WO1999013199A1 - Schaufel für eine strömungsmaschine sowie dampfturbine - Google Patents

Schaufel für eine strömungsmaschine sowie dampfturbine Download PDF

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WO1999013199A1
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axis
steam turbine
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Mathias Deckers
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Siemens Aktiengesellschaft
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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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations

Definitions

  • the invention relates to a blade for a turbomachine, the blade being directed along a blade axis and having a foot end region, a head end region and a central region and a cross-sectional region arranged perpendicularly to the blade axis along this blade axis.
  • the invention further relates to a steam turbine, in particular a high-pressure or medium-pressure steam turbine.
  • an inclination of the turbine blade in the circumferential direction is specified.
  • An inclination of the turbine blade in the area of the blade tip and the hub area of the turbine blade leads to a curved blade, such a bend being applicable only to guide blades due to the mechanical properties.
  • the article states in general that a rotation of the blade also has an influence on the inclination of the blade, so that with a three-dimensional design in the end regions of the blade, both the blade inclination, the blade rotation and the blade profile are at disposition.
  • Inlet guide vanes are arranged in the axial compressor along the gas flow path in front of the rotor and guide vanes. These inlet or inlet guide vanes have a curved cross section, except in the area of the walls.
  • the middle vane part with the arched cross section merges into a smooth and continuously curved surface in each wall region in the non-arched cross-sectional profile in the wall regions.
  • the cross-sectional profiles of the airfoil thus change continuously over the height of the outlet guide vane.
  • the inlet angle remains constant over the entire height of the inlet guide vane.
  • German Auslegeschrift 28 41 616 describes a guide vane ring for an axial turbine with guide vanes, the guide vanes being arranged between an inner and an outer ring and the profile thickness of the airfoil changing in proportion to the blade pitch. The change in the blade profile takes place via the
  • the guide vanes taper, so that their cross section changes accordingly, the blade profile remaining essentially unchanged over the blade height.
  • a twisting of the blade is also carried out over the length of the blade of the guide blade in order to take into account the change in the peripheral speed of the blades following the guide blade above the channel height. The blade is therefore adjusted by deflecting the center of gravity of the profile cuts perpendicular to the
  • Profile chord (curvature or bend), ie an axial and circumferential deflection at the same time, combined with a chord length variation.
  • Inclined turbine blades for a steam turbine are also described 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 to provide a blade with low flow losses for a flow machine.
  • Another object of the invention is to provide a steam turbine with low flow losses.
  • the object directed to a blade for a flow machine is achieved by such a blade which is directed along a blade axis and has a foot end region, a foot axis, along this blade axis
  • the axially spaced cross-sectional areas in the foot end area and in the head end area are preferably rotated in the same direction towards the central area. As a result, the rotation is reduced again over the entire height of the blade from the head end region to the foot end region.
  • the blade is preferably designed to be arranged in a blade ring which has a circumferential direction, the cross-sectional direction coinciding locally with the circumferential direction.
  • This results in a bending in the peripheral zones of the blade in the circumferential direction with a simultaneous rotation (angle adjustment) in the end regions of the blade, whereby a reduction in flow losses and thus an increase in the efficiency of a flow machine can be achieved.
  • this results on the one hand in an increase in the mechanical exit energy with the same thermal energy input, and on the other hand in a reduction in the thermal energy use and thus the environmental impact due to pollutant emissions with the same exit energy compared to purely cylindrical or purely inclined or purely curved blades.
  • the cross-sectional profiles are preferably rotated with respect to their center of gravity or with respect to the blade axis (if different, e.g. due to inhomogeneous mass distribution).
  • the angle of rotation that occurs is referred to below as the stagger angle and performing the rotation as the stagger angle change.
  • the cross sectional profile along the blade axis is preferably the same everywhere.
  • the cross-sectional profile therefore does not change over the height of the blade.
  • the cross-sectional area of the cross-sectional profiles is preferably also constant.
  • the blade preferably has a combination of a circumferential deflection of the center of gravity of the cross-sectional profiles (bending in the circumferential direction) and a staggering of the cross-sectional profiles (without changing the profile) in the top and bottom end area (hub and housing area).
  • the blade in the middle region is preferably cylindrical.
  • the sides (pressure side, suction side) of the blade therefore run parallel to the blade axis.
  • the blade is preferably designed as a guide blade or rotor blade of a steam turbine, in particular a high-pressure or medium-pressure steam turbine.
  • the blade preferably has a small length to width ratio, as is the case in particular for blades for a high-pressure steam turbine.
  • the object directed to a steam turbine is achieved for a steam turbine which is directed along a turbine axis and has an inflow region, an outflow region and a blading region arranged in terms of flow technology between the fact that in the blading region a blade directed along a blade axis is arranged, which over the Blade axis has an inclination and a twist, which each increase from a foot end region to a central region and decrease from the central region to a head end region.
  • the blade with increasing and decreasing inclination and rotation is preferably assigned to the inflow area. It is therefore preferably arranged in the first stage and / or the subsequent stages. This applies both to steps comprising a blade ring made of moving blades or guide blades. Since the proportion of so-called secondary losses (edge losses) in the hub and housing area is particularly high in the first stages of a high-pressure or medium-pressure steam turbine (for example up to 30% of the total losses) and is reduced by the specified blade shape, this can result in a noticeable The increase in efficiency can be achieved.
  • a twisted blade ie a blade with twisting and changing the cross-sectional profile and / or the cross-sectional area increasing over its length, is preferably arranged in the outflow region.
  • a purely cylindrical blade that is to say with side walls parallel to the blade axis, is provided axially between the steps, comprising the twisted blade and the blade with increasing and decreasing inclination as well as change in the angle of the blade.
  • Such an arrangement of blades of different geometries provides a steam turbine with low flow losses and high efficiency.
  • FIG. 3 shows a spatial representation of the blade area of a blade
  • FIG. 4 shows a cross section through the blade area of the blade according to FIG. 3 and
  • FIG. 5 shows a further cross section through the blade according to FIG. 3 axially spaced from the cross section according to FIG. 4 in the direction of the blade axis.
  • FIG. 1 shows a flow machine, a high-pressure steam turbine 11, in a longitudinal section, which is directed along a turbine axis 17.
  • the steam turbine 11 has a turbine shaft 20 which is directed along the turbine axis 17 and is surrounded by a turbine housing 18.
  • the steam turbine 11 has an inflow region 12 for action fluid, superheated steam, and an outflow region 13 for the superheated steam.
  • a blading area 14 is provided axially between the inflow area 12 and the outflow area 13.
  • a central region 10 Arranged in between in the direction of the blade axis 2 is a central region 10.
  • a moving blade 8 borders on the turbine shaft 20 and a guide blade 9 on the turbine housing.
  • the rotor blades 8 and / or guide blades 9 closest to the inflow region 12 are each designed as a blade 1 which is inclined and rotated in the foot end region 3 and in the head end region 4.
  • Rotary vanes 8 and guide vanes 9 located downstream of the outflow region 13 are each designed as twisted vanes 19 with twisting increasing over the blade axis 2 and changing cross-sectional profile.
  • Purely cylindrical blades 16 are arranged in the blading area 14 axially between the inclined and twisted blades 1 and the twisted blades 19, the suction and pressure sides of which are each parallel to the blade axis 2.
  • FIG. 2 shows a section of a blade ring 21 in which blades 1 are arranged next to one another in the circumferential direction 6a.
  • the blade ring 21 is unwound along the circumferential direction 6a and is shown with only two blades 1.
  • the circumferential direction 6a corresponds to the circumference of the turbine shaft 20 in a section perpendicular to the turbine axis 17.
  • the main flow direction 22 of the steam flowing in the steam turbine 11 is perpendicular to the circumferential direction 6a of the blade ring 21.
  • FIG. 3 shows a spatial representation of the blade area 23 of a blade 1 directed along a blade axis 2.
  • the airfoil area 23 has a foot end area 3, a head end area 4 and in between a central area 10.
  • a fastening region adjoining the foot end region 3 and with which the turbine blade 1 is fastened in the turbine shaft 20 or the turbine housing 18 is not shown.
  • a shroud possibly adjoining the head end area 4 is also not shown.
  • the turbine blade 1 is inclined in a cross-sectional direction 6, which preferably corresponds to the circumferential direction 6a of the blade ring 21, and is rotated in the axial direction by a difference angle ⁇ (see FIGS. 4 and 5).
  • the increasing in the foot end region 3 towards the central region 10 and increasing circumferential bend corresponds to the same rotation and circumferential bend as in the head end region 4.
  • the degree of displacement and twisting remains constant over the height of the central region 10.
  • the size of the turning back and shifting back over the head end area 4 is preferably the same as the shifting and twisting 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 corresponds to the circumferential direction 6a of a blade ring 21.
  • a rotation of the blade 1 takes place by changing the stagger angle, ie changing the angle ⁇ according to FIG. 4 and FIG. 5 by rotating the cross-sectional profile 5 about the blade axis 2, which preferably coincides with the gravity axis of the blade 1.
  • this also corresponds to a rotation about the center of gravity 7 (center of gravity 7) of the cross-section profile 5, 5a.
  • the cross-sectional profile 5, 5a, 5b is the same for each cross-section over the entire height of the airfoil region 23, ie in particular that the cross-sectional shape and cross-section are constant.
  • the cross-sectional profile 5b shown in FIG. 5 is rotated relative to the cross-sectional profile 5a shown in FIG. 4 by the difference angle ⁇ and shifted by the displacement value ⁇ U. This corresponds to a change in the stagger angle ß to the value of the stagger angle ß '(FIG. 5).
  • the edge losses i.e. The flow mechanical losses in the vicinity of the turbine shaft and the turbine housing, which can be up to about 30% of the total losses, a reduction of these edge losses due to the twisting and circumferential bending of the blade in a steam turbine leads to an increase in efficiency.
  • the degree of twisting and circumferential bending can be adapted to the flow conditions in a steam turbine, whereby the twisting and circumferential bending can also extend over the entire central region. It is also possible that the central area is purely cylindrical, i.e. the suction side and the pressure side of the blade are directed parallel to the blade axis.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel (1) für eine Strömungsmaschine (11), welche entlang einer Schaufelachse (2) gerichtet ist. Axial voneinander beabstandete Querschnittsprofile (5) senkrecht zur Schaufelachse (2) sind im Kopfendbereich (4) sowie im Fußendbereich (3) der Schaufel (1) zum Mittelbereich (10) hin jeweils gleichgerichtet gegeneinander versetzt, so daß die Schaufel (1) entlang der Schaufelachse (2) bauchförmig verschoben ist. Weiterhin sind axial voneinander beabstandete Querschnittsprofile (5a, 5b; 15a, 15b) im Fußendbereich (3) und/oder im Kopfendbereich (4) gegeneinander verdreht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Dampfturbine (11).

Description

Beschreibung
Schaufel für eine Stromungsmaschine sowie Dampfturbine
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 Stromungsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, wird durch auftretende Strömungsverluste verringert. Mit der Verbesserung des Wirkungsgrades und damit auch der Reduzierung solcher Stromungsverluste befaßt sich z.B. der Artikel "Advanced Steam Turbine Technology for Im- proved 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 Stromungsverluste, 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 fuhrt 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 Ausle- gung in den Endbereichen der Schaufel sowohl die Schaufelneigung, die Schaufelverdrehung als auch das Schaufelprofil zur Disposition stehen. In dem Artikel "Modern Blade Design for Improvmg Steam Turbine Efficiency" von M. Jansen und W. Ulm in "VDI Berichte" Nr. 1185, 1995, Seiten 277 - 290, wird ebenfalls auf eine Er- hohung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine, insbesondere einer Hochdruck- oder Mitteldruckdampfturbme, eingegangen. Der Einfluß verschiedener Stromungsverluste für verschiedene Dampfturbinen ist dargelegt. Durch eine spezielle Ausgestaltung der Turbmenschaufel wird eine Verminderung der Stro- mungsverluste erreicht. Die dreidimensional ausgebildeten Turbinenschaufein weisen hierbei m einem Fußbereich sowie einem Kopfbereich der Turbmenschaufel eine Neigung auf. In dem Artikel ist ein Vergleich bezüglich der Stromungsverluste dieser dreidimensional ausgestalteten Turbinenschaufein 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 Tur- bmenschaufein beschrieben, welche über ihre Hohe eine zunehmende Verdrehung und ein sich änderndes Schaufelprofll aufweisen.
In der DE 31 48 995 AI ist eine Axialturbme, wie eine Dampf- turbme oder eine Gasturbine mit einer Vielzahl von am Umfang mit Abstand voneinander angeordneten Leitschaufeln beschrieben. Die verwendeten Leitschaufeln sind über ihre Hohe verwunden und weisen einen sich ändernden Einlaßwinkel auf. Die Änderung des Einlaßwinkels nimmt ab einer gewissen Hohe ge- messen vom Schaufelfuß (Wurzel) kontinuierlich im Bereich der Spitze der Leitschaufel uberlinear zu. Die Verw dung nimmt ebenfalls über die Hohe der Leitschaufel kontinuierlich zu. Das Querschnittsprofll der Leitschaufel ändert sich vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze hm kontinuierlich, wobei die Leitschaufel immer schlanker wird. Bei der Formgebung der Leitschaufel werden weitere Änderungen über die Hohe der Leitschaufel betreffend den Auslaßwinkel, die Große und Form der Leitschaufel, berücksichtigt.
In der Deutschen Auslegeschrift 11 68 599 ist ein Axialver- dichter mit Lauf- und/oder Leitschaufeln, die einen im Bereich der Wandflachen geänderten Querschnitt zur Kompensation der durch diese Wandflachen bewirkten Stromungsbeeinflussung ausweisen, angegeben. In dem Axialverdichter sind längs des Gasstromungsweges vor den Lauf- und Leitschaufeln Eintritts- leitschaufeln 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 m einer glatten und stetig gekrümmten Flache in das ungewolbte Querschnittsprofll in den Wandbereichen über. Über die Hohe der Emlaßleitschau- fel andern sich somit kontinuierlich die Querschnittsprofile des Schaufelblatts. Der Einlaßwinkel bleibt über die gesamte Hohe 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
Hohe der Leitschaufel dadurch, daß keine Änderung in der Form der vorauseilenden Kante (Druckseite) stattfindet, sondern der Vorsprung auf der nacheilenden Kante an Große über die Hohe allmählich zunimmt bei gleichzeitiger Zunahme der Dicke der Leitschaufel. Die Profilanderung wird hierbei so durchgeführt, daß die Dicke der Leitschaufel zunimmt, wahrend ihre Sehnenlange gleichbleibt. Ein solcher Leitschaufelkranz ist anwendbar bei Dampfturbinen, Gasturbinen sowie Kompressoren.
In der DE 42 28 879 AI ist eine axial durchströmte Turbine mit mindestens einer Reihe gekrümmter Leitschaufeln angegeben. Durch die Schaufelkrummung liegen sowohl die Eintritts- kante als auch die Austrittskante der Leitschaufeln nicht in einer gleichen axialen Ebene. Die Krümmung der Schaufeln verlauft hierbei senkrecht zur Sehne, was durch eine Verschiebung der Profilschnitte sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung erreicht wird. Von einer Turbinengehausewand
(Zylinder) zu einer Turbinennabe hin verjungen sich die Leitschaufeln, so daß sich deren Querschnitt entsprechend ändert, wobei das Schaufelprofil im wesentlichen über die Schaufelhohe unverändert bleibt. Neben der Krümmung und der Verjun- gung wird über der Blattlange der Leitschaufel noch eine Ver- windung des Schaufelblatts vorgenommen, um der Änderung der Umfangsgeschwindigkeit der auf die Leitschaufel folgenden Laufschaufeln über der Kanalhohe Rechnung zu tragen. Es erfolgt somit eine Anpassung des Schaufelblatts durch eine Aus- lenkung des Schwerpunktes der Profilschnitte senkrecht zur
Profilsehne (Krümmung bzw. Biegung), also eine Axial- und Umfangsauslenkung gleichzeitig, kombiniert mit einer Sehnenlan- genvariation.
Mit einer Neigung versehene Turbinenschaufeln für eine Dampfturbine sind ebenfalls in dem Artikel "Development of three- dimensional stage viscous time marching method for optimiza- tion of short height stages" von G. Singh, P.J. Walker, B.R. Haller, in: "VDI-Berichte Nr. 1185, 1995, S. 157 - 179, an- gegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaufel mit geringen Stromungsverlusten für eine Stromungsmaschine anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Dampftur- bine mit geringen Stromungsverlusten anzugeben.
Erfindungsgemaß wird die auf eine Schaufel für eine Stromungsmaschine gerichtete Aufgabe durch eine solche Schaufel gelost, 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 Fußendbe- reich und/oder im Kopfendbereich axial voneinander beabstandete Querschnittsprofile um einen Differenzwinkel gegeneinander verdreht sind.
Bei einem Einbau der Schaufel in eine Turbine mit einer Tur- binenwelle 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 Kopfend- bereich wird eine Reduzierung der Stromungsverluste in den Randzonen (Kopfendbereich, Fußendbereich) , welche der Nabe einer Turbinenwelle sowie dem Innenumfang eines Turbinengehauses zugeordnet sind, erreicht. Die gleichgerichtete Verschiebung zum Mittelbereich hm bewirkt, daß die Turbinen- schaufei bauchförmig senkrecht zur Schaufelachse geneigt
(gebogen) ist. Mit einer zusatzlichen Verdrehung der axial zueinander beabstandeten Querschnittsprofile wird eine zusatzliche Erhöhung des Wirkungsgrades, d.h. eine Reduzierung der Stromungsverluste, erreicht.
Vorzugsweise sind die axial voneinander beabstandeten Querschnittsbereiche im Fußendbereich und im Kopfendbereich zum Mittelbereich hin gleichgerichtet gedreht. Hierdurch ist über die gesamte Hohe 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 zusammenfallt. Hierdurch erfolgt m den Randzonen der Schaufel eine Biegung in Umfangsrichtung mit einer gleichzeitigen Drehung (Winkelanpassung) in den Endbereichen der Schaufel, wodurch eine Verringerung von Stromungsverlusten und somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades einer Stromungsmaschine 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 bezuglich ihrem Flachenschwerpunkt oder bezuglich der Schau- felachse (falls abweichend z.B. durch inhomogene Massenverteilung) gedreht. Der dabei auftretende Drehwinkel wird im folgenden als Staffelwinkel und eine Durchfuhrung der Drehung als Staffelwinkelanderung bezeichnet.
In einem Querschnitt senkrecht zur Schaufelachse ist das Querschnittsprofil entlang der Schaufelachse vorzugsweise überall gleich. Das Querschnittsprofil ändert sich mithin über die Hohe der Schaufel nicht. Hierbei ist vorzugsweise auch die Querschnittsflache der Querschnittsprofile konstant. Die Schaufel weist hierbei vorzugsweise eine Kombination aus einer Umfangsauslenkung des Schwerpunkts der Querschnittspro- file (Biegung in Umfangsrichtung) und eine Staffelung der Querschnittsprofile (ohne Änderung der Profilierung) im Köpfend- und Fußendbereich (Naben- und Gehausebereich) auf.
Je nach Ausdehnung der Schaufel in Richtung der Schaufelachse (Schaufellange, Schaufelhohe) zur Ausdehnung der Schaufel in einer Richtung senkrecht zur Schaufelachse (Schaufelbreite) und den Stromungsbedingungen bei Einsatz der Schaufel in einer Stromungsmaschine 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 Einstrombereich, einen Abstrombereich sowie einen stromungstechnisch dazwischen angeordneten Beschaufelungsbereich aufweist, dadurch gelost, 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 Stromungsverluste im Bereich einer entlang der Turbinenachse gerichteten Turbinenwelle sowie einem die Turbinenwelle umgebenden Turbinengehause erreicht.
Die Schaufel mit ab- und zunehmender Neigung und Verdrehung ist vorzugsweise dem Einstrombereich zugeordnet. Sie ist daher vorzugsweise in der ersten Stufe und/oder den nachfolgenden Stufen angeordnet. Dies gilt sowohl für Stufen umfassend einen Schaufelkranz aus Laufschaufein oder Leitschaufeln. Da in den ersten Stufen einer Hochdruck- oder Mitteldruck-Dampfturbine der Anteil an sogenannten Sekundarverlusten (Randverlusten) im Naben- und Gehausebereich besonders hoch ist (z.B. bis zu 30% der Gesamtverluste) und durch die angegebene Schaufelform reduziert wird, kann hierdurch eine merk- liehe Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht werden. Dem Abstrombereich ist vorzugsweise eine verwundene Schaufel, d.h. eine Schaufel mit über ihrer Lange zunehmender Verdrehung und Änderung des Querschnittsprofils und/oder der Querschnittsflache, angeordnet. Axial zwischen den Stufen umfas- send die verwundene Schaufel und die Schaufel mit ab- und zunehmender Neigung sowie Staffelwinkelanderung ist eine rein zylindrische Schaufel, d.h. mit zu der Schaufelachse parallelen Seitenwanden, vorgesehen. Mit einer solchen Anordnung von Schaufeln unterschiedlicher Geometrie ist eine Dampfturbine mit geringen Stromungsverlusten und hohem Wirkungsgrad gegeben.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiele werden die Schaufel für eine Stromungsmaschine sowie die Dampfturbine naher 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 Schaufelkränz,
FIG 3 eine raumliche Darstellung des Schaufelblattbe- reichs 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 samtlichen Figuren jeweils die gleiche Bedeutung. In Figur 1 ist eine Stromungsmaschine, 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 Turbinen- welle 20 auf, welche von einem Turbinengehause 18 umgeben ist. Entlang der Turbinenachse 17 weist die Dampfturbine 11 einen Einstrombereich 12 für Aktionsfluid, Heißdampf, sowie einen Abstrombereich 13 für den Heißdampf auf. Axial zwischen Einstrombereich 12 und Abstrombereich 13 ist ein Beschaufe- lungsbereich 14 vorgesehen. In dem Beschaufelungsbereich 14 folgen in axialer Richtung alternierend hintereinander jeweils in einem entsprechenden Schaufelkranz 21 zusammengefaßte Leitschaufeln 9 und Laufschaufein 8. Jede Laufschaufel 8 und ede 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 Leitschaufei 9 an das Turbinengehause an. Für den Kopfendbe- reich 4 gilt gerade das Umgekehrte. Die dem Einstrombereich 12 am nächsten liegenden Laufschaufein 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 Abstrombereich 13 nachstliegenden Laufschaufein 8 und Leitschaufeln 9 sind jeweils als verwundene Schaufein 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 zylin- drische 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 angeord- net 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 Turbinenschaufel 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 Diffe- renzwinkel Δß (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 Staffelwinkelanderung, d.h. eine Änderung des Winkels ß gemäß Figur 4 und Figur 5 durch eine Rotation des Querschnittsprofils 5 um die Schaufelachse 2, welche vorzugsweise mit der Schwereachse der Schaufel 1 zusammenfallt. Bei einer Schaufel 1 mit über einem Querschnitt homogener Massenverteilung entspricht dies ebenfalls einer Drehung um den Flachenschwerpunkt 7 (Massenschwerpunkt 7) des Quer- schnttsprofils 5, 5a. Das Querschnittsprofil 5, 5a, 5b ist über die gesamte Hohe des Schaufelblattbereichs 23 für jeden Querschnitt das gleiche, d.h. insbesondere daß Querschnittsform und -flache konstant sind. Das in Figur 5 dargestellte Querschnittsprofil 5b ist gegenüber dem in Figur 4 dargestellten Querschnittsprofil 5a um den Differenzwinkel Δß gedreht und um den Verschiebungswert ΔU verschoben. Dies ent- spricht einer Änderung des Staffelwinkels ß auf den Wert des Staffelwinkels ß' (Figur 5).
Da bei einer Dampfturbine, insbesondere einer Hochdruck- Dampfturbine, die Randverluste, d.h. die stromungsmechani- sehen Verluste in Nahe der Turbmenwelle und des Turbinengehauses, bis zu etwa 30% der Gesamtverluste betragen können, fuhrt eine Verminderung dieser Randverluste aufgrund der Verdrehung und Umfangsbiegung der Schaufel m einer Dampfturbine zu einer Steigerung des Wirkungsgrades. Der Grad der Verdre- hung und Umfangsbiegung ist jeweils an die stromungstechni- schen Verhaltnisse 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 Saug- seite und die Druckseite der Schaufel parallel zu der Schaufelachse gerichtet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Schaufel (1) für eine Stromungsmaschine (11), welche entlang einer Schaufelachse (2) gerichtet ist, mit einem Fußend- bereich (3) und einem diesem entlang der Schaufelachse (2) gegenüber angeordneten Kopfendbereich (4) sowie einem dazwischen angeordneten Mitteibereich (10) und mit einem zur Schaufelachse (2) senkrechten Querschnittsprofil (5; 5a, 5b; 15a, 15b), wobei im Kopfendbereich (4) zum Mittelbereich (10) hm axial in Richtung der Schaufelachse (2) voneinander beabstandete Querschnittsproflle (5a, 5b) in einer Querschnittsrichtung (6) gegeneinander versetzt sind, und im Fußendbereich (3) zum Mitteibereich (10) hm axial voneinander beabstandete Querschnittsproflle (15a, 15b) in derselben Quer- schnittsrichtung (6) gegeneinander versetzt sind und wobei im Fußendbereich (3) und/oder im Kopfendbereich (4) axial voneinander beabstandete Querschnittsprofile (15a, 15b; 5a, 5b) um einen Differenzwinkel (Δß) 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) hm 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 Um- fangsrichtung (6a) zusammenfallt.
4. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Querschnittsprofile (5a, 5b; 15a, 15b) jeweils bezuglich ihres Flachenschwerpunktes (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) ge- richtet ist, mit einem Einstrombereich (12), einem Abstrombereich (13) und einem stromungstechnisch 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 Ein- strόmbereich (12) zugeordnet ist.
10. Dampfturbine (11) nach Anspruch 9, bei der eine verwun- dene Schaufel (19) dem Abstrombereich (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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