DE69520061T2

DE69520061T2 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE69520061T2
Application number: DE69520061T
Authority: DE
Inventors: Viccars Jeremy Andrews; David Moreton Hall; Dr. Haller
Original assignee: ABB Alstom Power UK Ltd
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: DE69520061D1; EP1046783B1; EP0704602A2; US5779443A; GB2295860B; US5906474A; GB9516493D0; CN1071837C; EP1046783A3; CN1272524C; EP0704602B1; JPH0874502A; ZA956883B; EP1046783A2; JP3896169B2; CN1330209A; EP0704602A3; JP2005320973A; CN1126796A; DE69534860T2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Turbinenschaufelblatt und eine Turbine, die ein solches Schaufelblatt enthält. Wenngleich die Erfindung sich primär mit Dampfturbinen befasst, ist sie auch auf andere Turbinen und Kompressoren anwendbar. Der Begriff 'Turbine' wird in dieser Beschreibung verwendet, um Maschinen dieser Art zu bezeichnen, die Flügelblätter haben. Es ist zuerst an die festen Schaufelblätter in Turbinen gedacht aber nicht ausschließlich an diese.
Der Wirkungsgrad von Turbinen ist von großer Wichtigkeit, insbesondere bei großen Anlagen, bei denen ein Bruchteil an Steigerung des Wirkungsgrades sehr große Kosteneinsparungen bewirken kann. Eine beträchtliche Menge von Geld und Anstrengungen wird daher dauernd aufgewendet für Forschung an der Gestalt von Schaufelblättern, die ein entscheidendes Bauteil darstellen.
Einige Jahre lang hat das gebräuchliche Schaufelblatt den Querschnitt eines Flugzeugflügels gehabt, wobei sich das (feste) Schaufelblatt in radialer Richtung zwischen einem inneren und äußeren Endblock erstreckte, und das Schaufelblatt war von prismatischer Form, d. h. erzeugt durch eine parallel zu sich selbst verschobene Linie, die dabei die Querschnittfläche eines Flugzeugflügels traf. Die Ausrichtungen von sowohl festen als auch beweglichen Schaufelblättern bezüglich ihrer jeweiligen Schaufelblattachse wurde für diese prismatische Ausführung ebenfalls vereinheitlicht, wobei diese Ausrichtung durch den Neigungswinkel des Schaufelblatts zwischen der axialen Richtung der Turbine und einer tangential an die Kreisbögen an der Vorder- und der Hinterkante auf der Druckseite des Schaufelblatts verlaufenden Linie beschrieben wird.
Eine bekannte Verbesserung der Leistung des prismatischen Schaufelblatts in der Turbine wird erreicht durch eine sog. 'Lean' des Schaufelblatts, d. h. durch ein Kippen desselben um seine Wurzel in einer am Umfang liegenden Ebene, d. h. entlang oder senkrecht zu der Turbinenachse. Dieses 'Kippen' bringt eine Veränderung im Massenfluss am Auslass des Schaufelblatts von der Wurzel bis zur Spitze hin. Die radialen inneren und äußeren Enden des Schaufelblatts werden als die Wurzel und die Spitze bezeichnet, entgegen dem Umstand, dass sowohl Wurzel als auch 'Spitze' durch Endwände der Tragringe 21 und 22, wie in der beigefügten Fig. 1 gezeigt ist, abgeschlossen werden.
Während der Kreisabstand der Schaufelblätter (sog. Pitch) stetig zunimmt von der Wurzel zur Spitze, verlagert sich die Stelle, an der die Durchtrittslinie die Saugfläche schneidet, bei zunehmendem Radius stromaufwärts. Aufgrund der konvexen Krümmung der Saugfläche führt dies zu einer Zunahme im Auslasswinkel von ungefähr 13º an der Wurzel (bezogen auf die tangentiale Richtung) bis ungefähr 15º an der Spitze. Dies ist in der beigefügten Fig. 6 veranschaulicht.
Der Auslasswinkel des Schaufelblatts ist veranschaulicht in den Fig. 3(a) und 3(b) der beigefügten Zeichnungen und ist gegeben durch sin&supmin;¹(Durchtritt/Schaufelblatt Pitch).
Aus der selben Figur gehen die folgenden Parameter hervor. Der Durchtritt ist die kleinste Weite in den Durchlässen zwischen den Schaufelblättern. Er erstreckt sich normalerweise von der Druckseite eines Schaufelblatts an der Hinterkante und ist senkrecht zur Saugfläche des benachbarten Schaufelblatts.
Der Neigungswinkel ist der Winkel zwischen der Turbinenachse und der Tangente, welche die vorderen und hinteren Kreisbögen des Flügelquerschnitts berührt.
Die Sehnenlänge des Schaufelblatts ist die Gesamtausdehnung des Schaufelblatts entlang der Tangente des Neigungswinkels.
Abwandlungen an dem grundlegenden prismatischen Gestalt des Schaufelblatts wurden in der Vergangenheit vorgeschlagen. Beispielsweise im Hitachi Review Vol. 27, Nr. 3 von 1978 wurden verdrehte und andere Formen von Schaufelblättern vorgeschlagen. Was als 'Kontrolliertes Düsenwirbel Design' bezeichnet wurde, beschreibt eine Düse (d. h. ein festes Schaufelblatt), das der gebräuchlichen prismatischen Gestalt eines Schaufelblatts auf der unteren Hälfte seiner radialen Höhe entspricht, das aber einen zunehmend kleiner werdenden Anstellwinkel entlang der oberen Hälfte aufweist. Der Anstellwinkel ist der Winkel, um den der Flügelquerschnitt auf jeder Höhe des Schaufelblatts in seiner eigenen Ebene aus der normalen Anordnung für ein prismatische Schaufelblatt heraus gedreht ist. Ein kleiner Anstellwinkel zeigt eine Verdrehung des Flügelquerschnitts zur Verringerung des Durchtritts und somit zur Verringerung des Auslasswinkels an und ein großer Anstellwinkel eine Verdrehung zur Vergrößerung an. Fig. 3 dieses früheren Artikels veranschaulicht eine kontinuierliche Verdrehung des Querschnitts des Schaufelblatts von der Wurzel bis zur Spitze hin, wodurch der Anstellwinkel mit zunehmender Höhe des Schaufelblatts kleiner wird.
Trotz dieser wirklich verständlichen Analyse des Entwurfs von Schaufelblättern und der Anstellwinkel in dieser früheren Studie wurde herausgefunden, dass keiner der betrachteten Entwürfe den Grad der Verbesserung erzielt, den die vorliegende Erfindung ermöglicht.
Ein weiterer beachtlicher Entwurf eines Schaufelblatts nach dem Stand der Technik ist gezeigt in dem Patent Nr. US-A-5.326.221. Dieser erzielt eine nichtlineare Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Höhe des Schaufelblatts durch eine überhöhte Wölbung der Schaufelblätter an deren Wurzeln und Spitzen, wodurch die Strömung an der Wurzel und an der Spitze eingeschränkt und in die wirksameren Bereiche in der Mitte der Schaufelblätter abgedrängt wird. Jedoch weichen die dort beschriebenen Schaufelblätter erheblich in ihrer Form von denen ab, die aus der vorliegenden Erfindung hervorgehen.
Damit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Entwurf für Schaufelblätter bereitzustellen, der eine nennenswerte Erhöhung der Leistung gegenüber bisher bekannten Entwürfen bringt.
Die vorliegende Erfindung bietet dementsprechend ein Turbinenschaufelblatt zur Verwendung als eines innerhalb eines in der Turbine angeordneten Rings gleicher Schaufelblätter, der einen ringförmigen Weg für eine Arbeitsflüssigkeit der Turbine aufweist, wobei die Druckseite des wie ein Flugzeugflügel geformten Schaufelblatts von seiner Wurzel an seinem inneren radialen Ende bis zur Spitze an seinem äußeren radialen Ende in radialer Richtung nach außen gewölbt ist und die Hinterkante des Schaufelblatts gerade von der Wurzel zur Spitze verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) das Schaufelblatt von annähernd konstantem Flügelquerschnitt von seiner Wurzel (35) bis zu seiner Spitze (37) ist,
(b) das Schaufelblatt symmetrisch zwischen der Wurzel und der Spitze gekrümmt verläuft, und
(c) die konvexe Krümmung der Druckseite (26) des Schaufelblatts in radialer Richtung durch eine rotierende Verlagerung der Flügelquerschnitte (33) um die gerade Hinterkante herum erreicht wird.
Die Flügelquerschnitte an der Wurzel und an der Spitze des Schaufelblatts sind in ihrer eigenen Ebene bezüglich des Querschnitts in der Mitte der Höhe vorzugsweise um einen Winkel von 5º ± 2º bzw. ebenfalls vorzugsweise um 5º ± 1º verdreht.
Die Flügelquerschnitte des Schaufelblatts liegen vorzugsweise zwischen der Wurzel bis zur Spitze auf einer parabelförmigen Kurve.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung, beträgt in einer Turbine, welche die vorgenannten Schaufelblätter enthält, das Verhältnis des Durchtritts zwischen benachbarten festen Schaufelblättern zum Pitch der Schaufelblätter den Sinus eines Auslasswinkels für die Schaufelblätter der vorzugsweise im Bereich von 7º bis 11º an der Wurzel der Blätter liegt und noch günstiger im Bereich von 8º bis 10º.
Die Anstellwinkel des Querschnitts in der Mitte der Höhe der festen Blätter ist vorzugsweise derart, dass im Zusammentreffen mit dem Auslasswinkel an der Wurzel ein gesamte Fläche der Durchtrittsöffnung ermöglicht wird, die gleich der einer Turbine mit prismatischen Schaufelblätter mit gleichem Neigungswinkel ist.
In einer Turbine mit einer Reihe von auf eine abnehmende Dichte der Arbeitsflüssigkeit angepassten Stufen ist der Auslasswinkel an der Wurzel der Schaufelblätter durch die Reihe von Stufen hindurch konstant, und der Anstellwinkel für die Flügelquerschnitte der Schaufelblätter in der Mitte der Höhe der Schaufelblätter ist so bestimmt, dass eine vorgegebene Durchtrittsfläche für die Schaufelblätter jeder Stufe erhalten wird, wobei diese Durchtrittsfläche der Durchtrittsfläche in der entsprechenden Stufe einer anderweitig gleichartigen Turbine mit Schaufelblättern, die von konstantem Querschnitt sind und keine Verdrehung von ihrer Wurzel zu ihrer Spitze hin aufweisen, entspricht.
Um den Wirkungsgrad noch weiter zu verbessern, können die Schaufelblätter und ihre zugeordneten Endblöcke aus einem Stück geformt und maschinell hergestellt sein, um Kehlen zwischen den Flügeloberflächen der Schaufelblätter und den Endwänden aufzuweisen mit einem Radius im Bereich von 0,15 bis 0,3 der Abmessungen des Durchtritts zwischen entweder den Wurzeln oder den Spitzen von benachbarten Schaufelblättern, je nachdem wo die Kehlen angeordnet sind.
dient jedoch der Hervorhebung der gekrümmten Formgebung des Schaufelblatts;
Fig. 5 ein Schaubild des Anstellwinkels des Schaufelblatts gegenüber der Höhe des Querschnitts von der Wurzel zur Spitze ist, jeweils für ein gebräuchliches Schaufelblatt und ein Schaufelblatt gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ein Schaubild des Auslasswinkels des Schaufelblatts gegenüber der Höhe des Querschnitts wiederum für die beiden Typen von Schaufelblättern ist;
Fig. 7 eine Teilschnittansicht der Durchtrittsöffnung zwischen zwei Schaufelblättern ist, welche die zwischen den zwei Blättern und dem Endblock geformten Kehlen zeigt;
Fig. 8 eine Grafik ist, welche die Hinterkante des Schaufelblatts mit einer gebräuchlichen Kehle und einer 'Stromlinien' Kehle zeigt.
Mit Bezug auf die Zeichnungen ist in Fig. 1 eine grafische axiale Schnittansicht einer gebräuchlichen 'Scheibe und Gitterblende' Hoch-/Mitteldruchstufe einer Dampfturbine gezeigt. Die Strömungsrichtung F der Arbeitsflüssigkeit - Dampf - ist ungefähr parallel zur Rotorachse der Turbine A, Der Rotor 10 hat in jeder Stufe eine Scheibe 11 an der befestigt sich eine Menge oder eine Reihe von kreisförmig ausgerichteten und untereinander beabstandeten Schaufelblättern 12 befinden, wobei die Schaufelblätter 12 einen Schleier an ihren radialen äußeren Enden angebracht haben.
Energie in dem in Richtung F vom vorderen Teil zum hinteren Teil der Turbine strömenden Dampf wird umgewandelt in mechanische Energie im Rotor 12. In jeder Stufe geht eine feststehende Anordnung von Schaufelblättern der Menge von beweglichen Schaufelblättern 12 voran und ist an dem inneren Gehäuse der Turbine befestigt. Diese feststehende Anordnung von Schaufelblättern umfasst einen radialen Innenring 21, einen radialen Außenring 22 und eine Reihe von kreisförmig ausgerichteten und untereinander beabstandeten feststehenden Schaufelblättern 23, von denen jedes Schaufelblatt 23 an einem inneren Ende am Innenring 21 und an einem äußeren Ende am Außenring 22 und wobei jedes Schaufelblatt eine Vorderkante 24 in Richtung Anströmung und eine Hinterkante 25 hat. Die Anordnung von Schaufelblättern 23 zusammen mit dem Innen- und Außenring 21, 22 wird als Gitterblende bezeichnet. Die Scheibe und die Gitterblende, die in Fig. 1 dargestellt sind, sind von demjenigen Typ, bei dem die Fläche zwischen dem Innen- und Außenring 21, 22 senkrecht zur Turbinenachse A an den Hinterkanten 25 der feststehenden Schaufelblätter größer ist, als an den Vorderkanten 24 der Schaufelblätter. Weiterhin haben in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel die Oberflächen, d. h. die Endwände der Ringe (oder Endblöcke) 21, 22, an denen die Schaufelblätter 23 befestigt sind, eine frusto-konische Form, die von der Turbinenachse in Richtung F von der Vorder- (24) zur Hinterkante (25) der Schaufelblätter 23 hinweg auseinanderläuft.
In Fig. 2 ist eine Rückansicht eines Teils einer Anordnung von feststehenden Schaufelblättern gezeigt, die von dem in Fig. 1 gezeigten Typ sind. Die feststehenden Schaufelblätter 23, die in Fig. 2 gezeigt sind, sind von der gebräuchlichen prismatischen Form, das bedeutet, dass sie alle jeweils gerade, d. h. solcherart geformt sind, dass die angenommenen (fiktiven) Flügelquerschnitte eines Schaufelblatts, jeweils senkrecht zu einer radialen Linie ausgehend von der Turbinenachse betrachtet, alle vom inneren Ende des Schaufelblatts bis zum äußeren Ende des Schaufelblatts die gleiche Form haben, vom Ende der Wurzel zum Ende der Spitze nicht verdreht und so übereinander gestapelt sind, dass die Vorder- 24 und die Hinterkante 25 jeweils auf einer geraden Linie liegen. Jedes Schaufelblatt 23 hat eine konkave Druckseite 26 und eine konvexe Saugseite 27.
Fig. 3(a) zeigt in einer radialen, ebenen Ansicht die Ausrichtung der feststehenden Schaufelblätter 23 und 29 bezüglich der Turbinenachse A und der transversalen (d. h. tangentialen oder zirkumferentialen) Ebene T, die den feststehenden Schaufelblattring enthält und zu der die Achse A senkrecht verläuft. Die Gestalt der Flügelquerschnitte der Schaufelblätter basiert auf einem kleinen Kreisbogen 15 an der Hinterkante und einem größeren Kreisbogen 17 an der Vorderkante. Die Tangente 19 an diese zwei Kreisbögen verläuft in einem Winkel ψ, dem Neigungswinkel, zur Richtung der Achse A.
Falls unter allen senkrechten Linien von der Saugseite 27 des Schaufelblatts 23 zur Druckseite 26 des benachbarten Schaufelblatts die kürzeste Linie ausgewählt wird, dann liefert diese die Abmessung des Durchtritts t, die im Bereich der Hinterkante 25 des Schaufelblatts 29 angenommen wird. Das Verhältnis dieser Abmessung t zum Pitch p der feststehenden Schaufelblätter ergibt den Sinus dessen, was als Auslasswinkel bekannt ist. Es ist ersichtlich, dass dieser Winkel ungefähr der Ausgangswinkel von jedem Schaufelblatt bezüglich der transversalen Ebene T ist.
Fig. 4 zeigt ein Schaufelblatt, das gemäß den Prinzipien der Erfindung geformt ist. Es hat eine gerade Hinterkante 25 wie das gebräuchliche prismatische Schaufelblatt, jedoch ist der Rest dieses Schaufelblatts und insbesondere die Vorderkante 24 nicht gerade sondern in einer Weise gekrümmt, so dass die Druckseite des Schaufelblatts in radialer Richtung konvex zwischen Wurzel und Spitze verläuft, das bedeutet in einer Ebene, die transversal zur mittleren Strömungsrichtung des Dampfs zwischen den Schaufelblättern verläuft. Eine solche Ebene 31 ist in Fig. 4 angezeigt, wobei die konvexe Krümmung in dieser Ebene auf der Druckseite 26 verdeckt ist, jedoch der der Vorderkante 24 entspricht.
Im einzelnen ist diese Krümmung in Fig. 5 veranschaulicht durch die Veränderung des Anstellwinkels der verschiedenen Flügelquerschnitte 33 aus Fig. 4 von der Wurzel 35 bis zur Spitze 37 des Schaufelblatts. Die einzelnen Flügelquerschnitte 33 können so angesehen werden, als seien sie in ihrer Ebene um die Hinterkante 25 mit einem Anstellwinkel verdreht, der im mittleren Bereich der radialen Höhe positiv und negativ in den Abschnitten an Wurzel und Spitze ist. 'Positiv' bedeutet hier eine Rotation in Richtung der Druckseite 26 und negativ in Richtung der Saugseite 27.
In dem besonderen Beispiel in Fig. 5 erscheint ein Anstellwinkel von null in etwa bei einem fünftel und bei vier fünftel der radialen Höhe des Schaufelblatts, wo der Flügelquerschnitt den selben Neigungswinkel, d. h. die selbe Ausrichtung bezüglich der Turbinenachse hat wie ein gebräuchliches prismatisches Schaufelblatt in einer anderweitig gleichartigen Turbine. Dieser 'gebräuchliche' Neigungswinkel wird mit 48,5º vorausgesetzt.
Der Anstellwinkel variiert von ungefähr minus 2, 5º an der Wurzel bis zu plus 2,5º in der Mitte der radialen Höhe. Dies ist eine bevorzugte Anordnung, bei welcher der 'gebräuchliche' Neigungswinkel, d. h. der Referenzneigungswinkel 48,5º beträgt. Jedoch bringen Änderungen bezüglich der 5º Unterschied im Anstellwinkel auch noch Gewinne im Wirkungsgrad, möglicherweise aber nur in geringerem Umfang. Es wird angenommen, dass auch bei einer Änderung von ± 2º zu dem 5º betragenden Unterschied im Neigungswinkel die vorteilhafte Wirkung noch erhalten bleibt, das bedeutet einen Bereich des Unterschieds im Neigungswinkel von 3º zwischen Wurzel/Spitze und Mitte der Höhe bis zu 7º zwischen Wurzel/Spitze und Mitte der Höhe. Es wird jedoch vorgezogen, die Abweichung auf ± 1º zu beschränken, das bedeutet auf Unterschiede zwischen 4º und 6º.
Die Veränderung des Anstellwinkels über die Höhe des Schaufelblatts hinweg verläuft vorzugsweise parabolisch, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.
Es wäre in gewissem Rahmen hinzunehmen, die Flügelquerschnitte um eine andere Achse als die Hinterkante 25 zu verdrehen, beispielsweise um die Vorderkante 24 oder um eine dazwischen liegende Achse. Jedoch hat die Auswahl der Hinterkante als Drehachse verschiedene Vorteile. Sie hält den kritischen Freiraum zwischen den feststehenden und den stromabwärts befindlichen sich bewegenden Schaufelblättern konstant. Dieser Freiraum hat einen wichtigen Einfluss auf die sich zeitlich ändernden aerodynamischen Kräfte auf das bewegliche Schaufelblatt und auch auf den Wirkungsgrad der Stufe über die Vergrößerung von Randschichten an den Endwänden. Zweitens wird durch das hauptsächliche Einbauen der Krümmung in die Vorderkante ein 'Compound Lean' Effekt in die Fläche an der Vorderkante des Schaufelblatts aufgenommen, wo sekundäre Strömungen erzeugt werden. Diese sekundären Strömungen enthalten Wirbelfäden die parallel zur Hauptströmung verlaufen, wobei diese Wirbelfäden in der Nähe der Endwände zwischen benachbarten feststehenden Schaufelblättern sind. Durch die Verwendung von 'Compound' gekrümmten Schaufelblättern nach der Erfindung zeigt entlang der inneren (d. h. unteren) Hälfte der Höhe des Schaufelblatts die Druckseite radial nach innen, und entlang der äußeren Hälfte der Höhe des Schaufelblatts zeigt die Druckseite radial nach außen. Die auf die Strömung einwirkenden Körperkräfte werden ausgeglichen durch höhere statische Drücke auf den Endwänden. Dies resultiert in geringeren Geschwindigkeiten in der Nähe der Endwände und damit in geringeren Reibungsverlusten.
Gemäß Fig. 6 ist die Abhängigkeit zwischen dem Auslasswinkel und der radialen Höhe des Schaufelblattquerschnitts dargestellt (33 in Fig. 4).
Im gebräuchlichen, prismatischen Fall nimmt der Auslasswinkel im wesentlichen linear von ungefähr 13º an der Wurzel des Schaufelblatts bis ungefähr 15º an der Spitze des Schaufelblatts zu. Diese Zunahme in der Öffnung entspricht einfach der Zunahme im Pitch der Schaufelblätter mit zunehmendem Radius. In einer Turbinenstufe mit feststehenden Schaufelblättern entsprechend dieser Ausführungsform, die weiterhin eine Form haben, wie sie durch das Schaubild des Anstellwinkels in Fig. 5 gegeben ist, verändert sich der Auslasswinkel von ungefähr 9,6º an der Wurzel über 15,6º in der Mitte der Höhe bis zurück auf 12º an der Spitze. Diese Asymmetrie ergibt sich gleichfalls durch die Zunahme im Pitch der Schaufelblätter mit dem Radius, weil der Durchlass sich bei zunehmendem Pitch stromaufwärts bewegt (auf der Saugseite), und weil der Durchlass schneller zunimmt als der Pitch, nimmt der Auslasswinkel mit dem Pitch und damit mit dem Radius zu. Dieser Unterschied im Auslasswinkel zwischen Spitze und Wurzel liegt vor, obwohl der Anstellwinkel an der Spitze und an der Wurzel gleich ist.
Der Effekt der gekrümmten Schaufelblätter gemäß der Erfindung liegt darin, die Strömung durch die beiden Bereiche hohen Verlusts in der Nähe der Endwände an der Wurzel und an der Spitze zu verringern und die Strömung durch die wirksameren Bereiche in der Mitte zu erhöhen.
Das beste prismatische Design, das den Anmeldern bekannt ist, hat eine gerade negative 'Lean' von 8º, d. h. bei diesem sind die feststehenden Schaufelblätter in der transversalen Ebene in der Richtung der Saugseite um einen Winkel von 8º zum durch ihre Wurzel verlaufenden Radius geneigt. Die gekrümmten Schaufelblätter der vorliegenden Erfindung haben bei einem Test in einer zweistufigen Turbine einen Gewinn im Wirkungsgrad von 0,8% im Vergleich zu diesem 'besten' gebräuchlichen Design gezeigt.
Es wird angenommen, dass die Verbesserung nicht nur in der Reihe der feststehenden Schaufelblätter begründet ist, sondern auch in beweglichen stromabwärts gelegenen Reihe von Schaufelblätter, da kleinere Massenströme in den Bereich der Endabschnitte, wo hohe sekundäre Verluste entstehen, eingeleitet werden.
Dort, wo das erfindungsgemäße Konzept auf eine Reihe von Stufen in einem vollständigen Hochdruck- oder Mitteldruckzylinder, bei dem die Höhe der Schaufelblätter mit abnehmendem Dichte der Strömung zunimmt, anzuwenden ist, wird die folgende Technik verwendet:
(a) der Auslasswinkel der Schaufelblätter an der Wurzel ist auf ungefähr 9º durch alle Stufen hindurch einzustellen;
(b) der gleiche Anstellwinkel ist an der Wurzel und an der Spitze zu verwenden, d. h. das Schaufelblatt ist symmetrisch um seine Mitte der Höhe;
(c) der Anstellwinkel des Querschnitts in der Mitte der Höhe wird so gewählt, dass die mittlere Öffnung (über die Höhe des Schaufelblatts) die gleiche wie für prismatische Schaufelblätter in dieser Stufe ist;
(d) eine parabolische Verteilung des Anstellwinkels über die Höhe des Schaufelblatts wird wie im grundlegenden Entwurf verwendet.
Es ist ersichtlich, dass für eine Reihe von Stufen die Form der jeweiligen Schaufelblätter einfach radial gestreckt entsprechend der Höhe der Schaufelblätter für die Stufe erzeugt wird.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit der Verwendung von 'kurzen' HP/IP (dt.: HD/MD) feststehenden Schaufelblättern in einer Dampfturbine des Typs 'Scheibe mit kleiner Reaktion und Gitterblende' beschrieben wurde, ist sie jedoch ebenso anwendbar auf andere Typen von Turbinen und Kompressoren mit axialem Fluss sowie auf feststehende und bewegliche Schaufelblätter.
Ein weiteres Merkmal, das zusammen mit dem gerade beschriebenen Turbinenschaufelblatt eingesetzt werden kann, betrifft die Konstruktion von feststehenden Schaufelblätter zwischen ihren Endblöcken. Die Schaufelblätter werden in Gruppen zusammen mit ihren Endblöcken, die Ausschnitte aus den Ringen 21 und 22 (Fig. 1 und 2) sind, aus einem Stück maschinell gefertigt oder geschmiedet. Die Einheiten der Schaufelblätter werden dann weiter maschinell bearbeitet, um die korrekten Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten.
Fig. 7 ist ein Diagramm eines Querschnitts eines Teils der Durchtrittsöffnung zwischen zwei feststehenden Schaufelblättern. Es wurde festgestellt, dass der Radius der Kehle zwischen den Endblöcken 21 und 22 einen merklichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Stufe hat. Als optimaler Radius der Kehle wurde einer im Bereich von 0,15 bis 0,3 mal der Abmessung der Durchtrittsöffnung gefunden, wobei dem Teil des Bereichs von 0,2 bis 0,25 und insbesondere 0,23 der Vorzug zukommt.
Natürlich wird, weil die Durchtrittsöffnung an der Spitze von der an der Wurzel abweicht (aufgrund des zunehmenden Radius), der optimale Radius an dem äußeren Endblock von dem am inneren Endblock abweichen. Daher sind die bevorzugten, optimalen Werte des Radius:
r Kehle, Wurzel = 0,233 · Öffnung Wurzel
r Kehle, Spitze = 0,233 · Öffnung Spitze
Jedoch macht die Verwendung zweier verschiedener Radien den Gebrauch von zwei verschiedenen Schneidwerkzeugen im Herstellungsverfahren erforderlich, und es ist möglich, einen Kompromiss zu finden, bei dem als einziger Radius nur der Mittelwert der oben genannten Radien verwendet wird, d. h.:
Tests in einer zweistufigen Turbine unter Verwendung des mittleren Radius für die Kehle zusammen mit dem beschriebenen 'kontrollierter Fluss' Entwurf der Schaufelblätter zeigen einen Gewinn im Wirkungsgrad der Stufen von 1, 2% bezogen auf den besten gebräuchlichen Entwurf mit prismatische Schaufelblättern (angeordnet mit 5º geradem 'Lean' der Hinterkante).
Es ist ferner vorteilhaft, um Blockierungseffekte zu verringern, die Kehlen stromabwärts der Hinterkante stromlinienförmig weiterzuführen. Dies ist in Fig. 8 gezeigt, wobei Fig. 8a eine Sicht auf das Ende der Hinterkante 25 mit einer gebräuchlichen Kehle zwischen der Kante 25 und der Endwand 21 darstellt und Fig. 8b die gleiche Ansicht jedoch mit einer stromlinienförmigen Kehle zeigt. Eine Seitenansicht eines Ausschnitts zu Fig. 8b ist in Fig. 8c gezeigt, wo deutlich zu erkennen ist, dass die Kehle an ihrem am weitesten stromabwärts von der Hinterkante gelegenen Punkt verschwindet.

Claims

1. Ein flügelartiges Turbinenschaufelblatt zur Verwendung als ein Teil in einem Ring von gleichartigen Schaufelblättern in einer Turbine mit einem ringförmigen Durchlass für ein Arbeitsflüssigkeit der Turbine, wobei die Druckseite (26) des wie ein Flugzeugflügel geformten Schaufelblatts von seiner Wurzel (35) am seinem inneren radialen Ende zu seiner Spitze (37) an seinem äußeren radialen Ende in radialer Richtung nach außen gewölbt ist und die Hinterkante (25) des Schaufelblatts gerade von der Wurzel (35) zur Spitze (37) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) das Schaufelblatt von annähernd konstantem Flügelquerschnitt von seiner Wurzel (35) bis zu seiner Spitze (37) ist,

(b) das Schaufelblatt im wesentlichen symmetrisch zwischen seiner Wurzel und seiner Spitze gekrümmt verläuft, und

(c) die konvexe Krümmung der Druckseite (26) des Schaufelblatts in radialer Richtung durch eine rotierende Verlagerung der Flügelquerschnitte (33) um die gerade Hinterkante herum erreicht wird.

2. Ein Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 1, wobei die Flügelquerschnitte (33) an der Wurzel und an der Spitze des Schaufelblatts in ihrer eigenen Ebene bezüglich des Querschnitts in der Mitte der Höhe um einen Winkel im Bereich von 5º ± 2º verdreht sind.

3. Ein Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 2, wobei die Flügelquerschnitte (33) in ihrer eigenen Ebene bezüglich des Querschnitts in der Mitte der Höhe um einen Winkel im Bereich von 5º ± 1º verdreht sind.

4. Ein Turbinenschaufelblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Flügelquerschnitte (33) des Schaufelblatts auf einer parabolischen Kurve zwischen der Wurzel (35) und der Spitze (37) liegen.

5. Eine Turbine mit mindestens einer Stufe, die Schaufelblätter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 enthält.

6. Eine Dampfturbine, die mindestens eine Stufe umfasst, in der die feststehenden Schaufelblätter jeweils einem der Ansprüche 1 bis 4 entsprechen.

7. Eine Turbine, die mindestens eine Stufe umfasst, in der die feststehenden Schaufelblätter jeweils einem der Ansprüche 1 bis 4 entsprechen.

8. Eine Turbine gemäß Anspruch 7, wobei das Verhältnis des Durchtritts (t) zwischen benachbarten feststehenden Schaufelblättern zum Pitch (p) der Schaufelblätter den Sinus eines Auslasswinkels ( ) für die Schaufelblätter ergibt, der im Bereich von 7º bis 11º an der Wurzel der Schaufelblätter liegt.

9. Eine Turbine gemäß Anspruch 8, wobei der Auslasswinkel ( ) im Bereich von 8º bis 10º liegt.

10. Eine Turbine gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei der Anstellwinkel des Querschnitts in der Mitte der Höhe der feststehenden Schaufelblätter derart gewählt ist, dass er in Zusammenhang mit dem Auslasswinkel ( ) an der Wurzel einen gesamten Querschnitt des Durchtritts ergibt, der gleich ist dem einer Turbine, deren Schaufelblätter den selben Neigungswinkels (ψ) aber einen konstantem Querschnitt haben und ohne eine Verdrehung von ihrer Wurzel zu ihrer Spitze verlaufen.

11. Eine Turbine gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, aufweisend eine Reihe von Stufen, die angepasst sind für eine abnehmende Dichte der Arbeitsflüssigkeit, wobei der Auslasswinkel an der Wurzel (35) der Schaufelblätter konstant durch die Reihe von Stufen hindurch ist.

12. Eine Turbine gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die Turbinenschaufelblätter zwischen inneren und äußeren Endblöcken (21, 22) angeordnet sind, der Weg für die Arbeitsflüssigkeit zwischen benachbarten Schaufelblättern im Querschnitt durch die Endwände dieser Endblöcke geschlossen ist, die Schaufelblätter und ihre entsprechenden Endblöcke aus einem Stück geformt und maschinell bearbeitet sind, um Kehlen zwischen den Flügelflächen (26, 27) der Schaufelblätter und den Endwänden (21, 22) zu erhalten, und diese Kehlen einen Radius im Bereich von 0,15 bis 0,3 mal der Abmessung des Durchtritts zwischen benachbarten Schaufelblättern haben.

13. Eine Turbine gemäß Anspruch 12, wobei die Kehlen einen Radius im Bereich von 0,15 bis 0,3 mal dem Mittelwert der Abmessungen des Durchtritts zwischen benachbarten Blättern, gemessen an der Wurzel (35) und an der Spitze (37) der Schaufelblätter, haben.

14. Eine Turbine gemäß Anspruch 12, wobei die Kehlen einen Radius im Bereich von 0,15 bis 0,3 mal der Abmessung des Durchtritts, gemessen an der Wurzel (35) oder an der Spitze (37) der Schaufelblätter, haben.

15. Eine Turbine gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Kehlen einen Radius im Bereich von 0,2 bis 0,25 mal der Abmessung des Durchtritts, gemessen an der Wurzel (35) oder an der Spitze (37) der Schaufelblätter, haben.

16. Eine Turbine gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Kehlen einen Radius von ungefähr 0,23 mal der Abmessung des Durchtritts, gemessen an der Wurzel (35) oder an der Spitze (37) der Schaufelblätter, haben.

17. Eine Turbine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Kehlen sich hinter den entsprechenden Hinterkanten der Schaufelblätter erstrecken, die Kehlen in diesem Bereich von konkaver Form sind und in die betreffenden Endwände an einem Punkt stromabwärts von ihrer entsprechenden Hinterkante übergehen.