EP1012445B1 - Schaufel für eine strömungsmaschine sowie dampfturbine - Google Patents

Schaufel für eine strömungsmaschine sowie dampfturbine Download PDF

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EP1012445B1
EP1012445B1 EP98951240A EP98951240A EP1012445B1 EP 1012445 B1 EP1012445 B1 EP 1012445B1 EP 98951240 A EP98951240 A EP 98951240A EP 98951240 A EP98951240 A EP 98951240A EP 1012445 B1 EP1012445 B1 EP 1012445B1
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EP
European Patent Office
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blade
vane
cross
axis
region
Prior art date
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EP98951240A
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French (fr)
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EP1012445A1 (de
EP1012445B2 (de
Inventor
Mathias Deckers
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP1012445B1 publication Critical patent/EP1012445B1/de
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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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • 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
    • F01D5/12—Blades
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations

Definitions

  • the invention relates to a blade for a turbomachine, wherein the blade is directed along a blade axis and along this blade axis a foot end area, a head end portion and one in between Middle area and a cross-sectional area perpendicular to Has blade axis.
  • the invention further relates to a Steam turbine, in particular a high-pressure or medium-pressure steam turbine.
  • EP-A-0 704 602 deals with the design of a Turbine guide vane in an intermediate stator along one a turbine axis directed steam turbine.
  • the shovel extends here along a radially directed Blade axis and has a pressure side and a suction side as well as an entry edge and an exit edge.
  • there the blade is designed along the radial direction in such a way that the pressure side of a blade root area too one along the blade axis the blade root area opposite vane head area a convex Has curvature behavior.
  • the Curvature achieved in that with radially successive, spaced cross-sectional profiles a corresponding rotation of the cross-sectional profiles around the fixed common trailing edge of the setting angle (bit angular angle) parabolic with respect to the turbine axis is varied.
  • the channel width for the steam can thus be in the Bucket head area and in the blade root area reduced and increased in an intermediate bucket center area become. This leads to a relocation of part of the Steam mass flow, away from the two lossy ones Edge areas of the turbine guide vane.
  • Such cylindrical Buckets have pressure and parallel to the bucket axis Suction sides and thus have neither a twist nor a Tilt up.
  • As another alternative to the three-dimensional designed turbine blades are so-called twisted turbine blades described which an increasing over their height Twist and have a changing blade profile.
  • German Auslegeschrift 28 41 616 is a guide vane ring described for an axial turbine with guide vanes, the guide vanes between an inner and an outer ring are arranged and the profile thickness of the airfoil proportional to the blade pitch changes.
  • the change in the blade profile takes place via the Height of the guide vane in that no change in shape the leading edge (pressure side) takes place, but the protrusion on the trailing edge in size over that Height gradually increases as thickness increases the guide vane.
  • the profile change is carried out here that the thickness of the vane increases as its Chord length remains the same.
  • Such a vane ring is applicable to steam turbines, gas turbines and compressors.
  • Inclined turbine blades for a steam turbine are also in the article "Development of three-dimensional stage viscous time marching method for optimization of short height stages "by G. Singh, P.J. Walker, B.R. Haller, in: "VDI Reports No. 1185, 1995, pp. 157-179.
  • the object of the invention is a scoop with low To specify flow losses for a turbomachine.
  • a Another object of the invention is a steam turbine to be indicated with low flow losses.
  • a blade for a turbomachine directed task by such a shovel solved which is directed along a blade axis and along this blade axis a foot end area, a Head end area and in between a middle area and a has a cross-sectional profile perpendicular to the blade axis, being axially spaced apart in the direction of the blade axis
  • Direction are offset from each other and being in the foot end area and / or axially spaced apart in the head end region
  • Cross-sectional profiles against each other by a difference angle are twisted.
  • the axially spaced cross-sectional areas are preferably in the foot end area and in the head end area for Center area rotated in the same direction. This is about the entire height of the bucket from the head end to At the foot end, the twisting is withdrawn.
  • the blade is preferably for arrangement in a blade ring designed which has a circumferential direction, where the cross-sectional direction is local to the circumferential direction coincides. This takes place in the edge zones of the blade a circumferential bend with a simultaneous one Rotation (angle adjustment) in the end areas of the blade, thereby reducing flow losses and thus an increase in the efficiency of a turbomachine can be achieved is. This is particularly the case with steam turbines on the one hand an increase in the mechanical exit energy with the same thermal energy input and on the other hand a reduction in the use of thermal energy and thus the Environmental pollution due to pollutant emissions with the same Exit energy compared to pure cylindrical or pure inclined or curved blades.
  • the cross-sectional profiles are preferably one turn with respect to their center of area or with respect to the blade axis (if different, e.g. due to inhomogeneous mass distribution) turned.
  • the angle of rotation that occurs is in following as a stagger angle and performing the rotation referred to as a change in stagger angle.
  • Cross-sectional profile preferably along the blade axis the same everywhere.
  • the cross-sectional profile changes accordingly not about the height of the bucket.
  • the cross-sectional area of the cross-sectional profiles is also constant.
  • the blade preferably has a combination a circumferential deflection of the center of gravity of the cross-sectional profiles (Bend in the circumferential direction) and a staggering of the Cross-sectional profiles (without changing the profile) in Head end and foot end area (hub and housing area).
  • the blade in the middle area preferably cylindrical.
  • the pages (printed page, Suction side) of the blade therefore run parallel to the Blade axis.
  • the blade is preferably a guide blade or a moving blade a steam turbine, in particular a high pressure or Medium pressure steam turbine executed.
  • the Shovel a small length to width ratio on how it is particularly with blades for a high pressure steam turbine the case is.
  • the task aimed at a steam turbine is for a Steam turbine, which is directed along a turbine axis is and an inflow area, an outflow area and a Blading area arranged between them in terms of flow has, solved in that in the blading area one directed along a blade axis Blade is arranged, which is a via the blade axis Inclination and a twist, each of one Increase foot end area to a middle area and from that Remove the central area from a head end area.
  • the bucket with increasing and decreasing inclination and twisting is preferably assigned to the inflow area. It is therefore preferably in the first stage and / or the subsequent ones Stages arranged. This applies to both levels comprehensively a blade ring made of moving blades or guide blades.
  • Stage losses secondary losses particularly high in the hub and housing area is (e.g. up to 30% of the total losses) and by the specified Blade shape is reduced, this can be a noticeable Increased efficiency can be achieved.
  • the outflow area is preferably a twisted blade, i.e. a scoop with increasing twist along its length and changing the cross-sectional profile and / or the cross-sectional area, arranged.
  • a twisted blade i.e. a scoop with increasing twist along its length and changing the cross-sectional profile and / or the cross-sectional area, arranged.
  • a pure one cylindrical blade i.e. with parallel to the blade axis Side walls, provided.
  • FIG. 1 is a turbomachine, a high pressure steam turbine 11, shown in a longitudinal section along a turbine axis 17 is directed.
  • the steam turbine 11 has a turbine shaft directed along the turbine axis 17 20, which are surrounded by a turbine housing 18 is.
  • the steam turbine 11 points along the turbine axis 17 an inflow area 12 for action fluid, superheated steam, and an outflow area 13 for the superheated steam.
  • Axially between Inflow area 12 and outflow area 13 is a blading area 14 provided.
  • In the blading area 14 follow each other alternately in the axial direction summarized in a corresponding blade ring 21 Guide vanes 9 and blades 8.
  • Each blade 8 and each guide vane 9 points along a vane axis 2 (see FIG.
  • a foot end area 3 a head end area 4 and arranged axially in between in the direction of the blade axis 2 a central area 10.
  • the inflow area 12 closest blades 8 and / or guide blades 9 are each designed as a blade 1, which in the Foot end area 3 and in the head end area 4 inclined and twisted is.
  • Blade 8 closest to outflow area 13 and guide blades 9 are each twisted blades 19 with increasing rotation over the blade axis 2 and itself changing cross-sectional profile.
  • the suction and pressure side are each parallel to the blade axis 2.
  • FIG. 2 shows a section of a blade ring 21, in the blades 1 arranged side by side in the circumferential direction 6a are.
  • the blade ring is 21 unwound along the circumferential direction 6a and with only two blades 1 shown.
  • the circumferential direction 6a corresponds to the circumference of the turbine shaft 20 in one section perpendicular to the turbine axis 17.
  • the main flow direction 22 of the steam flowing in the steam turbine 11 is vertical to the circumferential direction 6a of the blade ring 21.
  • FIG. 3 shows the aerofoil area in a spatial representation 23 one directed along a blade axis 2 Shovel 1 shown.
  • the airfoil area 23 has a foot end area 3, a head end area 4 and in between a central area 10.
  • an adjoining the foot end area 3 Fastening area with which the door window shovel 1 in the turbine shaft 20 or the turbine housing 18 attached is.
  • the cover band adjoining the head end region 4 is not shown.
  • the turbine blade 1 in a cross-sectional direction 6 the preferably the circumferential direction 6a of the blade ring 21 corresponds, inclined, and in the axial direction by a difference angle ⁇ (see Figures 4 and 5) rotated.
  • the one in the foot end area 3 enlarging towards the central region 10 Corresponds to twisting and increasing circumferential bending the same twist and circumferential bend as in the head end area 4.
  • About the height of the middle area 10 remains the degree of displacement and twisting constant.
  • the size of the back turn and back shift over the head end area 4 is preferably as large as the displacement and rotation in the foot end area 3.
  • the circumferential bend here means a displacement of the Cross-sectional profile 5, 5a in the direction of a cross-sectional direction 6, which preferably in the circumferential direction 6a Blade ring 21 corresponds.
  • a rotation of the blade 1 takes place by changing the stagger angle, i.e. a change of the angle ⁇ according to FIG. 4 and FIG. 5 by rotation of the cross-sectional profile 5 about the blade axis 2, which is preferably coincides with the gravity axis of the bucket 1.
  • Mass distribution also corresponds to a rotation around the center of gravity 7 (center of mass 7) of the cross-section profile 5, 5a.
  • the cross-sectional profile 5, 5a, 5b is over the entire height of the airfoil area 23 for everyone Cross-section the same, i.e. especially that cross-sectional shape and area are constant.
  • the shown in Figure 5 Cross-sectional profile 5b is compared to that shown in Figure 4 Cross-sectional profile 5a rotated by the difference angle ⁇ and shifted by the shift value ⁇ U. This matches with a change in the stagger angle ⁇ to the value of the Stagger angle ⁇ '( Figure 5).
  • the edge losses i.e. the fluid mechanics Losses in the vicinity of the turbine shaft and the turbine housing, can be up to about 30% of the total losses, leads to a reduction of these edge losses due to the twisting and peripheral bending of the blade in a steam turbine to increase efficiency.
  • the degree of twist and circumferential bend is in each case related to the fluidic Ratios in a steam turbine adaptable, the Twist and circumferential bend also over the entire May extend mid-range. It is also possible that the central area is purely cylindrical, i.e. the suction side and the pressure side of the blade parallel to the blade axis are directed.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungsmaschine, wobei die Schaufel entlang einer Schaufelachse gerichtet ist und entlang dieser Schaufelachse einen Fußendbereich, einen Kopfendbereich und dazwischen angeordnet einen Mittelbereich sowie ein Querschnittsbereich senkrecht zur Schaufelachse aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Dampfturbine, insbesondere eine Hochdruck- oder Mitteldruck-Dampfturbine.
Der Wirkungsgrad einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, wird durch auftretende Strömungsverluste verringert. Mit der Verbesserung des Wirkungsgrades und damit auch der Reduzierung solcher Strömungsverluste befaßt sich z.B. der Artikel "Advanced Steam Turbine Technology for Improved Operating Efficiency" von R.B. Scarlin, in "Power-Gen Europe 95", May 16 - 18, 1995, Amsterdam RAI the Netherlands, Book 2, Vol. 4, Seite 229 ff. Hierin ist die Entwicklung dreidimensionaler Turbinenschaufeln beschrieben unter Berücksichtigung verschiedenartiger Strömungsverluste, wie Spaltverluste, Verluste durch das Schaufelprofil sowie Verluste in den Endbereichen der Turbinenschaufel (endwall losses). Zur Reduzierung der letztgenannten Verluste wird eine Neigung der Turbinenschaufel in Umfangsrichtung angegeben. Eine Neigung der Turbinenschaufel im Bereich der Schaufelspitze sowie dem Nabenbereich der Turbinenschaufel führt zu einer gebogenen Schaufel, wobei eine derartige Biegung aufgrund der mechanischen Eigenschaften nur bei Leitschaufeln anwendbar ist. Weiterhin ist in dem Artikel pauschal ausgeführt, daß eine Verdrehung der Schaufel auch einen Einfluß auf die Neigung der Schaufel besitzt, so daß bei einer dreidimensionalen Auslegung in den Endbereichen der Schaufel sowohl die Schaufelneigung, die Schaufelverdrehung als auch das Schaufelprofil zur Disposition stehen.
Die EP-A-0 704 602 behandelt die Ausgestaltung einer Turbinenleitschaufel in einem Zwischenleitrad einer entlang einer Turbinenachse gerichteten Dampfturbine. Die Schaufel erstreckt sich hierbei entlang einer radial gerichteten Schaufelachse und weist eine Druckseite und eine Saugseite sowie eine Eintrittskante und eine Austrittskante auf. Dabei ist die Schaufel entlang der radialen Richtung derart ausgestaltet, daß die Druckseite von einem Schaufelfußbereich zu einem entlang der Schaufelachse dem Schaufelfußbereich gegenüberliegenden Schaufelkopfbereich ein konvexes Krümmungsverhalten aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Krümmung dadurch erreicht, daß bei radial aufeinanderfolgenden, voneinander beabstandeten Querschnittsprofilen durch eine entsprechende Rotation der Querschnittsprofile um die feste gemeinsame Austrittskante der Einstellwinkel (Bitangentialwinkel) bezüglich der Turbinenachse parabelförmig variiert wird. Die Kanalweite für den Dampf kann somit im Schaufelkopfbereich und im Schaufelfußbereich reduziert und in einem dazwischenliegenden Schaufelmittenbereich erhöht werden. Dies führt zu einer Verlagerung eines Teils des Dampf-Massenstromes, weg von den beiden verlustbehafteten Randbereichen der Turbinenleitschaufel.
In dem Artikel "Modern Blade Design for Improving Steam Turbine Efficiency" von M. Jansen und W. Ulm in "VDI Berichte" Nr. 1185, 1995, Seiten 277 - 290, wird ebenfalls auf eine Erhöhung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine, insbesondere einer Hochdruck- oder Mitteldruckdampfturbine, eingegangen. Der Einfluß verschiedener Strömungsverluste für verschiedene Dampfturbinen ist dargelegt. Durch eine spezielle Ausgestaltung der Turbinenschaufel wird eine Verminderung der Strömungsverluste erreicht. Die dreidimensional ausgebildeten Turbinenschaufeln weisen hierbei in einem Fußbereich sowie einem Kopfbereich der Turbinenschaufel eine Neigung auf. In dem Artikel ist ein Vergleich bezüglich der Strömungsverluste dieser dreidimensional ausgestalteten Turbinenschaufeln mit rein zylindrischen Schaufeln ausgeführt. Solche zylindrische Schaufeln besitzen zur Schaufelachse parallele Druck- und Saugseiten und weisen somit weder eine Verdrehung noch eine Neigung auf. Als weitere Alternative zu den dreidimensional gestalteten Turbinenschaufeln sind sogenannte verwundene Turbinenschaufeln beschrieben, welche über ihre Höhe eine zunehmende Verdrehung und ein sich änderndes Schaufelprofil aufweisen.
In der DE 31 48 995 A1 ist eine Axialturbine, wie eine Dampfturbine oder eine Gasturbine mit einer Vielzahl von am Umfang mit Abstand voneinander angeordneten Leitschaufeln beschrieben. Die verwendeten Leitschaufeln sind über ihre Höhe verwunden und weisen einen sich ändernden Einlaßwinkel auf. Die Änderung des Einlaßwinkels nimmt ab einer gewissen Höhe gemessen vom Schaufelfuß (Wurzel) kontinuierlich im Bereich der Spitze der Leitschaufel überlinear zu. Die Verwindung nimmt ebenfalls über die Höhe der Leitschaufel kontinuierlich zu. Das Querschnittsprofil der Leitschaufel ändert sich vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze hin kontinuierlich, wobei die Leitschaufel immer schlanker wird. Bei der Formgebung der Leitschaufel werden weitere Änderungen über die Höhe der Leitschaufel betreffend den Auslaßwinkel, die Größe und Form der Leitschaufel, berücksichtigt.
In der Deutschen Auslegeschrift 11 68 599 ist ein Axialverdichter mit Lauf- und/oder Leitschaufeln, die einen im Bereich der Wandflächen geänderten Querschnitt zur Kompensation der durch diese Wandflächen bewirkten Strömungsbeeinflussung ausweisen, angegeben. In dem Axialverdichter sind längs des Gasströmungsweges vor den Lauf- und Leitschaufeln Eintrittsleitschaufeln angeordnet. Diese Einlaß- oder Eintrittsleitschaufeln weisen außer im Bereich der Wände einen gewölbten Querschnitt auf. Der mittlere Schaufelteil mit dem gewölbten Querschnitt geht in jedem Wandbereich in einer glatten und stetig gekrümmten Fläche in das ungewölbte Querschnittsprofil in den Wandbereichen über. Über die Höhe der Einlaßleitschaufel ändern sich somit kontinuierlich die Querschnittsprofile des Schaufelblatts. Der Einlaßwinkel bleibt über die gesamte Höhe der Einlaßleitschaufel konstant.
In der Deutschen Auslegeschrift 28 41 616 ist ein Leitschaufelkranz für eine Axialturbine mit Leitschaufeln beschrieben, wobei die Leitschaufeln zwischen einem inneren und einem äußeren Ring angeordnet sind und die Profildicke des Schaufelblatts proportional zu der Schaufelteilung sich ändert. Die Änderung des Schaufelprofils erfolgt hierbei über die Höhe der Leitschaufel dadurch, daß keine Änderung in der Form der vorauseilenden Kante (Druckseite) stattfindet, sondern der Vorsprung auf der nacheilenden Kante an Größe über die Höhe allmählich zunimmt bei gleichzeitiger Zunahme der Dicke der Leitschaufel. Die Profiländerung wird hierbei so durchgeführt, daß die Dicke der Leitschaufel zunimmt, während ihre Sehnenlänge gleichbleibt. Ein solcher Leitschaufelkranz ist anwendbar bei Dampfturbinen, Gasturbinen sowie Kompressoren.
In der DE 42 28 879 A1 ist eine axial durchströmte Turbine mit mindestens einer Reihe gekrümmter Leitschaufeln angegeben. Durch die Schaufelkrümmung liegen sowohl die Eintrittskante als auch die Austrittskante der Leitschaufeln nicht in einer gleichen axialen Ebene. Die Krümmung der Schaufeln verläuft hierbei senkrecht zur Sehne, was durch eine Verschiebung der Profilschnitte sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung erreicht wird. Von einer Turbinengehäusewand (Zylinder) zu einer Turbinennabe hin verjüngen sich die Leitschaufeln, so daß sich deren Querschnitt entsprechend ändert, wobei das Schaufelprofil im wesentlichen über die Schaufelhöhe unverändert bleibt. Neben der Krümmung und der Verjüngung wird über der Blattlänge der Leitschaufel noch eine Verwindung des Schaufelblatts vorgenommen, um der Änderung der Umfangsgeschwindigkeit der auf die Leitschaufel folgenden Laufschaufeln über der Kanalhöhe Rechnung zu tragen. Es erfolgt somit eine Anpassung des Schaufelblatts durch eine Auslenkung des Schwerpunktes der Profilschnitte senkrecht zur Profilsehne (Krümmung bzw. Biegung), also eine Axial- und Umfangsauslenkung gleichzeitig, kombiniert mit einer Sehnenlängenvariation.
Mit einer Neigung versehene Turbinenschaufeln für eine Dampfturbine sind ebenfalls in dem Artikel "Development of three-dimensional stage viscous time marching method for optimization of short height stages" von G. Singh, P.J. Walker, B.R. Haller, in: "VDI-Berichte Nr. 1185, 1995, S. 157 - 179, angegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaufel mit geringen Strömungsverlusten für eine Strömungsmaschine anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Dampfturbine mit geringen Strömungsverlusten anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Schaufel für eine Strömungsmaschine gerichtete Aufgabe durch eine solche Schaufel gelöst, welche entlang einer Schaufelachse gerichtet ist und entlang dieser Schaufelachse einen Fußendbereich, einen Kopfendbereich sowie dazwischen einen Mittelbereich und ein zur Schaufelachse senkrechtes Querschnittsprofil aufweist, wobei axial in Richtung der Schaufelachse voneinander beabstandete Querschnittsprofile vom Fußendbereich zum Mittelbereich sowie vom Kopfendbereich zum Mittelbereich in dieselbe Richtung gegeneinander versetzt sind und wobei im Fußendbereich und/oder im Kopfendbereich axial voneinander beabstandete Querschnittsprofile um einen Differenzwinkel gegeneinander verdreht sind.
Bei einem Einbau der Schaufel in eine Turbine mit einer Turbinenwelle ist axial in Richtung der Schaufelachse gleichbedeutend mit radial in bezug auf die Turbinenwelle. Mit der Verschiebung von axial zueinander beabstandeten Querschnittsprofilen im Kopfendbereich sowie im Fußendbereich und einer zusätzlichen Verdrehung im Fußendbereich und/oder im Kopfendbereich wird eine Reduzierung der Strömungsverluste in den Randzonen (Kopfendbereich, Fußendbereich), welche der Nabe einer Turbinenwelle sowie dem Innenumfang eines Turbinengehäuses zugeordnet sind, erreicht. Die gleichgerichtete Verschiebung zum Mittelbereich hin bewirkt, daß die Turbinenschaufel bauchförmig senkrecht zur Schaufelachse geneigt (gebogen) ist. Mit einer zusätzlichen Verdrehung der axial zueinander beabstandeten Querschnittsprofile wird eine zusätzliche Erhöhung des Wirkungsgrades, d.h. eine Reduzierung der Strömungsverluste, erreicht.
Vorzugsweise sind die axial voneinander beabstandeten Querschnittsbereiche im Fußendbereich und im Kopfendbereich zum Mittelbereich hin gleichgerichtet gedreht. Hierdurch ist über die gesamte Höhe der Schaufel hinweg vom Kopfendbereich zum Fußendbereich hin die Verdrehung wieder zurückgenommen.
Die Schaufel ist vorzugsweise zur Anordnung in einen Schaufelkranz ausgelegt, welcher eine Umfangsrichtung aufweist, wobei die Querschnittsrichtung lokal mit der Umfangsrichtung zusammenfällt. Hierdurch erfolgt in den Randzonen der Schaufel eine Biegung in Umfangsrichtung mit einer gleichzeitigen Drehung (Winkelanpassung) in den Endbereichen der Schaufel, wodurch eine Verringerung von Strömungsverlusten und somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades einer Strömungsmaschine erreichbar ist. Insbesondere bei Dampfturbinen wird hierdurch einerseits eine Erhöhung der mechanischen Austrittsenergie bei gleichem thermischen Energieeinsatz sowie andererseits eine Reduktion des thermischen Energieeinsatzes und damit der Umweltbelastung durch Schadstoffausstoß bei gleichbleibender Austrittsenergie im Vergleich zu rein zylindrischen bzw. rein geneigten oder rein gebogenen Schaufeln erreicht.
Die Querschnittsprofile sind vorzugsweise bei einer Drehung bezüglich ihrem Flächenschwerpunkt oder bezüglich der Schaufelachse (falls abweichend z.B. durch inhomogene Massenverteilung) gedreht. Der dabei auftretende Drehwinkel wird im folgenden als Staffelwinkel und eine Durchführung der Drehung als Staffelwinkeländerung bezeichnet.
In einem Querschnitt senkrecht zur Schaufelachse ist das Querschnittsprofil entlang der Schaufelachse vorzugsweise überall gleich. Das Querschnittsprofil ändert sich mithin über die Höhe der Schaufel nicht. Hierbei ist vorzugsweise auch die Querschnittsfläche der Querschnittsprofile konstant. Die Schaufel weist hierbei vorzugsweise eine Kombination aus einer Umfangsauslenkung des Schwerpunkts der Querschnittsprofile (Biegung in Umfangsrichtung) und eine Staffelung der Querschnittsprofile (ohne Änderung der Profilierung) im Kopfend- und Fußendbereich (Naben- und Gehäusebereich) auf.
Je nach Ausdehnung der Schaufel in Richtung der Schaufelachse (Schaufellänge, Schaufelhöhe) zur Ausdehnung der Schaufel in einer Richtung senkrecht zur Schaufelachse (Schaufelbreite) und den Strömungsbedingungen bei Einsatz der Schaufel in einer Strömungsmaschine ist die Schaufel in dem Mittelbereich vorzugsweise zylindrisch ausgeführt. Die Seiten (Druckseite, Saugseite) der Schaufel verlaufen mithin parallel zu der Schaufelachse.
Die Schaufel ist vorzugsweise als Leitschaufel oder Laufschaufel einer Dampfturbine, insbesondere einer Hochdruckoder Mitteldruckdampfturbine ausgeführt. Bevorzugt weist die Schaufel hierbei ein kleines Längen zu Breiten-Verhältnis auf, wie es insbesondere bei Schaufeln für eine Hochdruck-Dampfturbine der Fall ist.
Die auf eine Dampfturbine gerichtete Aufgabe wird für eine Dampfturbine, welche entlang einer Turbinenachse gerichtet ist und einen Einströmbereich, einen Abströmbereich sowie einen strömungstechnisch dazwischen angeordneten Beschaufelungsbereich aufweist, dadurch gelöst, daß in dem Beschaufelungsbereich eine entlang einer Schaufelachse gerichtete Schaufel angeordnet ist, welche über die Schaufelachse eine Neigung und eine Verdrehung aufweist, welche jeweils von einem Fußendbereich zu einem Mittelbereich zunehmen und von dem Mittelbereich zu einem Kopfendbereich abnehmen.
Mit einer solchen Ausgestaltung der Dampfturbine umfassend die Schaufel mit ab- und zunehmender Neigung und Verdrehung ist eine Verringerung der Strömungsverluste im Bereich einer entlang der Turbinenachse gerichteten Turbinenwelle sowie einem die Turbinenwelle umgebenden Turbinengehäuse erreicht.
Die Schaufel mit ab- und zunehmender Neigung und Verdrehung ist vorzugsweise dem Einströmbereich zugeordnet. Sie ist daher vorzugsweise in der ersten Stufe und/oder den nachfolgenden Stufen angeordnet. Dies gilt sowohl für Stufen umfassend einen Schaufelkranz aus Laufschaufeln oder Leitschaufeln. Da in den ersten Stufen einer Hochdruck- oder Mitteidruck-Dampfturbine der Anteil an sogenannten Sekundärverlusten (Randverlusten) im Naben- und Gehäusebereich besonders hoch ist (z.B. bis zu 30% der Gesamtverluste) und durch die angegebene Schaufelform reduziert wird, kann hierdurch eine merkliche Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht werden.
Dem Abströmbereich ist vorzugsweise eine verwundene Schaufel, d.h. eine Schaufel mit über ihrer Länge zunehmender Verdrehung und Änderung des Querschnittsprofils und/oder der Querschnittsfläche, angeordnet. Axial zwischen den Stufen umfassend die verwundene Schaufel und die Schaufel mit ab- und zunehmender Neigung sowie Staffelwinkeländerung ist eine rein zylindrische Schaufel, d.h. mit zu der Schaufelachse parallelen Seitenwänden, vorgesehen. Mit einer solchen Anordnung von Schaufeln unterschiedlicher Geometrie ist eine Dampfturbine mit geringen Strömungsverlusten und hohem Wirkungsgrad gegeben.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele werden die Schaufel für eine Strömungsmaschine sowie die Dampfturbine näher erläutert. Es zeigen in teilweise schematisierter und nicht maßstäblicher Darstellung
FIG 1
einen Längsschnitt durch eine Hochdruck-Dampfturbine,
FIG 2
einen Querschnitt eines Ausschnitts durch einen Schaufelkranz,
FIG 3
eine räumliche Darstellung des Schaufelblattbereichs einer Schaufel,
FIG 4
einen Querschnitt durch den Schaufelblattbereich der Schaufel gemäß Figur 3 und
FIG 5
einen weiteren Querschnitt durch die Schaufel gemäß Figur 3 axial in Richtung der Schaufelachse beabstandet von dem Querschnitt gemäß Figur 4.
Gleiche Bezugszeichen haben in sämtlichen Figuren jeweils die gleiche Bedeutung.
In Figur 1 ist eine Strömungsmaschine, eine Hochdruck-Dampfturbine 11, in einem Längsschnitt dargestellt, die entlang einer Turbinenachse 17 gerichtet ist. Die Dampfturbine 11 weist eine entlang der Turbinenachse 17 gerichtete Turbinenwelle 20 auf, welche von einem Turbinengehäuse 18 umgeben ist. Entlang der Turbinenachse 17 weist die Dampfturbine 11 einen Einströmbereich 12 für Aktionsfluid, Heißdampf, sowie einen Abströmbereich 13 für den Heißdampf auf. Axial zwischen Einströmbereich 12 und Abströmbereich 13 ist ein Beschaufelungsbereich 14 vorgesehen. In dem Beschaufelungsbereich 14 folgen in axialer Richtung alternierend hintereinander jeweils in einem entsprechenden Schaufelkranz 21 zusammengefaßte Leitschaufeln 9 und Laufschaufeln 8. Jede Laufschaufel 8 und jede Leitschaufel 9 weist entlang einer Schaufelachse 2 (siehe Figur 3) einen Fußendbereich 3, einen Kopfendbereich 4 und axial in Richtung der Schaufelachse 2 dazwischen angeordnet einen Mittelbereich 10 auf. Mit dem Fußendbereich 3 grenzt eine Laufschaufel 8 an die Turbinenwelle 20 und eine Leitschaufel 9 an das Turbinengehäuse an. Für den Kopfendbereich 4 gilt gerade das Umgekehrte. Die dem Einströmbereich 12 am nächsten liegenden Laufschaufeln 8 und/oder Leitschaufeln 9 sind jeweils als eine Schaufel 1 ausgeführt, die im Fußendbereich 3 und im Kopfendbereich 4 geneigt und verdreht ist. Dem Abströmbereich 13 nächstliegenden Lauf schaufeln 8 und Leitschaufeln 9 sind jeweils als verwundene Schaufeln 19 mit über die Schaufelachse 2 zunehmender Verdrehung und sich änderndem Querschnittsprofil ausgeführt. In dem Beschaufelungsbereich 14 axial zwischen den geneigten und verdrehten Schaufeln 1 und den verwundenen Schaufeln 19 sind rein zylindrische Schaufeln 16 angeordnet, deren Saug- und Druckseite jeweils parallell zu der Schaufelachse 2 sind.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt eines Schaufelkranzes 21, in dem in Umfangsrichtung 6a nebeneinander Schaufeln 1 angeordnet sind. Der Übersichtlichkeit halber ist der Schaufelkranz 21 entlang der Umfangsrichtung 6a abgewickelt und mit lediglich zwei Schaufeln 1 dargestellt. Die Umfangsrichtung 6a entspricht dem Umfang der Turbinenwelle 20 in einem Schnitt senkrecht zur Turbinenachse 17. Die Hauptströmungsrichtung 22 des in der Dampfturbine 11 strömenden Dampfes ist senkrecht zu der Umfangsrichtung 6a des Schaufelkranzes 21.
In Figur 3 ist in einer räumlichen Darstellung der Schaufelblattbereich 23 einer entlang einer Schaufelachse 2 gerichteten Schaufel 1 dargestellt. Der Schaufelblattbereich 23 weist einen Fußendbereich 3, einen Kopfendbereich 4 und dazwischen einen Mittelbereich 10 auf. Der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist ein sich an den Fußendbereich 3 anschließender Befestigungsbereich, mit dem die Türbinenschaufel 1 in der Turbinenwelle 20 oder dem Turbinengehäuse 18 befestigt ist. Weiterhin ist ebenfalls ein sich gegebenenfalls an den Kopfendbereich 4 anschließendes Deckband nicht dargestellt. In dem Kopfendbereich 4 und dem Fußendbereich 3 ist die Turbinenschaufel 1 in einer Querschnittsrichtung 6, die vorzugsweise der Umfangsrichtung 6a des Schaufelkranzes 21 entspricht, geneigt, und in axialer Richtung um einen Differenzwinkel Δβ (siehe Figur 4 und 5) gedreht. Die in dem Fußendbereich 3 zu dem Mittelbereich 10 hin sich vergrößernde Verdrehung und sich vergrößernde Umfangsbiegung entspricht derselben Verdrehung und Umfangsbiegung wie im Kopfendbereich 4. Ausgehend vom Fußendbereich 3 bedeutet dies, daß entlang der Schaufelachse 2 ein Querschnittsprofil 5 gedreht und verschoben wird in Richtung zu dem Mittelbereich 10 und von dem Mittelbereich 10 zu dem Kopfendbereich 4 die Verdrehung und Verschiebung zurückgenommen ist. Über die Höhe des Mittelbereichs 10 bleibt der Grad der Verschiebung und Verdrehung konstant. Die Größe der Zurückdrehung und Zurückverschiebung über den Kopfendbereich 4 ist vorzugsweise genauso groß wie die Verschiebung und Verdrehung im Fußendbereich 3.
Die Umfangsbiegung bedeutet hierin eine Verschiebung des Querschnittsprofils 5, 5a in Richtung einer Querschnittsrichtung 6, welche vorzugsweise der Umfangsrichtung 6a eines Schaufelkranzes 21 entspricht. Eine Verdrehung der Schaufel 1 erfolgt durch eine Staffelwinkeländerung, d.h. eine Änderung des Winkels β gemäß Figur 4 und Figur 5 durch eine Rotation des Querschnittsprofils 5 um die Schaufelachse 2, welche vorzugsweise mit der Schwereachse der Schaufel 1 zusammenfällt. Bei einer Schaufel 1 mit über einem Querschnitt homogener Massenverteilung entspricht dies ebenfalls einer Drehung um den Flächenschwerpunkt 7 (Massenschwerpunkt 7) des Querschnttsprofils 5, 5a. Das Querschnittsprofil 5, 5a, 5b ist über die gesamte Höhe des Schaufelblattbereichs 23 für jeden Querschnitt das gleiche, d.h. insbesondere daß Querschnittsform und -fläche konstant sind. Das in Figur 5 dargestellte Querschnittsprofil 5b ist gegenüber dem in Figur 4 dargestellten Querschnittsprofil 5a um den Differenzwinkel Δβ gedreht und um den Verschiebungswert ΔU verschoben. Dies entspricht einer Änderung des Staffelwinkels β auf den Wert des Staffelwinkels β' (Figur 5).
Da bei einer Dampfturbine, insbesondere einer Hochdruck-Dampfturbine, die Randverluste, d.h. die strömungsmechanischen Verluste in Nähe der Turbinenwelle und des Turbinengehäuses, bis zu etwa 30% der Gesamtverluste betragen können, führt eine Verminderung dieser Randverluste aufgrund der Verdrehung und Umfangsbiegung der Schaufel in einer Dampfturbine zu einer Steigerung des Wirkungsgrades. Der Grad der Verdrehung und Umfangsbiegung ist jeweils an die strömungstechnischen Verhältnisse in einer Dampfturbine anpaßbar, wobei die Verdrehung und Umfangsbiegung sich ebenfalls über den gesamten Mittelbereich erstrecken kann. Es ist ebenfalls möglich, daß der Mittelbereich rein zylindrisch ist, d.h. die Saugseite und die Druckseite der Schaufel parallel zu der Schaufelachse gerichtet sind.

Claims (11)

  1. Schaufel (1) für eine Strömungsmaschine (11), welche entlang einer Schaufelachse (2) gerichtet ist, mit einem Fußendbereich (3) und einem diesem entlang der Schaufelachse (2) gegenüber angeordneten Kopfendbereich (4) sowie einem dazwischen angeordneten Mittelbereich (10) und mit einem zur Schaufelachse (2) senkrechten Querschnittsprofil (5; 5a, 5b; 15a, 15b), wobei im Kopfendbereich (4) zum Mittelbereich (10) hin axial in Richtung der Schaufelachse (2) voneinander beabstandete Querschnittsprofile (5a, 5b) in einer Querschnittsrichtung (6) durch eine Translation gegeneinander versetzt sind, und im Fußendbereich (3) zum Mitteibereich (10) hin axial voneinander beabstandete Querschnittsprofile (15a, 15b) in derselben Querschnittsrichtung (6) durch eine Translation gegeneinander versetzt sind und wobei im Fußendbereich (3) und/oder im Kopfendbereich (4) axial voneinander beabstandete Querschnittsprofile (15a, 15b; 5a, 5b) um einen jeweiligen Differenzwinkel (Δβ) gegeneinander verdreht sind.
  2. Schaufel (1) nach Anspruch 1, wobei die axial voneinander beabstandeten Querschnittsprofile (5a, 5b;15a, 15b) im Fußendbereich (3) und im Kopfendbereich (4) zum Mittelbereich (10) hin jeweils gleichgerichtet verdreht sind.
  3. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Anordnung in einen Schaufelkranz mit einer Umfangsrichtung (6a), wobei die Querschnittsrichtung (6) lokal mit der Umfangsrichtung (6a) zusammenfallt.
  4. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Querschnittsprofile (5a, 5b;15a, 15b) jeweils bezüglich ihres Flächenschwerpunktes (7) gedreht sind.
  5. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Querschnittsprofil (5a, 5b; 15a, 15b) entlang der Schaufelachse (2) überall gleich ist.
  6. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die im Mittelbereich (10) zylindrisch ausgeführt ist.
  7. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Leitschaufel (9) oder Laufschaufel (8) einer Dampfturbine (11), ausgeführt ist.
  8. Dampfturbine (11), insbesondere Hochdruck- oder Mitteldruckdampfturbine, die entlang einer Turbinenachse (17) gerichtet ist, mit einem Einstrombereich (12), einem Abströmbereich (13) und einem strömungstechnisch dazwischen angeordneten Beschaufelungsbereich (14), wobei in dem Beschaufelungsbereich (14) eine entlang einer Schaufelachse (2) gerichtete Schaufel (1) angeordnet ist, welche Schaufel (1) über die Schaufelachse (2) ein Neigung und eine Verdrehung aufweist, welche jeweils von einem Fußendbereich (3) zu einem Mittelbereich (10) zunehmen und von dem Mittelbereich (10) zu einem Kopfendbereich (4) abnehmen.
  9. Dampfturbine (11) nach Anspruch 8, bei der die Schaufel (1) mit ab- und zunehmender Neigung und Verdrehung dem Einströmbereich (12) zugeordnet ist.
  10. Dampfturbine (11) nach Anspruch 9, bei der eine verwundene Schaufel (19) dem Abströmbereich (13) zugeordnet ist.
  11. Dampfturbine (11) nach Anspruch 10, bei der in Richtung der Turbinenachse (17) zwischen der Schaufel (1) und der verwundenen Schaufel (19) eine rein zylindrische Schaufel (16) angeordnet ist.
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