Auslegung von Laufgittern für Axialturbinenstufen mit kleinem Reaktionsgrad

Abstract

Bei Dampfturbinen kleiner Leistung steht die Forderung nach geringen Investitionskosten im Vordergrund, der Wirkungsgrad der Turbine spielt eine eher untergeordnete Rolle. Da die Investitionskosten direkt proportional der Anzahl der Stufen sind, besteht die Notwendigkeit, ein möglichst großes Stufengefälle zu verarbeiten. Diese Anforderung wird durch die sogenannte Gleichdruckbauart erfüllt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung von einfachen Laufschaufelgittern für Axialturbinenstufen. Diese Bauart einer Stufe wird mit einem kinematischen Reaktionsgrad von null charakterisiert. Weil in der Realität die Reaktion aber von der Schaufelspitze zum Schaufelfuß abnimmt und dabei nicht unter null fallen sollte, muss im Mittelschnitt ein leicht positiver Reaktionsgrad vorgesehen werden. Somit kann als Grenzfall eine Reaktion am Schaufelfuß von null gefordert werden. Mit Richtwerten für typische Abströmwinkel der Leitschaufeln in Gleichdruckstufen und der Forderung nach drallfreier Abströmung wird zuerst die Umlenkaufgabe des Laufschaufelgitters festgelegt und damit auch die Geschwindigkeitsdreiecke für Eintritt- und Austrittsseite. Für die Festlegung einer Konstruktionsvorschrift wird das idealisierte symmetrische Laufschaufelgitter für Gleichdruckstufen, aufgebaut aus Kreisbögen und Geraden sowie spitzen Ein- und Austrittskanten, zugrunde gelegt. Unter Beibehaltung von Kreisbögen und Geraden muss die Symmetrie aufgrund einer leicht beschleunigten Strömung durch einen Reaktionsgrad größer null aufgegeben werden, die Berücksichtigung einer Austrittswinkelübertreibung beeinflusst zusätzlich den ausgeführten Metallwinkel an der Hinterkante. Die spitze Vorderkante sowie Hinterkante werden etwas realitätsnäher durch einen Vorderkantenradius größer null und eine Hinterkantendicke größer null ausgeführt. Dabei wird die teils beträchtliche Verkürzung des Profils hinsichtlich des Zweifel-Kriteriums miteinbezogen. Liegt eine Konstruktionsvorschrift und ein daraus entstandenes CAD-Modell vor, so können unter Anwendung eines kommerziellen CFD-Programms die Strömungen verschiedener Laufschaufelgitter berechnet werden. Zur Bewertung der Strömungen bzw. der Schaufelprofile dienen verschiedene Parameter wie der Profilverlustbeiwert und die Profildruckverteilung bei einer Variation des Zweifel-Koeffizienten.

In case of low-power steam turbines, the demand for low investment costs is in the foreground, the efficiency of the turbine plays a minor role. Since the investment costs are directly proportional to the number of stages, there is the need to process an enthalpy drop as large as possible. This requirement is satisfied by the so-called impulse turbine design. The present work deals with the design of simple axial impulse turbine stages. This design of a stage is characterized by a degree of reaction of zero. In the reality the degree of reaction decreases from blade tip toward blade hub, but should not fall below zero. So the degree of reaction at midspan must be made slight positive. Therefore, the limit case of a reaction at the blade hub of zero can be set up. With standard values for typical flow angles of impulse turbines and the demand for free-vortex design the deflection task is defined first and thus the velocity triangles for cascade inlet and exit. For the definition of a design specification the idealized symmetric impulse turbine cascade is used. It consists of circular arcs and straight lines with sharp leading and trailing edges. While retaining circular arcs and straight lines the symmetry has to be quit because of a slightly accelerated flow because of a reaction below zero. The consideration of the induced incidence and outlet flow angle deviation have an additional effect on the performed blade angles. The sharp leading edge and trailing edge can brought closer to reality by using a radius at the leading edge bigger than zero and a thickness at the trailing edge bigger than zero. In that process the reduction of the blade width in consideration of the Zweifel-criterion is involved. Once the design specification has been finished and a CAD-model has been made, a commercial CFD-program can be used to calculate the fluid flow in the turbine cascade. The evaluation of the blade profiles using various parameters such as the total pressure coefficient and pressure distribution in variation of the Zweifel-coefficient was made.