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Kreiselmaschine, vorzugsweise Dampf- oder Gasturbine Zusatz zum Patent
647 473 Bei Kreiselmaschinen, insbesondere Dampf-oder Gasturbinen, hängt der Wirkungsgrad
der Beschauflung bekanntlich wesentlich von dem Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit
der Schaufeln is zu der in ihnen relativ zu den Schaufeln auftretenden Austrittsgeschwindigkeit
des Arbeitsmittels c ab. Z. B. treten bei Überdruckbeschauflung die günstigsten
Verhältnisse ein, wenn die Umfangsgeschwindigkeit u fast gleich groß ist wie die
Geschwindigkeit des Arbeitsmittels c. In der Nähe dieses günstigsten Wertes ist
der Einfluß einer Änderung des Verhältnisses allerdings gering, der Wirkungsgrad
fällt aber um so steiler ab, je mehr man sich von dem Bestpunkt entfernt. Ist die
Zahl der Schaufelreihen und ihre- Umfangsgeschwindigkeit aus baulichen und wirtschaftlichen
Gründen gegeben und ergibt das in ihnen zu verarbeitende Gefälle des Arbeitsmittels
im Mittel größere Geschwindigkeiten des Arbeitsmittels, als dem günstigsten Wert
ulc entsprechen würden, so ist es theoretisch vorteilhaft, den Wert des Verhältnisses
ulc möglichst gleichmäßig in allen Schaufelreiben abzusenken, um im Durchschnitt
dem Bestwert dieses Verhältnisses möglichst nahe zu bleiben und in keiner Schaufelreihe
in das Gebiet der steilen Wirkungsgradabnahme zu fallen. Diese- theoretischen Erkenntnisse
werden besonders im Dampf- und Gasturbinenbau seit langem berücksichtigt, da praktische
Erfahrungen immer wieder bestätigt haben, daß der . sich aus den Geschwindigkeitsdreiecken
der Beschauflung theoretisch ergebende Wirkungsgradabfall mit abnehmendem Verhältnis
u/c.tatsächlich noch in viel höherem Maße auftritt, da bei den in derartigen Maschinen
bisher üblichen Strömungsgeschwindigkeiten die mit sinkendem Verhältnis ulc zunehmende
Umlenkung des Dampf- oder Gasstrahls eine wesentliche Erhöhung der Strömungsverluste
zur Folge hat.
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Besondere bauliche Verhältnisse haben häufig dazu gezwungen, von einer
Gleichhaltung des. Verhältnisses ulc über alle Stufen hinweg abzuweichen. Beim Bau
von axial beaufschlagten 'Turbinen ist z. B. die Zunahme der Beaufschlagungsdurchmesser
in Anpassung an den während der Entspannung anwachsenden Rauminhalt begrenzt. Eine
sprunghafte Vergrößerung der-Durchmesser hat-Austrittsverluste an den Stellen der
Abstufung im Gefolge, während eine kegelige Anordnung der Schaufeln aus Strömungsrücksichten
nicht übertrieben werden darf. Das gleiche gilt für die Anpassung der Schaufellänge
an - die Ausdehnung des
Arbeitsmittels. Man muß daher bei axial
beaufschlagten Maschinen häufig das Verhältnis u1c mit wachsender Ausdehnung des
Arbeitsmittels abnehmen lassen: Bei kleinen Mengen und geringem Rauminhalt ist es
weiterhin bei axial beaufschlagten Maschinen als zweckmäßig erkannt worden, in den
Hochdruckstufen zur Erzielung ausreichender Schaufellängen möglichst.kleine Strömungsgeschwindigkeiten
anzuwenden, indem hier das höchstzulässige Verhältnis zs/c gewählt wird. Beide Maßnahmen
zielen also darauf hin, das Verhältnis u1c bei den kleinen Beaufschlagungsdurchmessern
zu vergrößern.
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Bei radial beaufschlagten Kreiselmaschinen ist es möglich, die Änderung
der Beaufschlagungsdurchmesser im gleichen Sinne vorzunehmen wie die Änderung des
Rauminhaltes des Arbeitsmittels. Z. B. beaufschlagt man bei Dampf- und Gasturbinen
die Beschauflung zweckmäßig von innen nach außen. Es tritt dann häufig der Fall
ein, daß die Änderung der Beaufschlagungsdurchmesser schneller erfolgt als die Änderung
des Rauminhaltes des Arbeitsmittels. So kann es bei radial von innen beaufschlagten
Dampf- oder Gasturbinen erforderlich werden, die Schaufelkanäle nach außen zu trotz
der Entspannung des Treibmittels verkleinern zu müssen. Insbesondere bei den inneren
Schaufelreihen des Hochdruckteiles kann hierbei zum Teil die erforderliche Änderung
der Schaufellänge so erheblich werden, daß strömungstechnische Bedenken auftreten.
In solchen Fällen wird eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit gegenüber dem
aus dem erstrebten Verhältnis zs/c sich errechnenden Wert in den inneren Schaufelreihen
und eine entsprechende Verschlechterung des Verhältnisses u 1c erforderlich.
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Die Erkenntnisse auf Grund der vorliegenden Erfindung gehen über den
Rahmen dieser zwangsläufig bedingten Veränderung des Verhältnisses u1c hinaus. Sie
machen sich die besonderen Verhältnisse zunutze, welche bei der Verteilung von radial
beaufschlagten Schaufeln auf eine größere Anzahl von Rädern entstehen, als es die
Berechnung der Räder und der mit ihnen verbundenen Tragringe auf zulässige Höchstbeanspruchung
des Baustoffes für die Unterbringung der notwendigen Schaufelzahl erfordert. Gemäß
der Erfindung wird für vielstufige, radial beaufschlagte Kreiselmaschinen mit derartig
beschaufelten Rädern vorgeschlagen, das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit u
von an einem Ende abgestützten Laufschaufeln zu der in den Laufschaufeln oder den
zugehörigen Leitschaufeln erzeugten relativen Austrittsgeschwindigkeit c des Arbeitsmittels
durch Verkleinerung des gesamten Austrittsquerschnittes der inneren und Vergrößerung
des gesamten Austrittsquerschnittes der äußeren Schaufelkränze gegenüber den bei@Gleichhaltung
des Wertes zt/c gegebenen Austrittsquerschnitten mit abnehmendem Beaufschlagungsdurchmesser
stärker abnehmen zu lassen, als es mit Rücksicht auf unzulässige Querschnittsveränderung
der Schaufelkanäle. erforderlich ist.
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Als noch unbedenklich zulässig gilt im Dampfturbinenbau allgemein
ein Erweiterungswinkel von i5°, bezogen auf die Gesamterweiterung beider Schaufelflanken.
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Vielstufige, radial beaufschlagte Kreiselmaschinen mit derartig beschaufelten
Rädern lassen die Verwendung außergewöhnlich kleiner Strömungsgeschwindigkeiten
zu. Bei der Anwendung derartig kleiner Str5mungsgeschwindigkeiten verringern sich
gemäß den Erkenntnissen der Erfindung nicht nur die Strömungsverluste an sich, sondern
die Strömungsverluste werden mehr und mehr unabhängig von dem Grade der Umlenkung
in der Beschauflung und damit auch unabhängig von dem Verhältnis ulc. Die Verschlechterung
des Wirkungsgrades mit abnehmendem Verhältnis u1c hält sich also in den theoretisch
aus den Geschwindigkeitsdreiecken der Beschauflung errechenbaren Größen. Andererseits
tritt die noch verbleibende, verhältnismäßig geringe -\Terschlechterung des Wirkungsgrades,
wie sie sich aus dem Geschwindigkeitsschaubild ergibt, gerade in den inneren Schaufelreihen
ein, deren Durchmesser klein sind. Kleine Durchmesser bedingen einen kleinen Umfang,
! also an sich schon kleinen Spaltquerschnitt in den Abdichtungen, der noch dadurch
vermindert wird, daß bei kleinen Durchmessern erfahrungsgemäß engere Spalte eingehalten
werden können. Der Spaltverlust ist demnach in den inneren Schaufelreihen geringer
als in den äußeren, und erfindungsgemä$ kann der Gesamtwirkungsgrad unter Berücksichtigung
des Spaltverlustes in den inneren Schaufelreihen selbst bei verringertem Verhältnis
u1c höher. oder etwa gerade so hoch sein wie in. den äußeren Schaufelreihen. Unter
Durchführung des Erfindungsgedankens kann eine gleichmäßige Verteilung des Gesamtwirkungsgrades
über die einzelnen Schaufelreihen erzielt werden.
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Eine Vergrößerung des Austrittsverlustes infolge dieser Verschlechterung
des Verhältnisses u1c tritt bei einer an einer Scheibe umeinander angeordneten,
von innen beaufschlagten Beschauflung nicht ein, da das Verhältnis u/c: nur in den
inneren Schaufelreihen verschlechtert wird. Die Austrittsgeschwindigkeit der inneren
Schaufelreihen findet bei von innen beaufschlagter Überdruckbeschauflung ifire Ausnutzung
in den sie umgebenden äußeren Schaufelreihen: Wenn also in
der äußersten
Schaufelreihe das Verhältnis illc unverändert bleibt, so tritt keinerlei Vergrößerung
des Austrittsverlustes der auf der einen Scheibe angeordneten Beschauflung ein.
Das Verhältnis ic/c der äußersten Schaufelreihe kann vielmehr auf Grund der Verringerung
des Verhältnisses u/c in den inneren Schaufelreihen und der hierdurch bedingten
höheren Gefällsumsetzung in diesen Reihen meistens günstiger gestaltet werden, so
daß sich eine merkliche Verringerung des Austrittsverlustes der Schaufelgruppe ergibt.
Die starke Veränderung der Schaufeldurchmesser bei radialer Beaufschlagung wird
also gemäß der Erfindung planmäßig dahin ausgenutzt, den Austrittsverlust der Schaufelgruppen
bei gleicher Stufenzahl zu verringern oder die Stufenzahl herabzusetzen bei gleichem
Austrittsverlust.
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Es ergeben sich aber aus der bewußten Verschlechterung der Verhältnisse
u1c in den inneren Schaufelreihen weitere wesentliche Vorteile, welche den Vorteil
des Gegenstandes des Hauptpatents zweckmäßig fördern. Bei Anordnung mehrerer radial
beaufschlagter Scheiben nebeneinander auf der gleichen Welle entsprechend dem Hauptpatent
wird der Abstand der Scheiben voneinander und damit die axiale Baulänge der Welle
und Maschine durch die Länge der inneren Schaufelreihen maßgebend bestimmt. Infolge
der kleinen Durchmesser ergeben sich in den inneren Schaufelreihen die größten Schaufellängen,
und ebenso muß die axiale Länge des das Arbeitsmittel zuführenden Zwischenraumes
zwischen den Rädern und Scheiben am Innendurchmesser am größten gewählt werden,
da hier der zur Verfügung stehende Umfang am kleinsten ist. Wird die Strömungsgeschwindigkeit
in den inneren Schaufelringen groß gewählt, so halten sich auch hier die Schaufellängen
in erträglichen Grenzen. In dem engsten Querschnitt innen zwischen den Rädern und
Scheiben können die Zuflußgeschwindigkeiten zur innersten Schaufelreihe entsprechend
erhöht werden, so daß auch der zur Zuführung des Arbeitsmittels erforderliche Zwischenraum
verkürzt werden kann.
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Aber auch die Achsschübe der die Schaufelreihen tragenden Räder oder
Scheiben, deren Verringerung die Aufgabe des Hauptpatents ist, werden durch die
Geschwindigkeitsverteilung gemäß der Erfindung vorteilhaft beeinflußt. Bei angenähert
gleichbleibendem Verhältnis u1c entlang eines Rades oder einer Scheibe treten in
den äußeren Schaufelreilieii entsprechend den größeren Umfangsgeschwindigkeiten
größere Geschwindigkeiten des Arbeitsmittels auf. Die in den Schaufelreihen verarbeiteten
Gefälle des Arbeitsmittels sind dem Quadrate der Geschwindigkeiten verhältnisgleich,
so daß in den äußeren Schaufelreihen viel größere Druckgefälle auftreten. Auf den
großen Außenflächen der Räder oder Scheiben lasten also bei der üblichen Gefällsverteilung
vergrößerte Druckunterschiede, und die Schubbelastung der Räder oder Scheiben steigt
entsprechend an. Diese Belastung durch vergrößerte Druckunterschiede ergibt aber
weiterhin nachteilige, zusätzliche Beanspruchungen für die durch Fliehkraft bereits
hochbeanspruchten Tragringe der äußeren Schaufelreihen. Durch die Geschwindigkeitsverteilung
nach der vorliegenden Erfindung kann dagegen ein ziemlich geradlinig entlang des
Rades oder der Scheibe verlaufender Druckabfall erreicht werden, so daß die geschilderten
Nachteile nicht eintreten. Ähnliche Überlegungen wie für den Druckabfall gelten
auch für den Temperaturabfall entlang des Rades oder der Scheibe. Die Beanspruchung
der Scheiben wird übrigens auch dann herabgesetzt, wenn in Ausnutzung des Erfindungsgedankens
gemäß obigen Ausführungen die auf einem Rade oder einer Scheibe angeordnete Stufenzahl
bei gleichem Auslaßverlust der Schaufelgruppe verkleinert und damit der äußere Durchmesser
des Rades oder der Scheibe vermindert wird. Die vorliegende Erfindung trägt also
zur Lösung der dem. Hauptpatent zugrunde liegenden Aufgabe einer Verminderung der
Achsschübe wesentlich bei.
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Zur Erreichung einer stärkeren Abnahme des Verhältnisses u/c, als
mit Rücksicht auf unzulässige Querschnittsveränderung der Schaufelkanäle erforderlich
ist, verringert sich nach dem Vorschlag der vorliegenden Erfindung die in an einem
Rade oder einer Scheibe abgestützten Schaufelreihen relativ zu den Schaufeln erzeugte
Austrittsgeschwindigkeit mit abnehmendem Beschauflungsdurchmesser wesentlich langsamer
als der Beaufschlagungsdurchmesser. Besonders vorteilhafte und übersichtliche Verhältnisse,
welche zugleich die Berechnung wesentlich vereinfachen, ergeben sich, wenn in an
einem Rade oder einer Scheibe abgestützten Schaufeln ohne Rücksicht auf die Veränderung
der Beaufschlagungsdurchmesser durch Verkleinerung des gesamten Austrittsquerschnittes
der inneren und Vergrößerung des gesamten .Austrittsquerschnittes der äußeren Schaufelkränze
etwa die gleiche relative Austrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels erzeugt wird.
Um den Austrittsverlust der Gruppe von Schaufelreihen eines Rades oder einer Scheibe
möglichst klein zu halten, wird weiterhin vorgeschlagen, in allen Schaufelkanälen
eines Rades oder einer Scheibe durch Verkleinerung des gesamten Austrittsquer-
Schnittes
der inneren und Vergrößerung des gesamten Austrittsquerschnittes der äußeren Schaufelkränze
eine relative Austrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels zu erzeugen, welche angenähert
gleich der Umfangsgeschwindigkeit der äußersten Schaufelreihen des Rades ist. Schließlich
tritt eine gute Anpassung an die Änderung des Rauminhaltes des Arbeitsmittels mit
wachsender Arbeitsumsetzung ein, wenn radial beaufschlagte, von axial hintereinandergeschalteten
Rädern oder Scheiben getragene Schaufelgruppen, in welchen eine innerhalb der Gruppen
annähernd gleichbleibende relative Austrittsgeschwindigkeit erzeugt wird, durch
eine hinter der Rauminhaltsänderung des Arbeitsmittels zurückbleibende Vergrößerung
der gesamten Austrittsquerschnitte der Schaufelkränze von Gruppe zu Gruppe mit zunehmender
Geschwindigkeit beaufschlagt sind.
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Die Abbildung gibt einen senkrechten Schnitt durch eine gemäß dem
Hauptpatent gebaute Dampfturbine wieder. In den Lagern. i ist die Welle 2 der Turbine
und des von der Turbine angetriebenen, zwischen den beiden Lagern angeordneten Stromerzeugers
(nicht gezeichnet) gelagert. Die Lagergehäuse 3 sind durch die an Scheiben e1, e2,
dl und d@ befestigten Abdichtungen q. gegen das Eindringen von Dampf geschützt.
Der Leckdampf dieser Abdichtungen entweicht durch die Rohre 5. Gegen die Schultern
6 der auf die Wellenenden aufgeschobenen Büchsen 7 stützen sich die mit radial beaufschlagten
Schaufeln a1 bis a$ versehenen Räder b1 bis b". Mit den Rädern a1 bis a8 stehen
die ruhenden Scheiben cl bis c8 im Eingriff. Diesen' radial beaufschlagten .Schaufelgruppen
ist mit Rücksicht auf den großen Rauminhalt des Dampfes am Ende der Ausdehnung eine
axial beaufschlagte Beschauflung 8 nachgeschaltet, die auf dem Rade 9 und dem Ring
io befestigt ist. In das Hochdruckgehäuse i i tritt der Dampf bei 12 ein, durchströmt
von innen nach außen nacheinander die axial hintereinandergeschalteten, radial beaufschlagten
Schaufelgruppen a1 bis a5, tritt durch die Rohrleitung 13 in das Niederdruckgehäuse
1q. über und durchfließt schließlich nacheinander die axial hintereinandergeschalteten,
radial beaufschlagten Schaufelgruppen a, bis ae und die axial beaufschlagte Schaufelgruppe
S, um dann bei 15 in den nicht gezeichneten Kondensator abzuströmen: Diese
Turbine ist beispielsweise so entworfen, daß die in den radial beaufschlagten Schaufeln
in: jeder Reihe erneut erzeugte Dampfgeschwindigkeit in den Schaufelgruppen a1 bis:
a, der gemäß der Erfindung beschaufelten Räder b1 bis b7 innerhalb der an einem
Rade b oder einer Scheibe c befestigten Schaufelgruppe a angenähert gleich ist.
Die Schaufelgruppe as, welche an dem gemäß bekannter Bauart beschaufelten Rade b3
befestigt ist, weist dagegen in den äußeren Schaufelreihen zweckmäßig ein gleichbleibendes
Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit zc zur Dampfgeschwindigkeit c auf, d: h. die
Dampfgeschwindigkeit nimmt in den äußeren Schaufelreihen nach außen hin zu, da im
Unterdruckgebiet die Zunahme des Rauminhaltes des Dampfes größer ist als die bei
derart großen, an die Grenze der Fliehkraftbeanspruchung gehenden Durchmessern von
Reihe zu :Reihe auftretende Vergrößerung des jeweiligen Umfanges der Schaufelreihen.
Auch entstehen im Unterdruckgebiet keine großen Achsschübe mehr, so daß besondere
Maßnahmen zur Verminderung der Achs-Schübe in diesem Gebiet nicht mehr erforderlich
sind. Doch ist es meist aus baulichen Rücksichten vorteilhaft, Räder mit bis: zur
Grenze der Fliehkraftbeanspruchung ausgedehnter Beschauflung in zwei umeinander
angeordnete Räder zu zerlegen; so däß dann für das innere Rad die Erkenntnisse der
Erfindung Geltung haben würden.
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' Die Wahl einer etwa gleichbleibenden Dampfgeschwindigkeit für jede
an einem Rade b oder einer Scheibe c befestigte Schaufelgruppe a und die sich hieraus
gemäß der Erfindung ergebende Verringerung des Wertes u% nach innen zu ergibt, wie
die Figur zeigt, in den Hochdruckschaufelgruppen a1 bis a5 noch eine mäßige Zunahme
der erforderlichen Schaufellängen nach innen zu, selbst wenn die Schaufelteilung
nach innen zu in zulässigen Grenzen vergrößert wird: Dieses Anwachsen der Schaufellängen
hält sich aber in Grenzen, die unterhalb des Maßes liegen, das mit Rücksicht auf
gute Strömungsverhältnisse erforderlich erscheint. Die Abnahme des Wertes u1c ist
bewußt weitergetrieben, als mit Rücksicht auf unzulässige Querschnittsveränderung
der Schaufelkanäle erforderlich ist. Besonders deutlich wird diese Tatsache bei
den Niederdruck--'schaufelgruppen a, bis äs, bei denen die Schaufellängen für jede
Schaufelgruppe gleich sind.
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Durch die angenäherte Gleichhaltung der Dampfgeschwindigkeiten innerhalb
der einzelnen Schaufelgruppen a wird eine gute gegenseitige Anpassung der verschiedenen
Strömungsverluste und ein entsprechend gleichmäßiger Wirkungsgrad der einzelnen
Schaufelreilien einer Gruppe erzielt. Weiterhin wird erreicht, daß die in den einzelnen
Reihen einer Gruppe umgesetzten Wärmegefälle nach innen zu nur wenig abnehmen und
damit ein höheres Wärmegefälle in
jeder Gruppe bei gleichem Austrittsverlust
verarbeitet werden kann. Durch diese veränderte Verteilung des Wärmegefälles wiederum
wird der Achsschub der die Schaufeln tragenden Scheiben und Räder herabgesetzt,
da sich die Druckverteilung ändert. Schließlich wird die gesamte Baulänge der Turbine
und insbesondere die Länge der Welle durch die eintretende Verkürzung an den inneren
Schaufelreihen wesentlich verringert.