in the dimension-based basic sizes, RSH results as RSH = K P 2nd · P 4th ·H 8th e.g. 8th · S ax 6 · D M 2nd · N 8th · m 6

    Für die Charakterisierung einer Turbine, bei der naturgemäss der Druck wie auch die geometrischen Daten stark variieren, wird erfindungsgemäss zugrundegelegt RSH=1.1·π·10-15·P2·p 4 z8·m 6·N8 · i=1 2·z h8 i D2 M,i·s6 ax,i The characterization of a turbine, in which the pressure as well as the geometric data vary greatly, is used according to the invention RSH = 1.1 · π · 10 -15 · P 2nd · p 4th e.g. 8th · m 6 · N 8th · i = 1 2 · z H 8th i D 2nd M, i · S 6 ax, i

    Dabei ist p das arithmetische Mittel von Ein- und Austrittsdruck, und die geometrischen Daten werden über alle Schaufelreihen aufsummiert. Der Mittelschnittdurchmesser und die Schaufelhöhe werden dabei jeweils an der Abströmseite einer Schaufel bestimmt, während für die axiale Sehnenlänge jeweils der Wert der maximalen Profilsehnenlänge genommen wird. Mit dem gewählten konstanten Vorfaktor liegt RSH unter Verwendung von SI-Basiseinheiten in der Grössenordnung 1.It is p the arithmetic mean of inlet and outlet pressure, and the geometric data are summed up over all rows of blades. The mean cut diameter and the blade height are determined on the outflow side of a blade, while the value of the maximum chord length is taken for the axial chord length. With the chosen constant pre-factor, RSH is of the order of magnitude using SI base units.

    Die Beurteilung der Beschaufelung einer Maschine mittels der Kennzahl RSH kann sinnvoll für jede im wesentlichen axial durchströmte Turbine vorgenommen werden. Dabei ist die Turbine definiert als alle in einem gemeinsamen Gehäuse zwischen einem Einströmabschnitt und einem Abströmabschnitt abwechselnd als Leit- und Laufreihen angeordneten Schaufeln; es kann sich also ohne weiteres auch um eine Teilturbine eines Dampfturbosatzes, wie beispielsweise die Mitteldruckturbine einer Dreidruckanlage, handeln. The assessment of the blading of a machine using the RSH key figure can be useful for any turbine with essentially axial flow be made. The turbine is defined as all in one common housing between an inflow section and a Outflow section alternately arranged as guide and run rows Shovels; it can therefore also be a partial turbine of one Steam turbine set, such as the medium pressure turbine Three-pressure system, act.

    Fig. 2 zeigt die RSH-Bereiche, in denen heute üblicherweise ausgeführte Turbinen typischerweise liegen. Der RSH-Bereich, in dem heutige Gasturbinen typischerweise arbeiten, ist mit GT gekennzeichnet, und ist kleiner als 0.1. Ausgeführte Dampfturbinen finden sich im mit DT gekennzeichneten Bereich, von etwa 0.1 bis 0.7. Die Ausführung einer Turbine mit der erfindungsgemässen hochbelasteten HRSH-Beschaufelung führt zu einem RSH, das grösser als 1 ist.Fig. 2 shows the RSH areas in which are usually executed today Turbines typically lie. The RSH area in which today's gas turbines typically work is marked GT and is less than 0.1. Executed steam turbines can be found in the area marked with DT, from about 0.1 to 0.7. The execution of a turbine with the Highly loaded HRSH blading according to the invention leads to a RSH that is greater than 1.

    Das Wesen der Erfindung ist somit darin zu sehen, bei vorgegebenen thermodynamischen Daten am Turbinenein- und -austritt, sowie vorgegebener Leistung, Massenstrom und Drehzahl, die Schaufelgeometrie so auszulegen, dass RSH der Turbine grösser als 1 ist. Dies bedingt im Gegensatz zu anhin ausgeführten Turbinen den Einsatz langer schlanker Schaufeln mit gleichzeitig grosser Umlenkung.The essence of the invention is thus to be seen in given thermodynamic data at the turbine inlet and outlet, as well as predefined Power, mass flow and speed, to design the blade geometry so that RSH of the turbine is greater than 1. In contrast to the previous one Executed turbines use long, slim blades with at the same time great diversion.

    Wesentliche Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass die Stufenzahl und damit die Baulänge bei gleicher massenstromspezifischer Leistung und vorgegebenem Druckniveau deutlich kleiner wird als bei herkömmlichen Bauweisen. Durch die erfindungsgemäss auch bei geringem Reaktionsgrad grossen Schaufelhöhen auf vergleichweise kleinem Nabendurchmesser kann bei Einsatz der erfindungsgemässen Beschaufelung auch beim Übergang zu grossen Stufen-Enthalpieumsätzen die verlustarme und kostengünstige Trommelbauweise beibehalten werden. Zudem werden durch das grosse Verhältnis von Schaufelhöhe und axialer Sehnenlänge die bei konventioneller Schaufelauslegung mit dem Enthalpieumsatz stark ansteigenden Sekundärströmungsverluste in Grenzen gehalten.Significant advantages of the invention are that the number of stages and thus the overall length with the same mass flow specific power and specified pressure level is significantly lower than in conventional Construction methods. Due to the invention, even with a low degree of reaction large blade heights on a comparatively small hub diameter when using the blading according to the invention also at the transition to large step enthalpy sales low-loss and inexpensive Drum construction are retained. In addition, the big Ratio of blade height and axial chord length compared to conventional Blade design with enthalpy turnover increasing sharply Secondary flow losses kept within limits.

    Es sei allerdings auch darauf verwiesen, dass beim Einsatz der erfindungsgemässen HRSH-Beschaufelung die mechanische wie auch die aerodynamische Belastung der Schaufeln in einem bislang noch nicht realisierten Masse an die zulässigen Grenzen getrieben wird, so, dass der vorgesehene Toleranzbereich, in dem eine fehlerhafte Auslegung ohne schädliche Folgen bleibt, sehr eng begrenzt wird. Wie aus der Rechenvorschrift für RSH ersichtlich, müssen sehr schlanke Schaufeln mit einer hohen Umlenkung auf kurzem axialem Strömungsweg realisiert werden. Die erfindungsgemässe Beschaufelung verlangt also nach den derzeit höchsten und bis vor kurzem unvorstellbaren Standards bei der Auslegung, insbesondere bei der Berechnung der mechanischen Schaufelbelastung und der aerodynamischen Strömungsbelastung, wenn sie mit Erfolg eingesetzt werden soll.However, it should also be noted that when using the HRSH blading according to the invention, the mechanical as well as the No aerodynamic load on the blades in a yet realized mass is driven to the permissible limits, so that the provided tolerance range in which an incorrect interpretation without harmful consequences remains, is very narrowly limited. As from the calculation rule visible for RSH, have very slim blades with a high Redirection can be realized on a short axial flow path. The Blading according to the invention therefore requires the highest currently and until recently unimaginable standards in the design, especially when calculating the mechanical blade load and the aerodynamic flow load if used successfully shall be.

    Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf eine Leit- und eine Laufschaufel, im Nabenschnitt. Bei der Auslegung einer erfindungsgemässen Beschaufelung wird mit Vorteil -- trotz der angestrebten grossen Strömungsumlenkung γ-- der Abströmwinkel β zur Umfangsrichtung U grösser als 8° gehalten, was sowohl für den Abströmwinkel einer Leitschaufel βLE als auch für den Abströmwinkel einer Laufschaufel βLA gilt. Dies ist einerseits vorteilhaft, um den Drall der Gitterabströmung zu begrenzen, andererseits auch, um keine übermässige Versperrung der Strömungskanäle zu erhalten. Weiterhin ist es von Vorteil, bei der Schaufelauslegung die maximale Umlenkung γLE und γLA einer Leit- bzw. Laufschaufel im Nabenschnitt aufjeweils weniger als 150° zu begrenzen, um starke Verluste generierende Strömungsablösungen in diesem Bereich zu vermeiden. Fig. 3 shows the top view of a guide and a rotor blade, in the hub section. When designing a blading according to the invention, the outflow angle β to the circumferential direction U is advantageously kept greater than 8 °, despite the desired large flow deflection γ, which applies both to the outflow angle of a guide vane β LE and to the outflow angle of a moving blade β LA . On the one hand, this is advantageous in order to limit the swirl of the grating outflow, and on the other hand in order not to obtain an excessive blockage of the flow channels. Furthermore, it is advantageous to limit the maximum deflection γ LE and γ LA of a guide or rotor blade in the hub cut to less than 150 ° in each case in order to avoid strong loss-generating flow separations in this area.

    BezugszeichenlisteReference list

    2020th
    TurbinenwelleTurbine shaft
    3030th
    TurbinengehäuseTurbine casing
    3131
    EinströmabschnittInflow section
    3232
    AusströmabschnittOutflow section
    hH
    SchaufelhöheBucket height
    ii
    Indizierung der SchaufelreihenIndexing the rows of blades
    p0 p 0
    TurbineneintrittsdruckTurbine inlet pressure
    p1 p 1
    TurbinenaustrittsdruckTurbine outlet pressure
    sax s ax
    grösste axiale Sehnenlänge einer Schaufelgreatest axial chord length of a blade
    ze.g.
    StufenanzahlNumber of steps
    DM D M
    Mittelschnittdurchmesser einer SchaufelreiheCenter cut diameter of a row of blades
    UU
    UmfangsrichtungCircumferential direction
    βLE, βLA β LE , β LA
    Abströmwinkel einer Leit- bzw. Laufschaufel gegen UmfangOutflow angle of a guide or rotor blade against the circumference
    γLE, γLA γ LE , γ LA
    Strömungsumlenkungswinkel einer Leit- bzw. LaufschaufelFlow deflection angle of a guide or rotor blade

    Claims (4)

    Turbine mit mindestens einer im wesentlichen axial durchströmten Stufe, welche Stufe aus einer Leitschaufelreihe (LE) und einer Laufschaufelreihe (LA) besteht, welche in einem gemeinsamen Gehäuse (30) untergebracht sind, welches Gehäuse mindestens einen Einströmabschitt (31) und mindestens einen Ausströmabschnitt (32) aufweist, und wobei weiterhin der Reaktionsgrad einer Stufe grösser als 0.15 ist, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Teil der Turbine, der zwischen einem Einströmabschnitt (31) und einem Ausströmabschnitt (32) des Gehäuses (30) liegt, für die wesentlich axial durchströmten Schaufelreihen (LE, LA) das Verhältnis ihrer axialen Sehnenlänge (sax) und ihrer Höhe (h) so gewählt ist, dass eine Kennzahl RSH grösser als 1 ist, wobei RSH definiert ist durch RSH=1.1·π·10-15·P2·p 4 z8·m 6·N8 · i=1 2·z h8 i D2 M,i·s6 ax,i in welcher Rechenvorschrift bedeuten P [W] Leistung der Turbine p [Pa] arithmetisches Mittel zwischen Eintritts- und Austrittsdruck der Turbine z [-] Stufenzahl m ˙ [kg/s] Massenstrom des Arbeitsmediums, welches durch die Turbine strömt N [1/s] Drehzahl hi [m] Schaufelhöhe einer Schaufel der Schaufelreihe i, an der Abströmseite der Schaufel gemessen DM,i [m] Mittelwert von Nabenaussendurchmesser und Gehäuseinnendurchmesser and der Abströmseite einer Schaufel der Schaufelreihe i gemessen sax,i [m] axiale Sehnenlänge einer Schaufel der Schaufelreihe i, an der Stelle der grössten axialen Sehnenlänge gemessen Turbine with at least one essentially axially flowed stage, which stage consists of a row of guide vanes (LE) and a row of rotor blades (LA), which are housed in a common housing (30), which housing has at least one inflow section (31) and at least one outflow section ( 32), and furthermore the degree of reaction of a stage is greater than 0.15, characterized in that for a part of the turbine which lies between an inflow section (31) and an outflow section (32) of the housing (30), for the substantially axial through which the blade rows (LE, LA) flow, the ratio of their axial chord length (s ax ) and their height (h) is selected such that a characteristic number RSH is greater than 1, RSH being defined by RSH = 1.1 · π · 10 -15 · P 2nd · p 4th e.g. 8th · m 6 · N 8th · i = 1 2 · z H 8th i D 2nd M, i · S 6 ax, i in which calculation rule mean P [W] power of the turbine p [Pa] arithmetic mean between inlet and outlet pressure of the turbine z [-] number of steps m ˙ [kg / s] mass flow of the working medium flowing through the turbine N [1 / s] speed h i [m] blade height of a blade of blade row i, measured on the downstream side of the blade D M, i [m] Average value of hub outer diameter and housing inner diameter measured on the downstream side of a blade of the blade row i s ax, i [m] axial chord length of a blade in blade row i, measured at the location of the greatest axial chord length Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abströmwinkel (βLE, βLA) jeder Schaufel zu einer Umfangsrichtung (U) grösser als 8° ist.Turbine according to claim 1, characterized in that an outflow angle (β LE , β LA ) of each blade to a circumferential direction (U) is greater than 8 °. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine in Trommelbauart gebaut ist.Turbine according to claim 1, characterized in that the turbine in Drum type is built. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Strömungsumlenkung (γLE, γLA) im Nabenschnitt jeder Schaufelreihe kleiner als 150° ist.Turbine according to claim 1, characterized in that a maximum flow deflection (γ LE , γ LA ) in the hub section of each row of blades is less than 150 °.
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