DE553983C - Beschaufelung vorwiegend axial beaufschlagter Kreiselmaschinen, wie z. B. Dampfturbinen, Pumpen oder Luefter - Google Patents

Description

Soll in einer Turbine die Forderung erfüllt werden, daß die Ausnutzung· der Energie sämtlicher Stromfäden des Treibmittels, abgesehen von den Reibungs- und sonstigen Verlusten, längs der ganzen beschaufelten! Länge des Turbinenhalbmessers eine gleichmäßige ist, auch wenn die Schaufellänge im Vergleich zum Raddurchmesser groß ist, dann muß der Unterschied der Tangentialkompοίο nenten der Strömungsgeschwindigkeit des Treibmittels am Eintritt in die Leit- und Laufschaufeln sowie am Austritt aus denselben in jedem Punkt des Rades der auf diesen Punkt bezogenen Umfangsgeschwindigkeit, somit der demselben entsprechenden Achsenentfernung, umgekehrt proportional sein.

In der von der Theorie des Tragflügels

von Joukowski, Lanchester, Prandtl abgeleiteten Theorie der Kreiselmaschinen läßt sich diese Bedingung einfach dadurch ausdrücken, daß in jedem der die Leitkränze von den Laufrädern trennenden Spalte die Zirkulation um die Welle einen unveränderten Wert haben muß, oder der wirbelfreie Charakter der anfänglichen Bewegung muß in der ganzen. Raumausdehnung des Treiboder Arbeitsmittels beibehalten werden.

Ist nun hingegen, wie es bei einer gewöhnlichen Turbine der Fall sein muß, die Axialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit beinahe unabhängig vom Radius, dann kann der obenerwähnten Bedingung praktisch nur durch die Verwendung von Schaufeln mit stark veränderlichem Querschnitt und stark veränderlichen Schaufelwinkeln sowie verschiedenem Reaktionsgrad zwischen Schaufelfuß und -kopf Genüge geleistet werden; es führt nämlich, falls das Verhältnis der Schaufelbegrenzungsradien den Wert j/T erreicht, die Wahl des Reaktionsgrades 1:2 (Parsonsturbine) am Schaufelkopf bereits zu einem Betriebe ohne Reaktion, d.h. mit reinem Gleichdruck am Schaufelfuß.

Die sich daraus ergebende Notwendigkeit einer starken Verwindung der Schaufehl bietet besonders für die Laufschaufeln Schwierigrigkeiten bei der Herstellung. Die Erfindung hat insbesondere den Zweck, diese Schwierigkeiten zu beheben, und besteht darin, daß die Axialgeschwindigkeit des Arbeits- oder Treibmittels nach dem Umfang hin durch

Einführung von zu den Meridianebenen senkrecht stehenden, gebundenen Wirbeln in die Strömung vergrößert ist. Infolgedessen ist es möglich., die Schaufel auf der ganzen Schaufellänge mit gleichbleibendem mittlerem Neigungswinkel zu versehen und auszuführen. Es ist übrigens zu erwähnen, daß sich das Arbeits- oder Treibmittel bereits bei Dampfturbinen mit Schaufeln von nahezu gleichbleibendem Querschnitt von. selbst auf solche Axialgeschwindigkeit einzustellen sucht; da diese Einstellung jedoch unvereinbar ist mit dem wirbelfreien Charakter, den die Strömung in den Meridianebenen aufweisen muß, so bedingt dieselbe, daß in der gesamten Arbeits- oder Treibmittelmasse um die Tangente herum eine Wirbelkomponente mehr oder weniger gleichförmig verteilt ist, deren Richtung in Abb. 1 durch die Pfeile 1 angegeben ist. Diese Abbildung stellt im Längsschnitt die allgemeine Anordnung der Schaufeln in einer Turbine dar, deren Läufer sich in der durch Pfeil 2 angedeuteten Richtung dreht; Abb. 2 zeigt eine schematische Draufsicht der Beschaufelung.

Diese von dem Arbeits- oder Treibmittel mitgeführten freien Wirbel entstehen in den ersten Stufen der Turbine in folgender Weise: Da die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel an ihrem äußersten Ende mit Rücksicht auf den für die ganze Schaufellänge gewählten mittleren Neigungswinkel zu groß ist, so folgt daraus, daß der Auftrieb sowie die Zirkulation um die Schaufel bei den ersten Leitscheiben und Laufrädern am Umfang geringer sind als gegen das Zentrum hin. Hier^: aus erfolgt nach der Theorie von L a η chester-Prandtl die Ablösung von schichtförmigen Wirbeln 4 längs den Austrittskanten der Leitschauf ein 3. Diese Wirbel sind zur Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit parallel gerichtet; sie winden sich in Schraubenlinienform um die Welle herum und liefern eben zur Tangentialkomponente des Wirbels den obenerwähnten benötigten Beitrag. Da die Laufschaufel gegen ihr Ende zu auf das Arbeits- oder Treibmittel nur eine ungenügende Reaktion ausübt und infolgedessen dort das Wärmegefälle geringer ist, so vergrößert sich gleichzeitig die Axialgeschwindigkeit nach dem Umfange hin derart, daß sich in Ausströmrichtung das in Abb. ι durch das Diagramm 5-5' dargestellte Ajdalgeschwindigkeitsverhältnis allmählich einstellt.

Diese selbständige Anpassung geht nicht ohne Verluste vor sich, da sie eine ungenügende Arbeitsleistung im Umf angsbereich der ersten Stufen" nach sich zieht und entsprechende Verluste durch die am Austritt übrigbleibende Geschwindigkeit bedingt. Diese Austrittsverluste können im Hinblick auf die von dem Ausfluß in diesem Punkte eingenommene turbulente Strömungsart nicht mehr zurückgewonnen werden.

Nun kann aber der gleiche allgemeine Verlauf der Strömung in den Meridianebenen, d.h. das Anwachsen der Axialgeschwindigkeit nach außen, wodurch letztere der sich entsprechend vergrößernden Tangentialgeschwindigkeit proportional wird, erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß die von dem Arbeits- oder Treibmittel ständig mit sich weggeführten und ebenso ständig zu erneuernden freien Wirbel 6 durch gebundene und gleichbleibende Wirbel in derselben mittleren Verteilung ersetzt werden.

Diese gebundenen Wirbel 1 können z. B. mit Hilfe kreisförmiger, konzentrisch zur Welle angeordneter Schaufeln erzeugt werden, deren Schaufebrücken nach außen gerichtet sind, so daß um jede dieser Schaufeln eine Zirkulation entsteht und jede derselben einen Auftrieb erleidet, dessen Summenwert für die Gesamtheit der Schaufelquerschnitte die gewünschte Verdichtung des Stromes nach dem Umfang hin sichert.

Diese Beschaufelungen können beispielsweise in Form von längs den Leitschauf ein 3 stufenweise angeordneten Zwischenstücken 7 ausgeführt werden, wie in Abb. 3, 4 und 5 schematisch angedeutet ist, wobei Abb. 3 einen Längsschnitt der Turbine, Abb. 4 einen Querschnitt und Abb. 5 eine Ansicht der zwei Schaufelreihen von oben darstellt.

Nun ergeben die Leitschaufel^. 3 und deren Zwischenstücke 7, zusammen betrachtet, zwei Systeme gebundener Wirbel, die zu einem einzigen resultierenden System zusammengesetzt werden können. Sind die jedem Element, d.h. Schaufel oder Zwischenstück, entsprechenden Zirkulationen 1 einander gleich, so wird das resultierende System einfach dadurch erhalten, daß an Stelle der beiden Systeme von Schaufeln 3 und 7 nur ein einziges System von Leitschaufein 8 ohne Zwischenstücke angebracht wird, und zwar in der Richtung derjenigen Diagonalen des ursprünglichen, aus den Schaufeln 3 und 7 entstandenen gitterartigen Gebildes, für welche der Schaufelrücken nach außen gekehrt ist. Ist nun die Verteilung der kreisförmigen Wirbel oder der letztere erzeugenden, notwendigerweise in ihrer Anzahl beschränkten Zwischenstücke 7 längs des Turbinenhalbmessers eine gleichmäßige, so müßten die Leitschaufeln 8 theoretisch in Form von archimedischen Spiralen gekrümmt sein; es wird aber im allgemeinen zur Vereinfachung genügen, sie in Richctung der Sehne des· entsprechenden Spiralbogens anzuordnen. Die Einführung der kreisförmigen Zwischen-

stücke 7 sowie die Neigung der Schaufeln wurden obenstehend lediglich für die Leitkränze ins Auge gefaßt; diese Lösung wird in bauEcher Hinsicht für Turbinen mit höherer Drehzahl im allgemeinen den Vorzug verdienen; aber dieselben Mittel können selbstverständlich auch sowohl auf die Laufräder allein als auch gleichzeitig auf Leit- und Laufschaufeln Anwendung finden.

ίο Kurzgefaßt wird demnach die Verwendung von Leit- und auch Laufschaufeln mit praktisch gleichbleibendem mittlerem Schaufelwinkel an die Forderung einer unveränderten Zirkulation um die Welle angepaßt ohne zusätzliche Hilfsmittel, einzig und allein durch die Anwendung einer geringen Neigung (meistens von der Größenordnung 5 bis 10) der Leitschaufeln, was mit geeigneten Zwischenstücken leicht erreicht werden kann.

Obwohl sich obige Beschreibung besonders auf Dampfturbinen bezieht, sei es für Gleichdruck oder Überdruck, so ist sie natürlich ebensogut auf alle Arten von vorwiegend axial beaufschlagten Kreiselmaschinen, wie

z. B. Pumpen oder Lüfter, anwendbar.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Beschaufelung vorwiegend axial beaufschlagter Kreiselmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialgeschwindigkeit des Arbeits- oder Treibmittels nach dem Umfang hin durch Einführung von zu den Meridianebenen senkrecht stehenden, gebundenen Wirbeln in die Strömung vergrößert ist.

2. Beschaufelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebundenen Wirbel mittels kreisförmiger, zur Welle konzentrischer Leitstücke, z. B. in Form stufenweise angeordneter Zwischenstücke (7) mit innenwärts gekrümmtem Querschnitt, sei es für die Leitschaufeln, sei es für die Laufschaufeln oder für beide zusammen, erzeugt sind.

3. Beschaufelung nach Anspruch 1 bei schräg zum Radius gestellten Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelachsen in Form einer archimedischen Spirale oder einer sich dieser Kurve nähernden Form angeordnet sind.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen