DE69534860T2

DE69534860T2 - Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE69534860T2
Application number: DE69534860T
Authority: DE
Inventors: Brian Robert Haller; David Morton Towcester Hall; Viccars Jeremy Andrews
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: GB2295860A; DE69520061T2; DE69534860D1; JP3896169B2; EP0704602B1; GB9417406D0; CN1330209A; ZA956883B; CN1071837C; EP1046783A2; CN1272524C; EP1046783B1; JPH0874502A; US5906474A; GB9516493D0; EP1046783A3; CN1126796A; EP0704602A2; DE69520061D1; EP0704602A3

Description

Bei der vorliegenden Anmeldung handelt es sich um eine Ausscheidung aus der Patentanmeldung Nr. EP 95 305 720.5 , die sich auf eine Turbinenschaufel bezieht, die einen zumindest annähernd konstanten Durchmesser zwischen der Wurzel und der Spitze aufweist und bei der die Tragflächenabschnitte um die Hinterkante gedreht werden, um eine im wesentlichen symmetrische konvexe Krümmung in radialer Richtung auf der Druckfläche der Schaufel zwischen Wurzel und Spitze zu gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbine mit einem Ring von Turbinenschaufeln, wie sie zum Beispiel in der EP-A-0570106 gezeigt ist. Obwohl sich die Erfindung vornehmlich mit Dampfturbinen befaßt, ist sie auch auf andere Turbinen und Kompressoren anwendbar. Der Ausdruck "Turbine" wird in dieser Beschreibung benutzt, um Maschinen dieser Art, die Tragflächenschaufeln aufweisen, mit einzuschließen. Sie befaßt sich außerdem vornehmlich, aber nicht ausschließlich, mit fixierten Schaufeln in Turbinen.
Die Effizienz ist von großer Bedeutung, besonders bei großen Aufbauten, bei denen eine partielle Steigerung in der Effizienz sehr große Kosteneinsparungen mit sich bringen kann. Eine beachtenswerte Menge an Geld und Anstrengung wird kontinuierlich dafür in die Forschung über beispielsweise Schaufeldesign als eine kritische Komponente ausgegeben.
Eine konventionelle Schaufel war seit vielen Jahren wie ein Tragflächenquerschnitt, die (fixierte) Schaufel reichte von inneren zu äußeren Endblöcken und war von prismatischer Form, das heißt durch eine Linie erzeugt, die parallel zu sich selbst und zwischen einem Tragflächenquerschnitt verlief. Die Ausrichtung von sowohl befestigten als auch beweglichen Schaufeln gegenüber deren jeweiligen Schaufelach sen war ebenfalls standardisiert für dieses prismatische Schaufeldesign, diese Ausrichtung war definiert durch den Schaufelverschiebungswinkel zwischen der axialen Turbinenrichtung und einer Linie tangential zur schaufelführenden Kante und zu Hinterkantenkreisen auf der Druckfläche der Tragflächenschaufel.
Eine bekannte Verbesserung in der Wirkungsweise der prismatischen Schaufel in der Turbine wird durch das Einbringen einer Neigung auf der Schaufel erreicht, das heißt, sie um ihre Wurzel in einer äußeren Ebene zu neigen, das heißt quer oder senkrecht zur Turbinenachse. Diese Neigung erzeugt eine Variation im Massenfluß von der Wurzel zur Spitze am Auslaß der Schaufel. Die radialen inneren und äußeren Enden der Schaufel werden als Wurzel und Spitze bezeichnet, trotz der Tatsache, daß sowohl Wurzel als auch Spitze durch die Endbegrenzungen des umgebenden Rings 21 und 22, gezeigt in der beiliegenden 1, begrenzt sind.
Da der umgebende Zwischenraum der Schaufeln (das heißt der Abstand) fortschreitend von der Wurzel zur Spitze zunimmt, wandert die Position, an der die Einschnürungslinie die Ansaugoberfläche schneidet, mit steigendem Radius nach oben. Bedingt durch die konvexe Krümmung der Ansaugoberfläche führt dies zu einer Steigung im Auslaßwinkel von etwa 13° an der Wurzel (relativ zur tangentialen Richtung) bis etwa 15° an der Spitze. Dies ist in der beiliegenden 6 gezeigt.
Der Schaufelauslaßwinkel α ist in den 3(a) und 3(b) der beiliegenden Zeichnungen gezeigt und ist als sin^–1 definiert (Einschnürungs-/Schaufelabstand).
Aus den gleichen Zeichnungen ergeben sich die folgenden Parameter. Die Einschnürung ist die kürzeste Breite in der Schaufelpassage. Er reicht normalerweise von der Druckober fläche eine Schaufel an der Hinterkante und ist senkrecht zur Saugoberfläche der benachbarten Schaufel.
Der Verschiebungswinkel ist der Winkel zwischen der Turbinenachse und der tangentialen Linie, die die Führungs- und Hinterkreise des Tragflächenabschnitts berührt.
Die Schaufelsehnenlänge ist gleich der Gesamtlänge der Schaufel entlang der tangentialen Linie des Verschiebungswinkels.
In der Vergangenheit wurden Modifikationen zu dem basisprismatischen Schaufeldesign vorgeschlagen. Zum Beispiel in der Hitachi Review Vol. 27, Nr. 3 von 1978, wurden verdrehte und andere Schaufelformen vorgeschlagen. Bei dem, was als „kontrolliertes Wirbeldüsendesign" bezeichnet war, wurde eine Düse beschrieben (das heißt eine fixierte Schaufel), die konform zu der konventionellen prismatischen Schaufelform in der unteren Hälfte ihrer radialen Höhe war, die aber einen gesteigerten feineren Setzwinkel in der oberen Hälfte aufwies. Der Setzwinkel ist der Winkel, bei dem der Tragflächenabschnitt bei jeder Schaufelhöhe innerhalb seiner eigenen Fläche aus der normalen Position für eine prismatische Schaufel herausgedreht wird. Eine Feineinstellung indiziert eine Drehung des Tragflächenabschnitts zur Reduzierung der Einschnürung und dadurch zur Reduzierung des Auslaßwinkels und einer Grobeinstellung zur Setzung einer Drehung, um diese zu steigern. Die 3 dieses früheren Artikels illustriert eine kontinuierliche Rotation des Schaufelabschnitts von der Wurzel zur Spitze, wobei der Setzwinkel mit wachsender Schaufelhöhe feiner wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbine bereitgestellt, die einen Ring von Tragflächenschaufeln aufweist, die zwischen inneren und äußeren Endblöcken montiert sind, wobei jeder Treibmittelweg zwischen benachbarten Schaufeln querschnittsweise durch die Endwandungen, die durch besagte Endblöcke ausgebildet sind, geschlossen werden, wobei die Schaufeln und ihre zugehörigen Endblöcke integriert ausgebildet und so bearbeitet sind, daß sie als Ausrundungen zwischen den Tragflächenoberflächen der Schaufeln und den Endwandungen dienen, wobei besagte Ausrundungen einen Radius im Bereich von 0,15 bis 0,3 einer Einschnürungsabmessung zwischen benachbarten Schaufeln haben, die Einschnürungsabmessung die kürzeste Linie darstellt, die senkrecht von der Saugfläche einer Schaufel zur Druckfläche einer benachbarten Schaufel reicht und worin die besagten Ausrundungen an der Spitze der Schaufel einen Radius aufweisen, der durch die genannte Einschnürungsabmessung an der Spitze der Schaufel bestimmt ist und die Ausrundungen an der Wurzel der Schaufel einen Radius aufweisen, der durch die genannte Einschnürungsabmessung an der Wurzel der Schaufel bestimmt ist, oder die genannten Ausrundungen an der Spitze und der Wurzel der Schaufel einen Radius aufweisen, der durch einen Mittelwert der genannten Einschnürungsabmessung an der Wurzel und der Spitze der Schaufel bestimmt ist.
Der Multiplikationsfaktor des Ausrundungsradius liegt bevorzugt in einer Bandbreite 0,2 bis 0,25 oder noch bevorzugter hat er einen Wert von etwa 0,23.
Die Ausrundungen können sich bis hinter die jeweiligen Hinterkanten der Schaufeln erstrecken, wobei die Ausrundungen in diesem Bereich von konkaver Form sind und sich in ihrer jeweiligen Endwandungung unterhalb der jeweiligen Hinterkanten biegen.
Jede der Schaufeln kann von zumindest annähernd konstantem Tragflächenquerschnitt von seiner Wurzel am radialen inneren Ende bis zur Spitze an dem radialen äußeren Ende sein und im wesentlichen symmetrisch zwischen Wurzel und Spitze gekrümmt sein, so daß die Druckfläche der Tragflächenschau fel konvex in radialer Richtung zwischen Wurzel und Spitze ist.
Die Tragflächenabschnitte an Wurzel und Spitze der Schaufel können innerhalb ihrer eigenen Fläche relativ zum mittleren Abschnitt um einen Winkel gedreht werden, der bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 5° ± 2°, und besonders bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 5° ± 1° liegt.
Die Tragflächenabschnitte der Schaufel liegen bevorzugt auf einer parabolischen Kurve zwischen der Wurzel und der Spitze.
Die Hinterkante der Schaufel ist bevorzugt von der Wurzel zur Spitze gerade, die konvexe Krümmung der Druckfläche der Schaufel in radialer Richtung wird durch eine Rotationsverschiebung der Tragflächenabschnitte um die gerade Hinterkante erreicht.
Sind die Schaufeln fixierte Schaufeln, ergibt das Verhältnis zwischen benachbarten fixierten Schaufeln zum Abstand der Schaufeln den Sinus eines Auslaßwinkels für die Schaufeln, der bevorzugt in einem Bereich von 7° bis 11° an der Wurzel der Schaufeln liegt und noch bevorzugter im Bereich von 8° bis 10°.
Der Setzwinkel des mittleren Abschnitts der fixierten Schaufeln ist bevorzugt derart mit dem Wurzelauslaßwinkel kombiniert, daß er ein Gesamtdurchlaßeinschnürungsgebiet bereitstellt, das gleich dem einer Turbine ist, die über prismatische Schaufeln des gleichen Staffelungswinkels verfügt.
Hat die Turbine eine Reihe von Zuständen, die an eine sinkende Flußdichte des Treibmittels angepaßt sind, kann der Auslaßwinkel an der Wurzel der Schaufeln über die gesamte Reihe der Zustände konstant sein und die Setzwinkel für die Tragflächenschaufelabschnitte an der radialen mittleren Höhe der Schaufeln kann dergestalt sein, daß ein bestimmtes Einschnürungsgebiet für die Schaufeln jeden Zustands gewährleistet sind. Dieses bestimmte Einschnürungsgebiet kann des Einschnürungsgebiet sein, daß durch prismatische Schaufeln im korrespondieren Zustand einer ansonsten gleichen konventionellen Turbine gegeben ist.
Eine Turbinenschaufel, die Gegenstand der Stammanmeldung EP 95 305 720.5 ist und ihre Einbettung in einer Dampfturbine wird nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 eine schematische Abschnittsansicht der Achse eine Dampfturbine ist, die einen herkömmlichen "Scheiben- und Membran" Hoch-/Mitteldampfdruckturbinenzustand zeigt, der eine Anordnung von fixierten Schaufeln beinhaltet
2 eine perspektivische Ansicht von zwei solchen herkömmlichen Schaufeln in der fixierten Schaufelmembran zeigt
3(a) eine schematische Radialansicht der Schaufeln von 2 zeigt;
3(b) ein Diagramm zeigt, das den Auslaßwinkel der fixierten Schaufeln illustriert;
4 eine perspektivische Ansicht einer fixierten Schaufel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Das Gittermuster, das auf der Oberfläche gezeigt ist, ist in Wirklichkeit nicht anwesend, dient aber dazu, die gekrümmte Gestalt der Schaufel hervorzuheben;
5 einen Graphen von Schaufelabschnittssetzwinkeln gegen die Höhe des Abschnitts von der Wurzel zur Spitze der Schaufel für herkömmliche prismatische Schaufeln und Schaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt
6 einen Graph von Schaufelauslaßwinkeln gegen die Abschnittshöhe zeigt, wiederum für die beiden Schaufelypen;
7 einen Teilquerschnitt des Einschnürungsabschnitts zwischen zwei Schaufeln zeigt, der die Aufrundungen zeigt, die zwischen den beiden Schaufeln und den Endblöcken ausgeformt sind, und
8 ein Diagramm zeigt, das die Hinterkante mit einer herkömmlichen Ausrundung und eine mit einer stromlinienförmigen Ausrundung zeigt.
Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen ist in der 1 eine schematische Achsenabschnittsansicht eines herkömmlichen "Scheiben- und Membran" Hoch/Mitteldampfdruckturbinenzusstands gezeigt. Die Richtung des Flusses F des Treibmittels Dampf ist annähernd parallel zur Turbinenrotorachse A. Der Rotor 10 hat für jeden Zustand eine Scheibe 11, an der ein Satz oder eine Reihe von umgebend angebrachten und beabstandeten sich bewegenden Schaufeln 12 befestigt ist, wobei an den Schaufeln 12 ein Abdeckblech 13 an deren radialen äußeren Enden angebracht ist. Die Energie des Dampfes, der in der Richtung F von der Vorderseite zur Rückseite der Turbine fließt, wird in mechanischer Energie des Rotors 12 umgewandelt. Bei jeden Gestell geht eine fixierte Schaufelanordnung einem Satz von sich bewegenden Schaufeln 12 voraus und ist am inneren Turbinengehäuse 20 gesichert. Diese fixierte Schaufelanordnung weist einen radialen inneren Ring 21 auf, einen radialen äußeren Ring 22 und eine Reihe von umgebend ausgerichteten und beabstandeten fixierten Schaufeln 23, wobei jede Schaufel 23 an einem inneren Ende am inneren Ring 21 gesichert ist und an einem äußeren Ende am äußeren Ring 22 und jede Schaufel hat eine Vorderkante 24, die dem Fluß zugewandt ist und eine Hinterkante 25. Die Anordnung der Schaufeln 23 mit inneren und äußeren Ringen 21, 22 ist als Leitschaufelkranz bekannt. Das Scheiben- und Leitschaufelkranzgestell, wie gezeigt in 1, ist von einer Art, bei der das Gebiet zwischen inneren und äußeren Ringen 21, 22 senkrecht zur Turbinenachse A bei den fixierten Schaufelhinterkanten 25 größer ist als an den Schaufelvorderkanten 24. Desweiteren haben, wie in dem Beispiel in 1 gezeigt, die Oberflächen, das heißt die Endwandungen der Ringe (oder Endblöcke) 21, 22, an denen die Schaufeln 23 befestigt sind, eine kegelstumpfförmige Form, die von der Turbinenachse A in Richtung F von der Vorderkante 24 zur Hinterkante 25 der Schaufeln 23 divergiert.
Nun bezugnehmend auf 2, dort wird eine Rückansicht eines Teils einer befestigten Schaufelanordnung gezeigt, die von dem in 1 gezeigten Typ ist. Die fixierten Schaufeln 23, gezeigt in 2, sind von herkömmlicher prismatischer Art, das heißt, sie sind jeweils gerade, das heißt derart ausgebildet, daß die angenommenen Tragflächenabschnitte der Schaufel, jeweils senkrecht zu einer radialen Linie von der Turbinenachse betrachtet, dieselbe Form von der Schaufelinnenseite zur Schaufelaußsenseite haben und von der Wurzel zur Spitze ungedrillt sind und mit der Vorderkante 24 und der Hinterkante 25 jeweils auf einer geraden Linie gestapelt sind. Jede Schaufel 23 hat eine konkave Druckseite 26 und eine konvexe Sogseite 27.
Bezugnehmend auf 3(a) wird in einer radialen Draufsicht die Orientierung der fixierten Schaufeln 23 und 29 relativ zur Turbinenachse A und der Querstrich- (das heißt tangential oder umlaufend) Achse T, die den fixierten Schaufelring enthält, illustriert und zu der Achse A senkrecht steht. Der Schaufeltragflächenabschnitt basiert auf einem schmalen Hinterkantenkreis 15 und einem größeren Vorderkantenkreis 17. Die Tangtentiallinie 19 zu diesen beiden Kreisen liegt bei einem Winkel ¥, dem Staffelungswinkel, aus der A-Achsenrichtung.
Wenn eine senkrechte Linie von der Sogfläche 27 der Schaufel 23 zur Druckfläche 26 der benachbarten Schaufel 29 gezogen wird, und wenn die kürzeste dieser Linien genommen wird, ist dies die Einschnürungsgröße t, die in dem Bereich der Hinterkante 25 der Schaufeln 29 auftritt. Das Verhältnis dieser Größe t zum Abstand p der fixierten Schaufeln ergibt den Sinus des als Auslaßwinkel α bekannten Winkels. Man kann sehen, daß dieser Winkel näherungsweise der Auslaßwinkel jeder Schaufel relativ zur Querebene T ist.
4 zeigt eine Schaufel, die gemäß den Prinzipien der Erfindung geformt ist. Sie hat eine gerade Hinterkante 25 sowie die herkömmliche prismatische Schaufel, aber der Rest der Schaufel, und besonders die Vorderkante 24, ist nicht gerade, sondern in einer Weise gekrümmt, daß die Druckfläche der Schaufel in radialer Richtung zwischen Wurzel und Spitze konvex ist, das heißt, in einer Ebene, die quer zur Hauptdampfflußrichtung zwischen den Schaufeln ist. Eine solche Ebene 31 ist in 4 angedeutet, die konvexe Krümmng in dieser Ebene auf der Druckfläche 26 ist verdunkelt, stimmt aber mit der an der Vorderkante 24 überein.
Diese Krümmung ist spezieller in 5 durch einen Wechsel im Einstellungswinkel der verschiedenen Tragflächenabschnitte 23 von 4 von der Wurzel zu 35 zur Spitze 37 der Schaufel gezeigt. Die individuellen Tragflächenabschnitte 33 können als in ihren eigenen Ebenen um die Hinterkante 25 durch einen Einstellungswinkel, der positiv im mittleren Teil der radialen Höhe ist, gedreht betrachtet werden, und negativ in den Wurzel- und Spitzenteilen. "Positiv" bezeichnet eine Rotation hin zur Druckfläche 26 und "negativ" hin zur Sogfläche 27.
In dem besonderen Beispiel in 5 liegt ein Nulleinstellungswinkel bei etwa einem Fünftel und vier Fünftel der radialen Schaufelhöhe vor, wo der Tragflächenabschnitt den selben Staffelungswinkel, das heißt dieselbe Orientierung relativ zur Turbinenachse, als herkömmliche prismatische Schaufel in einer ansonsten ähnlichen herkömmlichen Turbine hat. Dieser herkömmliche Staffelungswinkel wird bei 48,5° angenommen.
Der Einstellungsewinkel variiert von etwa –2,5° an der Wurzel und Spitze bis +2,5° in der Mitte der radialen Höhe. Dies ist eine besondere Anordnung, wo der herkömmliche, das heißt Referenz-, Staffelungswinkel 48,5° beträgt. Variationen im Einstellungswinkel von 5° Differenz erzeugen jedoch immer noch Leistungsvorteile, wenn auch in geringerem Ausmaß. Es ist vorauszusehen, daß eine Variation von ± 2° auf der 5° Differenz immer noch vorteilhaft sein wird, das heißt ein Bereich von Einstellungswinkeldifferenzen von 3° zwischen Wurzel/Spitze und Mittelhöhe bis 7° zwischen Wurzel/Schrägerspitze und Mittelhöhe. Jedoch wird bevorzugt, die Variation auf ± 1° zu begrenzen, sprich Differenzen von 4° bis 6°.
Die Variation von Einstellungswinkeln über die gesamte Höhe der Schaufel ist bevorzugt parabolisch, wie in 5 gezeigt ist.
Es wäre in gewissen Grenzen akzeptabel, die Tragflächenabschnitte um eine andere Achse als die Hinterkante 25 zu verdrehen, zum Beispiel die Vorderkante 24 oder irgendeine Zwischenachse. Jedoch hat die Wahl der Hinterkante als Rotationsachse verschiedene Vorteile. Es hält die kritische Zwischenraumlücke zwischen fixierter und abwärts bewegender Schaufel konstant. Diese Lücke hat einen wichtigen Einfluß auf umgleichförmige aerodynamische Kräfte der sich bewegenden Schaufel und auch auf die Gestellleistung über Grenzschichtenwachstum auf den Endwandungen. Zweitens wird durch den Einbau der Krümmung großenteils in die Vorderkante ein "Komponentenverstärkungs"-Effekt in den Vorderkantenbereich der Schaufel eingebaut, wo sekundäre Flüsse erzeugt werden. Diese sekundären Flüsse weisen Strudel parallel zu dem Hauptfluß auf, wobei die Strudel nahe den Endwandungen zwischen benachbarten fixierten Schaufeln sind. Durch die Benutzung der zusammengesetzt gekrümmten Schaufel der Erfindung zeigt die Druckfläche über der inneren (das heißt unteren) Hälfte der Schaufelhöhe radial nach innen und über der äußeren Hälfte der Schaufelhöhe zeigt die Druckfläche radial nach außen. Den Volumenkräften, die auf den Fluß ausgeübt werden, wird durch höhere statische Drücke auf die Endwandungen entgegengewirkt. Dies resultiert in geringeren Verwirbelungen nahe den Endwandungen und dadurch in niedrigeren Reibungsverlusten.
Nun bezugnehmend auf 6 wird das Verhältnis zwischen Auslaßwinkel α und radialer Höhe des Schaufelabschnitts (33 in 4) gezeigt.
Im herkömmlichen prismatischen Fall wächst der Auslaßwinkel annähernd linear von etwa 13° an der Schaufelwurzel bis etwa 15° an der Spitze. Diese Wachstum in der Öffnung entspricht einfach dem Wachstum des Schaufelabstands mit wachsendem Radium. In einem Turbinengestell, das die fixierte Schaufel dieser Ausführungsform beinhaltet und eine Form aufweist, die durch den Einstellungswinkelgraphen von 5 definiert ist, variiert der Auslaßwinkel von etwa 9,6° an der Wurzel bis zu etwa 15,6° in der mittleren Höhe und zurück auf 12° an der Spitze. Diese Asymmetrie geht entsprechend aus dem Wachstum des Schaufelabstands mit dem Radius hervor, da sich die Einschnürung aufwärts bewegt (auf der Sogoberfläche) mit dem Anstieg des Abstands und da die Einschnürung schneller wächst als der Abstand des Auslaßwinkels mit dem Abstand und daher mit dem Radius wächst. Dieser Unterschied des Auslaßwinkels zwischen Spitze und Wurzel besteht trotz des gleichen Einstellungswinkels an der Spitze und der Wurzel.
Der Effekt der gekrümmten Schaufel besteht darin, den Fluß durch beide Hochverlustabschnitte nahe den Wurzel- und Spitzenendwandungen zu reduzieren und den Fluß durch die effizientere Region in mittlerer Höhe zu steigern.
Das beste prismatische Design, das die Anmelder kennen ist eines, das eine geradlinige negative Neigung von 8° aufweist, das heißt, bei dem die fixierten Schaufeln in der Querebene in der Richtung hin zur Sogoberfläche bei einem Winkel von 8° zum Radius durch deren Wurzel geneigt sind. Die gekrümmte Schaufel der vorliegenden Erfindung hat, wenn sie in einer Zweigestellluftturbine getestet wurde, eine Produktivitätssteigerung von 0,8 %, verglichen mit dem besten konventionellen Design, gezeigt.
Man nimmt an, daß ein Vorteil nicht nur aus der fixierten Schaufelreiche resultiert, sondern auch aus der sich abwärts bewegenden Schaufelreihe, da geringere Massenflüsse in die Endwandungsabsohnitte geleitet werden, wo hohe Sekundärverluste auftreten.
Wenn das Konzept auf eine Reihe von Gestellen in einem kompletten Hochdruck- oder Meterdruckzylinder angewendet wird, wo die Schaufelhöhe mit sinkender Dampfdichte wächst, wird die folgende Technik benutzt:

(a) Der Auslaßwinkel am Schaufelabschnitt an der Wurzel wird auf etwa 9° bei allen Gestellen eingestellt;
(b) Der gleiche Einstellungswinkel wird sowohl an der Spitze als auch an der Wurzel benutzt, das heißt die Schaufel ist über der mittleren Höhe symmetrisch;
(c) Der Einstellungswinkel im Abschnitt der mittleren Höhe wird so gewählt, das die mittlere Einschnürung (über der Schaufelhöhe) gleich der einer prismatischen Schaufel im gleichen Arbeitsgang gehalten wird. Dies hält die Arbeitsgangreaktion auf gleicher Höhe wie beim entsprechenden konventionellen Aufbau.
(d) Eine parabolische Verteilung des Einstellungswinkels über der Schaufelhöhe wird für den Basisaufbau benutzt.

Man kann sehen, daß für eine Reihe von Arbeitsgängen die Schaufelform einfach radial gedehnt ist gemäß der Höhe der Schaufelstufe.
Während der Schaufelaufbau in Relation zur Benutzung von "kurzen Höhen" HP/IP fixierten Schaufeln in einer Dampfturbine des Niederreaktionsscheiben- und Membrantyps beschrieben wurde, ist diese auch auf andere Typen von axialen Flußturbinen und Kompressoren anwendbar und sowohl zu sich bewegenden als auch zu fixierten Schaufeln.
Eine Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft die Konstruktion von fixierten Schaufeln zwischen deren Endblöcken. Die Schaufeln werden bearbeitet oder in Gruppen mit deren Endblöcken integriert gegossen, die Abschnitte der Ringe 21 und 22 (1 und 2) sind. Die Schaufeleinheiten werden sodann so bearbeitet, daß sie die nötigen exakten Größen und Oberflächenzustand aufweisen.
7 ist ein Diagramm eines Querschnitts eines Teils der Einschnürungspassage zwischen zwei fixierten Schaufeln. Man hat herausgefunden, daß der Radius der Ausrundung zwischen den Endblöcken 21 und 22 einen signifikanten Effekt auf die Arbeitsgangeffizienz hat. Der optimale Ausrundungsradius wurde in einem Gebiet von 0,15 bis 0,3 der Einschnürungsgröße gefunden, mit einem bevorzugten Teil dieses Bereichs von 0,2 bis 0,25 und ganz besonders bei 0,23.
Klar ist, daß, da die Einschnürungsöffnung an der Spitze von der an der Wurzel (aufgrund des Wachstums des Abstands mit dem Radius) verschieden ist, wird der optimale Ausrundungsradius am äußeren Endblock verschieden von dem inneren Endblock sein. Daher sind die bevorzugten optimalen Werte für den Radius der Wurzel: RSpitze,Wurzel = 0,233 × ÖffnungWurzel RSpitze,Wurzel = 0,233 × ÖffnungSpitze
Die Benutzung von zwei verschiedenen Werten für den Radius erfordert jedoch die Benutzung von verschiedenen Schneidwerkzeugen während des Herstellungsprozesses und es ist möglich sich auf nur einen Radiuswert zu einigen, der ein Durchschnittswert der obigen Werte ist, das heißt: RSpitze = 0,233 × (ÖffnungWurzel + ÖffnungSpitze)/2
Tests in einer zweistufigen Luftturbine, die den obigen Durchschnittsausrundungsradius in Verbindung mit dem beschriebenen "kontrollierten Fluß" Schaufeldesign zeigen eine Stufenleistungssteigerung von etwa 1,2° relativ zum besten konventionellen Design mit prismatisch fixierten Schaufeln (eingestellt mit –5° und geradliniger "Verstärkung" der Hinterkanten).
Es ist außerdem vorteilhaft, zur Reduzierung von Blockierungseffekten, die Ausrundungen stromlinienförmig abwärts von der Hinterkante der Schaufel zu formen. Dies ist in 8 gezeigt, wobei 8a eine Endansicht einer Hinterkante 25 mit einem einer herkömmlichen Ausrichtung zwischen der Kante 25 und der Endwandung 21 zeigt, und 8b dieselbe Ansicht repräsentiert, jedoch mit einer stromlinienförmig ausgebildeten Ausrundung. Eine teilweise Seitenansicht der 8b ist in 8c gezeigt, bei der man deutlich sieht, daß die Ausrundung an ihrem untersten Punkt von der Hinterkante gegen Null geht.

Claims

Turbine, aufweisend einen Ring von Turbinenschaufeln (23, 29), die zwischen inneren (21) und äußeren (22) Endblöcken montiert sind, wobei jeder Treibmittelweg zwischen benachbarten Schaufeln querschnittsweise durch die Endwandungen, die durch besagte Endblöcke ausgebildet sind, geschlossen werden, wobei die Schaufeln und ihre zugehörigen Endblöcke integriert ausgebildet und so bearbeitet sind, daß sie als Ausrundungen zwischen den Tragflächenoberflächen der Schaufeln und den Endwandungen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Ausrundungen einen Radius im Bereich von 0,15 bis 0,3 einer Einschnürungsabmessung (t) zwischen benachbarten Schaufeln (23, 29) haben, die Einschnürungsabmessung die kürzeste Linie darstellt, die senkrecht von der Saugfläche (27) einer Schaufel zur Druckfläche (26) einer benachbarten Schaufel reicht und daß die besagten Ausrundungen an der Spitze der. Schaufel einen Radius aufweisen, der durch die genannte Einschnürungsabmessung an der Spitze der Schaufel bestimmt ist und die Ausrundungen an der Wurzel der Schaufel einen Radius aufweisen, der durch die genannte Einschnürungsabmessung an der Wurzel der Schaufel bestimmt ist, oder daß die genannten Ausrundungen an der Spitze und der Wurzel der Schaufel einen Radius aufweisen, der durch einen Mittelwert der genannten Einschnürungsabmessung ander Wurzel und der Spitze der Schaufel bestimmt ist.
Turbine nach Anspruch 1, wobei der Multiplikationsfaktor des Ausrundungsradius in einer Bandbreite 0,2 bis 0,25 liegt.
Turbine nach Anspruch 1, wobei der Multiplikationsfaktor des Ausrundungsradius bei etwa 0,23 liegt.
Turbine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei sich die Ausrundungen bis hinter die jeweiligen Hinterkanten der Schaufeln erstrecken können, wobei die Ausrundungen in diesem Bereich von konkaver Form sind und sich in ihrer jeweiligen Endwandungung unterhalb der jeweiligen Hinterkanten biegen.
Turbine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, aufweisend eine Ring von Turbinenschaufeln, die in dem ringförmigen Weg des Turbinentreibmittels angeordnet sind, wobei jede der Schaufeln von zumindest annähernd konstantem Tragflächenquerschnitt von seiner Wurzel am radialen inneren Ende bis zur Spitze an dem radialen äußeren Ende ist und die Schaufel im wesentlichen symmetrisch zwischen Wurzel und Spitze gekrümmt ist, so daß die Druckfläche der Tragflächenschaufel konvex in radialer Richtung zwischen Wurzel und Spitze ist.
Turbine nach Anspruch 5, wobei die Tragflächenabschnitte an Wurzel und Spitze der Schaufel innerhalb ihrer eigenen Fläche relativ zum mittleren Abschnitt um einen Winkel gedreht werden, der innerhalb eines Bereichs von 5° ± 2° liegt.
Turbine nach Anspruch 6, wobei die Tragflächenabschnitte innerhalb ihrer eigenen Fläche relativ zum mittleren Abschnitt um einen Winkel gedreht werden, der innerhalb eines Bereichs von von 5° ± 1° liegt.
Turbine nach jedem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Tragflächenabschnitte der Schaufel auf einer parabolischen Kurve zwischen der Wurzel und der Spitze liegen.
Turbine nach jedem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Hinterkante der Schaufel von der Wurzel zur Spitze gerade ist und die konvexe Krümmung der Druckfläche der Schaufel in radialer Richtung durch eine Rotationsverschiebung der Tragflächenabschnitte um die gerade Hinterkante erreicht wird.
Turbine nach jedem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Schaufeln fixierte Schaufeln sind.
Turbine nach Anspruch 10, wobei das Verhältnis der Einschnürungsabmessung zwischen benachbarten fixierten Schaufeln zum Abstand der Schaufeln den Sinus eines Auslaßwinkels für die Schaufeln ergibt, der in einem Bereich von 7° bis 11° an der Wurzel der Schaufeln liegt.
Turbine nach Anspruch 11, wobei der besagte Auslaßwinkel in einem Bereich von 8° bis 10° liegt.
Turbine nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei der Setzwinkel des mittleren Abschnitts der fixierten Schaufeln ist derart mit dem Wurzelauslaßwinkel kombiniert ist, daß er ein Gesamtdurchlaßeinschnürungsgebiet bereitstellt, das gleich dem einer Turbine ist, die über prismatische Schaufeln des gleichen Staffelungswinkels verfügt.
Turbine nach jedem der Ansprüche 5 bis 13, aufweisend eine Reihe von Zuständen, die an eine sinkende Flußdichte des Treibmittels angepaßt sind, wobei der Auslaßwinkel an der Wurzel der Schaufeln über die Reihe der Zustände konstant ist und die Setzwinkel für die Tragflächenschaufelabschnitte an der radialen mittleren Höhe der Schaufeln dergestalt ist, daß ein bestimmtes Einschnürungsgebiet für die Schaufeln jeden Zustands gewährleistet sind.
Turbine nach Anspruch 14, wobei dieses bestimmte Einschnürungsgebiet das Einschnürungsgebiet ist, daß durch prismatische Schaufeln im korrespondieren Zustand einer ansonsten gleichen konventionellen Turbine gegeben ist.
Turbine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Turbine eine Dampfturbine ist.