DE2002348C3

DE2002348C3 - Laufschaufelkranz für eine Axialströmungsturbine

Info

Publication number: DE2002348C3
Application number: DE2002348A
Authority: DE
Inventors: Josef Scotia N.Y. Herzog
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-01-24
Filing date: 1970-01-20
Publication date: 1984-09-06
Also published as: DE2002348B2; JPS5612681B1; CH515412A; FR2029035A1; US3565548A; SE358438B; GB1270156A; DE2002348A1

Description

tig leicht konkaven Endabschnitt der benachbarten _ .

Schaufel überlappend angeordnet ist und so eine diver- <>5 den Enden ein allmählicher Übergang ausgebildet ist. gierende Düse bildet. Alle darin beschriebenen Schau- Jedes Schaufelprofil ist zum Zwecke der Erläuterung fein haben jedoch den Nachteil, daß die Schaufelquer- in einen Nasenteil 3, der etwa über ein Viertel der Prof ilschnitte an den Vorderkanten wesentlich größer sind als , tiefen reicht, einen Mittelteil 4, der etwa über die Hälfte

der Profiltiefe geht und in einen Endteil 5 aufgeteilt, der sich über das restliche Viertel der Profiltiefe erstreckt. Der Nasenteil 3 der einen Schaufel 2 überlappt die benachbarte Schaufel 1 an deren Endteil 5. Die Schaufeln bewegen sich in einer Richtung, die in der Zeichnung -> durch den Pfeil dargestellt ist. Die obere Seite 6 ist die Druckseite der Schaufel, während die untere Seite 7 die Saugseite ist.

In dem Nasenteil 3 ist die Stelle der größten Schaufeldicke mit »d« bezeichnet, die im Abstand »/« von der m Vorderkante 8 angeordnet ist. Der Umriß des Schaufelprofils sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite über dem Abstand »/« ist quasi elliptisch und besitzt ein Verhältnis Vd, das der folgenden Bedingung genügt:

z, 1,8.

Von dem Punkt der größten Dicke d verengt sich die Schaufel zum Hals 11 am Anfang des mittleren Teils 4 der Schaufel. Die Saugseite ist in diesem sich verengenden Querschnitt leicht konkav gewölbt, wie es bei 12 angedeutet ist.

Der Mittelteil 4 der Schaufel ist sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite nahezu flach ausgebildet. Die flachen Druck-und Saugseiten divergieren von dem relativ engen Hals 11 am Anfang des mittleren Teiles 4 bis zu einem relativ dicken »Halsteil.«, der an seiner dicksten Stelle mit »f« bezeichnet ist. Der Halsteil f befindet sich etwa bei dreiviertel der Profiltiefe entlang der Schaufel und ist deshalb so bezeichnet, jo weil er dem dicksten Nasenteil d einer benachbarten Schaufel gegenüberliegt, um mit ihm zwischen den Schaufeln 1 und 2 einen Düsenhals einer konvergent-divergenten Düse zu bilden.

In einigen Fällen kann die Dicke d des Nasenteils 3 geringfügig größer als ί sein, und in anderen Fällen kann die Halsdicke f geringfügig größer als d sein. In jedem Fall jedoch sind die beiden Größen angenä hert gleich.

Der Endteil 5 des Schaufelprofils besitzt eine relativ flache Saugseite, die eine Fortsetzung der davor angeordneten flachen Saugseite über dem Mittelteil der Schaufel darstellt. Auf der Druckseite ist die Kurvenform der Schaufel nach dem Durchlaufen des Halsteils t umgekehrt und wölbt sich leicht in Riehtung der Hinterkante 9, so daß sich eine leicht konkave Oberfläche auf der Druckseite ergibt.

Die Arbeitsweise des beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung ist nun folgendermaßen. Der dickste Nasenteil d der Schaufel 2 liegt dem dicksten v) Halsteil t der Schaufel 1 gegenüber, und diese beiden Teile bilden zusammen ,eine konvergent-divergente Düse für transsonische Strömungsbedingungen in der zwischen gestrichelten Linien angedeuteten Zone I. Neben der Zone I befindet sich die Zone II für eine Überschallströmung und Zone III für eine Über_T schallströmung mit nahezu konstanter Geschwindigkeit. Der Krümmungsradius der konkaven Saugseite 12 der Schaufel 2 und der Krümmungsradius der konkaven Druckseite 10 der Schaufell sind beide be- rechnet, und zwar vorzugsweise nach dem bekannten Kennlinienverfahren, um optimale Strömungsbedingungen zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Laufschaufelkranz für eine Axialströmungsturbine mit unter transsonischen Bedingungen umlaufenden Schaufeln, die einen keulenförmigen Nasenteil, einen Mittelteil und einen Endteil aufweisen, die sich jeweils über etwa das erste Viertel, die mittlere Hälfte bzw. das letzte Viertel der Schaufelsehne erstrecken, wobei der Mittelteil eine im wesentlichen ebene Druckseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelteil (4) auch eine im wesentlichen ebene Saugseite (7) aufweist und seine Dicke über der Länge zunimmt auf eine maximale Dicke (/) zwischen dem Mittelteil (4) und dem Endteil ' (5). die im wesentlichen gleich der maximalen Dicke (d) des Nasenteils (3) ist, der Endteil (5) auf seiner Saugseite in Fortsetzung der Saugseite des Mittelteils (4).eben ausgebildet und auf seiner Druckseite von der maximalen Dicke (Halsteil i) des Mittelteils (4) zur Hinterkante (9) der Schaufel leicht konkav geformt ist, und der Nasenteil (3) dereineaSchaufcl (2) den Endteil (5) der benachbarten Schaufel (1) vollständig überlappt.

io

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laufschaufelkranz, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches angegeben ist. Ein derartiger Laufschaufelkranz ist in der CH-PS 427 851 beschrieben.

Bei großen Dampfturbinen können die Strömungsgeschwindigkeiten an den Laufschaufelspitzen insbesondere der letzten Turbinenstufe die Schallge^ schwindigkeit übersteigen. Derartige Schaufeln werden als transsonische Schaufeln bezeichnet, da der Dampf mit einer Geschwindigkeit, die kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist, eintritt und mit Überschallgeschwindigkeit austritt.

Der Übergang vom Unter- zum Überschallbereich ohne Wirkungsgradverluste stellt ein schwieriges aerodynamisches Kanstruktionsproblem dar. Jene Überlegungen, die eine theoretisch optimale Strömungsbedingung ergeben, lassen sich bei einer praktischen Schaufel oftmals nicht verwirklichen, weil die Schaufelabschnitte nahe der äußeren Schaufelspitzen sehr dünn sind. Es wurden bereits Anstrengungen unternommen, um gute Überschallprofile zu erreichen, indem auf der Druckseite eine ebene oder leicht konvex gewölbte und auf der Saugseite eine konkav gewölbte Schaufelfläche vorgesehen wurde, wie es in der eingangs genannten CH-PS 4 27 851 beschrieben ist. Diese bekannten Schaufelprofile enden in einer relativ; dicken Hinterkante, die einer stumpfen Vorderkante der benachbarten Schaufel gegenüberliegt.

Weiterhin sind in dem Aufsatz »Supersonic Turbines« von Gunnar O. Ohlsson im journal auf Engineering for Power, Januar 1964, verschiedene Überschall-Turbinendüsen beschrieben, bei denen ein Halsabschnitt einer Schaufel mit dem saugseitig ebenen, dagegen druckseian der Hinterkante. Dadurch entstehen einerseits Schwierigkeiten bei dei Fertigung, und andererseits sind die Festigkeiten über dem Schaufelquerschnitt stark unterschiedlich. ;· ■. ,

In einer Veröffentlichung von F. Rigaut in C. R. Acad. Sc. Paris, t. 264 (22. Mai 1967), Seite 894 — Serie A, ist ein Verfahren zum Berechnen von Überschall-Schaufelsätzen auf der Basis des Gesetzes der Verteilung von Geschwindigkeiten beschrieben/Dies erfolgt anhand einer Skizze von Schaufelprofilen, die anschließend an ein abgerundetes Nasenlei! ein Mittelteil aufweisen, welches im wesentlichen parallele, ebene Druck- und Saugseilen umfaßt und etvya bis zur Profilsehnenhälfte hin verläuft. Ein anschließendes Endteil ist auf seiner Saugseite gekrümmt und auf seiner Druckseite in der ersten Hälfte konvex und in seiner zweiten Hälfte konkav geformt. Damit ist bekannt, von einem genügend dicken Bereich der Schaufel aus deren Endteil so auszubilden, daß dessen Saugseite in Fortsetzung der Saugseite des Mittelteils nahezu eben ist und dessen Druckseite zumindest teilweise konkav ist. Somit entsteht zumindest im Ansatz eine konvergent-divergente Düse.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen unter- transsonischen Be-.?5 dingungeh umlaufenden Laufschaufelkranz, für eine ;· Axialströmungsturbine so auszugestalten, daß jede Schaufel in ihrem Spitzenbereich einen weitgehend gleichförmigen Querschnitt aufweist und trotzdem eine Düse gebildet wird, bei der das Auftreten von JU Stoßwellen vermieden ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Laufschaufelkranz erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches genannten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbären Vorteile bestehen insbesondere darin, daß plötzliche Druckänderungen oder Stoßwellen vermieden werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß symmetrische Schaufeln größerer Festigkeit erhalten werden. Dabei ist es auch möglich, auf den Vorderkanten der äußeren Spitzen zum Schutz gegen Verschleiß gegenügend Material vorzusehen. Durch Verwendung flacher Profile über fast die halbe Druckseite und etwa dreiviertel der Saugseite werden Vereinfachungen bei der Formgebung der Schaufel ermöglicht.

Ein gut gesteuerter Übergang von einer transsonischen oder schallnahen Strömung zu einer Überschallströmung in einem verengten Bereich zwischen sich überlappenden Schaufeln derart, daß die statischen Drücke entlang der Saug- und Druckseite des Endteils allmählich zum stromabwärtigen statischen Druck konvergieren, tragen wesentlich bei zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades gegenüber bekannten Konstruktionen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur stellt eine Abwicklung zweier benachbarter Schaufeln im Querschnitt dar, der durch die äußeren Schaufelspitzen gelegt ist, wobei der Blick radial nach innen gerichtet ist. \

Die Figur zeigt einen Querschnitt der Spitzenabschriitte von zwei benachbarten Schaufeln 1 und 2. Die Formgebung und Orientierung in der Nähe der radial inneren Enden dieser gleichen Schaufeln kann bekanntlich ganz anders aussehen, wobei zwischen

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