DE2461770B2 - Laufrad-Beschaufelung - Google Patents
Laufrad-BeschaufelungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laufrad-Beschaufelung einer axial durchströmten Strömungsmaschine,
wobei die Beschaufelung aus radial äußeren Schaufelblättern und radial inneren Schaufelblättern
besteht, mit einem Deckband, das die äußeren und inneren Schaufelblätter radial voneinander trennt,
und wobei innerhalb der durch die äußeren Schaufelblätter festgelegten Umfangsteilung mehrere innere
Schaufelblätter angeordnet sind.
Eine solche Laufrad-Beschaufelung ist aus der FR-PS 31 273 bekannt.
Bei dieser bekannten Ausbildung, weiche als Mantelstromgebläse für eine Zweikreis-Flugzeugantriebsturbine
dient, geht es darum, daß starke Geräuschentwicklungen verhindert werden sollen, die dann auftreten
würden, wenn zur Gewährleistung ausreichender Leistung ziemlich lange Profilsehnen Verwendung
finden müßten. Deshalb wird hier an Stelle eines Strömungsprofils mit langer Profilsehne radial innen,
wo es vor allem zur Geräuschentwicklung kommt, innerhalb des Deckbandes zwei Schaufelblätter hintereinander
angeordnet, die mit ihren Köpfen in einem gemeinsamen Knoten zusammenlaufen, an dem ein
radial äußeres Schaufelblatt befestigt ist. Dabei stellt jedes der inneren Schaufelblätter ein vollständiges
Strömungsprofil dar, so daß im Grunde genommen zwei hintereinander angeordnete Laufschaufelkränze vorliegen.
Festigkeitsprobleme werden bei der bekannten Ausbildung nicht betrachtet, und diese wären zur
Lösung von solchen Problemen auch nicht geeignet.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es um die letzten Stufen von Kondensationsdampfturbinen, wo der
Dampf bereits große spezifische Volumina erreicht hat und wo dementsprechend große Volumendurchsätze
beherrscht werden müssen. Dies bedeutet, daß die Schaufeln so lang wie festigkeitsmäßig möglich gewählt
werden müssen.
iü Die entscheidenden Beanspruchungen ergeben sich dabei aus den Zentrifugalkräften und den Biegemomenten.
So erreichen die Zentrifugalkräfte jeder Laufschaufel, die von deren Fuß in die Scheibe eingeleitet werden
müssen, Größenordnungen von 100 bis 200 t, was bei einer Zahl von 70 bis 140 Laufschaufeln eines
Laufschaufelkranzes erhebliche Beanspruchungen der Scheibe bedingt. Für die Aufnahme solcher Kräfte und
Beanspruchungen wäre die bekannte Konstruktion ganz ungeeignet, bei der die Schaufeln beider
hintereinanderliegender innerer Laufschaufelkränze an dem gleichen dünnen Nabenkörper befestigt sind.
In besonderem Maße gilt dies für die auftretenden Biegemomente. Die bekannte Konstruktion mit den
radial nach außen zusammenlaufenden inneren Schaufeiblättern hat in Umfangsrichtung ein kleines Widerstandsmoment,
insbesondere bei schwach gekrümmten Schaufelprofilen, das angesichts der erheblichen Kräfte,
wie sie auf die Schaufeln der letzten Stufen von Dampfturbinen wirken, nicht ausreichen würde.
Besonders fühlbar werden die vorgenannten Nachteile, wenn bei einer Dampfturbine unter Aufrechterhaltung
des optimalen Wärmegefälles der letzten Stufe der Wirkungsgrad in bekannter Weise dadurch erhöht
werden soll, daß das Wärmegefälle der äußeren Schaufeln der vorletzten Stufe vermindert wird, was zur
Notwendigkeit führt, auch das Wärmegefälle an den inneren Schaufeln zu vermindern, wie dies schon in der
Monographie von A. Stodola, »Dampf- und Gasturbinen«, Berlin 1924, erwähnt ist.
Eine Verringerung des Wärmegefälles bedingt aber eine geringere Krümmung der Mittellinie des Profils
und dadurch eine Verringerung seines Trägheitsmoments, so daß ein bestimmtes Biegemoment größere
Beanspruchungen mit sich bringt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zweietagige Laufradbeschaufelung einer axial durchströmten
Strömungsmaschine zu schaffen, die von besonderer Festigkeit, insbesondere gegenüber den
auftretenden Biegemomenten, ist.
so Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß das Deckband entsprechend der Umfangsteilung der äußeren Schaufelblätter segmentiert
ist und daß die inneren Schaufelblätter entsprechend der Deckbandsegmente Profilabschnitte sind, die
zwischen Deckbandsegment und Schaufelfuß unter Bildung mindestens eines Strömungskanals nebeneinander
angeordnet sind und mit den jeweils in Umfangsrichtung anliegenden Profilabschnitten der Nachbar-
bo schaufeln vollständige Strömungsprofile bilden.
Durch diese Ausbildung bilden jeweils mehrere innere Schaufelblätter mit dem zugehörigen Deckbandsegment
eine rahmenartige starre Baueinheit, die gegenüber den auftretenden Biegemomenten besonders
steif und widerstandsfähig ist, auch wenn die vollständigen Strömungsprofile, zu denen sich ihre Profilabschnitte
zusammenfügen, nur schwach gekrümmt sind. Dadurch verringert sich das Wärmegefälle an den
Schaufeln der inneren Etage.
Die Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln der inneren Etage der vorletzten Turbinenstufe
gestattet auch die Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln der äußeren Etage dieser Stufe, was
dazu führt, daß das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit LJ des Laufrades zur Geschwindigkeit C0, die
dem Wärmegefälle äquivalent ist, also das Verhältnis U/G, sich dem Optimalen nähert, wobei sich der Vektor
der AustriJtsgeschwindigkeit aus der Turbine der axialen Richtung nähert. Dadurch werden die Energieverluste
am Austritt geringer und der Wirkungsgrad der Turbine besser.
Eine andere Folge der Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln der äußeren Etage ist es, daß die
Machzahlen im Leitschaufelkranz und im Laufschaufelkranz geringer werden. Dadurch werden die mit
Vfcrdichtungsstößen und Verdünnungswellen verbundenen Verluste geringer, was ebenfalls im 3inne einer
Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine wirkt.
Eine weitere Folge der Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln der oberen Etage ist eine
Herabsetzung der Dampfparameter am Eintritt in diese Schaufeln, was bei vorgegebenem Dampfdurchsatz eine
Vergrößerung der Schaufelkanalquerschnittsfläche der äußeren Etage des Leitschaufelkranzes an der engsten
Stelle bedeutet Damit verbunden ist eine Vergrößerung der Schaufelwinkel der äußeren Etage des Leitschaufelkranzes,
& h. eine Annäherung an die optimalen Werte. Auch dies verringert Energieverluste und verbessert
den Wirkungsgrad.
Außerdem gestattet die Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln der äußeren Etage die
Vergrößerung des Wärmegefälles der letzten Turbinenstufe, so daß es zu einer Vergrößerung der Dampfparameter
im Übergangsstutzen zwischen den Laufschaufeln der inneren Etage der vorletzten Stufe und den
Leitschaufeln der letzten Stufe kommt, was eine geringere Dampfstromgeschwindigkeit bedeutet. Diese
geringere Dampfstromgeschwindigkeit bedeutet wiederum eine Verringerung der Energieverluste.
Durch die Verringerung der Energieverluste an den äußeren Schaufeln des Leitschaufelkranzes und des
Laufschaufelkranzes infolge der Verringerung des Wärmegefälles an diesen Schaufeln wird es zweckmäßig,
den Dampfdurchsatz durch die Schaufeln der äußeren Etage zu erhöhen, und zwar durch Vergrößerung
der Austrittsquerschnittsfläche der äußeren Laufschaufeln, d. h. durch eine Verschiebung des Deckbandes
auf einen kleineren Durchmesser.
Mit kleiner werdendem Wärmegefälle an den Schaufeln der äußeren Etage nimmt die optimale Länge
dieser Schaufeln zu und erreicht etwa 65 bis 75% von der Gesamtlänge der äußeren und inneren Laufschaufeln.
Durch eine solche Verschiebung des Deckbandes nach innen kann die Austrittsquerschnittsfläche der
Turbine erhöht, der Dampfdurchsatz gesteigert und die Turbinenleistung erhöht werden.
In einer besonderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung liegt die Schwerpunktachse des äußeren
Schaufelblattes radial über der Schwerpunktachse eines der inneren Profilabschnitte. Bei einer solchen Ausbildung
kommt es zu keiner wesentlichen Biegebeanspruchung des zugehörigen Deckbandsegments durch die
am äußeren Schaufelblatt angreifende Fliehkraft.
Es ist auch zweckmäßig, wenn die Schwerpunktachse des äußeren Schaufelblattes gegenüber der Schwerpunktachse
mindestens eines der Profilabschnitte derart versetzt ist, daß das durch die Fliehkraft entstehende
Biegemoment dem durch die Gaskräfte auf die Schaufel wirkenden Biegemoment entgegenwirkt Durch eine
solche Ausbildung kann es gelingen, die insgesamt wirkenden Biegemomente fast völlig zum Verschwinden
zu bringen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt
ίο Fig. 1 die Frontansicht eines Teils der Laufradbeschaufelung
einer axial durchströmten Strömungsmaschine gemäß der Erfindung,
Fig. 2 den Schnitt nach Linie H-II in Fig. 1, F i g. 3 die Abwicklung des Schnittes nach Linie 1II-III in Fig. 2,
Fig. 2 den Schnitt nach Linie H-II in Fig. 1, F i g. 3 die Abwicklung des Schnittes nach Linie 1II-III in Fig. 2,
F i g. 4 eine andere Ausführung der Beschaufelung der inneren Etage,
Fig.5 die Abwicklung des Schnittes nach Linie V-V in F i g. 4,
F i g. 6 eine dritte Ausführung der Beschaufelung der
inneren Etage,
Fig. 7 die Abwicklung des Schnittes nach Linie VII-VII in Fig.6,
F i g. 8 eine zweietagige Beschaufelung, in der die Schwerpunktachse eines Profilabschnitts der inneren Etage mit der Schwerpunktachse der Profile des äußeren Schaufelblattes zusammenfällt
F i g. 8 eine zweietagige Beschaufelung, in der die Schwerpunktachse eines Profilabschnitts der inneren Etage mit der Schwerpunktachse der Profile des äußeren Schaufelblattes zusammenfällt
F i g. 9 die Abwicklung des Schnittes nach Linie IX-IX in F i g. 8,
Fi g. 10 eine Ausführung, in der die Schwerpunktachsen
von innerer und äußerer Beschaufelung in bestimmter Weise versetzt sind,
Fig. 11 die Abwicklung des Schnittes nach Linie Xl-Xl in Fig. 10.
Das in F i g. 1 gezeigte Laufrad einer Strömungsmaschine hat ein Scheibenrad 1, an dem Schaufeln 2 der
inneren Etage mit einem Deckband 3 angebracht sind. Das Deckband 3 ist in Segmente unterteilt, und jedes
Segment trägt ein äußeres Schaufelblatt 4. Jedes innere Schaufelblatt hat einen Schaufelfuß 5, mit dem es am
Scheibenrad 1 befestigt wird.
Jedes innere Schaufelblatt 2 stellt im normal zu seiner Längserstreckung genommenen Schnitt kein vollständiges
Strömungsprofil dar, sondern besteht aus Profilabschnitten 6 und 7, die in einem Abstand voneinander
angeordnet sind, der der Größe des Schaufelkanals gleich ist.
Jedes Deckbandsegment 3 bildet mit mindestens zwei solcher Profilabschnitte 6 und 7 eine rahmenartige steife
so Konstruktion. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, bildet jeder Profilabschnitt 6 mit dem Profilabschnitt 7 der
benachbarten Schaufel ein vollständiges Strömungsprofil.
Die Erhöhung der Steifigkeit der inneren Beschaufelung verbessert die Aufnahme der Biegemomente, die von den Kräften des Dampfstroms erzeugt werden. Dadurch wird es möglich, die Krümmung der Skelettlinie b-b der vollständigen Strömungsprofile zu verringern, d. h„ die Winkel ß\ am Eintritt des Dampfstroms und 02 am Austritt zu vergrößern. Die Vergrößerung der Winkel ß\ und 02 bringt eine Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln 2 der inneren Etage mit sich. Dies wiederum vermindert das Wärmegefälle an den äußeren Schaufelblättern 4.
Die Erhöhung der Steifigkeit der inneren Beschaufelung verbessert die Aufnahme der Biegemomente, die von den Kräften des Dampfstroms erzeugt werden. Dadurch wird es möglich, die Krümmung der Skelettlinie b-b der vollständigen Strömungsprofile zu verringern, d. h„ die Winkel ß\ am Eintritt des Dampfstroms und 02 am Austritt zu vergrößern. Die Vergrößerung der Winkel ß\ und 02 bringt eine Verringerung des Wärmegefälles an den Schaufeln 2 der inneren Etage mit sich. Dies wiederum vermindert das Wärmegefälle an den äußeren Schaufelblättern 4.
Die Verringerung des Wärmegefälles an den äußeren Schaufelblättern 4 führt dazu, daß das Verhältnis der
Umfangsgeschwindigkeit U des Laufrades zur Geschwindigkeit Co, die dem Wärmegefälle äquivalent ist,
also das Verhältnis -^-, sich dem optimalen nähert und
folglich der Vektor der Austrittsgeschwindigkeit der Turbine sich der axialen Richtung nähen. Infolgedessen
werden die Energieverluste mit der Austrittsgeschwindigkeit geringer, und der Wirkungsgrad der Turbine
wird besser.
Eine weitere Folge der Verringerung des Wärmegefälles an den äußeren Schaufelblättern 4 ist, daß die
Mach-Zahlen an den Schaufeln des Leitschaufelkranzes ι ο
(nicht abgebildet) und den äußeren Schaufelblättern 4 des Laufrades geringer werden. Dies führt zur
Verminderung der Energieverluste aufgrund von Verdichtungsstößen und Verdünnungswellen.
Die Verminderung der Energieverluste an den äußeren Schaufelblättern 4 des Laufrades gestattet es,
das Deckband 3 auf einen kleineren Durchmesser zu verschieben. Dies vergrößert die Länge der äußeren
Schaufelblätter 4 des Laufrades, wodurch der Dampfverbrauch und die Turbinenleistung heraufgesetzt
werden können.
Der Strömungskanal 10 besitzt ein Konfusor-Diffusor-Profil
längs der Richtung des Geschwindigkeitsvektors w des Dampfstroms, d. h., die Abmessung ao des
Schaufelkanals am Dampfeintritt ist größer als die Abmessung a\ im Inneren des Kanals 10, und diese ist
kleiner als die Abmessung a^. am Dampf austritt.
Im Konfusorabschnitt des Schaufelkanals 10 erfolgt die Beschleunigung des Dampfstroms bis auf eine
Geschwindigkeit, die zum Durchtritt der erforderlichen Dampfdurchsatzmenge erforderlich ist. Im Diffusorabschnitt
wird ein Teil der kinetischen Energie in potentielle Energie umgesetzt. Dies gestattet, das
Wärmegefälle an den inneren Schaufeln 2 des Laufrades zu verringern und folglich Wirkungsgrad und Leistung
der Turbine zu erhöhen.
In der in Fig.4/5 gezeigten Ausführungsvariante besteht jede innere Schaufel 11 im normal zu ihrer
Erstreckung genommenen Schnitt aus drei Profilabschnitten 12, 13 und 14, so daß sich ein vollständiges
Strömungsprofil über drei benachbarte Schaufeln hinweg erstreckt.
In der in Fig.6/7 gezeigten Ausführungsvariante besteht jede innere Schaufel 16 aus drei Profilabschnitten
17,18 und 19, von denen nur die Profilabschnitte 17 und 18 mit dem Deckbandsegment 20 verbunden sind.
In der in F i g. 8/9 gezeigten Ausführungsvariante der inneren Schaufeln 35, die sich jeweils aus Profilabschnitten
36 und 39 zusammensetzen, fällt die Schwerpunktachse der Profilabschnitte 36 mit der Schwerpunktachse
der Profile 37 des zugehörigen äußeren Schaufelblattes 38 zusammen bzw. stellt die Verlängerung desselben
dar. In diesem Fall greift die Fliehkraft des äußeren Schaufelblattes 38 hauptsächlich am Profilabschnitt 36
der inneren Schaufel 35 an. Der verbleibende Profilabschnitt 39 der inneren Schaufel 35 nimmt über das
Deckbandsegment 40 das Biegemoment von den Kräften auf, die auf die Schaufeln vom Dampfstrom
ausgeübt werden.
In der in Fig. 10/11 gezeigten Ausführungsvariante
der inneren Schaufeln 44, die aus jeweils zwei Profilabschnitten 45 und 46 bestehen, liegt die
Schwerpunktachse des Systems aus den beiden Abschnitten 45 und 46 jeder inneren Schaufel 44 nicht in
Verlängerung der Schwerpunktachse der Profile 37 des zugehörigen äußeren Schaufelblattes 38, sondern
gegenüber dieser um die Größe ö versetzt. Dabei ist das von der Fliehkraft des äußeren Schaufelblattes 38
erzeugte Biegemoment, das dem Produkt aus der Fliehkraft Fmal der Größe
<5 gleich ist, entgegengesetzt dem Biegemoment von der Kraft des Dampfstroms gerichtet, der auf die Schaufeln einwirkt. Infolgedessen
sind die Profilabschnitte 45 und 46 von Biegekräften entlastet.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Laufrad-Beschaufelung einer axial durchströmten Strömungsmaschine, wobei die Beschaufelung
aus radial äußeren Schaufelblättern und radial inneren Schaufelblättern besteht, mit einem Deckband,
das die äußeren und inneren Schaufelblätter radial voneinander trennt, und wobei innerhalb der
durch die äußeren Schaufelblätter festgelegten Umfangsteilung mehrere innere Schaufelblätter
angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckband entsprechend der Umfangsteilung
der äußeren Schaufelblätter (4) segmentiert ist und daß die inneren Schaufelblätter (2) entsprechend
der Deckbandsegmente (3) Profilabschnitte (6, 7) sind, die zwischen Deckbandsegment (3; und
Schaufelfuß (5) unter Bildung von mindestens eines Strömungskanals (10) nebeneinander angeordnet
sind und mit den jeweils in Umfangsrichtung
anliegenden Profilabschnitten der Nachbarschaufeln vollständige Strömungsprofile bilden.
2. Laufrad-Beschaufelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerpunktachse
des äußeren Schaufelblattes (38) radial über der Schwerpunktachse eines der inneren Profilabschnitte
(35) liegt.
3. Laufrad-Beschaufelung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerpunktachse
des äußeren Schaufelblattes (38) gegenüber der Schwerpunktachse mindestens eines der Profilabschnitte
(45, 46) derart versetzt ist, daß das durch die Fliehkraft (F) entstehende Biegemoment dem
durch die Gaskräfte auf die Schaufel wirkenden Biegemoment entgegenwirkt.
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SU1985357A SU522331A1 (ru) | 1973-12-28 | 1973-12-28 | Рабочее колесо турбомашины |
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DE2461770C3 DE2461770C3 (de) | 1979-02-08 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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1974
- 1974-12-24 CH CH1732674A patent/CH583848A5/xx not_active IP Right Cessation
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- 1974-12-28 DE DE2461770A patent/DE2461770B2/de active Granted
- 1974-12-28 CS CS9101A patent/CS171083B1/cs unknown
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FR2256310A1 (en) | 1975-07-25 |
CH583848A5 (de) | 1977-01-14 |
FR2256310B1 (de) | 1978-10-13 |
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