DE2461770A1 - Laufrad einer stroemungsmaschine - Google Patents

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 lst_t das am Austritt der Strömung aus der Turbine in den Kondensator angeordnet ist« Bekannt ist eine mehrstufige Dampfturbine, die es gestattet,

50 9 827/0291

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-

509827/0291

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-

509827/0291

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

509827/0291

246177D

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

50982 7/0291

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 wird_t ^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

509827/0291

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 ß_f 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 /3_O 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.

509827/0291

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-

509827/0291

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

509827/0291

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 .

509827/0291

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

509827/0291

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

509827/0291

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»

509827/0291

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

509827/0291

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-

509827/0291

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;

509827/0291

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·

509827/0291

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 ß_n 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

2A61770

Die Verringerung des Wänuegefalles an den Schaufeln 4- des

oberen Stocks, führt dazu, daß das Verhältnis der UmEangsgescb» mdlgkelt U des Laufrades zur Geschwindigkeit C_Q, 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-

509827/0291

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

5 0 9 8 2 7/0291

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

509827/0291

^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)

509827/0291

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.

509827/0291

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 erleichtert^umechanische Bearbeitung des Elementes des Schaufelprofils und senkt den Arbaltsaufwand bei der Herstellung des Laufrades,

509827/0291

Claims (1)

1. - 25 -PATENTANSPRÜCHE

   1. 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·

   509827/0291

   8· 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