CH173496A - Blading on rotors of steam and gas turbines for subsonic speeds. - Google Patents

Blading on rotors of steam and gas turbines for subsonic speeds.

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CH173496A
CH173496A CH173496DA CH173496A CH 173496 A CH173496 A CH 173496A CH 173496D A CH173496D A CH 173496DA CH 173496 A CH173496 A CH 173496A
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CH
Switzerland
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blade
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channel
blading
steam
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German (de)
Inventor
Aktiengesell Maschinenfabriken
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Escher Wyss Maschf Ag
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  

      Beschaufelung    an Rotoren von Dampf- und Gasturbinen für  Unter     schallgeschwindigkeiten.       Die Erfindung betrifft eine     Beschaufe-          lung    an Rotoren von Dampf- und Gas  turbinen für     Unterschallgeschwindigkeiten,     und sie bezweckt, durch möglichst verlust  freie Umlenkung des Arbeitsmittels in .den  Schaufelkanälen, bewirkt durch sinngemässe  Formgebung derselben, einen höchsten Wir  kungsgrad hinsichtlich der Ausnutzung der  dem Treibmittel innewohnenden Energie zu  erhalten.  



  Sämtliche Energieverluste in den Lauf  schaufelkanälen von Dampf- und Gasturbi  nen, also unter anderem auch die     Reibungs-          und    Wirbelverluste, sind bisher nur summa  risch durch einen sogenannten Schaufel  koeffizienten     berü3ksichtigt    worden.

   Das  hängt damit zusammen, dass die kleinen Ab  messungen der bis heute im Dampf- und Gas  turbinenbau vorgesehenen     Treibmittelkanäle     ein experimentelles Eindringen in die Einzel  vorgänge der die Verluste bedingenden Strö  mungsvorgänge recht     schwierig        machb3n,    so    dass man über diese Vorgänge bis jetzt nur ein  lückenhaftes Bild     hatte.    Von der Erfinderin  durchgeführte Modellversuche mit     unmittel-          barer    Verlustbestimmung und Druckmessun  gen in den Kanälen haben nun erstmalig zu  einem klaren Bild über die Abhängigkeit der  Verlustgrösse von den     Strömungsverhältnissen,

       insbesondere von den Drücken an verschie  denen Kanalpunkten geführt. Im Zusammen  hang mit ,diesen Modellversuchen ergab sich  vor allem, dass den Strömungsverhältnissen  auf der Rückenseite der Schaufeln hinsicht  lich Verlustbildung wesentliche     Bedeutung     zukommt; insbesondere wurde festgestellt,  dass die Druckänderungen am Schaufelrücken  ein bestimmtes Mass nicht überschreiten dür  fen, falls die     Energieverluste    in den Lauf  schaufelkanälen möglichst klein ausfallen  sollen.

   Dies stellt eine neue     Erkenntnis    gegen  über der bisher üblichen Auffassung dar, ,die  dahin ging, dass die Verluste in den Schaufel  kanälen in erster Linie vom     Umlenkungsgrad         und der absoluten Grösse der mittleren Treib  mittelgeschwindigkeit in den Kanälen ab  hängen würden.  



  Den neu gewonnenen Erkenntnissen ist  nun bei einer     Beschaufelung    an Rotoren von  Dampf- und Gasturbinen, die mit Unter  schallgeschwindigkeit arbeiten, gemäss vor  liegender Erfindung durch eine     Kombination     von dimensionsbestimmenden Grössen Rech  nung getragen.

   Bei dieser     Beschaufelung    ist  die Breite des     Durchflussquerschnittes,    senk  recht zur     mittleren    .Strömungsrichtung ge  messen, am     Eintritt    jedes Schaufelkanals  gleich gross oder annähernd gleich gross wie  die Breite des Kanals in der     Schaufelmitte;     ferner ist die letztgenannte Breite 1,2 bis       1;

  ö    Mal grösser als die Breite des     Durchfluss-          querschnittes    am Austritt des Schaufelkanals,  und schliesslich schneidet die Verbindungs  linie von Ein- und Austrittskante eines  Schaufelschnittes in jeder Schaufelhöhe die  Mittellinie der Schaufelreihe in einem Punkt,  dessen Abstand vom     Schnittpunkt    der       Rückenlinie    der vorhergehenden Schaufel mit  jener Mittellinie kleiner als ein Viertel der  auf genannter Mittellinie gemessenen Schau  felkanalbreite ist.

   Bei einer solchen     Beschau-          felung    hat das     Schaufelrückenprofil    eine der  artige Form, dass der     statische    Über- oder  Unterdruck gegenüber -dem     statischen    Druck  am Austritt des Kanals an keiner Stelle  dieses Profils den     O,3fachen    Wert des der       mittleren,    theoretischen relativen     Austritts-          geschwindigkeit    entsprechenden Staudruckes  übersteigt.  



  Sind auch schon     Beschaufelungen    ähn  licher Form bekannt geworden, so lagen die  sen ganz andere Gesichtspunkte zugrunde als  der     Beschaufelung    nach vorliegender Erfin  dung. Erstere waren meistens nur das Er  gebnis theoretischer     Entwurfsberechnungen,     wobei in erster Linie den Festigkeitsbean  spruchungen Rechnung getragen wurde. Das  führte zur Festlegung eines bestimmten Ver  hältnisses     zwischen    der Breite des     Durchfluss-          querschnittes    am     Austritt    des Schaufelkanals  und der Schaufelteilung.

   Mit keiner dieser  bekannten     Schaufelungen    wurde aber be-    zweckt, Schaufelprofile und Kanäle von sol  cher Form zu erhalten, dass die Änderungen  des statischen Druckes am Schaufelrücken  innerhalb bestimmter Grenzen liegen, so dass  die Energieverluste in den Laufschaufel  kanälen von mit Unterschallgeschwindigkeit       arbeitenden    Dampf- oder Gasturbinen auf ein  Minimum herabgedrückt werden.  



  Bei einer Formgebung .der     Schaufelung     an Rotoren von Dampf- und Gasturbinen  nach vorliegender Erfindung wird erreicht,       dass    der Druckverlauf am Schaufelrücken der  artig stetig ist,     .dass        geringste    Ablösung und  Wirbelbildung     auftritt.     



  Zweckmässig werden dabei die     Durchfluss-          quersehnitte    am Ein- und Austritt der Schau  felkanäle so bemessen, dass am Eintritt eines  jeden Schaufelkanals ein     Überdruck    von etwa  2 bis 10 % des Gesamtgefälles der betreffen  den Stufe herrscht.  



  Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine  beispielsweise Ausführungsform des Erfin  dungsgegenstandes veranschaulicht. Es zeigt:       Fig.    1 die Abwicklung eines     Schnittes    in  der Umfangsrichtung durch zwei Schaufeln  einer im übrigen nicht weiter gezeigten Lauf       schaufelreihe,    und       Fig.    2 einen Schnitt nach der     Linie        E-A     der     Fig.    1.  



       E        bezeichnet    die Eintritts- und A die  Austrittskante der Laufschaufeln     S.    Das  Profil dieser Schaufeln ist von     ;solcher    Form,  dass die Breite e des     Durchflussquerschnittes,     das heisst also des Kanals zwischen zwei  Schaufeln     S,    senkrecht zur     mittleren    Strö  mungsrichtung gemessen, am Eintritt gleich  oder nur wenig grösser als die Breite     7n    des  Kanals in der Schaufelmitte (auf der Mittel  linie I -I in der Umfangsrichtung der  Schaufelreihe gemessen, das heisst also in der       Mitte    des Kanals zwischen dessen Ein- und  Austritt) ist.

   Diese Breite     in    ist 1,4 Mal  grösser als die     Austrittsbreite    a des Kanals,  das heisst als die Breite des     Durchflussquer-          schnittes    senkrecht zur     mittleren    Strömungs  richtung am     Austritt    des Schaufelkanals ge  messen.      Die Verbindungslinie     E-A    von Ein- und  Austrittskante des Schaufelschnittes schnei  det die     Mittellinie   <I>I-1</I> der Schaufelreihe in  einem Punkte P, dessen Abstand h vom  Schnittpunkt Q der Rückenlinie der vorher  gehenden Schaufel mit jener Mittellinie     I-1     kleiner als ein Viertel der Breite     in    ist.  



  Die Breite     na    muss für die Erreichung der  mit der Erfindung angestrebten Wirkung 1,2  bis 1,6 Mal grösser sein als a.  



  Um     gewünschtenfalls    eine leichte Über  druckwirkung von etwa 2 bis<B>10%</B> des Ge  samtgefälles der jeweiligen Stufe zu erhalten,  kann die Neigung von Boden     u    und Decke o  des Kanals     (Fig.    2) entsprechend gewählt  werden.



      Blading on rotors of steam and gas turbines for subsonic speeds. The invention relates to a blading of rotors of steam and gas turbines for subsonic speeds, and it aims to achieve a maximum degree of efficiency with regard to the utilization of the propellant by deflecting the working fluid in the blade channels with as little loss as possible, and by corresponding shaping of the same preserve inherent energy.



  All energy losses in the rotor blade ducts of steam and gas turbines, including the friction and eddy losses, have so far only been taken into account by a so-called blade coefficient.

   This has to do with the fact that the small dimensions of the propellant ducts, which are still provided in steam and gas turbine construction today, make experimental penetration into the individual processes of the flow processes causing the losses very difficult, so that up to now only a sketchy picture of these processes is available would have. Model experiments carried out by the inventor with direct loss determination and pressure measurements in the ducts have now for the first time led to a clear picture of the dependence of the loss size on the flow conditions,

       led in particular by the pressures at various channel points. In connection with these model tests, it was found above all that the flow conditions on the back side of the blades are of major importance with regard to loss formation; In particular, it was found that the pressure changes at the blade back should not exceed a certain level if the energy losses in the rotor blade channels are to be as small as possible.

   This represents a new finding compared to the previously common view, which was that the losses in the blade channels would primarily depend on the degree of deflection and the absolute size of the mean propellant speed in the channels.



  According to the present invention, the newly gained knowledge is taken into account by a combination of dimension-determining variables in the case of blading on rotors of steam and gas turbines that operate at subsonic speed.

   With this blading, the width of the flow cross-section, measured perpendicular to the middle .Strömungsrichtung ge, at the inlet of each blade channel is the same size or approximately the same size as the width of the channel in the middle of the blade; furthermore, the latter width is 1.2 to 1;

  ö times larger than the width of the flow cross-section at the outlet of the blade channel, and finally the line connecting the inlet and outlet edge of a blade section at each blade height intersects the center line of the blade row at a point, the distance from the intersection of the back line of the previous blade with that The center line is smaller than a quarter of the width of the blade channel measured on the center line.

   With such a blading, the blade back profile has a shape such that the static overpressure or underpressure compared to the static pressure at the outlet of the duct is at no point in this profile 0.3 times the value corresponding to the mean, theoretical relative outlet velocity Back pressure exceeds.



  If blades of a similar shape have already become known, then these were based on completely different aspects than the blades according to the present invention. The former were mostly only the result of theoretical design calculations, whereby the strength requirements were primarily taken into account. This led to the definition of a certain ratio between the width of the flow cross-section at the outlet of the blade channel and the blade pitch.

   However, none of these known blades was intended to obtain blade profiles and ducts of such a shape that the changes in the static pressure at the blade back are within certain limits, so that the energy losses in the rotor blade ducts of steam or gas turbines operating at subsonic speed be pushed down to a minimum.



  When the blades on rotors of steam and gas turbines are shaped according to the present invention, the pressure profile on the blade back is so constant that the slightest separation and vortex formation occurs.



  The flow transverse sections at the inlet and outlet of the blade channels are expediently dimensioned in such a way that there is an overpressure of around 2 to 10% of the total gradient of the relevant step at the inlet of each blade channel.



  In the accompanying drawing, an example embodiment of the subject of the invention is illustrated. It shows: FIG. 1 the development of a section in the circumferential direction through two blades of a rotor blade row, otherwise not shown, and FIG. 2 shows a section along the line E-A of FIG. 1.



       E denotes the leading edge and A the trailing edge of the rotor blades S. The profile of these blades has a shape such that the width e of the flow cross-section, i.e. the channel between two blades S, measured perpendicular to the mean direction of flow, is the same at the inlet or only slightly greater than the width 7n of the channel in the middle of the blade (measured on the center line I -I in the circumferential direction of the blade row, i.e. in the middle of the channel between its inlet and outlet).

   This width in is 1.4 times larger than the outlet width a of the channel, that is to say as the width of the flow cross section perpendicular to the mean flow direction at the outlet of the blade channel. The connecting line EA of the leading and trailing edge of the blade cut intersects the center line <I> I-1 </I> of the blade row at a point P, the distance h of which from the intersection Q of the back line of the previous blade with that center line I-1 is smaller than a quarter of the width is in.



  The width na must be 1.2 to 1.6 times greater than a to achieve the effect aimed for by the invention.



  In order to obtain a slight overpressure effect of about 2 to 10% of the total gradient of the respective step, if desired, the inclination of the floor u and ceiling o of the channel (FIG. 2) can be selected accordingly.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Beschaufelung an Rotoren von Dampf und Gasturbinen für Unterschallgeschwindig- keiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Durchflussquerschnittes, senkrecht zur mittleren Strömungsrichtung gemessen, am Eintritt jedes Schaufelkanals gleich gross oder annähernd gleich gross ist wie die Breite des Kanals in der Schaufelmitte, wobei letz tere Breite 1,2 bis 1,6 Mal grösser als die Breite des Durchflussquerschnittes am Aus tritt des Schaufelkanals ist, PATENT CLAIM: Blading on rotors of steam and gas turbines for subsonic speeds, characterized in that the width of the flow cross-section, measured perpendicular to the mean flow direction, at the inlet of each blade channel is the same or approximately the same as the width of the channel in the middle of the blade, whereby the latter width is 1.2 to 1.6 times larger than the width of the flow cross-section at the outlet of the blade channel, und dass die Ver bindungslinie von Ein- und Austrittskante .eines Schaufelschnittes in jeder Schaufel höhe in der Umfangsrichtung die Mittel linie der Schaufelreihe in einem Punkt schneidet, dessen Abstand vom Schnittpunkt der Rückenlinie der vorhergehenden Schau fel mit jener Mittellinie kleiner als ein Viertel der auf genannter Mittellinie gemes senen Schaufelkanalbreite ist. and that the line connecting the leading and trailing edge of a blade section at each blade height in the circumferential direction intersects the center line of the blade row at a point whose distance from the intersection of the back line of the previous blade with that center line is less than a quarter of the one mentioned The center line of the measured blade channel width. UNTERANSPRUCH: Beschaufelung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Durchfluss- querschnitte am Ein- und Austritt der Schaufelkanäle so bemessen sind, dass am Eintritt eines jeden Schaufelkanals ein Über druck von etwa 2 bis 10 % des Gesamt gefälles der betreffenden Stufe herrscht. SUBSTANTIAL CLAIM: Blading according to patent claim, characterized in that the flow cross-sections at the inlet and outlet of the blade channels are dimensioned so that there is an overpressure of around 2 to 10% of the total gradient of the relevant stage at the inlet of each blade channel.
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