DE2140720A1 - TURBINE LEVEL - Google Patents
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Description
2H07202H0720
Beschreibung zu derDescription of the
Patentanmeldung desPatent application for
Mo.skowski.i ordena T.enina Ener^et·?tschesklj Institut, UdSSR, Moskau, Krasnokasarmennaia uliza, 14Mo.skowski.i ordena T.enina Ener ^ et ·? Tschesklj Institute, USSR, Moscow, Krasnokasarmennaia uliza, 14
betreffendconcerning
TURBIJMSTUJi1ETURBIJMSTUJi 1 E.
Die vorliegende Erfindung bezieht eich auf das Gebiet des Turbinenbaus, insbesondere auf Weiterentwicklungen der Turbinenstufe, die sowohl in der Einstufen-, wie auch in der Mehrstufenturbine angewendet werden kann, die beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators, für einen Turboverdichter· sowie für ein Jflugtriebwerk bestimmt ist.The present invention relates to the field of turbine construction, in particular on further developments of the turbine stage, which are used both in the single-stage and in the multistage turbine can be applied, for example for driving an electric generator, for a turbo compressor and for a jet engine.
ils ist bekannt, daß eine Turbinenstufe einen ZwischendecKel mib einem Leitapparat und eine Laufradscheibe mit Laufschaufeln enthält. Durch den ZwiscLendeckel verläuft mit einem Spalt eine ftelle, auf der die Laufradscheibe ueieati^t ist. Die Laufradscheibe wird hinter dem Zwischendeckel so angebracht, daß der Hauptstroia des Arbeitsmediums,It is known that a turbine stage has an intermediate cover with a diffuser and an impeller disc Includes blades. Runs through the intermediate cover with a gap a felle on which the impeller disc is ueieati ^ t. The impeller disc is behind the intermediate cover attached so that the main flow of the working medium,
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der aus dem Leitapparat heraustritt, auf die Laufschaufeln des auf der Vielle sitztenden Laufrades einwirkt und es in Umdrehung bringt.which emerges from the diffuser, acts on the blades of the impeller sitting on the ville and it turns.
Zwischen dem Zwischendeckel und der Welle ist ein Zwischendeckelspalt vorhanden. Zwischen den Stirnseiten des Zwischendeckels und der Laufradscheibe ist ein sogenannter Zwi schenkranzspalt vorhanden. Durch den Zwischendeckelspalt fließt ein Teil des Arbeitsmediums unter Einwirkung des Druckunterschieds, der im Leitapparat des Zwischendeckels infolge der in diesem erfolgenden Ausdehnung des Hauptstroms des Arbeitsmediums entsteht, in den Zwi schenkranz spalt über.There is an intermediate cover gap between the intermediate cover and the shaft. Between the front sides of the Intermediate cover and the impeller disc is a so-called Zwi schenkranzspalt available. Through the gap between the lid Part of the working medium flows under the action of the Pressure difference in the diffuser of the intermediate cover as a result of the expansion of the main flow occurring in this of the working medium arises in the gap between schenkranz above.
Infolgedessen tritt ein Teil des Hauptstroms des Ar-As a result, part of the main stream of the ar-
beitsmediums vorbei am Düsenapparat . den Zwischenkranz—process medium past the nozzle device. the intermediate wreath
hindurchthrough
spalt . und aus diesem in den Hauptstrom vor den Laufschaufeln aus. Im folgenden wird der Kürze halber der Teil des Arbeitsmedium - Hauptstroms, der in den Zwischenkranzspalt gelangt, Lecksbrömung genannt. Diese Leckströmungen treten In einer realen Turbineristuf e wegen vorhandener Spalte zwischen einzelnen Elementen von Turbinenläufer und Turbinenständer unvermeidlich auf. Somib führt die Leckströmung durch den Zwischerikranzspalt, da sie an der Urzeugung der von der Turbinenstufe abgegebenen Leistung nicht beteiligt ist, zur Vergrößerung des Arbeibsmediumdurchsatzes,gap. and from this into the main flow in front of the rotor blades. The following is the part for the sake of brevity of the working medium - main flow that enters the intermediate ring gap reached, called leakage current. This leakage currents occur in a real turbine stage because of existing crevices between the individual elements of the turbine rotor and turbine stand. Somib leads the leakage flow through the gap between the wreaths, since they are at the spontaneous generation the output of the turbine stage is not involved, to increase the working medium throughput,
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was den Wirkungsgrad der Turbinenstufe und folglich auch der 'Turbine insgesamt beträchtlich verringert♦which considerably reduces the efficiency of the turbine stage and consequently also of the turbine as a whole ♦
Außerdem besitzt die Leckströmung durch den Zwisehenkranzspalt radiale Austrittsrichtung and gelangt in den Hauptstrom vor den Laufschaufeln des Laufrades der Turbinenstufe senkrecht zu dem Hauptstrom des Arbeitsmediums, der axial· verläuft,. Dies führt ebenfalls zur Wirkungsgradeinbuße der Turbinenstufea weil dadurch das Geschwindigkeitsfeld des Hauptstroms vor den Laufschaufeln gestört und verzerrt wird.In addition, the leakage flow through the intermediate rim gap has a radial exit direction and enters the main flow in front of the rotor blades of the impeller of the turbine stage perpendicular to the main flow of the working medium, which runs axially. This also leads to a reduction in the efficiency of turbine stage a because it disturbs and distorts the velocity field of the main flow in front of the rotor blades.
Zur Verringerung der Leekströmmung des Arbeitsmediums durch den Zwisehenkranzspalt wird in demselben eine Labyrinthdichtung untergebracht9 die aus einer Reihe von aufeinanderfolgend angeordneten seiimalen Burchlaßquerschnitten für das Arbeitsmedium besteht und auf der Stirnfläche der Laufradscheibe oder des Zwischendeekels in Gestalt von Kämmen ausgeführt ist, deren Spitzen nahe an die Stirnfläche des Zwischendeckels bzw. der Laufradscheibe reichen.To reduce the flow of the working medium through the intermediate rim gap, a labyrinth seal is housed in the same 9, which consists of a series of sequentially arranged two-dimensional passage cross-sections for the working medium and is designed on the face of the impeller disc or the intermediate dome in the form of combs, the tips of which are close to the The face of the intermediate cover or the impeller disc is sufficient.
Die Labyrinthdichtung erlaubt es nur, die Leckströmung des Arbeitsmediums zu verringern 9 ohne die Leckströmung in axiale Richtung zu drehen, d.h. in Richtung des Hauptstroms des Arbeitsmediums. Der Einsatz der Labyrinthdichtung allein gestattet es, den Wirkungsgrad der Turbinenstufe nur unbeträchtlich zu steigern, weil infolge von Wärmeausdehnungen während des Betriebes die Spalte der Labyrinth-The labyrinth seal only allows the leakage flow of the working medium to be reduced 9 without rotating the leakage flow in the axial direction, ie in the direction of the main flow of the working medium. The use of the labyrinth seal alone makes it possible to increase the efficiency of the turbine stage only insignificantly, because due to thermal expansion during operation, the gap in the labyrinth
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dichtung sich vergrößern.seal enlarge.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbinenstufe.The aim of the present invention is to increase the efficiency of the turbine stage.
Zur Irreichung dieses Zieles ist die Aufgabe gestellt, die Dichtung des ZwischenkranzSpaltes derart auszuführen, daß sie die Leckströmung des Arbeitsiaeüiums nicht nur verringern, sondern auch in axiale Richtung lenkt^ die eigentlich mit der Richtung des Arbeitsmedium-Haupt Stroms zusammenfällt *In order to achieve this goal, the task is to seal the gap between the wreaths in such a way that that they not only reduce the leakage flow of the Arbeitsiaeüiums, but also in the axial direction steers ^ the actually with the direction of the main working medium flow coincides *
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Turbinenstufe, die durch den Zwischendeckel mit Leitapparat und die hinter diesem mit einem Spalt in Bewegungsrichtung des Hauptstroms des Arbeitsmediums angeordnete Laufradscheibe mit Laufschaufeln gebildet ist, erfindungsgemäß auf der Stirnfläche des Zwischendeckels über die ganze Länge seines Schaufelfußkreises an der Seite, die dem Spalt zwischen dem Zwischendeckel und der Laufradscheibe zugekehrt ist, einen Vorsprung besitzt, der die Eußflache der Laufschaufel teilweise überdeckt und mit der erwähnten Fläche einen ßingspalt zum Durchtritt des Arbeitsmediums bildet.The object is achieved in that the turbine stage, the one through the intermediate cover with the diffuser and the one behind this with a gap in the direction of movement of the Main flow of the working medium arranged impeller disc is formed with blades, according to the invention on the end face of the intermediate cover over the entire length of its Blade root circle on the side facing the gap between the intermediate cover and the impeller disk Has a projection that partially covers the Eußflache of the blade and a ßingspalt with the surface mentioned forms for the passage of the working medium.
Diese Ausführung der Turbinenstufe bewirkt, daß nicht nur die Leckströmung des Arbeitsmediums durch den Zwischenkranzspalt verringert wird, sondern auch die Leckströmung in axiale Richtung gelenkt wird, die eigentlich mit derThis design of the turbine stage has the effect that not only the leakage flow of the working medium through the intermediate ring gap is reduced, but also the leakage flow is steered in the axial direction, which is actually with the
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Biciitning des Arbeitsmedium-Hauptstroms zusammenfällt. Dies führt zur teilweisen Ausnutzung der Leckströmungsenergie an den Laufschaufeln des Laufrades der Turbinenstufe und somit zur erheblichen Steigerung des Wirkungsgrades der Turbinenstufe und folglich auch der Tubbine im ganzen.Biciitning of the working medium main flow coincides. This leads to partial utilization of the leakage flow energy on the rotor blades of the impeller of the turbine stage and thus to a considerable increase in the efficiency of the turbine stage and consequently also of the tubing as a whole.
Zweckmäßigerweise werden an der Innenfläche des Vorsprungs Nuten ausgeführt, die unter einem Winkel geneigt sind, der dem Winkel ^c^ des Düsenapparats ungefähr gleich ist.Appropriately, grooves are made on the inner surface of the projection which are inclined at an angle which is approximately equal to the angle ^ c ^ of the nozzle apparatus.
Die schrägen Nuten an der Innenfläche des Vorsprungs verleihen der Leckströmung einen Drall nach' der Seite der Drehung des Laufrades der Turbinaenstufe.The inclined grooves on the inner surface of the Projections give the leakage flow a swirl towards' the side of the rotation of the impeller of the turbine stage.
Diese Verdrallung der Leckströmung führt zur Ausnutzung der Leckströmungsenergie an den Laufschaufeln des Laufrades, was eine StEtgerung des Wirkungsgrades der Turbinenstufe zur Folge hat.This twisting of the leakage flow leads to utilization the leakage flow energy on the blades of the Impeller, which increases the efficiency of the turbine stage has the consequence.
Die Turbinenstufe, die gemäß der Erfindung ausgeführt ist, besitzt bei einer Leckströmung, die J>% vom Hauptdurchsatz des Arbeitsmediums beträgt, einen um 4-5% höheren Wirkungsgrad als die Turbinenstufe, die mit der herkömmlichen bekannten Dichtung des Zwischenkranzspaltes ausgestattet ist, die einen oder mehrere Kämme besitzt.The turbine stage, which is carried out according to the invention, has a leakage flow that is J>% of the main throughput of the working medium, a 4-5% higher efficiency than the turbine stage, which is equipped with the conventional known seal of the intermediate ring gap, the one or has several combs.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungs-Other objects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description of embodiments
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beispielen und Zeichnungen verständlich % in den Zeichnungen zeigt:examples and drawings understandable % in the drawings shows:
die einerthe one
Fig.1 schematische Darstellung Turbinenstufe gemäß1 schematic representation of the turbine stage according to
der Erfindung (Längsschnitt)}of the invention (longitudinal section)}
die
Fig.2 - Ansicht nach dem Pfeil A von Fig.1;the
FIG. 2 - view according to arrow A of FIG. 1;
Fig.Ja, to., c - Ausführungsvarianten der TurbinenstufeFig. Yes, to., C - Variants of the turbine stage
^ im Abschnitt des Zwischenkranzspaltes.^ in the section of the intermediate rim gap.
Die turbinenstufe (Fig.1) enthält einen Zwischendeckel 1
mit einem Leitapparat 2 und eine Laufradscheibe 3· Durch
den Zwischendeckel 1 verläuft mit einem Spalt eine Welle 4-, auf der die Laufradscheibe 3 mit Laufschaufeln 5 befestigt
ist. Zwischen dem Zwischendeckel 1 und der Welle 4 ist ein
sogenannter Zwischendeckelspalt 6 vorhanden. Auf der Stirnfläche des Zwischendeckels 1 ist über die ganze Länge seines
Schaufelfußkreises ein Vorsprung 7 ausgeführt. Der Vorsprung 7, der in Form eines Schirmes ausgeführt ist, überdecktThe turbine stage (Fig.1) contains an intermediate cover 1 with a diffuser 2 and an impeller disk 3 · through
the intermediate cover 1 runs with a gap a shaft 4, on which the impeller disk 3 with rotor blades 5 is attached. Between the intermediate cover 1 and the shaft 4 is a
so-called intermediate cover gap 6 is present. On the end face of the intermediate cover 1, a projection 7 is made over the entire length of its blade root circle. The projection 7, which is designed in the form of a screen, is covered
" teilweise die Fußfläche der Laufschaufel 5 und bildet mit"partially the foot surface of the blade 5 and forms with
der Fußfläche einen Ringspalt 8 zum Durchtritt eines !Teiles des Arbeitsmediums, der Leckströmung genannt ist (gekennzeichnet in Fig. durch den Pfeil C). the foot surface an annular gap 8 for the passage of a part of the working medium, which is called leakage flow (marked in Fig. By the arrow C).
Zwischen dem Zwischendeckel 1 und der Laufradscheibe 3
ist ein sogenannter Zwischenkranzspalt 9 vorhanden. An
der Innenfläche des Vorsprungs 7 sind .Nuten 10 (Fig.2) ausgeführt,
die unter einem Winkel «^ des Düsenapparats 2 des Zwischendeckels 1 geneigt sind. Unter dem Winkel o^ wirdA so-called intermediate rim gap 9 is present between the intermediate cover 1 and the impeller disk 3. At
the inner surface of the projection 7 are .Nuten 10 (Fig.2), which are inclined at an angle «^ of the nozzle apparatus 2 of the intermediate cover 1. At the angle o ^ becomes
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der Winkel verstanden, der von der Stromrichtung und der Eintrittskante (in Fig. nicht gezeigt) gebildet ist.understood the angle, that of the direction of the current and the Leading edge (not shown in FIG.) Is formed.
Die Turbinenstufe arbeitet folgendermaßen .The turbine stage works as follows.
Das Arbeitsmedium, beispielsweise Sempf oder Gas, das aus dem Düsenapparat 2 des Zwischendefkels 1 heraustritt und axiale Richtung (gekennzeichnet in Fig. 1 durch Efeil B) besitzt, gelangt auf die Laufschaufeln des Laufrades der Turbinenstufe und versetzt dasselbe in Drehung· Unter Einwirkung des Druckunterschiedes am Zwischendeckel 1 gelangt ein Teil des Hauptstroms des Arbeitsmediums, der Leckströmung genannt ist, vorbei am Düsenapparat 2 (wie in Fig.1 durch Pfeil C gekennzeichnet) in den Zwischendeckelspalt 6. Diese Leckströmung findet in einer realen Turbinenstufe unvermeidlich statt.The working medium, for example Sempf or gas, the emerges from the nozzle apparatus 2 of the intermediate feces 1 and axial direction (marked in Fig. 1 by arrow B) owns, gets onto the blades of the impeller Turbine stage and sets it in rotation · Under action Due to the pressure difference at the intermediate cover 1, part of the main flow of the working medium, the leakage flow, reaches is called, past the nozzle apparatus 2 (as in Fig Marked arrow C) into the intermediate cover gap 6. This Leakage flow is unavoidable in a real turbine stage instead of.
Durch den Zwischendeckelspalt 6 fließt die Leckströmung (wie durch Pfeil angedeutet) in den Zwischenkranzspalt 9 unter Einwirkung des Druckunterschieds über, der im Düsenapparat 2 des Zwischendeckels 1 infolge der in diesem erfolgenden Ausdehnung des Hauptstroms des Arbeitsmediums entsteht. Die Leckströmung, die durch den Zwischenkranzspalt 9 fließt, gelangt in den Ringspalt 8, der vom Vorsprung 7 gebildet ist, welcher die FuBflache der Laufschaufel 5 teilweise überdeckt. Im Ringspalt 8 erfolgt die Ablenkung der Leckströmung (wie durch Pfeil gekennzeichnet),By the intermediate cover gap 6, the leakage flows (as indicated by arrow) in the intermediate ring gap 9 under the influence of the pressure difference over that of the intermediate cover 1 as a result of the engagement in this expansion of the main stream of the working medium is formed in the nozzle apparatus. 2 The leakage flow that flows through the intermediate ring gap 9 reaches the annular gap 8, which is formed by the projection 7 which partially covers the foot surface of the rotor blade 5. The leakage flow is deflected in the annular gap 8 (as indicated by the arrow),
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die letztere schlägt die Richtung des Hauptstroms ein« Die schrägen Hüten 10, die an der Innenfläche des Vorsprungs ausgeführt werden können, verleihen der Leckströmung einen Drall in der Drehungsrichtung des Laufrades (in Fig.1 durch Pfeil D gekennzeichnet). Diese Verdrallung der Leciströmung führt zur Ausnutzung der LeckstrÖmungstiergie an den Laufschaufeln des Laufrades und somit zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbinenstufe.the latter suggests the direction of the main stream «The inclined hats 10, which can be made on the inner surface of the protrusion, give the leakage flow a Twist in the direction of rotation of the impeller (indicated by arrow D in Fig. 1). This twisting of the Lecis flow leads to the exploitation of the leakage flow animal on the rotor blades of the impeller and thus to increase the efficiency of the turbine stage.
Die Dichtung des Zwischenkranzspaltes in der vorgeschlagenen Turbinenstufe kann in mehreren Varianten ausgeführt werden (Fig.3a, b, c). In Fig. Ja ist der Ring-The seal of the intermediate rim gap in the proposed Turbine stage can be designed in several variants (Fig.3a, b, c). In Fig. Yes the ring
t
spalt zum Durchritt der Leckströmung dank der teilweisen t
gap to the passage of the leakage flow thanks to the partial
Überdeckung eines auf der Stirnseite der Fußflache der Laufschaufel 5 ausgeführten Bundes 11 durch den Vorsprung gebildet. Hierbei macht die Leckströmung, während sie durch den Zwischenkranzspalt 9 läuft und noch .bevor sie in den ψ Ringspalt 8 gelangt ist, eine zusätzliche Drehung (wie in Fig.3a durch Pfeil gekennzeichnet), was eine Verringerung derselben bewirkt.Coverage of a collar 11 implemented on the end face of the foot surface of the rotor blade 5 is formed by the projection. Here, the leakage flow, while it runs through the intermediate ring gap 9 and before it has reached the ψ annular gap 8, makes an additional rotation (as indicated by the arrow in FIG. 3a), which causes a reduction in the same.
Die Dichtung des Zwischenkranzspaltes gemäß Fig.3b unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Ausführungsbeiapiel der Dichtung nur dadurch, daß am Bund ein dem Vorsprung 7 zugekehrter Kamm 12 ausgeführt ist. Der «"»mm erzeugt eine zusätzliche Dichtung des Zwischenkranzspaltes 9f was die Leckströmung dank Verminderung des SpaltesThe seal of the intermediate rim gap according to FIG. 3b differs from the above-described embodiment of the seal only in that a comb 12 facing the projection 7 is made on the collar. The «" »mm creates an additional seal for the intermediate ring gap 9f which reduces the leakage flow thanks to the reduction in the gap
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zwischen dem Vorsprung 7 des Zwischendeckels 1 und dem Bund 11 verringert.between the projection 7 of the intermediate cover 1 and the Bund 11 reduced.
Die Kämme können auf der Stirnfläche des Bundes 11, wie es Fig.^c zeigt, ausgeführt sein, die nach der Seite des Zwischenkranzspaltes 9 gekehrt ist. Dies führt zu. einer beträchtlichen Verringerung der Leckströmung. Jedoch verliert in diesem Fall die Dichtung des Zwischenkranzspaltes 9 etwas an Betriebszuverlässigkeit, wenn die Spaitgröße unter den Kämmen recht stark vermindert wird.The combs can be on the face of the collar 11, as Fig. ^ c shows, be carried out on the side of the intermediate rim gap 9 is swept. This leads to. a significant reduction in leakage flow. However, loses in this case, the seal of the intermediate ring gap 9 somewhat in terms of operational reliability if the gap size is reduced quite considerably under the combs.
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