DE2461770A1 - Laufrad einer stroemungsmaschine - Google Patents
Laufrad einer stroemungsmaschineInfo
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Description
Dipl.-hsy. Dr. fur. P A~,
Frank Ar::ü'd NI:. '
Paten„..i·« it
Frankfurt aiii Main ?'■
Gntenstraße 123
LAUi1BAD EBJE'R STRÖMUNGSMASCHINE
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des
Strömungsmaschinenbaus, genauer auf Laufrader von Strömungsmaschinen*
Am vorteilhaftesten kann die vorliegende Erfindung in hochleistungsfähigen
Kondensatlonsdatmpfturbinen verwendet werden·
Es ist bekannt, daß zur Erhöhung der Leistung der Turbine
ihre Austrittsquerschnittsfläche unter der Bedingung vergrößert werden muß, daß die Geschwindigkeitswerte der Strömung in diesem
Querschnitt unveränderlich bleiben· Im folgenden wird in der Beschreibung unter dem Austrittsquerschnitt der Turbine der Querschnitt
ver3tanden| der zur Turbinenachse senkrecht ist und dessen
Fläche dem Produkt aus dem Kreisumfang mit einem Halbmesser, der
dem mittleren Halbmesser des Laufrades gleich ist, mal der Schaufellänge
des Laufrades gleich lstt das am Austritt der Strömung
aus der Turbine in den Kondensator angeordnet ist«
Bekannt ist eine mehrstufige Dampfturbine, die es gestattet,
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die Leistung der Turbine durch Vergrößerung ihrer Austrittsquerschnittsfläche
zu erhöhen (deutsches Patent Nr. 322194 in
der Klasse 14c 4/01 aus dem Jahre 1920)·
In der erwähnten Turbine ist beispielsweise als vorletzte
Stufe eine Stufe angeordnet, die einen Leitapparat mit Zweistockschaufeln
und em Laufrad mit Zweistockschaufeln einschließt· Das Laufrad enthält eine Scheibe mit an ihr' angebrachten Schaufeln
des unteren Stocks und Scheidewänden, an denen die Schaufeln des
oberen Stocks befestigt sind·
Am Eintritt in die Stufe wird der Dampfstrom, der gleichen
Druck vor den Schaufeln des Laitapparates des oberen und des unteren
Stocks der erwähnten Stufe besitzti in zwei Teile getrennt·
Der eine Teil des Stroms passiert die Schaufeln des oberen Stocks
des Leitapparates und des Laufrades, wo er sich bis zum Druck ausdehnt,
der dem Gegendruck hinter der Turbine gleich ist, und gelangt In den Kondensator·
Der andere Teil des Stroms passiert, indem er sich stetig
bis zum Gegendruck hinter der Turbine ausdehnt, die Schaufeln des
unteren Stocks des Leitapparates und des Laufrades, dann einen
Übergangsstutzen, der sich zwischen den Schaufeln des unteren Stocks des Laufrades und de» Schaufeln des Lgitapparates der letzten
Stufe befindet, sodaan die letzte Stufe der Turbine und gelangt
in den Kondensator·
Die Anwendung einer Stufe mit Zweistockschaufeln des LeItapparates
und des Laufrades erlaubt es in der bekannten Konstruk-
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tion, die Austrittsquerschnittsfläche der Turbine auf Kosten der
Austrittsquerschnlttsflache der Schaufeln des oberen Stocks des
Laufrades der vorletzten Stufe zu erhöhen· Die Erhöhung der Aus~
trittsquerschnlttsfläche der Turbine aber gestattet es, den
Dampf verbrauch und folglich dia .Turbinenlelstung zu erhöhen.
Eine Analyse der Arbelt der Turbine, in der die vorletzte
Stufe,,mit Zwelstockschaufeln ausgeführt 1st, 'zeigt, daß ihre Hauptbesonderheit darin besteht, daß das Wärmegefälle an den Schaufeln
des oberen Stocks die Summe der Warmegefälle an den Schaufeln
des unteren Stocks und der -vorletzten Stufe beträgt. Die Wahl
des Wärmegefälles an den Schaufeln der letzten Stufe und des unteren
Stocks der vorletzten Stufe aus der Bedingung des gewährleisteten
optimalen Verhältnisses, der Umfangsgeschwindigkeit U des ".y
Laufrades zur Geschwindigkeit O_, die dam Wärmegefälle TJ
äquivalent 1st, führt zu erhöhten Werten des Warmegefalles an den
Schaufeln des oberen .Stocks der vorletzten Stufe, dih· zu nicht
optimalen Werten von tf an den Schaufeln des oberen Stocks
der vorletzten Stufe· Hler und im folgenden bedeutet U die Umfangsgeschwindigkeit
des Laufrades und C0 die Geschwindigkeit, die
dem wärmegefälle je Stufe äquivalent ist*
Das gegenüber dem optimalen erhöhte Wärmegefälle an den
Schaufeln des oberen Stocks führt dazu, daß der Geschwindlgkeitsvektor
am Ausgang hinter den Schaufeln des oberen Stocks des Lauf-
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rades von der axialen Richtung abweicht, wodurch die Energieverluste
mit der Austrittsgeschwindigkeit ansteigen und folglich
der Wirkungsgrad der Turbine vermindert wird·
Da gegenwärtig eine Tendenz zur Anwendung von'große Wärmegefälle
aufweisenden letzten Turbinenstufen, beispielsweise zur Verringerung von durch Feuchtigkeit bedingten Verlusten, besteht,
wird das wärmegefalle an den Schaufeln des oberen .Stocks noch
größer. In diesem Fall erreichen Mach-Zahlen M, , die als Verhält-
G1 nls der Stromgeschwindigkeit G^, am Austritt aus dm Schaufeln
des Leitapparates zur Schallgeschwindigkeit definiert werden, und ι die als Verhältnis der Stromgeschwindigkeit W2 am Austritt
aus den Schaufeln des Laufrades in der Relativbewegung zur Schallgeschwindigkeit
definiert werden, an den Schaufeln des oberen Stocks 1,6 und mehr« Dies führt zum Anstiö.g der Energieverluste
an den Schaufeln, beispielsweise dank den Verdichtungsstoßen
und VerdÜnnungswellen, was eine Verminderung des Wirkungsgrades
der Turbine hervorruft. Hier und im folgenden bedeutet C-dl©
Stromgeschwindigkeit am Austritt aus den Schaufeln des Leitapparates, W2 die Stromgeschwindigkeit am Austritt aus den Schaufeln
des Laufrades m der Relativbewegung, M„ -Mach-Zahl, die als
C1
Verhältnis der Stromgeschwindigkeit C- am Austritt aus den Schaufeln
des Leitapparates zur Schallgeachwmdigkeit definiert wird,
Uly -Mach-Zahl, die als Verhältnis dar Stromgeschwindigkeit W2 am
Austritt aus den Schaufeln des Laufrades m der Relativbewegung
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zur Schallgeschwindigkeit definiert wird*
Eina weitere Folge des großen wärmegefalles an den Schaufeln
des oberen Stocks sind niedrige Größen geometrischer Winkel der
Schaufeln des Leitapparates des oberen Stocks, die als Arkusslnus-Verhältms
des Durchmessers des Kreises, der in den Schaufel· kanal an der schmälsten Stelle desselben eingeschrieben ist, zur
Schaufelteilung definiert wird· Niedrige Werte der geometrischen
Winkel sind dadurch bedingt, daß bei Überschall-Stromgeschwindlgkeiten
die erwähnten Winkel eine Funktion der Dampfparameter am
Eintritt m die Schaufeln des oberen Stocks des Leitapparates sindi
Mit dem größer werdenden Wärmegefalle an den Schaufeln des oberen
Stocks nehmen auch die Dampfparameter am Eintritt in diese Schaufeln
zu, was bei vorgegebener Dampfverbrauchsmenge zur Verminderung der !Fläche der Schaufelkanäle dar Schaufeln des oberen Stocks
des Leitapparates an der schmälsten Stelle derselben und folglich zur Verringerung der Werte der geometrischen Winkel führt»
Nach industriellen Angaben sind (Turbinen bekannt, bei denen die
erwähnten Winkelwerte 7° - 9° erreichen, was beträchtlich unter den optimalen Werten derselben liegt· Dies ruft erhöhte Energieverluste
an den Schaufeln des oberen Stocks des Leitapparates hervor, was den Wirkungsgrad der Turbine herabsetzt·
Die erhöhten Energieverluste an den Schaufeln des Leitapparates
und des Laufrades des oberen -Stocks führen dazu, daß es
unzweckmäßig wird, den Verbrauch des Arb.eitsmitt.els durch die
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Schaufeln des oberen, Stocks der Zweistockstufe durch Vergrößerung
der Austrittsquersühnittsflache der Schaufeln das oberen Stocks des
Laufrades, d.h. durch Verschiebung der Scheidewand auf einen
kleineren Durchmesser, au erhöhen»
In diesem Fall wurde die vergrößerte Durchsatzmenge, die die
Schaufeln des oberen Stocks passiert, 'Erhöhte Bnergieverluste haben
was zur Verringerung des Wirkungsgrades der Turbine führt· Deswegen
betragt die optimale Länge der Schaufeln des oberen Stocks dar Zweistockstufe, die in der Industrie verwendet wirdt ^0-40%
von der Summenlange der Schaufeln des oberen und des unteren Stocks
des Laufrades.
Außerdem stellt der vorhandene lange Ubergangsstutzen zwischen
den Schaufeln des unteren Stocks des Laufrades der vorletzten Stufe uM den Schaufeln des Lei tapparates der vorletzten
Turbinenstufe eine weitere Quelle von Energieverlusten dar, was zu einer noch stärkeren Verringerung des Wirkungsgrades der Turbine
führt·
Auf diese Welse sind In der Turbine, in der die vorhandene
vorletzte Stufe Zwelstockschaufeln des Leitapparates und des Laufrades
besitzt, erhöhte EnergieVerluste zu verzeichnen, die den
Wirkungsgrad der Turbine verringern, was ihren industriellen Einsatz einschränkt·
Dia unternommenen Versuche aur Erhöhung des Wirkungsgrades
der Turbine durch Verminderung des wärmegefalles an den Schaufeln des oberen Stocks bei unveränderlichem optimalen Wärmegefälle an
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de* !atzten Stufe führten zur Notwendigkeit, das wärmegefalle
an den Schaufeln des unteren Stocks zu verringern, was unter anderem in der Monographie von■A· Stodola "Dampf- und Gasturbinen";
Berlin, 1924, erwähnt wurde.
Jedoch 1st dieser Weg zur Erhöhung des Wirkungsgrades in der
Industrie bis zum heutigen Tag nicht realisiert worden. Die Hauptursache
besteht darm, daß die Verringerung des Wärmegefälles an
den Schaufeln des unteren Stocks eine Vergrößerung der Winkel ßf
und β j der Profile der Querschnitte, bewirkt, die zur Achse der
Schaufeln senkrecht sind, wobei unter dem Winkel /5^ der Winkel
zwischen der Tangente und der Mittellinie des Quer schnitt sprofills
am Eintritt des Stroms in das Laufrad und der Richtung des Umfangsgeschwindlgkeitsvektors
verstanden wird, während unter dem Winkel yöp der Winkel zwischen der Tangente und der Mittellinie des Querschnitt
sprofils am Austritt des Stroms aus dem Laufrad und der
Sichtung des Urafangsgeschwindlgkeltsvektors verstanden wird» Wie
es im Turbinenbau üblich ist, werden die Winkel ydL im Uhrzeigersinn,
die Winkel ß>^ aber entgegen dem Uhrzeigersinn abgezählt.
Eine Vergrößerung der Wnftfrel ß^ und /3O führt zur Verminderung
der Krümmung der Mittellinie des Querschnittsprofils und
hiermit zur Verminderung des Trägheitsmomentes des Querschnitts,
was die Fähigkeit des Querschnitts verringert, große Biegemomente von Summenkraften des Dampfstromes aufzunehmen, die auf die Schaufeln
des oberen und des unteren Stocks des Laufrades einwirken.
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Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, ein Laufrad
der Strömungsmaschine mit Zwelstockschaufeln zu schaffen, in dem
die Querschnitte der Schaufeln des unteren Stocks eine erhöhte
Festigkeit gegen das Blegemoment der Kräfte des Dampfstromes
besitzt , wodurch das Wärmegefälle an der unteren Etage verringert und hierdurch Wirkungsgrad
und Leistung der Turbine erhöht werden könnten·
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Laufrad der Strömungsmaschine,
die ein Scheibenrad mit an ihm angebrachten Schaufeln
des unteren Stocks mit Scheidewänden enthält, an denen die
Schaufeln des oberen .Stocks befestigt sind, erfindungsgemäß d^cte
Schaufel des unteren Stocks mindestens aus zwei Teilen besteht, derart, daß in jedem Querschnitt, der zur Schaufelachse senkrecht
ist, si« ein Profil besitzt, das zumindest aus zwei Elementen besteht,
die m einem Abstand voneinander angeordnet sind, welcher
der Größe des Schaufelkanals gleich ist, wobei jede Scheidewand mindestens an zwei Elementen des Profils befestigt ist·
Diese Ausführung des Laufrades der Strömungsmaschine, beispielsweise
einer Dampf.turbine, fuhrt zur Erhöhung des Wirkungsgrades
der Turbine, in der die vorletzte Stufe Zweistockschaufeln
des Leitapparates und des Laufrades besitzt.
Die Steigerung des Wirkungsgrades der Turbine wird durch Erhöhung
der Quersohnittsfe3tigkelt der Schaufeln des unteren Stocks
des Laufrades durch Bildung einer rahmenartigen steifen Konstruk-
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tion gewähr leistet, dia aus einem System: Scheidewand - Elemente
des SchaufelprofiIs - Schaufelwurzel besteht· Hler und welter im
Text wird unter der Schaufelwurzel jener Schaufelteil verstanden,
mit dem die Schaufel an dem Scheibenrad befestigt ist«
Dio Steif Igkoltserhöhirig der Schaufeln des unteren Stocks
verbessert die Fähigkeit ihrer Querschnitte, Biegemomente von
den Kräften des Dampfstromes aufzunehmen, die auf die Schaufeln
des oberen und des unteren Stocks des Laufrades einwirken«
Infolge/dessen wird es möglich, die Krümmung der Mittellinie
der Querschnlttsprofile zu verringern, d· h· die Winkel /,. der
Querschnlttsprofile der Schaufeln des Laufrades am Eintritt des
Stroms und Sp der Querschnlttsprofile der Schaufeln des Laufrades
am Austritt des Stromes aus demselben zu vergrößern, - Die
Vergrößerung der Winkel fi>
^ und /5« führt zur Verringerung des
Wärmegefälles an den Schaufeln des unteren Stocks·
Die Verringerung des Wärmegefalles an den Schaufeln des unteren
Stocks dar vorletzten Stufe gestattet es, das Wärmegefälle an den Schaufeln des oberen Stocks dieser Stufe zu verringern»
Die Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufel*des aberen
Stocks führt dazu, daß das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit U des Laufrades zur Geschwindigkeit C0, die dem Wärmegefälle
equivalent ist, also das Verhältnis U , sich dem optimalen
nähert, und folglich nähert sich der Austrittsgescüwliindlgkeltsvektor
der Turbine der axialen Richtung· In der Folge davon werden
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EAD ORIQINÄL
- ίο -
die EnergieVerluste mit der iustrittsgeschwindlgkelt geringer, und
folglich wird der Wirkungsgrad der Turbine gesteigert·
. Eine andere Folge der Verringerung des wärmegefalles an den
Schaufeln des oberen Stocks ist, daß die Mach-Zahlen an den Schaufeln
des-^eitapparates und des Laufrades geringer werden· Dies
führt zur Verminderung der Energieverloste an den Schaufeln, beispielsweise
dank den Verdichtungsstößen,und Verdünnungswellen, was eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine mit sich bringt»
Eine weitere Folge der Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln des oberen Stocks ist eine Verminderung der Dampfparameter
am Eintritt in diese Schaufeln, was bei vorgegebener Dampfverbrauchsnienge
zur Vergrößerung der Fläche der Schaufelkanäle der Schaufeln des oberen Stocks des Leitapparates an der schmälster
Stelle derselben führt· Djte s führt zur Vergrößerung der geometrischen
Winkel der Schaufeln des oberen Stocks des I/eitapparates, unö
zwar zur .Annäherung derselben an die optimalen Werte, wodurch die
Energieverlüste an diesen Schaufeln vermindert werden, was den Wirkungsgrad der. Turbine erhöht»
Außerdem gestattet es die Verringerung des Wärmegefalles an
den Schaufeln des oberen Stocks, das Wärmegefälle an der letzten
Stufe zu vergrößern,_, was in der bekannten Konstruktion, die m
der Einleitung beispielsweise im erwähnten deutschen Patent beschrieben
ist, unmöglich wäre, da es zu einer noch stärkeren Erhöhung des Wärmegefälles an den Schaufeln des oberen Stocks der .
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Zweistockstufe und folglich zur Verminderung des Wirkungsgrades der Turbine führen würde.
Die Erhöhung des Wärmegefälles an der letzten Stufe führt
zur Vergrößerung der Dampfparameter im Übergangsstützen zwischen
den Schaufeln des unteren Stocks des Laufrades der vorletzten
Stufe und den Schaufeln des Leitapgcates der letzten Stufe und
folglich zur Verminderung der Dampfstromgeschwindigkeit im Übergangsstutzen·
Die Verminderung der Dampfstromgeschwindigkeit bei konstanten
Koeffizienten der Energleverluste führt zur Abnahme der absoluten
Werte der EnergieVerluste und folglich zur Erhöhung des
Wirkungsgrades der Turbine·
Die Verminderung der Energleverluste an dai Schaufeln des
oberen Stocks des Leitapparates und des Laufrades infolge der Verringerung des Wärmegefalles an diesen Schaufeln führt dazu, daß
es zweckmäßig wird, den Arbeitsmittelverbrauch durch die Schaufeln
des oberen Stocks durch Vergrößerung der Austrittsquerschnlttsflache
der Schaufeln des oberen Stocks des Laufrades, d.h. durch Verschiebung der Scheidewand auf einen kleineren Durchmesser, zu
erhöhen. Mit dem kleiner werdenden wärmegefaile an den Schaufeln
des oberen Stocks nimmt die optimale Länge dieser Schaufeln zu, wobei sie beispielsweise 65-75% von der Summenlänge der Schaufeln
des oberen und des unteren Stocks des Laufrades erreicht.
Die Vergrößerung der Länge der Schaufeln des oberen Stocks
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der Zwelstockstafe durch Verschiebung der Scheidewand auf einen
kleineren Durchmesser gestattet es, die AustrittsquerSchnitts«
fläche der Schaufeln des oberen Stocks des Laufrades und folglich die Austrittsquerschnittsfläche der Turbine zu vergrößern·
Die Vergrößerung der Austrittsquerschnittsfläche der Turbine
gestattet es, den Dampfverbrauch und folglich die Turblnenleistung
zu erhöhen«
Vorzugswelse werden die Elemente des Profils der Schaufel des
unteren Stocks den Laufrades in bezug auf die Richtung des Geschwindigkeit
sVektors des Arbeltsmittels in Reihe mit den Elementen
des Profils der Nachbarschaufeln derart angeordnet, daß sie aerodynamische Profile bilden·
In diesem Fall besitzt jede Schaufel des unteren Stocks des Laufrades in dem Querschnitt, der zJßr Achse derselben senkrecht
ist, kein aerodynamisches Profil nach herkömmlicher Vorstellung· Nur gemeinsam mit den Nachbarschaufeln bilden die Elemente des Pro»
flls der Schaufeln des unteren Stocks aerodynamische Profile* die
in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der der Größe des
Schaufelkanals gleich ist» Diese konstruktive Lösung gestattet es,
die Profilverluste minimal zu halten und folglich einen hohen
Wirkungsgrad der Schaufeln des unteren Stocks des Laufrades aufrechtzuerhalten, der für moderne Profile von Turbinenschaufeln
kennzeichnend 1st·
Die Elemente des Profils der Schaufel des unteren Stocks des
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Laufrades können gegenüber den Elementen dar Profile der Nachbarschaufeln
in Richtung des Umfangsgeschwindigkeitsvektors des Laufrades
versetzt sein«
Ferner können die Elemente des Profils der Schaufel des unteren
Stocks des Laufrades gegenüber den Elementen der -Profile der
Nachbar schaufeln in Richtung der axialen Komponente des Geschwindigkeit
svektors des Arbeltsmittels versetzt sein·
Die Versetzung der Elemente der Profile der Schaufeln des
unteren Stocks bezüglich der Profile der Nachbarschaufeln erlaubt
es, den Schaufelkanal, und zwar den Abstand zwischen den Elementen
des Profils einer jeden Schaufel zu verändern, was zur Änderung der Trägheitsmomentes des Profils führt, das aus einem System
von Elementen besteht· Infolgedessen wird die Fähigkeit der Schaufeln
des unteren Stocks verbessert, Biegekrafte vom Dampfstrom
aufzunehmen»
Vorzugsweise haben die SchauÜelkanale der Schaufeln des unteren
Stocks des Laufrades ein Konfusor-Dlffusorprofil längs der
Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Arbeltsmittels·
Da die geometrischen Maße der Elemente der -Profile der Querschnitte,
die zur Achse der Schaufel des unteren Stocks senkrecht-
und nach der Bedingung der gewährleisteten Festigfceitsparameter
des Laufrades dimensioniert sind, in Anwendung auf die vorletzte
Stufe der Dampfturbine recht groß sind» sind die Geschwindigkeiten
des Dampfstromes in den Schaufelkanälen sehr hoch»
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Deshalb kann die Aufgabe einer beträchtlichen Verringerung
des Wärmegefälles nur dann gelöst werden, wenn der Schaufelkanal
mit einem Konfusor-Diffusorprofil ausgeführt wird, d.h. daß im
Diffusorteil des Schaufelkanals, der am Dampfaustritt liegt, ein
Teil der kinetischen Energie der Geschwindigkeit des 'Dampfstromes
im Schaufelkanal In die potentielle Energie umgesetzt werden,
könnte» Die Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln des
unteren Stocks führt zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine·
Vorzugsweise werden die Elemente der Profile der Schaufeln des unteren
Stocks bezüglich der Schaufeln des oberen Stocks so anger1
bracht,daß die Linie, die die Schwerpunkte mindestens eines Elementes
des Profils der Schaufeln des unteren Stocks verbindet, mit der Schwerpunktlinie der Profile der Schaufel des oberen Stocks
zusammenfallen würde«
In diesem Fall 1st die Fliehkraft der Schaufel des oberen
Stocks zwischen entsprechenden Elementen des Profils der Schaufel des unteren Stocks verteilt, so daß jedes der erwähnten Elemente
mit annähernd gleicher Querschnittsfläche ausgeführt werden kann, was erhöhte Steifigkeit der Schaufeln des unteren Stocks des Laufrades
gewährleistet·
Wenn die Linie, die die Schwerpunkte eines Elementes des
Profils der Schaufel des unteren Stocks verbindet, mit der Schwerpunktllnle
der Profile der Schaufel des oberen Stocks zusammenfällt
so wird die Fliehkraft der Schaufel des oberen Stocks hauptsächlich
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an diesem Element der Schaufel des unteren Stocks angreifen· Andere
Elemente der Schaufel des unteren Stocks werden über die Schel·
dewand das Biegemoment von den Kräften aufnehmen, die auf die
Schaufel vom Dampfstrom.einwirken·
Vorzugsweise ist die Linie, die die Schwerpunkte mindestens
eines Elementes des Profils der Schaufel des unteren Stocks ver~
bindet, gegenüber der Schwerpunktlinie der Profile der Schaufel
des oberen Stocks auf solche Weise versetzt, daß das Biegemoment
von der Fliehkraft der Schaufel des oberen Stocks entgegengesetzt dem Biegemoment gerichtet ist, -das auf die Schaufel vom Dampfstrom
ausgeübt wird·
Vorzugsweise ist mindestens eines der Elemente des Profils
der Schaufel des unteren Stocks mit einer Schaufelwurzel versehen·
Hierbei ist zweckmäßigerweise mit der unabhängigen Schaufelwurzel
genes Element des Profils der Schaufel des unteren Stocks versehen, das die größte Krümmung der Mit'telllnle des Elementes *
des Profils besitzt, was die Anwendungsmöglichkelten verschiedener
Werkzeuge bei dessen mechanischer Bearbeitung erweitert und folglich
den Arbeitsaufwand bei der Herstellung des Laufrades verringert· ·
Das Laufrad der Strömungsmaschine, das gemäß der Erfindung
ausgeführt und m der Kondensatlonsdampfturbine eingebaut ist, in
welcher die vorletzte Stufe mit Zweistockschaufeln'des Leitapparates
und des Laufrades ausgeführt ist, gestattet, es, den Wirkungs-
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grad der Turbine beispielsweise mit; einer Leistung von 1 Mio. kW
um 0,1 - 0,3% zu erhöhen· Hierbei kann die Austrittsquerschnittsflache
der Turbine vergrößert werden, was es gestattet, den Arbeltsmittelverbrauch
beispielsweise um das Zweifache und folglich auch die Turbmenlelstung zu steigern·
Die Verwendung eines Laufrades der Strömungsmaschine, das
gemäß dar vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, erlaubt eine Erhöhung
der Turbinenlel stung bis auf 2-3 Mio. kW»
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus dem nachfolgenden Ausführungsbeisplel und belllegenden Zeichnungen
verständlich; xn deD.Zelohnungen ,.zeigt:
Flg.. 1 - schematische Darstellung elnss Teiles des Laufrades
der Strömungsmaschine gemäß der Erfindung; Flg. 2 - Schnitt nach ΪΙ-ΙΙ in Fig. 1;
Flg. 3 - Abwicklung des Schnittes nach HI-III m Fig. 2;
Flg· 4 - Variante der Schaufel des unteren Stocks des Laufrades
gemäß der Erfindung;
Flg. 5 - Abwicklung des Schnittes nach V-V m Flg· 4;
Flg· 6 - Variante der Schaufel des unteren Stocks des Laufrades gemäß der Erfindung;
Flg. 7 - Abwicklung des Schnittes nach VII-VII in Flg. 6;
Flg. 8 - Variante der Schaufel des unteren Stocks des Laufrades
gemäß der Erfindung;
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S1Ig· y - Abwicklung das Schnittes nach IX-IX in Jig. 8;
Π-. 10 - Variante der Schaufel dds unteren Stocks dos Laufrades
gemäß der Erfindung»
S1Ig. 11 - Abwicklung des Schnittes nach XI-XI in Piß. 10;
Flg. 12 - Zweistockschaufol, in dar die Linie, die die
Schwerpunkte eines Elementes des Profils der Schaufel des unteren Stocks verbindet, mit der Schwerpunktlinie der Profile der Schaufel des oberen Stocks zusammenfällt, gemäß der Erfindung;
S1Ig· 13 - Abwicklung des Schnittes nach XIII-XIII in Pig· 12;
B1Ig. 14 - Variante der relativen Anordnung dar Schaufeln des
unteren und des oberen Stocks, gemäß der Erfindung; J1Ig, 15 - Abwicklung des Schnittes nach XV-XV in Pig· 14;
Fig· 16 - Variante der relativen Anordnung der Schaufeln
des unteren und des oberen Stocks, gemäß der Erfindung; Flg. 17 - Abwicklung des Schnittes nach XVII-ZVII in Flg. 16;
Flg. 18 - Variante der Schaufel des unteren Stocks des Laufrades, gemäß der Erfindung;
Flg. 19 - Abwicklung des Querschnittes nach XIX-XjCX in Flg.
18«
Das Laufrad der. Strömungsmaschine gemäß der Erfindung enthält
ein Scheibenrad 1 (Flg· 1), an dem Schaufeln 2 des unteren
Stocks mit Scheidewänden 3 angebracht sind· An den letzteren sind
Schaufeln 4 des oberen Stocks befestigt. Jede Schaufel 2 ist mit
einer Schaufelwurzel 5 versehen, mit der sie am Scheibenrad 1 be·
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ORIGINAL
festigt wird·
«Jade Schaufel 2 (51Ig· 2) des unteren Stocks besitzt in jedem
Querschnitt, dar zur Achse der Schaufel 2 senkrecht ist, ein
Profil, da3 mindestens aus zwei Elementen 6 und 7 (l?ig· 3) besteht,
die m einem Abstand voneinander angeordnet sind, der d8r Größe
des Schaufelkanals gleich ist* Hierbei 1st jede Scheidewand 3 mindestens
an zwei Elementen 6 und 7 des Profils befestigt, wodurch eine rahmenartige ,,steife Konstruktion gebildet wird, die aus einem
System: die Scheidewand 3 - Elemente .6 und 7 des Profils - Schaufel»
wurzel 5 Qi1IS· 2) besteht.
Die Erhöhung der Steifigkeit der Schaufeln 2 des unteren
Stocks verbessert die Fähigkeit -ihrer Querschnitte j Biegemomente
von den Kräften des Dampfstromes aufzunehmen, die auf die
Schaufeln des oberen 4 und des unteren Stocks 5 des Laufrades einwirken·
Dadurch wird es möglich, die Krümmung der Mittellinie b-b
der aerodynamischen Profile zu verringern, d.h. die Winkel Rj
der Querschnittsprofile der Schaufeln des Laufrades am Eintritt des Dampfstroms und /3^ dar Querschnittsprofile der Schaufeln
des ^aufrades am Austritt des Dampfrades aus demselben zu vergrößern·
Die Vergrößerung der Winkel β . und ßn bringt eine
Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln 2 des unteren Stocks mit sich·
Die Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln 2 des
unteren Stocks vermindert das wärmegefalle an den Schaufeln 4 des oberen Stocks. 509827/0291
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Die Verringerung des Wänuegefalles an den Schaufeln 4- des
oberen Stocks, führt dazu, daß das Verhältnis der UmEangsgescb»
mdlgkelt U des Laufrades zur Geschwindigkeit CQ, die dem
Warmegefälle äquivalent ist, also das Verhältnis .., U , sich
dem optimalen nähert und folglich der Vektor der Austrittsgeschwindigkeit
der Turbine sich der axialen Eichtung nähert* Infolgedessen
werden die Saergleverluste mit der Austrittsgeschwindigkeit
geringer, und der Wirkungsgrad der Turbine nimmt hiermit
Eine weitere Folge der Verringerung des Wärmegefälles an den
Schaufeln 4 des oberen Stocks ist, daß die Mach-Zahlen an den
Schaufeln des Leitapparates (lh Fig· nlwht abgebildet) und den
Schaufeln 4 des Laufrades geringer werden· Dies führt zur Verminderung
der Energieverluste an den erwähnten Schaufeln, beispielsweise dank Verdichtungsstoßen und Verdünnungswellen, was eine
Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine bewirkt»
Die Verminderung der Energieverluste an den ScIb ufeln 4 des
oberen Stocks des Laufrades gestattet es, die Scheidewand-Platte 3 auf einen kleineren Durchmesser zu verschieben· Dies vergrößert
die Läng9 der Schaufeln 4· des oberen Stocks des Laufrades, wodurch
der Dampf verbrauch und dae'Turbinenleistung erhöht werden·
Hierbei sind die Elemente 6 und 7 des Querschnittsprofils
der Schaufel 2 des unteren Stocks des Laufrades, wie es aujö Fig»
3 ersichtlich ist, in bezug auf die Richtung .des Geschwindlgkelts-
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Vektors W des DampfStroms in Reihe mit den Elementen 8 und 9
des Querschnittsprofils der Nachbarsehäufein 2 derart angeordnet,
daß ale aerodynamische Profile bilden, die in einem Abstand voneinander
angeordnet sind, wölcher der Größe des Schaufelkanals
10 gleich ist.
Diese konstruktive Lösung gestattet es, die -^r ofllverluste
minimal zu halten und folglich einen hohen Wirkungsgrad der Türbine
aufrechtzuerhalten, der für moderne Profile der Turbinenschaufeln kennzeichnend ist»
Der Schaufelkanal 10 besitzt ein Konfusor-Diffusor-Profil
längs der Richtung des Geschwindigkeitsvektors W des Dampfstroms,
d«h· die Fläche a des Schaufelkanals am Dampfeintritt größer als
die Fläche a . im Innern des Kanals 10 ist, und die letztere ist
kleiner als die Flache a am Dampfaustritt·
Im Konfusorabschnltt des Schaufelkanals 10 erfolgt die Beschleunigung
des Dampfstroms bis auf eine Geschwindigkeit, die zum
Durchtritt der erforderlichen Dampfdurcheaismenge erforderlich
ist· Im Diffusorabschnitt wird ein Teil der kinetischen Energie
in die potentielle Energie umgesetzt· Dies gestattet, das wärmegefälle
an den Schaufeln 2 des unteren Stocks des Laufrades zu verringern und folglich Wirkungsgrad und Leistung der Turbine zu
erhöhen.
In einer Ausführungsvailante einer Schaufel 11 (Flg. 4) des
unteren Stocks besteht m jedem Querschnitt, der zur Achse der
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Schaufel 11 senkrecht ist, das Querschnittsprofil aus drei Elementen
12, 13 und 14 (Pig· 5)» die an ihrer Scheidewand 14
(Flg, 4) befestigt sind·
In einer AusfuhrungsVariante einer Schaufel 16 (I1Ig. 6)
des unteren Stocks besteht m jedem Querschnitt, der zur Achse der Schaufel 16 sankrecht ist, das Querschnittsprofil aus drei
Elementen 17, 18 und 19 (Pig· 7)> von denen nur die Elemente 17
und 18 an einer Scheidewand 20 (Flg. 6) befestigt sind·
In einer AusfUhrungsVariante einer Schaufel 21 (Hg. 8) 1st
ein Element 22 (Flg. 9) des Profils des Querschnitts IX-IX, der zur Achse der Schaufel 21 (Fig. 8) senkrecht ist, gegenüber einem
Element 25 (Flg. 9) das Profils der Nachbarschaufel in Richtung
des Vektors der Umfangsgeschwindigkeit U des Laufrades versetzt, und ein Element 24 des Profils ist gegenüber einem Elementes 25
der Nachbarschaufel in der Richtung versetzt, die dem Vektor der
Umfangsgeschwindigkeit U -tntgegengesetzt ist. Das Element 22
des Profils bildet zusammen mit dem Element 25 der Nachbarschaufel
einen Schaufelkanal 26 mit einem Konfusorprofil längs der Richtung
des Vektors der Geschwindigkeit W. Das Element 24 des Profils
bildet zusammen mit dem Element 2p des Profils der Nachbarschaufel
einen Schaufelkanal 27 mit einem Diffusorprofil. Im Konfusorkanal
26 findet die beschleunigung des Dampfstromes statt, und im
Diffusorkaaal 27 wird ein Teil der kinetischen Energie des Dampfstrome
in die potentielle Energie umgesetzt, was das Warmegefälle
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ßAD
am unteren Stock verringert und somit den Wirkungsgrad der Turbine
erhöht.
In einer anderen Ausführungsvariante einer Schaufel 29 (Flg·
10) ist ein Element 30 (Flg. 11) des Profils des Querschnitts
XI-XI der Schaufel 29 (Flg. 10) gegenüber einem Element 31. (Fig. 11)
des Profils der Nachbarschaufel in der Richtung versetzt, die dem
Vektor der axialen Komponente der Dampfgeschwindigkeit V/^ entgegengesetzt
ist, während ein Element 32 des Profils gegenüber einem Element 33 des Profils der Wachbarschaufel in Sichtung der
axialen Komponente des Vektors der Dampfgeschwindlgkelt W-g versetzt
ist»
Die Versetzung der Elemente 22 und 24 (Fig. 9) des Profils
der Schaufel 21 (Flg. 8) des unteren Stocks gegenüber den Elementen
23 und 25 (Flg. 9) der Profile der Hachbarschaufeln 21 sowie der Elemente 30 und 32 (Flg. 11) der Schaufel 29 (Flg. 10) der unteren Etage gegenüber den Elementen 31 unä 33 (Flg. 11) des Profils
der Nachbarschaufeln 29 erlaubt es, den Abstand zwischen den Elementen
22 und 24 (Flg. 9) und den Elementen 30 und 32 (Flg. 11) zu verändern, was zur Änderung des Trägheitsmomentes des Profils
der Schaufel 21 (Flg. 8) und des Profils der Schaufel 29 (Fig. 10)
führt. Infolgedessen wird die Fähigkeit der Schaufeln 21 (Flg. 8)
und 29 (Flg. 10) des unteren Stocks verbessert f Biegekräfte vom
Dampfstrom aufzunehmen, die auf die Schaufeln 28 ( Flg. 8) und
(Flg· 10) des oberen Stocks sowie auf die Schaufeln 21 (Flg. 8)
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und 29 (ffig. 10) einwirken.
Xn etna ι AusfShEvmgavaE laute ilßflE Schaufel 35 (Elg·
des unteren Stocks fällt,dlo Linlo, die die Schwerpunkte beispielsweise
eines Elementes 36 (Flg. 13) des Profils der Schaufel 35 des unteren Stocks verbindet, mit der Schwerpunktllnle der
Profile 37 einer Schaufel 38 (Flg. 12) des oberen Stocks zusammen·
In diesem Fall greift die Fliehkraft der Schaufel 38 des
oberen Stocks hauptsächlich am Element 36 (Flg. 13) des· Profils
der Schaufel 35 des unteren Stocks an. Ein anderes Element 39
der Schaufel 35 des unteren Stocks nimmt über eine Scheidewand
40 (Fig. 12) das Biegemoment von den Kräften auf, die auf die
Schaufel 34 des oberen Stocks und .das Element 36 (Fig. 13) der
Schaufel des unteren Stocks vom Dampfstrom ausgeübt werden«
In einer weiteren Ausführungsvariante einer Schaufel 41 (Flg. 14) des unteren Stocks fällt die Linie, die die Schwerpunkte
beispielsweise eines Systems von zwei Elementen 42 und 43 (Flg.
15) des Profils der Schaufel 41 des unteren Stocks verbindet, mit
der Schwerpunktlinie der Profile 37 der Schaufel 38 (Flg. 14) des
oberen Stocks zusammen. Die Fliehkraft der Schaufel 38 der oberen Etage wird zwischen Elementen 42 und 43 (Flg. 15) des Profils
der Schaufel 41 des unteren Stocks verteilt sein· Infolgedessen
wird jedes der erwähnten Elemente mit etwa gleicher Querschnittsfläche ausgeführt, was erhöhte Steifigkeit der Schaufeln 41 des
unteren Stocks des Laufrades gewährleistet.
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In einer weiteren AusfuhrungsvarXante der Schaufel 44 (Flg.
16) des unteren Stocks ist dia Linie, die die Schwerpunkte belspeiLlswelse
eines Systems von zwei Elementen 4-5 und 46 (E1Ig. 17)
des Profils der Schaufel 44 des unteren Stocks verbindet, gegenüber der Schwerpunkt linie der Profile 37 der Schaufel 38 (Hg. 16)
des oberen Stocks um die Größe S (Fig. 17) versetzt· Ih diesem
Fall ist das Biegemoment von der Fliehkraft der ^chaufel 38
(Flg. 16), das dem Produkt aus der Fliehkraft F der Schaufel 38 mal der Größe ο gleich ist, entgegengesetzt dem BiegemomeJit
von der Kraft des DampfStroms gerichtet, der auf die Schaufel
44 einwirkt· Infolgedessen sind die Elemente 45 und 46 (Fig.
17) des Profils der Schaufel 44 des unteren Stocks von Biogekräften
entlastet·
In einer weiteren Ausführungsvariante einer Schaufel 47 (3?ig. 18) das unteren Stocks ist beispielsweise ein Element 48
(Fig. 19) des Schaufelprofils mit einer Schaufelwurzel 49 (Flg. 18)
versehen. Dies gestattet, das erwähnte Element 48 (Flg. 19) unabhängig
von anderen Elementen 50 und 51 anzubringen, die mit der
Schaufelwurzel 5 (Flg. 18) versehen sind· Hierbei ist zweckmäßigerweise
mit der Schaufe!wurzel 49 (Flg. 18) Jenes Element des
Profils der Schaufel 47 des unteren Stocks versehen, das die
größte Krümmung der Mittellinie besitzt. Dies erleichtertumechanische
Bearbeitung des Elementes des Schaufelprofils und senkt den Arbaltsaufwand bei der Herstellung des Laufrades,
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Claims (1)
- - 25 -PATENTANSPRÜCHE1. Laufrad einer Strömungsmaschine, das ein Scheibenrad mit an ihm angebrachten Schaufein des unteren Stocks mit Scheide»* wanden enthalt, an denen Schaufeln des oberen Stocks befestigt sind, dadurch gekennzeichnet ,daß jede Schaufel (2) des unteren Stocks mindestens aus zwei Teilen besteht, derart, daß im Querschnitt, der zur Achse der Schaufel (2) senkrecht ist, sie ein Profil besitzt, das zumindest aus zwei Elementen (6, 7) besteht, die voneinander in einem Abstand angeordnet sind, welcher der Größe des Schaufelkanals gleich ist, wobei mindestens zwei Elemente (6, 7) des Profils an ihrer Scheidewand O) befestigt sind·2, Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß die Elemente (6, 7) des Profils jeder Schaufel (2) des unteren Stocks in bezug auf die Richtung des Vektors der Geschwindigkeit (W) des Arbeitsmittels in Reihe mit den Elementen (8, 9) der Nachbarschaufeln (2) des unteren Stocks derart angeordnet sind, daß sie aerodynamische Profile bilden·3· Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Elemente (22, 24) des Profils jeder Schau-' fei (21) des unteren Stocks gegenüber den Elementen (23, 25) der Profile der Nachbarschaufeln (21) des unteren Stocks in der £liei3e des Vektors der Umfangsgeschwindigkeit (U) des Lauf Bades ver-509827/0291 · .setzt sind«4, Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß Elemente (30, 32) o'eder Schaufel (29) des unteren Stocks gegenüber dan Elementen (31» 33) der Profile der Nachbarschaufein (29). des unteren Stocks in dor Ebene der axialen Komponente des Vektors der Geschwindigkeit (W^, ) des Arbeitsmittels versetzt sind·5* Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß die Schaufelkanäle (10) ein Konfusor-Diffusor-Profil längs dar Sichtung des Vektors der Geschwindigkeit (W) des Arbeltsmittels haben»6. Laufrad nach Ansprüchen 1-4, dadurch ' . g e kennze lehne t ,daß die Linie, die die Schwerpunkte mindestens eines Elementes (36) des Profils der Schaufel (35) des unteren Stocks verbindet, mit dar Schwerpunktlinie der Profile der Schaufel (38) des oberen Stocks zusammenfällt,7· Laufrad nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet ,daß die Linie, die die Schwerpunkte mindestens eines Elementes (45, 46) des Profils der Schaufel (44) des unteren Stocks verbindet, gegenüber der Schwerpunktlinie der Profile der Schaufel (38) des oberen Stocks derart versetzt ist, daß das Biegemoment der Fliehkraft der Schaufel (38) des oberen Stocks entgegengesetzt dem Biegemoment gerichtet ist, das auf die Schaufel (38) des oberen Stocks vom Strom des Arbeltsmittels ausgeübt wird·509827/02918· Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekenn· ze lehnet ,daß mindestens eines der Elemente ( Λ8) des Profils der Schaufel (4-7) des unteren Stocks mit einer Schauf el-τι ur ze 1 (49) versehen ist«5098 2 7/0291
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---|---|---|---|
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Publications (3)
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Family
ID=27532817
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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-
1974
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- 1974-12-27 FR FR7443084A patent/FR2256310A1/fr active Granted
- 1974-12-28 DE DE2461770A patent/DE2461770B2/de active Granted
- 1974-12-28 CS CS9101A patent/CS171083B1/cs unknown
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Publication number | Publication date |
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