DE2461770C3 - - Google Patents

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, welche 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 lai.ger 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.

hestigkeitsprobieme 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.

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.

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 entspre· chend der Deckbandsegmente Profilabschnitte sind, die zwischen Deckbandsegment und Schaufelfuß unter Bildung mindestens eines Strömungskanals nebeneinander angeordnet sind und mit den jeweils in Umfangsrichtung anliegenden Profilabschnitien der Nachbarschaufeln vollständige Strömungsprofile bilden.

Durch diese Ausbildung bilden jeweils mehrere innere Schaufelblätter mit dem zugehörigen Deckbandsegmeht 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 WärmegefäÜe 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 U des Laufrades zur Geschwindigkeit C₃, die dem Wärmegefälle äquivalent ist, also das Verhältnis U/Ca sich dem Optimalen nähert, wobei sich der Vektor der Austrittsgeschwindigkeit 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 Laufschaufel-Jiranz geringer werden. Dadurch werden die mit Verdichtungsstößen und Verdünnungswellen verbundenen Verluste geringer, was ebenfalls im Sinne einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine wirkt

Eine v/eitere 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 LeitschaufeSkranzes an der engsten Stelle bedeutet. Damit verbunden ist eine Vergrößerung der Schaufelwinkel der äußeren Etage des Leitschaufelkranzes, d. 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 DampfstromgeschwinHigkeit 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 ta 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 dera/t versetzt ist, daß das durch die Fliehkraft entstehende Biegeinoment dem durch die Gaskräfte auf die SchauJel 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,
F i g. 2 den Schnitt nach Linie U-II in F i g. 1,
F i g. 3 die Abwicklung des Schnittes nach Linie M-Hl inFig.2,

F i g. 4 eine andere Ausführung der Beschaufelung der inneren Etage,

F i g. 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,

F i g. 7 die Abwicklung des Schnittes nach Linie VII-VII in F ig. 6,

Fig.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,

F i g. 10 eine Ausführung, in der die Schwerpunktachsen von innerer und äußerer Beschaufelung in bestimmter Weise versetzt sind,

F i g. 11 die Abwicklung des Schnittes nach Linie XI-XI in Fig. 10.

Das in Fig. 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 Konstruktion. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, bildet jeder Profilabschnitt 6 mit dem Profilabschnitt 7 der benachbarten Schaufel ein verständiges 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 ß₂ 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 (J des Laufrades zur Geschwindigkeit C₀, die dem Wärmegefälle äquivalent ist,

also das Verhältnis -=- , sich dem optimalen nähert und

folglich der Vektor der Austrittsgeschwindigkeit der Turbine sich der axialen Richtung nähert 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 Schaufein des Leitschaufeikranzes (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 Dampfverßrauch und die Turbinenleistung heraufgesetzt werden können.

Der Strömungskanal 10 besitzt ein Konfusor-Diffusor-Profil längs der Richtung des Geschwindigkeitsvektors w des Dampfstrcms, d h, die Abmessung 20 des Schaufelkanals am Dampfeintritt ist größer als die Abmessung at im Inneren des Kanals 10, und diese ist kleiner als die Abmessung ar am Dampfaustritt.

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 bestellt jede innere Schaufel 11 im normal zu ihrer Erstrevkung 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 Profiiabschnitte 17 und 18 Hill dem Deckbandsegment 20 verbunden sind.

In d/r in Fig. 8/9 gezeigten Ausführungsvariante der inneren Schaufeln 35, die sich jeweils aus Profilabschnitten 3S 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 Profiiabschnitt 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 <5 versetzt Dabei ist das von der Fliehkraft des äußeren Schaufelblattes 38 erzeugte Biegemoment, das dem Produkt aus der Fliehkraft Fmal der Größe ό 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 Zeichnuneen

Claims (3)

Patentansprüche:

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.