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Mehrstufige, radial, beaufschlagte Dampf- oder Gasturbine Die Erfindung
betrifft mehrstufige, radial beaufschlagte Dampf- oder Gasturbinen, insbesondere
einflutige Turbinen, bei denen die Turbinenschaufeln zwischen Ringverbänden befestigt
sind und sich hauptsächlich axial erstrecken. Der Hauptzweck der Erfindung ist eine
Verbesserung der Bauart von einem oder mehreren mit dem geringsten Druck arbeitenden
Schaufelringen, d. h. von einem oder mehreren im größten Abstand von der Turbinenachse
angeordneten Schaufelringen. Es ist an sich bekannt, die Einlaßkanten der auf Biegung
beanspruchten Schaufeln derartiger Schaufelringe auf. einem größeren Radius anzuordnen
als die inneren Flächen der Ringverbände.
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Die in einer Turbinenschaufel der in Frage kommenden Art auftretenden
Biegungskräfte sind proportional dem Quadrat der Entfernung zwischen den Schwerpunkten
der Querschnittsflächen der Ringverbände, zwischen denen die Schaufel befestigt
ist. Hieraus folgt, daß eine Verringerung der genannten Entfernung um beispielsweise
2o °/o eine Verringerung der Kräfte um 36% ergibt. Wenn andererseits die Kräfte
unerwünscht aufrechterhalten werden, so macht die Verringerung der genannten Entfernung
um 200% eine
Verringerung der Schaufelhöhe um 36% möglich.
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Die Erfindung kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, daß die gemäß
dem Vorstehenden in bekannter Weise ausgebildeten Ringverbände so ausgestaltet sind,
daß das Verhältnis der Entfernung zwischen den Schwerpunkten der Querschnittsflächen
der Ringverbände eines Schaufelringes zur Länge der Auslaßkanten der zugehörigen
Turbinenschaufeln gleich oder kleiner ist als 1,25. Gegenüber der bekannten Bauart
erbringt die Erfindung zunächst eine Einsparung von Material in den Schaufelringen.
Dadurch, daß der Schaufelring leichter ausgeführt wird, kommt er weiter von der
kritischen Drehzahl fort, und gleichzeitig wird die Gefahr von Vibrationserscheinungen
gemindert. Man war gerade zur Verminderung der Vibrationserscheinungen bisher gezwungen,
die Wellenzapfen stärker auszuführen, als es an sich aus Gründen der Festigkeit
erforderlich wäre. Daraus ergibt sich, daß eine Vielzahl von Einzelteilen der Turbine
schwerer und kräftiger bemessen werden mußte, wobei die Vergrößerung des Wellenzapfens
bedeutend größere Dichtungsdurchmesser mit entsprechend größeren Verlusten an Treibmittel
zur Folge hat und die Dimensionsvergrößerung im allgemeinen eine Verteuerung der
Turbine darstellt. Weitere Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.
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In den Fig. i und 2 der Zeichnung sind Ouerschnitte der Schaufelringe
schematisch dargestellt,- und zwar ist in Fig. i eine bekannte Konstruktion und
in Fig. 2 die Konstruktion gemäß der Erfindung gezeigt.
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Fig. 3 ist ein Schnitt durch die letzten drei Schaufelringe einer
radial beaufschlagten Turbine der Gegenlaufbauart, bei der die letzten beiden Schaufelringe
gemäß der Erfindung ausgebildet sind.
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In Fig. i ist mit io eine Turbinenschaufel einer radial beaufschlagten
Turbine bezeichnet. Die Strömungsrichtung des Treibmittels ist durch den Pfeil i
i angezeigt. In Fig. i gesehen liegt die Drehachse der Turbine waagerecht und unterhalb
der Figur. Die Turbinenschaufel ist zwischen zwei Ringverbänden 12 und 13 befestigt.
Der dargestellte Schaufelring soll, in Strömungsrichtung des Treibmittels gesehen,
der letzte radial beaufschlagte Schaufelring sein. L ist die Länge der Auslaßkante
14. und H, die Höhe der Schaufel. Die Schwerpunkte der Querschnittsflächen der Ringverbände
sind mit 15 bzw. 16 bezeichnet, und ihre Entfernung voneinander ist mit Li bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt denselben Schaufelring in der Verbesserung gemäß der
Erfindung. Die Ringverbände 12', 13' sind so gestaltet, daB die Entfernung L, zwischen
den Schwerpunkten 15' und 16' beträchtlich kleiner ist als die entsprechende Entfernung
L, bei der bekannten Konstruktion gemäß Fig. i, während die Länge L der Auslaßkante
der Schaufel bei beiden Ausführungsformen die gleiche ist. Während in Fig. i das
Verhältnis der Entfernung L, zwischen den Schwerpunkten zur Länge L der Auslaßkante
gleich 1,32 ist, ist dieses Verhältnis bei der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion
auf L2 : I_ = i,o8 verringert. Gleichzeitig ist die Entfernung r3 der Schwerpunkte
von der Turbinenachse in Fig. 2 verglichen mit Fig. i verringert worden, indem ein
Teil des Werkstoffes der Ringverbände in Richtung zur Turbinenachse verlegt worden
ist. Die inneren Oberflächen 17' und 18' der Ringverbände liegen infolgedessen auf
einem kleineren Radius r2 als die Einlaßkante i9' der Schaufel iö , die auf einem
mit ri bezeichneten Radius liegt.
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Die in den Schaufeln auftretenden Kräfte sind proportional dem Quadrat
der Entfernung zwischen den Schwerpunkten der Ringverbände und sind umgekehrt proportional
zur Höhe der Schaufeln. `Fenn dieselben Kräfte bei den Konstruktionen gemäß den
Fig. i und 2 angenommen werden, so folgt, daB Hi : H" = L ; : 12 ist;
daraus folgt, daß H2 = Hl . L' : L; ist. Hieraus ist zu ersehen,
daß irgendeine Verringerung der Entfernung zwischen den Schwerpunkten der Ringverbände
eine beträchtliche Verringerung der Höhe und des Gewichts der Schaufeln ermöglicht.
Auch die Abmessungen und das Gewicht der Ringverbände werden verringert, so daB
unter günstigen Bedingungen das Gesamtgewicht des Schaufelringes einschließlich
der Ringverbände und der Turbinenschaufeln etwa um 5o% verringert werden kann.
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Wie oben angegeben ist, soll das Verhältnis der Entfernung zwischen
den Schwerpunkten der Querschnittsflächen der Ringverbände zu der Länge der Auslaßkanten
der zugehörigen Turbinenschaufeln gleich oder kleiner sein als 1,25. Im allgemeinen
wird ein Verhältnis zwischen o,8 und i,i am geeignetsten sein. Wenn das Verhältnis
gleich i ist, wird die Entfernung zwischen den Schwerpunkten gleich der Länge der
Auslaßkanten der Schaufeln.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Radius r<, auf dem die inneren
Kanten i g' der Schaufeln angeordnet sind, beträchtlich größer als der innere Radius
r2 der Ringverbände. Zweckmäßig soll die Entfernung r,-r2 zwischen den Einlaßkanten
der Schaufeln und den inneren Oberflächen der Ringverbände mindestens 250/0, vorzugsweise
ungefähr 5o %
der radialen Höhe r4-r2 der Ringverbände betragen.
In einigen Fällen wird es vorteilhaft sein, die Schwerpunkte zu der Turbinenachse
so weit zu verlegen, daß sie auf einem kleineren Radius r3 liegen als die Einlaßkanten
der zugehörigen Schaufeln.
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Bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
sind die beiden letzten Schaufelringe A und B gemäß der Erfindung ausgebildet, während
sowohl der vorhergehende Schaufelring.C als auch die anderen nicht gezeigten Schaufelringe
in der üblichen Weise konstruiert sind.
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Die Schaufeln 2o des letzten Schaufelringes A sind mit Füßen 2i@ 22
versehen, die mit den Ringverbänden 23 und 24 in einer üblichen Weise verbunden
sind; und zwar sind zwei verschiedene Verbindungen beispielsweise dargestellt. Bei
der linken Verbindung ist der Schaufelfuß 2i mit Vorsprüngen 25 und 26 versehen,
die in entsprechenden Nuten des Ringverbandes 23 passen. Verglichen mit dem entsprechenden
Vorsprung 29 des Fußes 27 der Schaufel 28 ist der Vorsprung 25 so nah wie möglich
bei der Auslaßkante der Schaufel 2o angeordnet, damit der Schwerpunkt 3o des Ringverbandes
23 auf einem Radius r3 (Fig. 2) zu liegen kommt, der so. klein wie möglich ist.
Die Verbindung auf der rechten Seite der Schaufel 2o wird dadurch erhalten, daß
der Schaufelfuß 22 in eine entsprechende, in demRingverband 24vorgesehene radiale
Nut eingesetzt ist. Es ist klar, daß praktisch die gezeigten verschiedenen Verbindungen
nicht für ein und denselben Schaufelring angeordnet werden. Der Schaufelring A ist
in an sich bekannter Weise mittels eines Federringes 31 mit einer Turbinenscheibe
32 verbunden. In gleicher Weise wird der Schaufelring B von einer Turbinenscheibe
33 getragen, die sich in einer der Drehrichtung der Scheibe 32 entgegengesetzten
Richtung dreht.
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Bei dem Schaufelring A ist das Verhältnis der Entfernung zwischen
den Schwerpunkten der Ringverbände zur Länge der Auslaßkänte der Schaufel
0,97. Bei dem Schaufelring Bist dieses Verhältnis i,i3, während bei dem Schaufelring
C von bekannter Konstruktion das Verhältnis 1,34 ist. Die Entfernung r, -r2 zwischen
den Einlaßkanten der Schaufeln und den inneren Flächen der Ringverbände beträgt
mit Bezug zur radialen Höhe r4 r2 der Ringverbände 51% bei dem Schaufelring A und
34% hei dem Schaufelring B. Die Anzahl der Schaufelringe, die gemäß der Erfindung
konstruiert sind, hängt von dem Durchmesser der Ringverbände und der Länge der Schaufeln
ab. Je größer die genannten Abmessungen sind, um so mehr Schaufeln sind gemäß der
Erfindung auszubilden. Im allgemeinen wird es genügen, wenn nur einige der Niederdruckschaufelringe
in der beschriebenen Weise gebaut werden, beispielsweise ein, zwei oder drei Schaufelringe,
da die in kleineren Abständen von der Turbinenachse angeordneten Schaufeln verhältnismäßig
kleineren Fliehkräften ausgesetzt werden und in der üblichen Weise ausgebildet werden
können.