WO2007113149A1 - Leitschaufel für eine strömungsmaschine, insbesondere für eine dampfturbine - Google Patents

Leitschaufel für eine strömungsmaschine, insbesondere für eine dampfturbine Download PDF

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WO2007113149A1
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vane
blade
curvature
angle
hub
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PCT/EP2007/052828
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Ralf Greim
Said Havakechian
Mourad Lakehel
Carsten Mumm
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Alstom Technology Ltd
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    • F01D5/12—Blades
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    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved

Definitions

  • the present invention relates to a guide vane for a turbomachine, in particular for a steam turbine with at least one row of guide vanes.
  • curved blades are used as an embodiment of turbine blades, in particular when strong three-dimensional flows occur, which show pronounced radial differences in the static pressure curve between the rotor side and the stator side, and which arise due to the deflection in the guide vanes.
  • the flow of a flow medium in a last stage of a low-pressure turbine with a large inflow cross-section leads, in particular with a large ratio between blade length and hub, to a radial reaction distribution having a negative effect on the efficiency of the steam turbine.
  • the reaction distribution here is different in the radial direction, being low at the hub and high at a housing of the turbine, which is generally considered disadvantageous.
  • a high response in the hub area reduces the gap losses in the vane ring and thus leads to improved efficiency.
  • curved guide vanes are used.
  • Turbines with curved in the axial direction and in the circumferential direction vanes are known for example from DE 42 28 879 A1.
  • the blades Upstream of a playpen a fixed guide grid is arranged, the blades are optimized in terms of number and in terms of their ratio chord to pitch fluidically for full load. They give the flow required for the entry into the playpen swirl.
  • the curvature of the blades is perpendicular to the chord, which is achieved by a displacement of the profile cross sections both in the circumferential direction and in the axial direction. The curvature of the vanes is against the
  • a turbine blade is known, which is negatively swept in the flow direction at its rotor-side end and at its stator end and inclined in a radial direction with respect to the flow direction at its rotor-side end and at its stator end against the pressure side , This is thus a turbine with both in the circumferential direction and in the axial direction curved turbine blades.
  • EP 0 916 812 B1 discloses an output stage of an axially flow-through turbine with a large channel divergence and with a series of curved guide vanes and a row of tapered and twisted blades, wherein the guide vanes are positively swept in the axial direction at their rotor-side end and their stator end negative are, in each case with respect to the course of the rotor-side channel boundary.
  • the positive sweep of the vane extends over two-thirds of the blade height and then passes into the negative sweep, wherein in the positive sweep the vane trailing edge is parallel to the vane leading edge and in the negative sweep between the guide and blade against the wall continuously spreading axial diffuser forms with increasing delay of the axial component of the fluid.
  • the invention is based on the general idea, in a turbomachine, of at least the guide vanes of a vane row having a lean curve, a sweep curve, a torsion, a chord length that varies over the radial extent of the guide vane, and a cross-sectional profile that varies over the radial extension of the guide vane Mistake.
  • the guide vane row has a hub-side circumferential step, which falls back in the flow direction radially to the axis of rotation of the turbomachine inward. This can combine several advantages. On the one hand, a radial distribution of a through the
  • Turbine flowing mass flow and a radial pressure gradient is reduced, while on the other hand, a larger mass flow, that is mass flow, is excited in the region of the hub.
  • the impact energy of water droplets is reduced, whereby the erosion behavior is favorably influenced.
  • the reduced impact energy can be used to reduce the degree of reaction at the blade tip, whereby lower absolute speeds can be realized at a Leitschaufelabströmkante, so that lower leakage losses will occur.
  • FIG. 1 shows a cross section through a turbomachine according to the invention in the region of a guide blade
  • FIG. 3 is a plan view in the radial direction of a vane
  • Fig. 5 is a highly schematic representation for explaining a
  • Fig. 6 is a representation as in Fig. 5, but for explanation of a
  • a sectional guide blade 4 is shown by way of example in a flow space 1, which is arranged between a rotor hub 2 and a radial outer wall 3, the housing.
  • a vane 4 is not to be construed restrictively, so that the invention also includes other blades arranged in turbomachines, such as e.g. Blades that should be included.
  • the vane 4 has a so-called lean curve, which is directed in the circumferential direction and wherein a bending angle ⁇ varies along the radial blade length, ie from the hub 2 to the radial outer wall 3.
  • the lean curve of the vane 4 decreases along the radial
  • the lean curvature of the vane 4 is a positive lean curvature, i. the curvature extends in the direction of rotation 5 of the guide blade 4.
  • the shape of the curved guide blade 4 preferably represents a generally continuous arc, which forms an acute angle ⁇ with the hub 2 or the outer wall 3.
  • the angle of curvature ⁇ lies between a tangent 7 resting against a trailing edge 12 or leading edge 16 of the vane 4 on a blade surface 6 and a jet 9 orthogonal to the axis of rotation 8 of the turbomachine and preferably in a range of 0 ° ⁇ ⁇ 15 °.
  • a so-called sweep curvature of the vanes 4 is shown, including a curvature in the axial direction, ie parallel to the chord 10 of the Guide vanes 4 is understood.
  • the sweep curvature is described here by a curvature angle ⁇ , which varies along the radial blade length and has a positive value at the hub 2 and a negative value at the housing 3.
  • a positive value is defined according to FIG. 2 in that the chord 10 extends above an intersection point 11 with the jet 9 extending orthogonally to the axis of rotation 8 of the turbomachine to the right of the jet 9, while at a negative angle of curvature ⁇ above the intersection point 11 to the left of Beam 9 runs.
  • the angle of curvature ⁇ is thus located between a meridional tangent 7 resting against a leading edge 16 or at an outflow edge 12 on the blade surface 6 and the jet 9 extending orthogonally to the axis of rotation 8 of the turbomachine and usually has a value of 15 ° ⁇ ⁇ -20 ° on.
  • the guide vane 4 also has a torsion in the radial direction
  • the torsion or the rotation is defined by a metal angle CC 2 , which on the one hand between a circumferentially of the turbomachine the respective trailing edges 12 of the respective vanes 4 connecting circumferential line 21 and on the other hand, the tangent of the curvature centerline 13 at the leading edge 16 and the trailing edge 12 respectively is.
  • the metal angle CC2 Similar to the sweep curve or the lean curve, the metal angle CC2 also varies along the radial blade length, wherein it is greater in the region of the hub 2 than on the housing 3.
  • a region of the metal angle CC2 that is favorable for the aerodynamic conditions of the turbomachine is usually located here at 25 ° ⁇ 2 ⁇ 10 °.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section in the region of the guide blade 4 through the turbomachine, with a hub-side circumferential step 14 too is recognizable, which falls back in the flow direction 15 radially to the axis of rotation 8 of the turbomachine inward.
  • the circumferential step 14 has an S-shaped profile between the leading edge 16 and the trailing edge 12. However, this is not mandatory, it may alternatively have a linear course between the leading edge 16 and the trailing edge 12. Due to the peripheral stage 14, a hub diameter at the leading edge 16 is greater than at the trailing edge 12, which also positively affects the aerodynamic properties.
  • a height of the peripheral stage 14 is determined by the angle ßi and ß2, which are each determined between a tangent 7 on the peripheral level 14 on the one hand and the axis of rotation 8 of the turbomachine or a parallel thereto on the other hand and usually in a range of - 20 ° ⁇ ßi, 2 ⁇ 20 ° lie.
  • the tangent 7 to the peripheral stage 14 at an intersection 17, in which the said tangent 7, a center of gravity line 18 and the peripheral step 14 intersect their largest slope.
  • the inflection point is usually also located.
  • chord length s and the blade spacing t are recorded as linear variables and can be determined by the radial extent of the
  • Guide vane 4 vary, wherein usually the pitch ratio t / s at the blade root 2 is smaller than at the blade tip 3.
  • Fig. 6 are two other features of the guide vanes 4 according to the invention, namely shown on the one hand over the radial blade length of the guide vane 4 varying angle of incidence cci and a wedge angle WE, which between a surface tangent 7a a pressure side 19 and a surface tangent 7b a suction side 20 varies at the trailing edge 12 of the vane 4 over the radial blade length.
  • the inflow-side incident angle cci of the curvature center line 13 on the blade root 2 is smaller than the blade tip 3 and is, for example, in a range of 55 ° ⁇ cci ⁇ 110 °.
  • the angle of incidence cci thus increases from the blade root 2 to the blade tip 3.
  • the wedge angle WE at the blade root 2 is greater than at the blade tip 3 and preferably decreases continuously from the blade root 2 in the direction of the blade tip 3.
  • the wedge angle WE is usually in a range of 15 ° ⁇ WE ⁇ 0 °.
  • the guide vanes 4 are formed such that at least the curvature angle ⁇ of the lean curve and / or the curvature angle ⁇ of the sweep curve do not change along the radial blade length, provided they are with respect to the curvature centerline 13 or with respect to the leading edge 16 be measured.
  • a narrowest flow cross-section q is defined between two adjacent guide vanes 4, which shifts between hub 2 and housing 3 counter to the flow direction 15.
  • An angle ⁇ is bounded on the one hand by the tangent T and on the other hand by the tangent 7 "on the tangent T.
  • the tangent T lies on the suction side 20 of the trailing edge 12, while the tangent 7" bears against the suction side 20 of the guide vane 4 and simultaneously orthogonal to the flow bottleneck q is aligned.
  • the angle ⁇ decreases from the hub 2 to the housing 3 and is variable along the radial blade length.
  • a typical range for the angle ⁇ is between - 5 ° ⁇ ⁇ 15 °.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel (4) einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, welche folgende geometrischen Merkmale aufweisen. Eine Lean-Krümmung, eine Sweep-Krümmung, eine Torsion in radialer Richtung der jeweiligen Schaufel (4), eine nabenseitige Umfangsstufe (14), die in Strömungsrichtung (15) radial zur Rotationsachse (8) der Strömungsmaschine nach innen zurückfällt, eine über die radiale Erstreckung der Leitschaufel (4) veränderliche Sehnenlänge (s) der Schaufel sowie ein über die radiale Erstreckung der Leitschaufel (4) veränderliches Querschnittsprofil der Schaufel (4).

Description

Leitschaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine
Dampfturbine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Dampfturbine mit mindestens einer Leitschaufelreihe.
Stand der Technik
Insbesondere im Dampfturbinenbau werden gekrümmte Schaufeln als Ausführungsform von Turbinenschaufeln insbesondere dann eingesetzt, wenn starke dreidimensionale Strömungen auftreten, die ausgeprägte radiale Unterschiede im statischen Druckverlauf zwischen Rotorseite und der Statorseite zeigen, und die durch die Umlenkung in den Leitschaufeln entstehen. Die Strömung eines Strömungsmediums in einer letzten Stufe einer Niederdruckturbine mit großem Anströmquerschnitt führt insbesondere bei einem großen Verhältnis zwischen Schaufellänge und Nabe zu einer sich auf den Wirkungsgrad der Dampfturbine negativ auswirkenden radialen Reaktionsverteilung. Die Reaktionsverteilung ist hierbei in radialer Richtung unterschiedlich, wobei sie an der Nabe niedrig und an einem Gehäuse der Turbine hoch ist, was allgemein als nachteilig empfunden wird. Eine hohe Reaktion im Nabenbereich verringert die Spaltverluste im Leitschaufelkranz und führt somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad. Um die radiale Reaktionsverteilung zu optimieren, werden deshalb gekrümmte Leitschaufeln eingesetzt.
Aus der DE 37 43 738 A1 ist eine Turbine mit nur in Umfangsrichtung gekrümmten Leitschaufeln bekannt, deren Krümmung über die Schaufelhöhe gegen die Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet ist. Zusätzlich sind aus dieser Druckschrift Schaufeln bekannt, deren Krümmung über der Schaufelhöhe gegen die Saugseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet ist. Dadurch sollen auf wirksame Weise sowohl radial als auch in Umfangsrichtung verlaufende Grenzschicht-Druckgradienten verringert und damit die aerodynamischen Schaufelverluste insgesamt reduziert werden.
Turbinen mit in Axialrichtung und in Umfangsrichtung gekrümmten Leitschaufeln sind beispielsweise aus der DE 42 28 879 A1 bekannt. Stromaufwärts eines Laufgitters ist dabei ein festes Leitgitter angeordnet, dessen Laufschaufeln hinsichtlich Anzahl sowie bezüglich ihres Verhältnisses Sehne zu Teilung strömungstechnisch für Volllast optimiert sind. Sie verleihen der Strömung den für den Eintritt in das Laufgitter erforderlichen Drall. Die Krümmung der Schaufeln verläuft senkrecht zur Sehne, was durch eine Verschiebung der Profilquerschnitte sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung erreicht wird. Die Krümmung der Leitschaufeln ist gegen die
Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet. Infolge dieser Krümmung senkrecht zur Schaufelsehne ist die in Radialrichtung projizierte Schaufelfläche größer als bei einer bekannten Krümmung nur in Umfangsrichtung, wodurch sich die radiale Kraft auf ein Strömungsmedium erhöht, so dass dies an eine Kanalwandung gedrückt wird und dort die Grenzschichtdicke reduziert.
Aus der WO 2005/005784 A1 ist eine Turbinenschaufel bekannt, die in Strömungsrichtung an ihrem rotorseitigen Ende und an ihrem statorseitigen Ende negativ gepfeilt und in einer in Bezug auf die Strömungsrichtung radialen Richtung an ihrem rotorseitigen Ende sowie an ihrem statorseitigen Ende gegen die Druckseite geneigt ist. Hierbei handelt es sich somit um eine Turbine mit sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung gekrümmten Turbinenschaufeln.
Aus der EP 0 916 812 B1 ist eine Endstufe einer axial durchströmten Turbine mit einer großen Kanaldivergenz sowie mit einer Reihe gekrümmter Leitschaufeln und einer Reihe verjüngter und verdrehter Laufschaufeln bekannt, wobei die Leitschaufeln in axialer Richtung an ihrem rotorseitigen Ende positiv und ihrem statorseitigen Ende negativ gepfeilt sind, jeweils bezüglich auf den Verlauf der rotorseitigen Kanalbegrenzung. Die positive Pfeilung der Leitschaufel erstreckt sich dabei über zwei Drittel der Schaufelhöhe und geht danach in die negative Pfeilung über, wobei im Bereich der positiven Pfeilung die Leitschaufelhinterkante parallel zur Leitschaufelvorderkante verläuft und im Bereich der negativen Pfeilung sich zwischen Leit- und Laufschaufel ein gegen die Wandung sich stetig verbreitender Axialdiffusor mit zunehmender Verzögerung der Axialkomponente des Strömungsmittels bildet.
Weitere Turbinen mit in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung gekrümmten Turbinenschaufeln sind beispielsweise aus der US 5,249,922, aus der US 4,470,755, aus der US 4,500,256 oder aus der EP 0 425 889 A1 bekannt. Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leitschaufel für eine Strömungsmaschine bereitzustellen, welche durch Verringerung der aerodynamischen Schaufelverluste einen verbesserten Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erreichen lässt.
Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Strömungsmaschine zumindest die Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe mit einer Lean-Krümmung, einer Sweep-Krümmung, einer Torsion, einer über die radiale Erstreckung der Leitschaufel veränderlichen Sehnenlänge und einem über die radiale Erstreckung der Leitschaufel veränderlichen Querschnittsprofil zu versehen. Zusätzlich weist die Leitschaufelreihe eine nabenseitige Umfangsstufe auf, welche in Strömungsrichtung radial zur Rotationsachse der Strömungsmaschine nach innen zurückfällt. Hierdurch lassen sich mehrere Vorteile vereinen. Zum einen werden eine Radialverteilung eines durch die
Turbine strömenden Massenstroms sowie ein radialer Druckgradient verringert, während zum anderen ein größerer Massenstrom, das heisst Mengen- durchfluss, im Bereich der Nabe angeregt wird. Gleichzeitig wird die Aufprallenergie von Wassertröpfchen reduziert, wodurch das Erosionsverhalten günstig beeinflusst wird. Insbesondere kann die reduzierte Aufprallenergie dazu genutzt werden, den Reaktionsgrad an der Schaufelspitze zu reduzieren, wodurch geringere absolute Geschwindigkeiten an einer Leitschaufelabströmkante realisiert werden können, so dass geringere Leckage-Verluste auftreten werden. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Leitschaufel für eine Strömungsmaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine im Bereich einer Leitschaufel,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Strömungsmaschine im Bereich einer Leitschaufel,
Fig. 3 eine Draufsicht in radialer Richtung auf eine Leitschaufel,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Strömungsmaschine im Bereich einer nabenseitigen Stufe,
Fig. 5 eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung eines
Teilungsverhältnisses,
Fig. 6 eine Darstellung wie in Fig. 5, jedoch zur Erläuterung eines
Keilwinkels. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Entsprechend Fig. 1 ist in einem Strömungsraum 1 , welcher zwischen einer Rotornabe 2 und einer radialen Außenwand 3, dem Gehäuse, angeordnet ist, exemplarisch eine geschnittene Leitschaufel 4 dargestellt. Die Aussage, dass es sich dabei um eine Leitschaufel 4 handelt, ist jedoch nicht beschränkend auszulegen, so dass von der Erfindung auch andere in Strömungsmaschinen angeordnete Schaufeln, wie z.B. Laufschaufeln, umfasst sein sollen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Leitschaufel 4 eine sogenannte Lean-Krümmung auf, welche in Umfangsrichtung gerichtet ist und wobei ein Krümmungswinkel γ entlang der radialen Schaufellänge, also von der Nabe 2 zur radialen Außenwand 3 hin variiert. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nimmt die Lean-Krümmung der Leitschaufel 4 entlang der radialen
Schaufellänge vom Schaufelfuß, also von der Nabe 2, zur Schaufelspitze, also zur Außenwand 3, hin ab. Bei der Lean-Krümmung der Leitschaufel 4 handelt es sich um eine positive Lean-Krümmung, d.h. die Krümmung verläuft in Drehrichtung 5 der Leitschaufel 4. Die Form der gekrümmten Leitschaufel 4 stellt dabei vorzugsweise einen im allgemeinen kontinuierlichen Bogen dar, welcher einen spitzen Winkel γ mit der Nabe 2 bzw. der Außenwand 3 bildet. Der Krümmungswinkel γ liegt zwischen einer an einer Abströmkante 12 oder einer Anströmkante 16 der Leitschaufel 4 an einer Schaufeloberfläche 6 anliegenden Tangente 7 und einem orthogonal zur Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine verlaufenden Strahl 9 und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0° < γ < 15°.
In Fig. 2 ist eine sogenannte Sweep-Krümmung der Leitschaufeln 4 dargestellt, worunter eine Krümmung in axialer Richtung, d.h. parallel zur Sehne 10 der Leitschaufeln 4 verstanden wird. Die Sweep-Krümmung wird dabei durch einen Krümmungswinkel δ beschrieben, welcher entlang der radialen Schaufellänge variiert und an der Nabe 2 einen positiven Wert und am Gehäuse 3, einen negativen Wert aufweist. Ein positiver Wert ist dabei gemäß Fig. 2 dadurch definiert, dass die Sehne 10 oberhalb eines Schnittpunktes 11 mit dem orthogonal zur Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine verlaufenden Strahl 9 rechts des Strahles 9 verläuft, während sie bei einem negativen Krümmungswinkel δ oberhalb des Schnittpunktes 11 links des Strahles 9 verläuft. Der Krümmungswinkel δ ist somit zwischen einer an einer Anströmkante 16 oder an einer Abströmkante 12 an der Schaufeloberfläche 6 anliegenden meridionalen Tangente 7 und dem orthogonal zur Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine verlaufenden Strahl 9 gelegen und weist üblicherweise einen Wert von 15° < δ < -20° auf.
Erfindungsgemäß weist die Leitschaufel 4 auch eine Torsion in radialer
Richtung der jeweiligen Schaufel 4 auf, was in Fig. 3 dargestellt ist. Die Torsion bzw. die Verdrehung ist dabei über einen Metallwinkel CC2 definiert, welcher einerseits zwischen einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine die jeweiligen Abströmkanten 12 der jeweiligen Leitschaufeln 4 verbindenden Umfangslinie 21 und andererseits der Tangente der Krümmungsmittellinie 13 an der Anströmkante 16 respektive der Abströmkante 12 angeordnet ist. Ähnlich der Sweep-Krümmung bzw. der Lean-Krümmung variiert auch der Metallwinkel CC2 entlang der radialen Schaufellänge, wobei er im Bereich der Nabe 2 größer ist als am Gehäuse 3. Ein für die aerodynamischen Verhältnisse der Strömungsmaschine günstiger Bereich des Metallwinkels CC2 liegt dabei üblicherweise bei 25° < α2 < 10°.
In Fig. 4 ist ein Längsschnitt im Bereich der Leitschaufel 4 durch die Strömungsmaschine dargestellt, wobei eine nabenseitige Umfangsstufe 14 zu erkennen ist, welche in Strömungsrichtung 15 radial zur Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine nach innen zurückfällt. Die Umfangsstufe 14 weist gemäß der Darstellung in Fig. 4 ein s-förmiges Profil zwischen der Anströmkante 16 und der Abströmkante 12 auf. Dies ist indes nicht zwingend, sie kann alternativ auch einen linearen Verlauf zwischen der Anströmkante 16 und der Abströmkante 12 besitzen. Durch die Umfangsstufe 14 ist ein Nabendurchmesser an der Anströmkante 16 größer als an der Abströmkante 12, wodurch ebenfalls die aerodynamischen Eigenschaften positiv beeinflusst werden. Eine Höhe der Umfangsstufe 14 wird dabei über die Winkel ßi und ß2 bestimmt, welche jeweils zwischen einer Tangente 7 an die Umfangsstufe 14 einerseits und der Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine bzw. einer Parallelen dazu andererseits bestimmt sind und üblicherweise in einem Bereich von - 20° < ßi,2 ≤ 20° liegen. Dabei weist die Tangente 7 an die Umfangsstufe 14 in einem Schnittpunkt 17, in welchem sich die genannte Tangente 7, eine Schwerpunktslinie 18 und die Umfangsstufe 14 schneiden, deren größte Steigung auf. In besagtem Schnittpunkt 17 liegt bei einer s-förmigen Querschnittsform der Umfangsstufe 14 üblicherweise auch deren Wendepunkt.
In Fig. 5 ist ein Teilungsverhältnis t/s, d.h. der Quotient aus Schaufelabstand t in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 4 und der
Sehnenlänge s über die radiale Erstreckung der Leitschaufel 4 dargestellt.
Sowohl die Sehnenlänge s als auch der Schaufelabstand t werden dabei als lineare Größen erfasst und können über die radiale Erstreckung der
Leitschaufel 4 variieren, wobei üblicherweise das Teilungsverhältnis t/s am Schaufelfuß 2 kleiner ist als an der Schaufelspitze 3. Ein Bereich, in welchem üblicherweise das Teilungsverhältnis t/s liegt, ist dabei zwischen 0,45 < t/s <
0,75 definiert. In der Darstellung in Fig. 6 sind noch zwei weitere Besonderheiten der erfindungsgemäßen Leitschaufeln 4, nämlich einerseits ein über die radiale Schaufellänge der Leitschaufel 4 variierender Einfallswinkel cci sowie ein Keilwinkel WE gezeigt, welcher zwischen einer Flächentangente 7a einer Druckseite 19 und einer Flächentangente 7b einer Saugseite 20 an der Abströmkante 12 der Leitschaufel 4 über die radiale Schaufellänge variiert. Dabei ist der anströmseitige Einfallswinkel cci der Krümmungsmittellinie 13 am Schaufelfuß 2 kleiner als der Schaufelspitze 3 und liegt beispielsweise in einem Bereich von 55° < cci < 110°. Der Einfallswinkel cci nimmt somit vom Schaufelfuß 2 zur Schaufelspitze 3 hin zu. Demgegenüber ist der Keilwinkel WE am Schaufelfuß 2 größer als an der Schaufelspitze 3 und nimmt vorzugsweise kontinuierlich vom Schaufelfuß 2 in Richtung der Schaufelspitze 3 ab. Der Keilwinkel WE liegt üblicherweise in einem Bereich von 15° < WE < 0°.
Bemerkenswert ist dabei, dass die Leitschaufeln 4 derart ausgebildet sind, dass zumindest der Krümmungswinkel γ der Lean-Krümmung und/oder der Krümmungswinkel δ der Sweep-Krümmung sich nicht entlang der radialen Schaufellänge ändern, sofern sie bezüglich der Krümmungsmittellinie 13 oder bezüglich der Anströmkante 16 gemessen werden.
Gemäß Fig. 6 ist ein engster Strömungsquerschnitt q zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 4 definiert, welcher sich zwischen Nabe 2 und Gehäuse 3 entgegen der Strömungsrichtung 15 verschiebt. Mit anderen Worten heißt dies, dass der Strömungsengpass q an der Nabe 2 zweier benachbarter Leitschaufeln 4 im Bereich einer Abströmkante 12 liegt, während er im Bereich des Gehäuses 3 zweier benachbarter Leitschaufeln 4 eher im Bereich der Anströmkanten 16 liegt. Ein Winkel Δα ist gemäß Fig. 6 einerseits durch die Tangente T und andererseits durch die Tangente 7" begrenzt. Die Tangente T liegt an der Saugseite 20 der Abströmkante 12 an, während die Tangente 7" an der Saugseite 20 der Leitschaufel 4 anliegt und gleichzeitig orthogonal zum Strömungsengpass q ausgerichtet ist. Der Winkel Δα nimmt dabei erfindungsgemäß von der Nabe 2 zum Gehäuse 3 hin ab und ist entlang der radialen Schaufellänge variabel. Ein typischer Bereich für den Winkel Δα liegt dabei zwischen - 5° < Δα < 15°.
Bezugszeichenliste
1 Strömungsraum
2 Nabe der Strömungsmaschine
3 radiale Außenwand/Gehäuse
4 Leitschaufel
6 Schaufeloberfläche
7 Tangente
8 Rotationsachse der Strömungsmaschine
9 radialer Strahl
10 Schaufelsehne
11 Schnittpunkt
12 Abströmkante
13 Krümmungsmittellinie/
14 Nabenkontur
15 Strömungsrichtung
16 Anströmkante
17 Schnittpunkt
18 Schwerpunktslinie
19 Druckseite der Leitschaufel 4
20 Saugseite der Leitschaufel 4
21 Umfangslinie
cci Metallwinkel an der Schaufeleintrittskanti
CC2 Metallwinkel an der Schaufelaustrittskani ß Winkel der Nabenkontur 14 γ Lean-Krümmungswinkel δ Sweep-Krümmungswinkel
S Sehnenlänge t Schaufelabstand q engster Strömungsquerschnitt
WE Keilwinkel

Claims

Patentansprüche
1. Leitschaufel (4) für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, gekennzeichnet durch folgende geometrische Merkmale:
- eine Lean-Krümmung senkrecht zur Schaufelsehne (10), das heisst, im wesentlichen in Umfangsrichtungsrichtung,
- eine Sweep-Krümmung parallel zur Schaufelsehne (10), das heisst, im wesentlichen in axialer Richtung der Strömungsmaschine, - eine Torsion in radialer Richtung der jeweiligen Schaufel (4),
- eine nabenseitige Umfangsstufe (14), welche in Strömungsrichtung (15) radial zur Rotationsachse (8) der Strömungsmaschine nach innen zurückfällt,
- eine über die radiale Erstreckung der Leitschaufel (4) veränderliche Sehnenlänge (s) der Schaufel (4), - ein über die radiale Erstreckung der Leitschaufel (4) veränderliches Querschnittsprofil der Schaufel (4).
2. Leitschaufel (4) nach Anspruch 1 , d a d u rc h g e ke n n z e i c h n et , - dass die Lean-Krümmung entlang der radialen Schaufellänge variiert, und/oder
- dass die Lean-Krümmung entlang der radialen Schaufellänge von der Nabe (2) zum Gehäuse (3) hin abnimmt, und/oder
- dass ein Krümmungswinkel (γ) zwischen einer an einer Abströmkante (12) oder einer Anströmkante (16) der Leitschaufel (4) an der Schaufeloberfläche (6) anliegenden Tangente (7) und einem orthogonal zur Rotationsachse (8) der Strömungsmaschine verlaufenden Strahl (9) in einem Bereich von 0° < γ< 15° liegt, und/oder
- dass die Leitschaufel (4) eine positive Lean-Krümmung, d.h. eine Krümmung in Drehrichtung aufweist.
3. Leitschaufel (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Sweep-Krümmung der Leitschaufel (4) entlang der radialen Schaufellänge variiert, und/oder - dass die Sweep-Krümmung der Leitschaufel (4) entlang der radialen Schaufellänge im Bereich der Nabe (2) einen positiven Wert und am Gehäuse (3) einen negativen Wert aufweist, und/oder
- dass ein Krümmungswinkel (δ) zwischen einer an einer Anströmkante (16) oder an einer Abströmkante (12) an der Schaufeloberfläche (6) anliegenden meridionalen Tangente (7) und einem orthogonal zur Rotationsachse (8) der
Strömungsmaschine verlaufenden Strahl (9) in einem Bereich von 15° < δ< -20° liegt.
4. Leitschaufel (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass ein Metallwinkel (α2 ) an der Abströmkante (12) zwischen einer Umfangslinie (21) in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine und einer Tangente der Krümmungsmittellinie (13) an der Abströmkante (12) definiert ist, und/oder - dass der Metallwinkel (Cc2) entlang der radialen Schaufellänge variiert, und/oder
- dass der Metallwinkel α2 an der Nabe (2) größer ist als am Gehäuse (3), und/oder, - dass der Metallwinkel (Cc2) zwischen einer Tangente der Krümmungsmittellinie (13) an der Abströmkante (12) der Leitschaufel (4) und der Rotationsachse (8) der Strömungsmaschine in einem Bereich von 25° < CC2 < 10° liegt.
5. Leitschaufel (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass die nabenseitige Umfangsstufe (14) ein s-förmiges Profil zwischen einer Anströmkante (16) und einer Abströmkante (12) der Leitschaufel (4) aufweist oder linear zwischen den beiden Kanten (12, 16) verläuft, und/oder
- dass die Anströmkante (16) und die Abströmkante (12) nicht parallel verlaufen, und/oder
- dass ein Winkel (ß) zwischen einer Tangente (7) an die Umfangsstufe (14) und der Rotationsachse (8) der Strömungsmaschine in einem Bereich von - 20° < ß < 20° liegt.
6. Leitschaufel (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
- dass ein Teilungsverhältnis (t/s), das heisst ein Quotient aus einem Schaufelabstand (t) zwischen benachbarten Leitschaufeln (4) in
Umfangsrichtung und einer Sehnenlänge (s) über die radiale Erstreckung der Leitschaufel (4) variiert, und/oder
- dass das Teilungsverhältnis (t/s) an der Nabe (2) kleiner ist als am Gehäuse (3), und/oder - dass das Teilungsverhältnis (t/s) in einem Bereich von 0,45 < t/s < 0,75 liegt.
7. Leitschaufel (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass ein anströmseitiger Einfallswinkel (αθ der Krümmungsmittellinie (13) über die radiale Schaufellänge der Leitschaufel (4) variiert, und/oder
- dass der anströmseitige Einfallswinkel (αθ der Krümmungsmittellinie (13) an der Nabe (2) kleiner ist als am Gehäuse (3), und/oder - dass der anströmseitige Einfallswinkel (αθ der Krümmungsmittellinie (13) in einem Bereich von 55° < Cc1 < 110° liegt.
8. Leitschaufel (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Keilwinkel (WE) zwischen einer Flächentangente (7') einer
Druckseite (19) und einer Flächentangente (7") einer Saugseite (20) an einer Abströmkante (12) der Leitschaufel (4) über die radiale Schaufellänge der Leitschaufel (4) variiert, und/oder
- dass der Keilwinkel (WE) an der Nabe (2) größer ist als am Gehäuse (3), und/oder
- dass der Keilwinkel (WE) in einem Bereich von 15° < WE < 0° liegt.
9. Leitschaufel (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein engster Strömungsquerschnitt (q) zwischen benachbarten Leitschaufeln (4) von der Nabe (2) zum Gehäuse (3) hin entgegen der Strömungsrichtung (15) verschiebt.
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