DE2002348A1 - Turbine blades of axial flow turbines - Google Patents

Description

Turbinenschaufeln für AxialstromturbinenTurbine blades for axial flow turbines

Die Erfindung bezieht sich auf Axialstrom-Dampfturbinenschaufeln, die für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind und einen großen Durchmesser besitzen, wobei die Strömung an den radialen äußeren Teilen insbesondere der letzten Stufe die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Derartige Schaufeln sind als überschallschaufein bekannt, da der Dampf mit einer Geschwindigkeit, die kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist, eintritt und mit "iberschallgeechwindigkeit austritt.The invention relates to axial flow steam turbine blades designed for high speeds and large Have diameter, the flow at the radial outer parts, in particular the last stage, the speed of sound exceeds. Such blades are considered to be supersonic known because the steam enters at a speed that is less than the speed of sound and at "ibersonic speed" exit.

009631 / 112 i009631/112 i

Der übergang vom Unter- zum Überschallbereich ohne Wirkungsgradverluste stellt ein schwieriges aerodynamisches Kunstruktionsproblem dar. Jene Lösungen, die eine theoretisch optimale Strömungsbedingung ergeben, lassen sich bei einer praktischen Schaufel oftmals nicht verwirklichen, und zwar weil das Schaufelteil in der Nähe des äußeren Randes der Schaufeln sehr dünn ist. Es wurden bereits große Anstrengungen unternommen, um gute überschallprofiIe zu erreichen, indem ein konventionelles Unterschallschaufelprofil (konkav auf der Druckseite und konvex auf der Sogseite) umgekehrt wurde, so daß sich auf der Druckseite eine leicht konvex gewölbte und auf der Sogseite konkav gewölbte Schaufelfläche ergibt. Diese Profile sind in der US-Patentschrift 3 333 817 (von F. Rhomberg) vom 1. August I967 beschrieben. Diese bekannten Schaufelprofile enden mit einer relativ dicken Abströmkante, die einer stumpfen Führungskante der benachbarten Schaufel gegenüberliegt.The transition from the subsonic to the supersonic range without loss of efficiency poses a difficult aerodynamic engineering problem those solutions that have a theoretically optimal flow condition result, can often not be realized with a practical shovel, namely because the shovel part is very thin near the outer edge of the blades. Much effort has been made to get a good supersonic profile to be achieved by using a conventional subsonic vane profile (concave on the pressure side and convex on the suction side) was reversed, so that a slightly convex curve on the pressure side and a concave curve on the suction side Blade area results. These profiles are described in U.S. Patent 3,333,817 issued August 1, 1967 to F. Rhomberg. These known blade profiles end with a relatively thick trailing edge, that of a blunt leading edge of the neighboring one Opposite shovel.

Demzufolge liegt der Erfindung unter anderem die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes überschallschaufelprofil vorzuschlagen, das beim übergang von der Unterschall- zur überschallströmung zwischen den Schaufeln einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt.Accordingly, the invention is based, inter alia, on the object propose an improved supersonic vane profile; which has an improved degree of efficiency during the transition from subsonic to supersonic flow between the blades.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes überschallschaufelprofil vorzuschlagen, das überall eine gleichmäßigere Dicke aufweist, so daß der Aufbau stabiler ist, ohne daß die Aerodynamik vernachlässigt wird.Another object of the invention is to provide an improved supersonic airfoil that has one everywhere has a more uniform thickness, so that the structure is more stable without neglecting aerodynamics.

Die Lösung der gestellten Aufgaben geschieht dadurch, daß benachbarte Schaufeln derartig angeordnet werden, daß die Schaufelteile in der li'ihe der äußeren Peripherie sich um ein Viertel der Schaufeltiefe Überlappen und daß die Schaufelprofile eine Form aufweisen, derart, daß eine konvergente-divergente Düse über das überlanoende l/^-Teil entsteht. Jedes Schaufelorofil The object is achieved by arranging adjacent blades in such a way that the blade parts in the line of the outer periphery overlap by a quarter of the blade depth and that the blade profiles have a shape such that a convergent-divergent nozzle overlaps the overlapping l / ^ part is created. Every shovel profile

009831/1124009831/1124

ist durch zwei Stellen zunehmender .Schaufeldicke charakterisiert, wobei eine in der Nähe der Nase und eine in der IJähe des Abströmteiles liegt. Der mittlere Teil des Schaufelprofils, die Druck- und Sogseite, ist nahezu flach und sie gehen in Richtung des Abströmteiles auseinander.is characterized by two points of increasing blade thickness, one near the nose and one near the discharge part lies. The middle part of the blade profile, the pressure and suction side, is almost flat and they go in the direction of the outflow part apart.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung stellt eine Abwicklung zweier benachbarter Schaufeln im Querschnitt dar, der durch die äußeren Ränder der Schaufeln geführt ist, wobei der Blick radial nach innen gerichtet ist.The invention is explained in more detail with reference to the drawing. The drawing represents a development of two adjacent blades in cross section, which is passed through the outer edges of the blades, the view is directed radially inward.

Die Figur zeigt einen Querschnitt zwei benachbarter Schaufeln, die mit 1 und 2 bezeichnet sind, äer durch den äußeren Hand der Schaufel geführt ist. Die Anordnung und Orientierung in der !Jähe der radialen inneren Enden dieser gleichen Schaufeln ist in der Gestaltung ganz verschieden, und es gibt einen allmählichen übergang in Richtung der Profile wie in der Zeichnung angedeutet ist. Jedes Schaufelprofil, wie das Profil 2, ist zun Zwecke der Erläuterung in ein lJasenteil 3> das etwa über ein Viertel der Profiltiefen reicht, ein Mittelteil l», das etwa über die Hilf te der Profiltiefe geht und in ein Abströmteil 5 aufgeteilt, das sich über das restliche Viertel der Profiltiefe erstreckt. Das Nasenteil 3 einer Schaufel überlappt eine benachbarte Schaufel und reicht über das Endteil 5 derselben. Die Schaufeln beweren f sich in einer Pachtung, die in der Zeichnung durch den Pfeil dargestellt ist. Die obere Seite C ist die Druckseite der Schaufel, während die untere Seite 7 die Sogseite ist.The figure shows a cross section of two adjacent blades, designated 1 and 2, which are guided through the outer hand of the blade. The arrangement and orientation in the vicinity of the radial inner ends of these same blades is quite different in design, and there is a gradual transition in the direction of the profiles, as is indicated in the drawing. For the purposes of explanation, each blade profile, like profile 2, is divided into a lase part 3> which extends over about a quarter of the profile depths, a middle part l »which goes about halfway through the profile depth and into an outflow part 5 which is extends over the remaining quarter of the profile depth. The nose part 3 of a vane overlaps an adjacent vane and extends over the end part 5 of the same. The shovels compete in a lease, which is shown in the drawing by the arrow. The upper side C is the pressure side of the blade, while the lower side 7 is the suction side.

In dem Nasenteil 3 ist die Stelle der größten Schaufelciicke mit "d" bezeichnet, die sich von der Führungskante 8 in Abstand "I¹¹ befindet. Der Umriß des Schaufelprcfils sowohl auf der Druckais auch auf der Sogseite über den Abstand "1" ist quasi elliptisch und besitzt ein Verhältnis 1/d, das der folgenden Bedingung genügt:In the nose part 3, the point of the largest blade gap is designated by "d", which is located at a distance " ¹¹ " from the leading edge 8. The outline of the blade profile both on the pressure side and on the suction side over the distance "1" is quasi elliptical and has a ratio of 1 / d that satisfies the following condition:

1/d * 1,81 / d * 1.8

009831/112 4009831/112 4

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Von dem Punkt der größten Dicke d verengt sich die Schaufel zu einem Nacken 11 zu Deginn des mittleren Teiles *J der Schaufel. Die Sogseite ist in diesem sich verengenden Querschnitt leicht konkav gewölbt, wie bei 12 angedeutet ist.From the point of greatest thickness d, the shovel narrows to a neck 11 to deginn the middle part * J of the shovel. The suction side is slightly concave in this narrowing cross section, as indicated at 12.

Das Mittelteil ¹J der Schaufel ist sowohl auf der Druck- als auch auf der Sogseite nahezu flach ausgebildet. Die flachen Druck- und Sogseiten gehen von dem relativ engen Nackenteil 11 zu Beginn des mittleren Teiles H zu einem relativ dicken "Halsteil" auseinander, das an seiner dicksten Stelle mit "t" bezeichnet ist. Das Halsteil t befindet sich etwa bei dreiviertel der Profiltiefe entlang der Schaufel und ist deshalb so ausgelegt, weil es dem dicksten IJasenteil d gegenüberliegt, um mit ihm. zwischen den Schaufeln 1 und 2 einen Düsenhals einer konvergenten - divergenten Düse zu bilden.The middle part ¹ J of the blade is almost flat on both the pressure side and the suction side. The flat pressure and suction sides diverge from the relatively narrow neck part 11 at the beginning of the middle part H to form a relatively thick "neck part", which is labeled "t" at its thickest point. The neck part t is located about three quarters of the profile depth along the blade and is therefore designed because it is opposite the thickest IJase part d in order to be with it. to form a nozzle throat of a convergent - divergent nozzle between the blades 1 and 2.

In einigen Fällen kann die Dicke d der Nase geringfügig größer als t sein, und in anderen Fällen kann die ilalsdicke t geringfügig größer als d sein. In jedem Falle jedoch sind die zwei Größen angenähert gleich relativ zu anderen Teilen der Schaufel.In some cases the thickness d of the nose can be slightly greater than t, and in other cases the ilal thickness t can be slightly greater be greater than d. In either case, however, the two sizes are approximately equal relative to other parts of the bucket.

Das Endteil 5 des Schaufelprofils besitzt eine relativ flache Sogseite, die eine Fortsetzung der zuvor genannten flachen Sogseite über dem Mittelteil der Schaufel darstellt. Auf der Druckseite ist die Kurvenform der Schaufel nach dem Halsteil t umgekehrt und wölbt sich leicht in Richtung der Endkante 9, so daß sich eine leicht konkavförmige Oberfläche auf der Druckseite ergibt. Der Radius der Kurvenform über diesen Teil, der rait IO bezeichnet ist, sollte mindestens dem 20-fachen des Radius der Kurvenform bein ilalsteil t sein.The end part 5 of the blade profile has a relatively flat one Suction side, which is a continuation of the aforementioned flat suction side over the middle part of the blade. On the print side the curve shape of the blade is reversed after the neck part t and arches slightly in the direction of the end edge 9, so that the result is a slightly concave surface on the pressure side. The radius of the curve shape over this part, which denotes rait IO should be at least 20 times the radius of the curve shape leg ilal part t.

Die Betriebsweise der Erfindung gestaltet sich nun folgendermaßen. In der Nähe der Süßeren Schaufelteile der Schaufelprofile 1 und liegt das dickste Nasenteil d der Schaufel 2 dem dicksten HIsteil t der Schaufel 1 gegenüber und diese beiden Teile bildenThe mode of operation of the invention is now as follows. In the vicinity of the sweeter blade parts of the blade profiles 1 and the thickest nose part d of the blade 2 lies opposite the thickest HIs part t of the blade 1 and these two parts form

009831/1124009831/1124

zusammen eine konvergente-clivergente Düse für schallnahe Strömungsbedingungen, wie zwischen den gestrichelten Linien I angedeutet ist. Neben der Zone I befindet sich die Zone II für eine Überschallströmung und Zone III für eine überschallströmung mit nahezu konstanter Geschwindigkeit. Der Radius der Kurvenform der konkaven Sogseite 12 der Schaufel 2 und der Radius der · Kurvenform der konkaven Druckseite 10 der Schaufel 1 sind beide berechnet, und zwar vorzugsweise nach dem Kennlinienverfahren, das allgemein bekannt ist, um optimale Strömungsbedingungen zu erreichen. together a convergent-clivergent nozzle for flow conditions close to sound, as indicated between the dashed lines I. Next to Zone I is Zone II for a supersonic flow and Zone III for a supersonic flow with an almost constant velocity. The radius of the curve shape of the concave suction side 12 of the blade 2 and the radius of the curve shape of the concave pressure side 10 of the blade 1 are both calculated, preferably according to the characteristic curve method which is well known in order to achieve optimal flow conditions.

Ein Vorteil der zuvor genannten Konstruktion, die ein Nasen- und ein Endteil besitzt, welche nahezu gleiche Dicken aufv/eisen, besteht darin, daß symmetrischere Schaufeln größerer Stärke erreicht werden und daß ermöglicht wird, auf den Führungskanten der äußeren Ränder zum Schutz gegen Verschleiß genügend Material vorzusehen. Durch Verwendung flacher Profile über fast die halbe Druckseite und etwa dreiviertel der Sogseite werden Vereinfachun gen der Formgebung der Schaufel ermöglicht.An advantage of the aforesaid construction, which has a nose and an end part which are of almost equal thicknesses, consists in that more symmetrical blades of greater strength are achieved and that it is made possible on the leading edges Provide sufficient material around the outer edges to protect against wear. By using flat profiles over almost half of it The pressure side and about three quarters of the suction side allow simplifications of the shape of the blade.

Ein gut gesteuerter Übergang von einer schallnahen Strömung zu einer überschallströmung in einem eingeengten Bereich zwischen sich überlappenden Schaufeln, derart, daß die statischen Drucke entlang der Sog- und Druckseite des Teiles 5 allmählich zum statischen AbstrÖmdruck konvergieren, tragen in hohem Maße zum Gesamtwirkungsgrad der beschriebenen überschallschaufel in Bezug auf die bisher bekannten Konstruktionen bei.A well-controlled transition from a near sonic flow to a supersonic flow in a narrowed area between overlapping blades, so that the static pressures along the suction and pressure side of the part 5 gradually to converge static discharge pressure, contribute to a large extent Overall efficiency of the described supersonic blade in relation on the previously known constructions.

009831/1124009831/1124

Claims (1)

- 6 Patentansprüche - 6 claims Axialstromturbine mit Schaufeln, welche Schaufelenden besitzen, die sich in Bezug auf das elastische Strömungsmittel unter schallnahen Bedingungen durch dieses bewegen, wobei die äußeren Teile der Schaufel derartig geformt sind, daß ein Schaufelprofil gebildet wird, das ein Nasenteil, ein mittleres Teil und ein Endteil besitzt, das sich jeweils über das erste Viertel der mittleren Hälfte und das letzte Viertel der Profiltiefe entsprechend erstreckt, dadurch gekennzeichnet , daß das Nasenteil (3) hinsichtlich seiner Dicke ansteigt und sodann abfällt, so daß ein erster Bezugspunkt d einer maximalen Dicke gebildet wird, daß der mittlere Teil (¹I) hinsichtlich seiner Dicke über die Länge ansteigt und einen zweiten Bezugspunkt einer maximalen Dicke t zwischen dem mittleren Teil (Ί) und dem Endteil (5) bildet, derart, daß der erste Bezugspunkt d und der zweite Bezugspunkt t angenähert gleiche Schaufeldicken aufweisen.Axial flow turbine with blades having blade ends which move with respect to the elastic fluid under near sonic conditions therethrough, the outer parts of the blade being shaped to form an airfoil having a nose part, a middle part and an end part , which extends respectively over the first quarter of the middle half and the last quarter of the profile depth, characterized in that the nose part (3) increases in thickness and then decreases, so that a first reference point d of a maximum thickness is formed that the middle part ( ¹ I) increases in terms of its thickness over the length and forms a second reference point of a maximum thickness t between the middle part (Ί) and the end part (5), such that the first reference point d and the second reference point t are approximated have the same blade thickness. 2. Turbine mit Schaufeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Nasenteil (3) zum Endteil (5) eines benachbarten Schaufelprofils überlappend und über dieses hinausreichend angeordnet iet.2. turbine with blades according to claim 1, characterized in that the nose part (3) for End part (5) of an adjacent blade profile overlapping and extending beyond this is arranged. 3. Turbine mit Schaufeln nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Nasenteil (3) hinsichtlich seiner Dicke an der Führungskante (8) beginnend allmählich ansteigt und dann abnimmt, daß das mittlere Teil (^) auf der Druckseite (6) und der Sogseite (7) des Profils eine faet flache Oberfläche bildet und zum Endteil ebenfalls geringfügig divergiert und daß das Endteil (5) eine fast flache Sogseite besitzt, die eine Fortsetzung der Sogseitc dee Mittelteils darstellt, und daß ee auf der Druckseite eine Oberfläche besitzt, die von einer maximalen Halsdicke t zur Schaufelendkante (9) sanft konvergiert. 3. Turbine with blades according to claim 2, characterized in that the nose part (3) in terms of its thickness at the leading edge (8) gradually increases and then decreases, that the middle part (^) on the pressure side (6) and the suction side (7) of the profile forms a faet flat surface and also slightly diverges to the end portion and that the end part (5) has a nearly flat suction side, which is a continuation of Sogseitc dee central portion is and that ee on the pressure side having a surface of a maximum neck thickness t gently converges to the blade end edge (9). 0 0 9 3 3 1/112 40 0 9 3 3 1/112 4 k. Turbine mit Schaufeln nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Form des Nasenteiles (3) von der PUhrungskante (8) zum dicksten Nasenteil (9) quasi elliptisch ist und auf der Druckseite (6) und Sogseite (7) nahezu symmetrisch ist. k. Turbine with blades according to claim 2 or 3, characterized in that the outer shape of the nose part (3) from the lead edge (8) to the thickest nose part (9) is quasi elliptical and almost symmetrical on the pressure side (6) and suction side (7) is. 5. Turbine mit Schaufeln nach Anspruch 2_t 3 oder ^, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche der Sogseite (7) des Ilasenteiles (3) einer Schaufel (2) und die Oberfläche der Druckseite (6) des Endteiles (5) einer benachbarten Schaufel (1) einander gegenüberliegen und Geringfügig konkav ausgebildet sind und derartig geformt sind, daß zwischen den Schaufeln ein begrenzter überschallströnungsbereich erzielt wird.5. turbine with blades according to claim 2 _t 3 or ^, characterized in that the surface of the suction side (7) of the Ilase part (3) of a blade (2) and the surface of the pressure side (6) of the end part (5) of an adjacent blade (1) are opposed to each other and are slightly concave and are shaped such that a limited supersonic flow area is achieved between the blades. 009831/1124009831/1124 LeerseiteBlank page