EP2294285A2 - Schaufelgitter für eine strömungsmaschine und strömungsmaschine mit einem solchen schaufelgitter - Google Patents

Schaufelgitter für eine strömungsmaschine und strömungsmaschine mit einem solchen schaufelgitter

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Publication number
EP2294285A2
EP2294285A2 EP09771999A EP09771999A EP2294285A2 EP 2294285 A2 EP2294285 A2 EP 2294285A2 EP 09771999 A EP09771999 A EP 09771999A EP 09771999 A EP09771999 A EP 09771999A EP 2294285 A2 EP2294285 A2 EP 2294285A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
chord length
range
leading edge
distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09771999A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Neumann
Jörg GATZKE
Ulrich Harbecke
Marc Andre Schwarz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Energy Solutions SE
Original Assignee
MAN Diesel and Turbo SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=41256100&utm_source=***_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP2294285(A2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by MAN Diesel and Turbo SE filed Critical MAN Diesel and Turbo SE
Publication of EP2294285A2 publication Critical patent/EP2294285A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form

Definitions

  • the invention relates to a blade grid for a turbomachine, in particular a steam turbine, with a plurality of profiled blades, in particular profiled blades, with a suction side, a pressure side, a skeleton line, a blade leading edge and a blade trailing edge, and a flow machine with such a blade grid.
  • turbomachines for example steam turbines, in particular compressible, fluid such as steam is deflected by one or more blade lattice and exerts forces on the blade grid. If this is movable, the fluid will drive this blade lattice while doing work.
  • fluid such as steam
  • optimum flow angles of an inflow of the blade leading edge to the circumferential direction are between 37 ° and 47 °, while outflow angles of the blade trailing edge are in one Range between 21 ° and 29 °, ie significantly different from the angle of attack.
  • Object of the present invention is to improve a blade grid for a flow machine.
  • a vane grille for a turbomachine for example, a steam or gas turbine, a compressor or the like, has a plurality of profiled vanes with a suction side, a pressure side, a skeleton line and a chord length, which are arranged side by side in the circumferential direction.
  • a skeleton line or (profile) center line or curvature line is in the usual way, preferably in the axial and curved or curved line, which has the same distance from the suction and pressure sides, ie lies exactly in the cross section between the pressure and suction sides Skeleton line
  • the connecting line of the circle centers inscribed in a profile Suction or pressure side are defined by the two circumferentially spaced outer surfaces of a blade cross-section, which is normal to the radial direction.
  • the blade grid can form, for example as a blade grid, a stage of a steam turbine.
  • the suction and pressure sides are preferably curved convexly in the direction of rotation of the turbine rotor, the suction side being in the direction of rotation in front of the pressure side, so that the fluid flowing through the turbine rotates the blade grid and thus the turbine rotor carrying it in the direction of rotation to do, for example, to drive a generator coupled to the turbine rotor.
  • the tendon of a blade in particular a tangent to its front and rear edge circle, may be inclined with respect to the axial direction.
  • Height and distance indications therefore refer to a bit tangent system whose one axis is parallel to the chord of the blade and whose other axis is tangential to the blade leading edge, unless otherwise stated, so that, for example, a height in cross section is defined as the distance from the chord.
  • the chord length accordingly denotes the distance between a downstream upstream blade edge in the flow direction of the fluid flowing through the fluid machine and a downstream blade trailing edge along the chord.
  • the invention is based on the finding that a blade lattice can be improved if the ratio of very specific blade heights, blade circles and / or blade curvatures to this chord length lies in specific, predetermined ranges.
  • already advantageous blade grids result if one or more blade heights, one or more blade circles or one or more blade curvatures, based on the chord length, lie in the ranges indicated below.
  • Particularly advantageous blade grids can be realized if one or more blade heights and blade circles, one or more blade heights and blade curvatures, one or more blade circles and blade curvatures, and in particular one or more blade heights, blade circles and blade curvatures lie in these regions.
  • information on blade heights, blade circles or blade curvatures subsequently always refers to at least one cross section normal to the radial direction. If the pressure and suction sides of the blades extend parallel to the radial direction, that is to say that each blade cross section is obtained by purely translational displacement of a cross section at the radially inner blade root in the radial direction, the data apply correspondingly to all cross sections. Equally, however, the pressure and / or suction side can also be curved in the radial direction, in which case one or more blade heights, blade circles and / or blade cambers in at least one cross section, for example at the blade root, at the blade head and / or in the radial blade center. relative to the chord length, should be in the ranges indicated below.
  • the suction side in cross section has a maximum height whose quotient with the chord length is in a range between 0.52 and 0.56, in particular between 0.53 and 0.55.
  • the pressure side in cross section has a maximum height whose quotient with the chord length is in a range between 0.18 and 0.22, in particular between 0.19 and 0.21.
  • the skeleton line in cross section has a maximum height whose quotient with the chord length is in a range between 0.35 and 0.39, in particular between 0.36 and 0.38.
  • the maximum heights of at least two of the suction side, the pressure side and the skeleton line are each in the specified ranges, more preferably from the suction side, pressure side and skeleton line.
  • the suction side preferably reaches its maximum height in a range between 0.39 and 0.43, in particular between 0.40 and 0.42, measured from the blade leading edge in the bit tangent system of the blade and with respect to the chord length.
  • a maximum extent in the cross section of a blade according to the invention is preferably about 0.40 to 0.42 times the chord length measured from the axially foremost point of the blade contour along the chord.
  • the pressure side preferably reaches its maximum height in a range between 0.50 and 0.54, in particular between 0.51 and 0.53, measured from the blade leading edge in the bit tangent system of the blade and with respect to the chord length.
  • the skeleton line preferably assumes its maximum height in a range between 0.41 and 0.45, in particular between 0.42 and 0.44, measured from the leading edge of the blade in the bit tangent system of the blade and relative to the chord length.
  • a maximum circle between the suction and pressure sides has a diameter in a range between 0.33 and 0.36 , in particular between 0.34 and 0.36, and / or a center distance, measured from the blade leading edge in the bit tangent system of the blade, in a range between 0.36 and 0.40, in particular between 0.37 and 0.39 and / or a height in cross section, measured from the chord, in a range between 0.34 and 0.38, in particular between 0.35 and 0.37, that a leading edge circle, in relation to the chord length, has a diameter in a range between 0.024 and 0.046, in particular between 0.025 and 0.045, and / or that a trailing edge circle, based on the chord length, has a diameter in a range between 0.099 and 0.021, in particular between 0, 01 and 0.02.
  • Circles can be inscribed between the pressure and suction sides, the centers of which lie on the skeleton line and which touch the pressure or suction side from inside. The largest of these circles forms the inscribed maximum circle.
  • the leading or trailing edge circle preferably define the leading or trailing edge of the blade such that the blade contour has a radius of curvature in the transition from the pressure and suction side, which corresponds to the radius of the leading or trailing edge circle.
  • the suction side be at a distance 0.1 times the chord length, measured from the blade leading edge in the bit tangent system of the blade Radius of curvature whose quotient with the chord length is in a range between 0.38 and 0.42, in particular between 0.39 and 0.41, and / or at an axial distance of 0.75 times the chord length has a radius of curvature, its quotient with the chord length in a rich between 0.82 and 0.86, in particular between 0.83 and 0.85, and / or that the pressure side at an axial distance of 0.15 times the chord length, measured from the blade leading edge in the bit tangent system of the blade, a Radius of curvature whose quotient with the chord length is in a range between 0.73 and 0.77, in particular between 0.74 and 0.76, and / or at an axial distance of 0.80 times the chord length has a radius of curvature,
  • the medium is advantageously deflected substantially only without being accelerated significantly, so that the pressure before and after the blade grid is only reduced to a lesser extent.
  • a low-separation boundary layer flow along the pressure and suction side and / or a greater flow deflection can be achieved, i. the impulse transferred from the fluid to the blade grid is increased.
  • the efficiency of the flow grid can be increased.
  • the deflection can be advantageous without significant pressure reduction.
  • Another advantage may be that a blade grid according to the invention is easier to produce, in particular can be milled without obstructive transfer operations.
  • the chord or a tangent to the blade leading and trailing edges encloses a so-called stagger angle with the circumferential direction, which is in a range between 73 ° and 83 °, in particular between 74 ° and 82 °, which also differs from conventional stagger angles advantageous effect on the efficiency.
  • a pitch ratio of a distance to the axial direction of parallel tangents on suction sides in the circumferential direction of adjacent blades to the chord length may be in a range of 0.70 to 0.79, more preferably 0.71 to 0.78 height. If the circumferential extent of the profile is smaller than the pitch, no rhomboid foot shapes or platforms are required, resulting in especially advantageous in terms of vorzuhaltendem tool and material inventory.
  • the number of blades at the same chord length can be increased by about 20%.
  • a turbomachine according to the present invention advantageously steeper inflow and outflow angles of an inflow of the blade leading edge to the axial direction can be realized, which in particular can lie in a range between 26 ° and 38 °, preferably between 27 ° and 37 °.
  • advantageously flows with a larger swirl can be processed before the blading.
  • the pressure peaks in the leading edge region can be reduced.
  • Fig. 1 a blade of a blade grid according to an embodiment of the present invention in a perspective view
  • Fig. 2 the blade of Figure 1 in a cross section H-Il normal to the radial direction with characteristic blade heights and - circles in Bitangentensystem.
  • Fig. 3 the blade of Figure 1 in Figure 2 corresponding representation with characteristic blade curvatures.
  • Fig. 4 two circumferentially adjacent blades of the blade blade of FIG. 1 in a corresponding cross-sectional view.
  • Fig. 1 shows a profiled blade 1 of a blade grid according to an embodiment of the present invention with a three-lobated plug foot.
  • For orientation tion are the radial direction r, the circumferential direction U and the axial direction a drawn.
  • FIG. 2 shows this blade in a cross section U-II normal to the radial direction r (see Fig. 1) with characteristic blade heights and circles in Bitangen- tensystem whose axes with the axial or circumferential direction in each case explained in more detail below staggering angle ß s include.
  • a first axis (from left to right in FIG. 2) of the bitangent system, to which the following dimensions refer, is parallel to a chord 5 of the blade 1, ie tangential to a leading and trailing edge circle 3, 4, a second axis / from bottom to top in Fig. 2) tangential to the leading edge.
  • the other, not shown blades are identical in their dimensions.
  • the blade 1 has a front suction side SS (upper in Fig. 1) in the rotational direction, a pressure side DS in the rotational direction DS, and a skeleton line Sk having the same distance at each point from the suction and pressure sides, i.e., the same distance. lies in cross section exactly between the pressure and suction side.
  • chord length s of the chord 5 between a blade leading edge and a blade trailing edge is 60 mm. Since the excellent blade circles, heights and curves explained below have according to the invention predetermined conditions with this chord length, the chord length s in FIGS. 2 and 3 is normalized to "1".
  • the suction side SS has in cross section a maximum height fss from the chord 5, measured in the bit tangent system, whose quotient fss / s with the chord length s is 0.54.
  • the pressure side DS has in cross-section a maximum heightyogs whose quotient f D s / s with the chord s length is 0.20.
  • the skeleton line Sk has in cross-section a maximum height fsk whose ratio fs k / s with the chord length s is 0.37:
  • the suction side of SS has its maximum height f S s at a position X f ss, which, based on the chord length of s, is 0.41, measured along the chord tangent system 5 in the Bi- (from left to right in Fig. 2) from the blade leading edge. In other words, the ratio x fS s / s is 0.41.
  • the pressure side DS reaches its maximum height f ⁇ s in an axial position Xros, which, based on the chord length s, is 0.52.
  • the skeleton line Sk has its maximum height fs k in an axial position x f s k , which is 0.43 with respect to the chord length s.
  • a maximum circle 2 inscribed between the suction side and the pressure side has, in relation to the chord length s, a diameter D ma ⁇ / s of 0.35, its center from the blade leading edge along the chord 5 in the bitmap system a distance Xomax / s of 0.38, of the tendon 5 a height fxomax ts of 0.36.
  • the leading edge circle 3 has, with respect to the chord length s, the diameter D 0 / s 0.035, a trailing edge circle 4 a diameter D 9 / s of 0.015:
  • a quotient RKSSOJS / s with the chord length s of a radius of curvature Rkssojs is 0.84.
  • the quotient RRDSO.IS / s the one radius of curvature Rk D so.tä in a distance X R koso.i ⁇ of 0.15 times the chord length s, measured from the blade leading edge along the chord 5, with the chord length s, 0.75, is a quotient RkDso. ⁇ o / s of a radius of curvature RKDSO.BO at an axial distance XRKDSO.8O of 0.80 times the chord length s 0.56.
  • chord 5 and a tangent to Schaufelvorder- and trailing edge closes with the circumferential direction U a staggering angle ßs, which is registered in Fig. 4 and 78 °.
  • a division ratio t / s of a distance t (see Fig. 4) of axially parallel tangents on suction sides SS in the circumferential direction of adjacent blades to the chord length s is 0.74.
  • An angle of incidence ßi in Fig. 4 indicated by an arrow flow of the blade leading edge to the circumferential direction is 32 °, a corresponding outflow angle ß ⁇ 25 °.

Landscapes

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Abstract

Bei einem Schaufelgitter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einer Mehrzahl von profilierten Schaufeln, insbesondere profilierten Laufschaufeln (1), mit einer Saugseite (SS), einer Druckseite (DS), einer Skelettlinie (Sk) und einer Sehnenlänge (s) zwischen einer Schaufelvorderkante und einer Schaufelhinterkante, liegt ein Quotient mit der Sehnenlänge (s) für - eine maximale Höhe (fSS) der Saugseite (SS) zwischen 0,53 und 0,55, - eine maximale Höhe (fDS) der Druckseite (DS) zwischen 0,19 und 0,21, - eine maximale Höhe (fSk) der Skelettlinie (Sk) zwischen 0,36 und 0,38, - einen Durchmesser (Dmax / s) eines zwischen Saug- und Druckseite einbeschriebener maximalen Kreises zwischen 0,34 und 0,36, - seinen Mittelpunktsabstandes (xDmax/ s) zwischen 0,37 und 0,39, - seine Mittelpunktshöhe (fxDmax / s) zwischen 0,35 und 0,37 - einen Durchmesser (De / s) eines Vorderkantenkreis (3) zwischen 0,025 und 0,045, - einen Durchmesser (Da / s) eines Hinterkantenkreises (4) zwischen 0,01 und 0,02, - einen Krümmungsradius der Saugseite (SS) in einem Abstand (XRkSS0.1) des 0,1-fachen der Sehnenlänge (s) zwischen 0,39 und 0,41, - einen Krümmungsradius der Saugseite (SS) in einem Abstand (XRkSS0.75) des 0,75-fachen der Sehnenlänge (s) zwischen 0,83 und 0,85 - einen Krümmungsradius der Druckseite (DS) in einem Abstand (XRKD0.15) des 0,15-fachen zwischen 0,74 und 0,76, und/oder - einen Krümmungsradius der Druckseite (DS) in einem Abstand (XRkDS0.80) des 0,80-fachen der Sehnenlänge (s) zwischen 0,55 und 0,57.

Description

Schaufelgitter für eine Strömungsmaschine und Strömungsmaschine mit einem solchen Schaufelgitter
Die Erfindung betrifft ein Schaufelgitter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einer Mehrzahl von profilierten Schaufeln, insbesondere profilierten Laufschaufeln, mit einer Saugseite, einer Druckseite, einer Skelettlinie, einer Schaufelvorderkante und einer Schaufelhinterkante, sowie eine Strömungs- maschine mit einem solchen Schaufelgitter.
In Strömungsmaschinen, beispielsweise Dampfturbinen, wird, insbesondere kom- pressibles, Fluid wie beispielsweise Dampf durch ein oder mehrere Schaufelgitter umgelenkt und übt dabei Kräfte auf das Schaufelgitter aus. Ist dieses beweglich, treiben das Fluid dieses Laufschaufelgitter an und verrichtet dabei Arbeit. Zur Um- lenkung des Fluids, insbesondere auf stromabwärtige Laufschaufeln, können auch feststehende sogenannte Leitschaufelgitter vorgesehen sein.
Bei heutigen Schaufelgittern, insbesondere bei Laufschaufeln von Dampfturbinen, erfolgt in dem Strömungskanal, der zwischen einer Druckseite einer Schaufel und einer Saugseite einer in Umfangsrichtung benachbarten Schaufel definiert ist, eine signifikante Beschleunigung des Fluids, dessen statischer Druck dementsprechend hinter dem umlenkenden Schaufelgitter deutlich geringer ist, so dass das Fluid im Strömungskanal expandiert wird.
Derzeit eingesetzte Staffelungswinkel, i.e. die Winkel, die Tangenten an Schaufel- vorder- und -hinterkante mit der Umfangsrichtung einschließen, liegen in einem Bereich zwischen 64° und 72°. Dabei werden Sehnenlängen zwischen Schaufelvorder- und -hinterkante bis zu 63 mm sowie Teilungsverhältnisse, i.e. Quotienten eines Abstandes in Umfangsrichtung zwischen achsparalleler Tangenten an Saugseiten benachbarter Schaufeln zu der Sehnenlänge in einem Bereich zwischen 0,85 und 1,1 erreicht. Hierfür optimale Anströmwinkel einer Anströmung der Schaufelvorderkante zu der Umfangsrichtung liegen je nach Einsatzbereich zwischen 37° und 47°, während Abströmwinkel von der Schaufelhinterkante in einem Bereich zwischen 21° und 29° liegen, sich also von den Anströmwinkel signifikant unterscheiden.
Solche bekannten Schaufelgitter sind suboptimal.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaufelgitter für eine Strömungs- maschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Schaufelgitter mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 5 bzw. 6 gelöst. Anspruch 10 stellt eine Strömungsmaschine mit einem solchen Schaufelgitter unter Schutz, die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Ein Schaufelgitter für eine Strömungsmaschine, beispielsweise eine Dampf- oder Gasturbine, ein Kompressor oder dergleichen, weist eine Mehrzahl von profilierten Schaufeln mit einer Saugseite, einer Druckseite, einer Skelettlinie und einer Sehnenlänge auf, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
Richtungsangaben wie „Umfangsrichtung", „radiale" und „axiale" Richtung bezie- hen sich dabei in fachüblicher Weise auf einen Rotor einer Strömungsmaschine. Als Skelettlinie oder auch (Profil-)Mittellinie bzw. Wölbungslinie wird in gebräuchlicher Weise die, vorzugsweise in axialer und/oder radialer Richtung gekrümmte, Linie bezeichnet, die von Saug- und Druckseite den gleichen Abstand aufweist, i.e. im Querschnitt genau zwischen der Druck- und Saugseite liegt. Die Profilkon- tur der Schaufel ist also um seine Skelettlinie symmetrisch. Mit anderen Worten ist die Skelettlinie die Verbindungslinie der in ein Profil einbeschriebenen Kreismittelpunkte. Saug- bzw. Druckseite sind durch die beiden in Umfangsrichtung beabstandeten Außenflächen eines Laufschaufelquerschnittes definiert, der normal zur radialen Richtung liegt.
Das Schaufelgitter kann beispielsweise als Laufschaufelgitter eine Stufe einer Dampfturbine bilden. In diesem Fall sind Saug- und Druckseite bevorzugt konvex in Drehrichtung des Turbinenrotors gekrümmt, wobei die Saugseite in Drehrichtung vor der Druckseite liegt, so dass das die Turbine durchströmende Fluid das Schaufelgitter und somit den Turbinenrotor, der dieses trägt, in Drehrichtung dreht, um Arbeit zu verrichten, beispielsweise einen mit dem Turbinenrotor gekoppelten Generator anzutreiben. Die Sehne einer Schaufel, insbesondere eine Tangente an ihren Vorder- und Hinterkantenkreis, kann gegenüber der axialen Richtung geneigt sein. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich Höhen- und Abstandsangaben daher auf ein Bitangentensystem, dessen eine Achse parallel zur Sehne der Schaufel und des- sen andere Achse tangential zur Schaufelvorderkante ist, so dass beispielsweise eine Höhe im Querschnitt als Abstand von der Sehne definiert ist. Die Sehnenlän- ge bezeichnet dementsprechend den Abstand zwischen einer, in Strömungsrichtung des die Strömungsmaschine durchströmenden Fluides stromaufwärtigen, Schaufelvorderkante und einer stromabwärtigen Schaufelhinterkante längs der Sehne.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Schaufelgitter verbessert werden kann, wenn das Verhältnis ganz bestimmter Schaufelhöhen, Schaufelkreise und/oder Schaufelkrümmungen zu dieser Sehnenlänge in bestimmten, vorgegebenen Bereichen liegt. Dabei ergeben sich bereits vorteilhafte Schaufelgitter, wenn eine oder mehrere Schaufelhöhen, eine oder mehrere Schaufelkreise oder eine oder mehrere Schaufelkrümmungen, bezogen auf die Sehnenlänge, in den nachfolgend angegebenen Bereichen liegen. Besonders vorteilhafte Schaufelgitter können dadurch realisiert werden, wenn eine oder mehrere Schaufelhöhen und Schaufelkreise, eine oder mehrere Schaufelhöhen und Schaufelkrümmungen, ei- ne oder mehrere Schaufelkreise und Schaufelkrümmungen, und insbesondere eine oder mehrere Schaufelhöhen, Schaufelkreise und Schaufelkrümmungen in diesen Bereichen liegen.
Dabei beziehen sich Angaben auf Schaufelhöhen, Schaufelkreise bzw. Schaufelkrümmungen nachfolgend stets auf wenigstens einen Querschnitt normal zur radi- alen Richtung. Erstrecken sich die Druck- und Saugseiten der Schaufeln parallel zur radialen Richtung, geht also jeder Schaufelquerschnitt durch rein translatorische Verschiebung eines Querschnitts am radial innenliegenden Schaufelfuß ent- lag der radialen Richtung hervor, gelten die Angaben dementsprechend für alle Querschnitte. Gleichermaßen können die Druck- und/oder Saugseite jedoch auch in radialer Richtung gekrümmt sein, wobei dann in wenigstens einem Querschnitt, beispielsweise am Schaufelfuß, am Schaufelkopf und/oder in radialer Schaufelmitte eine oder mehrere Schaufelhöhen, Schaufelkreise und/oder Schaufelkrümmun- gen, bezogen auf die Sehnenlänge, in den nachfolgend angegebenen Bereichen liegen sollten.
Dementsprechend wird nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die Saugseite im Querschnitt eine maximale Höhe aufweist, deren Quotient mit der Sehnenlänge in einem Bereich zwischen 0,52 und 0,56, insbesondere zwischen 0,53 und 0,55 liegt. Zusätzlich oder alternativ weist die Druckseite im Querschnitt eine maximale Höhe auf, deren Quotient mit der Sehnenlänge in einem Bereich zwischen 0,18 und 0,22, insbesondere zwischen 0,19 und 0,21 liegt. Zusätzlich oder alternativ wird vorgeschlagen, dass die Skelettlinie im Querschnitt eine maximale Höhe aufweist, deren Quotient mit der Sehnenlänge in einem Bereich zwischen 0,35 und 0,39, insbesondere zwischen 0,36 und 0,38 liegt. Vorteilhaft liegen die maximalen Höhen von wenigstens zwei von der Saugseite, der Druckseite und der Skelettlinie jeweils in den angegebenen Bereichen, besonders bevorzugt von Saugseite, Druckseite und Skelettlinie.
Als Höhe wird dabei, wie vorstehend ausgeführt, insbesondere ein kürzester Abstand der Seite bzw. Skelettlinie von einer Verbindungsstrecke zwischen dem axialen Anfang und Ende der Skelettlinie, insbesondere von einer Tangente an einen Vorder- und -kantenkreis, im Querschnitt bezeichnet.
Bevorzugt erreicht die Saugseite ihre maximale Höhe in einem Bereich zwischen 0,39 und 0,43, insbesondere zwischen 0,40 und 0,42, gemessen von der Schaufelvorderkante im Bitangentensystem der Schaufel und bezogen auf die Sehnenlänge. Mit anderen Worten liegt eine größte Erstreckung im Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schaufel vorzugsweise bei dem etwa 0,40- bis 0,42-fachen der Sehnenlänge, gemessen von dem axial vordersten Punkt der Schaufelkontur längs der Sehne.
In entsprechender Weise erreicht die Druckseite ihre maximale Höhe vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,50 und 0,54, insbesondere zwischen 0,51 und 0,53, gemessen von der Schaufelvorderkante im Bitangentensystem der Schaufel und bezogen auf die Sehnenlänge. Die Skelettlinie nimmt ihre maximale Höhe be- vorzugt in einem Bereich zwischen 0,41 und 0,45, insbesondere zwischen 0,42 und 0,44, gemessen von der Schaufelvorderkante im Bitangentensystem der Schaufel und bezogen auf die Sehnenlänge ein.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich oder alternativ zu dem vorstehend erläuterten ersten Aspekt vorgeschlagen, dass ein zwi- sehen Saug- und Druckseite einbeschriebener maximaler Kreis, bezogen auf die Sehnenlänge, einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 0,33 und 0,36, insbesondere zwischen 0,34 und 0,36, und/oder einen Mittelpunktsabstand, gemessen von der Schaufelvorderkante im Bitangentensystem der Schaufel, in einem Bereich zwischen 0,36 und 0,40, insbesondere zwischen 0,37 und 0,39 und/oder eine Höhe im Querschnitt, gemessen von der Sehne, in einem Bereich zwischen 0,34 und 0,38, insbesondere zwischen 0,35 und 0,37 aufweist, dass ein Vorderkantenkreis, bezogen auf die Sehnenlänge, einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 0,024 und 0,046, insbesondere zwischen 0,025 und 0,045 aufweist, und/oder dass ein Hinterkantenkreis, bezogen auf die Sehnenlänge , einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 0,099 und 0,021 , insbesondere zwischen 0,01 und 0,02 aufweist.
Zwischen Druck- und Saugseite können Kreise einbeschrieben werden, deren Mittelpunkte auf der Skelettlinie liegen, und die die Druck- bzw. Saugseite von Innen berühren. Der größte dieser Kreise bildet den einbeschriebenen maximalen Kreis. Vorder- bzw. Hinterkantenkreis definieren vorzugsweise die Vorder- bzw. Hinterkante der Schaufel derart, dass die Schaufelkontur im Übergang von Druck- und Saugseite einen Krümmungsradius aufweist, der dem Radius des Vorder- bzw. Hinterkantenkreises entspricht.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich oder alter- nativ zu dem vorstehend erläuterten ersten und/oder zweiten Aspekt vorgeschlagen, dass die Saugseite in einem Abstand des 0,1-fachen der Sehnenlänge, gemessen von der Schaufelvorderkante im Bitangentensystem der Schaufel, einen Krümmungsradius aufweist, dessen Quotient mit der Sehnenlänge in einem Bereich zwischen 0,38 und 0,42, insbesondere zwischen 0,39 und 0,41 liegt, und/oder in einem axialen Abstand des 0,75-fachen der Sehnenlänge einen Krümmungsradius aufweist, dessen Quotient mit der Sehnenlänge in einem Be- reich zwischen 0,82 und 0,86, insbesondere zwischen 0,83 und 0,85 liegt, und/oder dass die Druckseite in einem axialen Abstand des 0,15-fachen der Sehnenlänge, gemessen von der Schaufelvorderkante im Bitangentensystem der Schaufel, einen Krümmungsradius aufweist, dessen Quotient mit der Sehnenlänge in einem Bereich zwischen 0,73 und 0,77, insbesondere zwischen 0,74 und 0,76 liegt, und/oder in einem axialen Abstand des 0,80-fachen der Sehnenlänge einen Krümmungsradius aufweist, dessen Quotient mit der Sehnenlänge in einem Bereich zwischen 0,54 und 0,58, insbesondere zwischen 0,55 und 0,57 liegt.
Bei einem Schaufelgitter nach dem ersten, zweiten und/oder dritten Aspekt wird vorteilhaft das Medium im Wesentlichen nur umgelenkt, ohne signifkant beschleunigt zu werden, so dass der Druck vor und nach dem Schaufelgitter sich nur in geringerem Maße reduziert. Vorteilhaft kann auch eine ablösungsarme Grenzschichtströmung entlang der Druck- und Saugseite und/oder eine größere Strö- mungsumlenkung erzielt, i.e. der von dem Fluid auf das Schaufelgitter übertrage- ne Impuls vergrößert werden. Damit kann der Wirkungsgrad des Strömungsgitters erhöht werden. Insbesondere bei häufig nur teilbeaufschlagten Regelstufen von Dampfturbinen kann sich die Umlenkung ohne signifikante Druckreduzierung vorteilhaft auswirken. Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass ein erfindungsgemäßes Schaufelgitter einfacher herstellbar, insbesondere ohne behindernde Um- Setzvorgänge fräsbar ist.
Bevorzugt schließt die Sehne bzw. eine Tangente an Schaufelvorder- und - hinterkante mit der Umfangsrichtung einen sogenannten Staffelungswinkel ein, der in einem Bereich zwischen 73° und 83°, insbesondere zwischen 74° und 82° liegt, was sich im Gegensatz zu herkömmlichen Staffelungswinkeln ebenfalls vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirkt.
Vorzugsweise kann bei einem Schaufelgitter nach der vorliegenden Erfindung ein Teilungsverhältnis eines Abstandes zur axialen Richtung paralleler Tangenten an Saugseiten in Umfangsrichtung benachbarter Schaufeln zu der Sehnenlänge in einem Bereich zwischen 0,70 und 0,79, insbesondere zwischen 0,71 und 0,78 He- gen. Ist die Umfangserstreckung des Profils kleiner als die Teilung, sind keine rhomboidischen Fußformen oder Plattformen erforderlich, was sich bei Fertigung, insbesondere hinsichtlich vorzuhaltendem Werkzeug- und Materialbestand vorteilhaft auswirkt.
Durch kleine Teilungsverhältnisse lassen sich höhere Schaufelzahlen bei gleicher Sehnenlänge, die bevorzugt höchstens 70 mm, insbesondere höchstens 63 mm beträgt, darstellen, was nicht nur vorteilhaft die Festigkeit verbessert, sondern aufgrund der verbesserten Festigkeit auch höhere Massenströme zulässt. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann so die Schaufelzahl bei gleicher Sehnenlänge um ungefähr 20% erhöht werden.
Bei einer Strömungsmaschine nach der vorliegenden Erfindung können vorteilhaft steilere Zu- bzw. Anströmwinkel einer Anströmung der Schaufelvorderkante zu der axialen Richtung realisiert werden, die insbesondere in einem Bereich zwischen 26° und 38°, vorzugsweise zwischen 27° und 37° liegen können. Somit können vorteilhaft Strömungen mit größerem Drall vor der Beschaufelung abgearbeitet werden. Mit einem erfindungsgemäßen Schaufelgitter können insbesondere die Druckspitzen im Vorderkantenbereich reduziert werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1: eine Laufschaufel eines Schaufelgitters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
Fig. 2: die Laufschaufel nach Fig. 1 in einem Querschnitt H-Il normal zur radialen Richtung mit charakteristischen Schaufelhöhen und - kreisen im Bitangentensystem;
Fig. 3: die Laufschaufel nach Fig. 1 in Fig. 2 entsprechender Darstellung mit charakteristischen Schaufelkrümmungen; und
Fig. 4: zwei in Umfangsrichtung benachbarte Lauf schaufeln des Schaufelgitters nach Fig. 1 in entsprechender Querschnittansicht.
Fig. 1 zeigt eine profilierte Laufschaufel 1 eines Schaufelgitters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem dreilappigen Steckfuß. Zur Orientie- rung sind die radiale Richtung r, die Umfangsrichtung U und die axiale Richtung a eingezeichnet.
Fig. 2 zeigt diese Laufschaufel in einem Querschnitt U-Il normal zur radialen Richtung r (vgl. Fig. 1) mit charakteristischen Schaufelhöhen und -kreisen im Bitangen- tensystem, dessen Achsen mit der axialen bzw. Umfangsrichtung jeweils den nachfolgend näher erläuterten Staffelungswinkel ßs einschließen. Dabei ist eine erste Achse (von links nach rechts in Fig. 2) des Bitangentensystems, auf das sich nachfolgende Dimensionsangaben beziehen, parallel zu einer Sehne 5 der Laufschaufel 1, i.e. tangential zu einem Vorder- und Hinterkantenkreis 3, 4, eine zweite Achse /von unten nach oben in Fig. 2) tangential zur Vorderkante. Die weiteren, nicht dargestellten Laufschaufeln sind in ihren Abmessungen identisch.
Die Laufschaufel 1 weist eine in Drehrichtung vordere Saugseite SS (oben in Fig. 1), eine in Drehrichtung hintere Druckseite DS und eine Skelettlinie Sk auf, die in jedem Punkt von Saug- und Druckseite den gleichen Abstand aufweist, i.e. im Querschnitt genau zwischen der Druck- und Saugseite liegt.
Eine Sehnenlänge s der Sehne 5 zwischen einer Schaufelvorderkante und einer Schaufelhinterkante beträgt 60 mm. Da die nachfolgend erläuterten ausgezeichneten Schaufelkreise, -höhen und -krümmungen erfindungsgemäß mit dieser Sehnenlänge vorgegebene Verhältnisse aufweisen, ist die Sehnenlänge s in Fig. 2 und 3 auf „1" normiert.
Die Saugseite SS weist im Querschnitt eine maximale Höhe fss von der Sehne 5 aus auf, gemessen im Bitangentensystem, deren Quotient fss / s mit der Sehnenlänge s 0,54 beträgt. Die Druckseite DS weist im Querschnitt eine maximale Höhe füs auf, deren Quotient fDs / s mit der Sehnenlänge s 0,20 beträgt. Die Skelettlinie Sk weist im Querschnitt eine maximale Höhe fsk auf, deren Quotient fsk / s mit der Sehnenlänge s 0,37 beträgt:
fss / s = 0,54,
fSk / s = 0,37,
fDS / s = 0,20. Die Saugseite SS weist ihre maximale Höhe fSs in einer Position Xfss auf, die, bezogen auf die Sehnenlänge s, 0,41 beträgt, gemessen längs der Sehne 5 im Bi- tangentensystem (von links nach rechts in Fig. 2) von der Schaufelvorderkante aus. Mit anderen Worten beträgt das Verhältnis xfSs / s 0,41. Die Druckseite DS erreicht ihre maximale Höhe fσs in einer axialen Position Xros auf, die, bezogen auf die Sehnenlänge s, 0,52 beträgt. Die Skelettlinie Sk weist ihre maximale Höhe fsk in einer axialen Position xfsk auf, die, bezogen auf die Sehnenlänge s, 0,43 beträgt.
Xfss / s 0,41 ,
XfSk Z s = 0,43,
XfDs / s = 0,52.
Ein zwischen Saug- und Druckseite einbeschriebener maximaler Kreis 2 weist, wiederum bezogen auf die Sehnenlänge s, einen Durchmesser Dmaχ / s von 0,35 auf, sein Mittelpunkt von der Schaufelvorderkante längs der Sehne 5 im Bitangen- tensystem einen Abstand Xomax / s von 0,38, von der Sehne 5 eine Höhe fxomax t s von 0,36. Der Vorderkantenkreis 3 weist, bezogen auf die Sehnenlänge s, der Durchmesser D0 / s 0,035 auf, ein Hinterkantenkreis 4 einen Durchmesser D9 / s von 0,015:
Dmax / S = 0,35,; Xomax / S = 0,38; fxomax / S = 0,36,
Dβ / s = 0,035,
Da / s = 0,015.
Wie in Fig. 3 dargestellt, weist die Saugseite SS in einem axialen Abstand XRRSSO.I des 0,1 -fachen der Sehnenlänge s, gemessen von der Schaufelvorderkante längs der Sehne 5, einen Krümmungsradius RRSSO.I auf, dessen Quotient Rκsso,i / s mit der Sehnenlänge s 0,40 beträgt. In einem Abstand XRKSSOJS des 0,75-fachen der Sehnenlänge s beträgt ein Quotient RKSSOJS / s mit der Sehnenlänge s eines Krümmungsradius Rkssojs 0,84.
XRkSso.i /s = 0,1; Rksso.i / s = 0,40, XRkSSO.75 /S = 0,75; RkSS0,75 / S = 0,84.
Auf der Druckseite beträgt der Quotient RRDSO.IS / s, den einen Krümmungsradius RkDso.tä in einem Abstand XRkoso.iδ des 0,15-fachen der Sehnenlänge s, gemessen von der Schaufelvorderkante längs der Sehne 5, mit der Sehnenlänge s bildet, 0,75, ein Quotient RkDso.βo / s eines Krümmungsradius' RKDSO.BO in einem axialen Abstand XRKDSO.8O des 0,80-fachen der Sehnenlänge s 0,56.
XROSO.15 /S = 0,15; RRDSO.IS / s = 0,75,
XRkDso,80 /s = 0,80; RkDso.βo / s = 0,56.
Die Sehne 5 bzw. eine Tangente an Schaufelvorder- und -hinterkante schließt mit der Umfangsrichtung U einen Staffelungswinkel ßs ein, der in Fig. 4 eingetragen ist und 78° beträgt. Ein Teilungsverhältnis t/s eines Abstandes t (vgl. Fig. 4) achsparalleler Tangenten an Saugseiten SS in Umfangsrichtung benachbarter Schaufeln zu der Sehnenlänge s beträgt 0,74.
Ein Anströmwinkel ßi einer in Fig. 4 durch einen Pfeil angedeuteten Anströmung der Schaufelvorderkante zur Umfangsrichtung beträgt 32° , ein entsprechender Abströmwinkel ß≤ 25°.
Bezugszeichenliste
1 Laufschaufel
2 maximaler einbeschriebener Kreis
3 Vorderkantenkreis 4 Hinterkantenkreis
5 Sehne
SS Saugseite
DS Druckseite
Sk Skelettlinie

Claims

Patentansprüche
1. Schaufelgitter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einer Mehrzahl von profilierten Schaufeln, insbesondere profilierten Laufschaufeln (1), mit einer Saugseite (SS), einer Druckseite (DS), einer Skelettli- nie (Sk) und einer Sehnenlänge (s) zwischen einer Schaufelvorderkante und einer Schaufelhinterkante, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite (SS) im Querschnitt eine maximale Höhe (fss) aufweist, deren Quotient (fss / s) mit der Sehnenlänge (s) in einem Bereich zwischen 0,52 und 0,56, insbesondere zwischen 0,53 und 0,55 liegt, und/oder dass die Druckseite (DS) im Quer- schnitt eine maximale Höhe (fDs) aufweist, deren Quotient (fos / s) mit der
Sehnenlänge (s) in einem Bereich zwischen 0,18 und 0,22, insbesondere zwischen 0,19 und 0,21 liegt, und/oder dass die Skelettlinie (Sk) im Querschnitt eine maximale Höhe (fSk) aufweist, deren Quotient (fsk / s) mit der Sehnenlänge (s) in einem Bereich zwischen 0,35 und 0,39, insbesondere zwischen 0,36 und 0,38 liegt.
2. Schaufelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite (SS) ihre maximale Höhe (fss) in einem Bereich (xfSs / s) zwischen 0,39 und 0,43, insbesondere zwischen 0,40 und 0,42, gemessen von der Schaufelvorderkante und bezogen auf die Sehneniänge (s) aufweist.
3. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseite (DS) ihre maximale Höhe (füs) in einem Bereich (XfDs / s) zwischen 0,50 und 0,54, insbesondere zwischen 0,51 und 0,53, gemessen von der Schaufelvorderkante und bezogen auf die Sehnenlänge (s) aufweist.
4. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Skelettlinie (Sk) ihre maximale Höhe (fsk) in einem Bereich (XfSK / s) zwischen 0,41 und 0,45, insbesondere zwischen 0,42 und 0,44, gemessen von der Schaufelvorderkante und bezogen auf die Sehnenlänge (s) aufweist.
5. Schaufelgitter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einer Mehrzahl von profilierten Schaufeln, insbesondere profilierten Laufschaufeln (1), mit einer Saugseite (SS), einer Druckseite (DS), einer Skelettlinie (Sk) und einer Sehnenlänge (s) zwischen einer Schaufelvorderkante und einer Schaufelhinterkante, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen Saug- und Druckseite einbeschriebener maximaler Kreis, bezogen auf die Sehnenlänge (s), einen Durchmesser (Dmax / s) in einem Bereich zwischen 0,33 und 0,36, insbesondere zwischen 0,34 und 0,36, und/oder einen Mittelpunktsabstand (xomax / s), gemessen von der Schaufelvorderkante, in einem Bereich zwischen 0,36 und
0,40, insbesondere zwischen 0,37 und 0,39, und/oder eine Mittelpunktshöhe im Querschnitt (fxomax / s) in einem Bereich zwischen 0,34 und 0,38, insbesondere zwischen 0,35 und 0,37 aufweist, und/oder dass ein Vorderkantenkreis (3), bezogen auf die Sehnenlänge (s), einen Durchmesser (Dθ / s) in einem Bereich zwischen 0,024 und 0,046, insbesondere zwischen 0,025 und 0,045 aufweist, und/oder dass ein Hinterkantenkreis (4), bezogen auf die Sehnenlänge (s), einen Durchmesser (Da / s) in einem Bereich zwischen 0,099 und 0,021, insbesondere zwischen 0,01 und 0,02 autweist.
6. Schaufelgitter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einer Mehrzahl von profilierten Schaufeln, insbesondere profilierten Laufschaufeln (1), mit einer Saugseite (SS), einer Druckseite (DS)1 einer Skelettlinie (Sk) und einer Sehnenlänge (s) zwischen einer Schaufelvorderkante und einer Schaufelhinterkante, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite (SS) in einem Abstand (XRksso.1) des 0,1 -fachen der Sehnenlänge (s), gemessen von der Schaufelvorderkante, einen Krümmungsradius (Rksso.i) aufweist, dessen Quotient (Rksso.i / s) mit der Sehnenlänge (s) in einem Bereich zwischen 0,38 und 0,42, insbesondere zwischen 0,39 und 0,41 liegt, und/oder in einem Abstand (XRksso,75) des 0,75-fachen der Sehnenlänge (s), gemessen von der Schaufel- Vorderkante, einen Krümmungsradius (Rkssojs) aufweist, dessen Quotient
(Rksso,75 / s) mit der Sehnenlänge (s) in einem Bereich zwischen 0,82 und 0,86, insbesondere zwischen 0,83 und 0,85 liegt, und/oder dass die Drucksei- te (DS) in einem Abstand (XRKDO.IS) des 0,15-fachen der Sehnenlänge (s), gemessen von der Schaufelvorderkante, einen Krümmungsradius (RRDSO.IS) aufweist, dessen Quotient (RKDSO.IS / s) mit der Sehnenlänge (s) in einem Bereich zwischen 0,73 und 0,77, insbesondere zwischen 0,74 und 0,76 liegt, und/oder in einem Abstand (XRKDSO.BO) des 0,80-fachen der Sehnenlänge (s), gemessen von der Schaufelvorderkante, einen Krümmungsradius (RkDso.βo) aufweist, dessen Quotient (Rkoso.βo / s) mit der Sehnenlänge (s) in einem Bereich zwischen 0,54 und 0,58, insbesondere zwischen 0,55 und 0,57 liegt.
7. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine Sehne (5) der Laufschaufeln (1) mit der Umfangsrichtung
(U) einen Staffelungswinkel (ßs) einschließt, der in einem Bereich zwischen 73* und 83°, insbesondere zwischen 74° und 82° liegt.
8. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehnenlänge (s) kleiner oder gleich 70 mm, insbesondere kleiner oder gleich 63 mm ist.
9. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilungsverhältnis (t/s) eines Abstandes (t) achsparalleler Tangenten an Saugseiten (SS) in Umfangsrichtung (U) benachbarter Schaufeln zu der Sehnenlänge (s) in einem Bereich zwischen 0,70 und 0,79, insbe- sondere zwischen 0,71 und 0,78 liegt.
10. Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, mit wenigstens einem Schaufelgitter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anströmwinkel (ßi) einer Anströmung der Schaufelvorderkante zu der Um- fangsrichtung in einem Bereich zwischen 26° und 38°, insbesondere zwischen
27° und 37° liegt.
12. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abströmwinkel (p2) einer Abströmung von der Schaufelhin- terkante zu der Umfangsrichtung in einem Bereich zwischen 20° und 30°, insbesondere zwischen 21° und 29° liegt.
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