DE2841616B2 - Leitschaufelkranz für eine Axialturbine - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für eine Axialturbine mit Leitschaufeln, die zwischen einem inneren und einem äußeren Ring angeordnet sind, wobei die Profildicke des Schaufelblatts proportional zu der Schaufelteilung ist.

Durch die GB-PS 1 00 055 ist eine Axialturbine bekannt geworden, bei der die Querschnitte in den Durchgangszonen des strömenden Mediums in ihrem Verhältnis über die ganze Länge jeder Leitschaufel gleich gehalten werden. Dies geschieht im wesentlichen zur Erleichterung des Herstellungsverfahrens, wobei man das Auftreten von Sekundärströmungen in Kauf nimmt

Wenn ein Arbeitsfluid durch ein eine Stufe einer Axialströmungsmaschine bildendes Schaufelgitter strömt, verliert im allgemeinen das Arbeitsfluid einen Teil seiner Energie aufgrund von Reibung mit den Oberflächen der Schaufeln und der Seitenwände, die das Schaufelgitter bilden. Diese Verluste werden im allgemeinen als Profil- und Seitenwandverluste bezeichnet, von denen die Seitenwandverluste im allgemeinen zugeschrieben werden der gegenseitigen Interferenz der Grenzschichten auf den Schaufelflächen, den Grenzschichten auf den Oberflächen der Seitenwände und den Sekundärströmungen im Strömungsweg des Schaufelgitters. Diese Verluste verursachen eine Verminderung des Stufenwirkungsgrads der Axialströmungsmaschine. Eine Verminderung der Seitenwandverluste ist wesentlich zur Erhöhung des Wirkungsgrads einer kompakten Axialströmungsmaschine, insbesondere von Hoch- und Mitteldruckstufen einer Dampf- und einer Gasturbine mit einer kleinen Schaufelstreckung (Schaufelsehnenlänge/Schaufelhöhe).

Es wurden bisher Vorschläge zur Verminderung der Seitenwandverluste gemacht. Einige dieser Vorschläge enthalten die Verwendung der folgenden Anordnungen:

1) Befestigung von Abschirmplatten an den Seitenwänden,

2) drosselnde Seitenwände,

3) steuernde Grenzschichten.

Insbesondere die Verminderung der Sekundärströmungen ist als wesentlich für die Verbesserung des Wirkungsgrads von Axialturbinen erkannt worden. Man hat versucht, die Sekundärströmung durch Beeinflussung der Geometrie des Schaufelgitters zu vermindern. Alle diese Versuche haben aber nur die zweidimensionalen Eigenschaften eines Schaufelgitters in Betracht gezogen, während die dreidimensionalen Eigenschaften einer allgemein bekannten Axialströmungsmaschine oder die Strömungseigenschaften eines durch ein einen ringförmigen Strömungsweg bildendes Schaufelgitter nicht in Betracht gezogen wurden- Deshalb ist auch

s keine merkliche Erhöhung des Stufenwirkungsgrads erzielt worden.

Der Mechanismus für die Erzeugung von Sekundärströmungen in einem Schaufelgitter mit einem ringförmigen Strömungsweg in einer Stufe einer Axialströmungsmaschine wird im folgenden besprochen. Wird eine Strömung in einem Ausiaßströmungsweg einer Leitschaufel betrachtet, so ist festzustellen, daß in einem ringförmigen Strömungsweg gebildet durch obere und untere Wände mit der daran befestigten und einer angrenzenden Leitschaufel, längs der Wandfläche des Leitapparats gebildete Grenzschichten, längs der vorauseilenden und der nacheilenden Kanten der Leitschaufeln gebildete Grenzschichten und ein von der nacheilenden Kante zur vorauseilenden Kante der Leitschaufel gerichteter Querstrom miteinander in Wechselwirkung treten, mit dem Ergebnis, daß in der Nähe der oberen Wandfläche und der unteren Wandfläche des Leitapparats Sekundärströmungen gebildet werden. Erfahrungsgemäß tritt diese Erscheinung so auf, daß die Sekundärströmung längs der oberen Wandfläche des Leitapparats stärker als die Sekundärströmung längs der unteren Wandfläche des Leitapparats ausgeprägt ist Aufgrund der in einem Strömungsweg zwischen zwei benachbarten Leitschaufein erzeugten Sekundärströmungen ist der gesamte Druckverlust der Leitschaufel so verteilt, daß die in Nähe der radial auswärts zur Turbine befindlichen Schaufelspitze und in Nähe des radial einwärts zur Turbine gelegenen Schaufelfußes auftretenden Verluste viel größer als der im mittleren Teil des Strömungsweg auftretende Verlust ist. Eine besonders bemerkenswerte Erscheinung in einem einen ringförmigen Weg bildenden Schaufelgitter besteht darin, daß der Verlust an der Schaufelspitze größer als am Schaufelfuß ist. In einigen Fällen ist der Verlust an der Schaufelspitze einige Male größer als derjenige am Schaufelfuß. Diese Erscheinung sollte zur Erhöhung des Stufenwirkungsgrads vermieden werden. Im einzelnen sollte in einem ringförmigen Strömungsweg, der eine dreidimensionale Strömung

4^r> bildet ein Gleichgewicht zwischen den von einem Fluid ausgeübten Fliehkräften und dem von diesem Fluid ausgeübten Druck hergestellt werden. Dies macht den Druck an der Schaufelspitze hoch, die radial auswärts zur Turbine angeordnet ist, und niedrig am Schaufelfuß, der radial einwärts zur Turbine angeordnet ist. So fördert dieser radiale Differenzdruck die Neigung zur Erzeugung einer Sekundärströmung in Nähe der Schaufelspitze. Die Sekundärströmung, die an der Spitze einer Leitschaufel eine ausgeprägte Entwicklung zeigt, verursacht nicht nur eine ausgeprägte Verringerung des Wirkungsgrads der Leitschaufel, sondern verschlechtert auch den Strömungszustand des Fluids zu den nächstfolgenden Rotorschaufeln. Folglich würde eine solche Sekundärströmung den Stufenwirkungsgrad

bo verringern.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, den Stufenwirkungsgrad einer Axialturbine zu erhöhen durch Verringerung von Sekundärströmungsverlusten, die in den Leitschaufeln einer Axialturbine erzeugt werden, und Profilverluste zu verringern durch Unterdrückung der Entwicklung einer Grenzschicht in Nähe der Spitze jeder Leitschaufel.

Dies wird bei einem Leitschaufelkranz der eingangs

angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die proportionale Zunahme der Profildicke der Leitschaufeln ab einem Schaufelblattabstand vom inneren Ring von 75% der Gesamtschaufelblattlänge erfolgt, während der verbleibende radial innere Teil des Schaufelblattes eine konstante Profildkkc aufweist

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

F i g. 1 einen längs der Achse einer Turbine geführten Längsschnitt eines Stufenaufbaus einer Dampfturbine, F i g. 2 eir.s Ansicht U-II in F i g. 1,

F i g. 3 eine Vorderansicht der in F i g. 1 gezeigten Leitschaufeln,

F i g. 4 einen Querschnitt der Leitschaufel mit einer Darstellung der Querschnittsform der Leitschaufeln von Fig. 3,

Fig.5 eine schematische Darstellung der Verlust- und der Druckverteilung an der Leitschaufel nach der Erfindung.

Gemäß F i g. 1 enthält eine Stufe einer Dampfturbine ringförmig angeordnete, stationäre Leitschaufeln 27, einen ringförmigen oberen Ring 5 und einen ringförmigen inneren Ring 6 eines Leitschaufelkranzes, wobei diese Ringe an der radial äußeren Seite bzw. der radial inneren Seite der Leitschaufeln 27 angeordnet und die Leitschaufeln 27 daran befestigt sind, bewegliche Schaufeln oder Rotorschaufeln 2 mit Deckband 11, die den Leitschaufeln 27 entsprechen, ringförmig ar geordnet und an einer Scheibe 9 eines nicht gezeigten Rotors befestigt sind, und Leckverluste verhindernde Rippen 13,14,17,18 und 19.

Gemäß F i g. 2 haben Leitschaufeln 27a und 27b, die von dem oberen Ring 5 und dem inneren Ring 6 umgeben und in gleichem Abstand in Umgangsrichtung verteilt sind, vorauseilende Kanten 27a-l bzw. 21b-\. die η vom Fuß bis zur Spitze eine gerade Linie (Y- Y) bilden. Die Leitschaufeln 27a und 21b haben auch nacheilende Kanten 27a-2 und 27i>-2, die eine solche Kontur haben, daß von einer Fläche 23 des unteren inneren Ringes 6 bis zu einer Stelle in beliebiger Höhe h keine Änderungen auftreten, wobei die Dicke f der Leitschaufeln 27a und 27b von der Fläche 23 bis zu der Stelle an der Höhe h konstant ist. Jedoch nimmt die Dicke der Leitschaufeln 27a und 27f> ausgehend von der Stelle in der Höhe h zu einer radial nach außen von der Turbine gelegenen Fläche 24 des oberen Ringes 5 zu, bis die Dicke der Leitschaufeln den Wert T an der Fläche 24 erreicht. Die Dickenzunahme der Leitschaufeln T/t in Richtung deren Höhe wird aus der folgenden Beziehung erhalten: ■><>

T/t = P_H/Ph

wobei Ph die Teilung der Leitschaufeln an der Höhe h und Ph die Teilung der Leitschaufeln an der Höhe H sind. «

Wenn daher die Teilung der Leitschaufeln am Schaufelfuß mit Ph₀ bezeichnet wird, können die Einflüsse beseitigt werden, die sonst durch eine Zunahme der Teilung vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze Pho<Ph<PH aufgrund dessen ausgeübt werden *>o würde, daß der Strömungsweg ringförmig ist. Es ist somit möglich, eine Verminderung der Sekundärströmung zu erreichen. Da der Bereich der Engstelle des Schaufelgitters sich von der Schaufelhöhe h bis zur Fläche 24 des oberen Ringes 5 fortlaufend ändert wird die Strömung nicht beschleunigt, wenn sie die Spitze erreicht die mit der Fläche 24 verbunden ist Als Ergebnis erreicht der Druck an der Schaufelspitze kein Maximum und erreicht die Druckdifferenz längs der Schaufelhöhe ein Minimum, wodurch die Strömung eines Fluids auf ein Minimum gebracht wird. Somit befindet sich eine Sekundärströmung 54 in der Nähe der Schaufelspitze im wesentlichen auf demselben Niveau wie eine Sekundärströmung 55 in Nähe des Schaufelfußes (vgL Fig.2). Die durch Sekundärströmungen erzeugten Verluste können so stark verringert werden. Die Stelle in der Höhe h der Leitschaufel, bei der die Schaufeldicke f zuzunehmen beginnt befindet sich etwa auf drei Viertel der Gesamthöhe H der Leitschaufel von der Fläche 23 des inneren unteren Ringes 6 an der Seite des Schaufelfußes.

F i g. 3 ist eine Schrägansicht der Leitschaufeln und zeigt diese von ihrem Fuß bis zu ihrer Spitze. Die Formen der Leitschaufeln in den Querschnitten 27A und 27Bin Fig.3 entsprechen den Querschnitten A-A und B-B in Fig.2, wobei zwischen diesen beiden Formen keine Änderung vorliegt Die Form der im Querschnitt 27 C der der Form des Querschnitts C-C in F i g. 2 entspricht, gibt an, daß in diesem Querschnitt die Dicke jeder Leitschaufel an der nacheilenden Kante größer als in den Querschnitten A-A und B-B ist, und daß die zwischen den benachbarten beiden Leitschaufeln gebildete Engstelle verschmälert ist von Sp bei herkömmlichen Leitschaufeln auf Ss bei Leitschaufeln nach der Erfindung.

Fig.4 zeigt in konkreterer Form die durch die Erfindung herbeigeführten Änderungen des Schaufelprofils. In den Querschnitten 27A, 27B und.27C der in F i g. 3 gezeigten Leitschaufeln findet keine Änderung in der Form der vorauseilenden Kante statt, sondern der Vorsprung auf der nacheilenden Kante nimmt an Größe allmählich zu bei gleichzeitiger Dickenzunahme. Die Leitschaufeln nach der Erfindung haben eine solche Kontur, daß ihre Dicke ab der Stelle h allmählich zunimmt, während ihre Sehnenlänge L gleich bleibt.

F i g. 5 zeigt schematisch den Strömungsverlauf, der mit der erfindungsgemäßen Stufenkonstruktion schließlich erhalten wird. Die Druckverteilung längs der Höhe einer Leitschaufel zeigt, daß der Druck von der Schaufelspitze zum Schaufelfuß zunimmt bis ein maximaler Druck art einer radialen Stelle erhalten wird, die in der Nähe des mittleren Teils des Strömungsverlaufs liegt. Ausgehend von dieser radialen Stellung nimmt der Druck zum Schaufelfuß hin ab. Dies deutet an, daß eine ausgeprägte Verminderung der Sekundärströmungen in Nähe der Schaufelspitze stattfinden und daß ein Sekundärströmungsverlust in diesem Bereich auf dieselbe Höhe wie in Nähe des Schaufelfußes verringert würde.

Unter Verwendung des oben beschriebenen Stufenaufbaus können die Sekundärströmungsverluste verringert werden, die an einem Leitschaufelgitter auftreten, das eine Stufe einer Axialströmungsmaschine mit kleiner Schaufelerstreckung bildet, etwa einer Dampfturbine, Gasturbine, eines Kompressors usw. Die Leistung einer derartigen Axialturbine kann merklich verbessert werden, der Turbinenwirkungsgrad nimmt um etwa 0,5% zu.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Leitschaufelkranz für eine Axialturbine mit Leitschaufeln, die zwischen einem inneren und einem äußeren Ring angeordnet sind, wobei die Profildicke des Schaufelblattes proportional zu der Schaufelteilung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die proportionale Zunahme der Profildikke der Leitschaufeln (27) ab einem Schaufelblattabstand (h) vom inneren Ring (6) von 75% der Gesamtschaufelblattlänge (H) erfolgt, während der verbleibende radial innere Teil des Schaufelblattes (27) eine konstante Profildicke aufweist