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Schaufelung für axial beaufschlagte Turbinen Die Erfindung betrifft
eine Schaufelung für axial beaufschlagte Turbinen, bei welcher die Verhältnisse
der Potentialströmung berücksichtigt sind, um den Vorteil zu erzielen, den Wirkungsgrad
über die ganze Schaufellänge gleich und somit die Dampfausnutzung besonders günstig
zu halten. Es ist dies wertvoll vor allen Dingen für Stufen mit großen Schaufellängen,
also beim Niederdruckteil.
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Es ist bekannt, daß die Potentialströmung in einem zylinderförmigen
Turbinengehäuse gekennzeichnet ist durch folgende Merkmale: 1. dieAxialkomponente
der Geschwindigkeit r" ist in jeder beliebigen Ebene senkrecht zur Achse gleich,
a. es gilt für die Umfangskomponente der Geschwindigkeit c" das Gesetz: c"
- r = kons;t.
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Bei voller Beaufschlagung und großen Schaufellängen stellt sich die
Kreisströmung ein, d. h. die einzelnen Strahlen werden durch die Zylinderform des
Gehäuses usw. nach innen abgelenkt. Die in jeder Kreisströmung auftretenden Fliehkräfte
haben ein Anwachsen des Druckes nach außen hin zur Folge. Dies
ist
bereits verschiedentlich durch Druckmessungen im Spalt zwischen Leitkörper und Laufrad
festgestellt worden.
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Die Druckverteilung im Spalt zwischen Leit- und Laufschaufeln bedingt,
daß i. das Gefälle im Leitkörper außen kleiner als innen, . das Gefälle im Laufrad
dementsprechend außen größer als innen, 3. wirklicher Gleichdruck entweder überhaupt
nicht oder nur auf einem Radius vorhanden ist.
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Der Fall der Potentialströmung wurde für die letzte Stufe einer großen
Dampfturbine zahlenmäßig untersucht. Die Stufe wies folgende Verhältnisse auf: Mittlerer
Beaufschlagungsdurchmesser .......... 2 m Schaufellänge . . . . . . . . . . . 0,5
m Drehzahl............... 3 000 Ulmin. Druck vor dem Leitkörper 0,I97 ata
Druck hinter dem Leitkörper auf dem mittleren Beaufschlagungsdurchmesser ..........
o,x ata (x=o,g) Druck hinter den Laufschaufeln . . . . . .. . .. . . . 0,o6 ata.
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Die Druckverteilung hinter den Leitschaufeln wurde unter der Annahme,
daß das Einheitsgewicht des Dampfes gleich ist, für die Bedingung c" - r
= konst. berechnet und in Abb. i aufgezeichnet. Als Abszisse ist der Beaufschlagungsradius
in Metern und als Ordinate der Druck dargestellt. Man sieht, daß innen ein Druck
von 0,o6 ata sich einstellt und außen ein solcher von o,la ata gegenüber o,io ata
im mittleren Radius. Kur innen ist also Gleichdruck, während außen über 6o 0!o Reaktion
herrscht.
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Aus den Geschwindigkeitsdreiecken (Abb. 2 bis .I) für dieselbe Turbinenstufe
ist die zur Einhaltung der Potentialströmung erforderliche Änderung der Schaufelwinkel
von innen nach außen erkennbar, und zwar in Abb. a für den äußeren Radius von 425
m, in Abb. 3 für den mittleren Radius von i,oo m und in Abb..i. für den Innenradius
von o,75 m.
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Der Eintrittswinkel in der Laufschaufel wächst von 6q.° außen über
iog° in der Mitte auf 145- innen, wobei der Austrittswinkel in allen Fällen go°
ist. Das in dieser Turbinenstufe in Arbeit umgesetzte Gefälle ist über die ganze
Schaufellänge gleich und damit auch der Wirkungsgrad. Würde man die Austrittswinkel
von Leit- und Laufschaufeln in der bisher üblichen Weise über die ganze Schaufellänge
gleichbleibend machen, so ergäbe sich eine Axialkomponente c" der Dampfgeschwindigkeit,
die im Leitkörper außen kleiner als innen und im Laufrad umgekehrt, außen größer
als innen, ist. In diesem Fall wäre die Strömung nicht mehr wirbelfrei.
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Weiter geht aus den Geschwindigkeitsdreiecken -hervor, daß
die Dampfgeschwindigkeiten bei dem Austritt-aus dem Leitkörper infolge der Druckverteilung
von innen nach außen stark abnehmen. Schließlich zeigt der Leitkörper innen weit
überkritische Geschwindigkeit, würde also hier Kanäle mit Erweiterung nach Art der
Lav aldüsen brauchen.
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Es ist bekannt, daß man eine der Potentialströmung sehr ähnliche Strömung
in Dampfturbinen mittels kreisförmiger, zur `Felle gleichmittiger Leitstücke mit
einwärts gekrümmtem Ouerschnitt erzeugen kann oder dadurch, daß die Turbinenschaufeln
in Form einer archimedischen Spirale angeordnet sind. Diese Mittel sind aber baulich
verwickelt. Die Erfindung bezweckt, auf sehr einfache Weise die Schaufelgestaltung
den Bedingungen der Potentialströmung möglichst weitgehend anzupassen, wobei ausgegangen
wird von der Grundform der Turbinenschaufeln mit über die ganze Länge gleichbleibenden
Ein- und Austrittswinkeln. Erfindungsgemäß erhält der Leitkörper Schaufeln, die
auf der Bauchseite einen größeren Austrittswinkel als auf der Rückenseite aufweisen,
derart, daß sich am inneren Beaufschlagungsdurchmesser Schaufelkanalerweiterung
nach dem Austritt und am äußeren Beaufschlagungsdurchmesser infolge der größeren
Teilung der engste Kanalquerschnitt am Austritt ergibt und gleichzeitig der Abströmwinkel
(Austrittswinkel des Strahles) außen größer wird als innen.
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Die Schaufeln des Laufrades «-erden erfindungsgemäß an ihren Eintrittskanten
abgefräßt, und zwar beginnt diese Abfräsung an der Stelle, wo reine Gleichdruckverhältnisse
aufhören, und nimmt zu nach dem Schaufelende hin. Hierdurch erhalten die abgefrästen
Stellen der Schaufeln ein Überdruckprofil mit nach dem Ende zu steigendem Eintrittswinkel.
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In Zusammenfassung ergibt sich, daß bei Anwendung der billigen, nicht
verwundenen Schaufeln, insbesondere der gezogenen Profile, im Leitapparat und Laufrad
die Potentialströmung durch die Vereinigung folgender Mittel weitgehend hergestellt
wird: a) Leitschaufeln, deren Austrittswinkel auf der Bauchseite größer ist als
auf der Rückenseite, b) Anordnung der Leitschaufeln mit solcher Teilung, daß innen
eine Lavaldüse und außen eine normale Düse entsteht, c) Abfräsen der Laufschaufeleintrittskante,
zunehmend von innen nach außen. Leitschaufeln, deren Austrittswinkel auf der Bauchseite
größer ist als auf der Rückenseite (Merkmal a), werden im Dampfturbinenbau schon
seit langem angewandt. Dagegen sind die :Merkmale b und c auch einzeln trotz ihrer
Einfachheit noch nicht zur Anwendung gekommen. Selbstverständlich kann man die
Vereinigung
der Merkmale a und b auch anwenden zusammen mit verwundenen Laufschaufeln; der Vorteil,
der in diesem Falle durch die noch bessere Anpassung an die Potentialströmung .erreicht
wird, isst aber im allgemeinen nicht so groß, daß sich der weit größere Aufwand
für die verwundenen Laufschaufeln gegenüber dem einfachen Abfräsen der Laufschaufeleintrittskante
lohnt.
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Die Abb. 5 bis 8 zeigen die geschilderten Maßnahmen in einem Ausführungsbeispiel;
Abb. 5 ist ein Schnitt durch einen Leitkörper außen, also durch die infolge des
großen Radius, große Teilung; Abb. 6 zeigt einen Schnitt durch denselben Leitkörper
in der Höhe des inneren Radius, also bei kleiner Teilung; Abb. 7 stellt die Draufsicht
auf eine Laufschaufel dar, und Abb.8 zeigt in vier Schnitten die entsprechenden
Laufschaufelquerschnitte.
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Die bei dem Leitkörper gemäß Abb. 5 und 6 verwendeten Leitschaufeln
besitzen auf der Bauchseite einen größeren Austrittswinkel als auf der Rückenseite
y. Wie die Abb. 5 erkennen läßt, liegt der engste Querschnitt an der mit a bezeichneten
Stelle am Austritt. Schieben sich diese Schaufelquerschnitte enger zusammen, wie
dies die Abb. 6 wiedergibt, so ergibt sich am Austritt eine erweiterte Düse b (Lavaldüse).
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Die in Abb. 7 dargestellte Schaufel ist längs der gestrichelten Linie
abgeschnitten, und die zugehörigen Schaufelschnitte haben daher die in Abb. 8 mit
c, d, e und f bezeichnete Form. Der dem Schaufelfuß naheliegende.
Teil der Schaufel entspricht einer Glechdiruckschaufelung. Von der Schaufel ist
entsprechend der Linie k ein Teil abgefräst, so daß die Schaufelschnitte steigend
nach dem Ende zu immer stärkere Überdruckprofile erhalten. Die Erfindung ist in
gleicher Weise bei Dampfturbinen wie auch bei solchen für Gas oder Luft anzuwenden.