Turbine für elastische Treibmittel. Diese Erfindung bezieht sich auf Tur binen für elastische Treibmittel und bezweckt die Überwindung der bekannten Schwierig keit, dass .Schaufeln und Scheiben (Räder) beträchtlichen Schwingungs- bezw. Vibra- tionsbeanspruchungen ausgesetzt sind, wenn ihre Eigenschwingungszahl mit,der Zahl der von den Schaufeln und Scheiben aufgenom menen Impulsen zusammentrifft.
Diese Im pulse können durch die Einströmung von elastischem Treibmittel, zum Beispiel Dampf, in gewissen Intervallen (bei partieller Be- aufschlabgung), oder durch Unterbrechung der Zuströmung des Treibmittels mit Hilfe von zwischen Leitschaufeln angeordneten Brücken, erzeugt werden.
Periodische Im pwlse werden .auch .durch :die Leitschaufeln selbst hervorgebracht, indem sie in Wirklich keit den Dampfstrom in eine Anzahl einzel ner Strahlen unterteilen, so,dass der aus den Leitschaufeln austretende Dampf keinen ein heitlichen, ununterbrochenen Strom bildet. Diese einzelnen Strahlen sind sich zur Haupt sache gleich und die,den Leitsohaufeln (oder Düsen) entlang laufenden Laufradschaufeln sind den Impulsen dieser Strahlen ausgesetzt.
In ähnlicher Weise ist der aus den Laufrad schaufeln austretende Dampfstrom in den einzelnen Schaufelkanälen entsprechende Strahlen unterteilt. Diese 'Strahlen erteilen den Leitschaufeln Impulse, die die Leit- schaufeln in gefährliche ,Schwingungen (Vi- brationen) versetzen, wenn .die Eigenschwin- gungszahl .der Leitschaufeln .der Zahl der den letzteren erteilten Impulse entspricht.
Durch die vorliegende Erfindung soll ver mieden werden, dass in den .durch das Treib mittel in Schwingung versetzbaren Teilen, wie Laufradschaufeln, Leitschaufeln, sowie Rädern und Scheiben, die diese Schaufeln tragen, infolge -Synchronismus zwischen den von diesen Teilen aufgenommenen, durch das Treibmittel erzeugten Innpulsen und den Ei genschwingungen dieser Teile, gefährliche
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Schwingungen <SEP> auftreten.
<SEP> Nach <SEP> c & er <SEP> Eriln dung <SEP> sind <SEP> die <SEP> Durchgangskanäle <SEP> für <SEP> das elastische Treibmittel derart verteilt"dass die einem in ,Schwingung versetzbaren Teil durch einen Impuls :des Treibmittels mitgeteilte Schwingungsenergie durch einen andern zeit lich verschobenen Impuls wenigstens zum grössten Teil verniohtet wird.
Diese Impulse sind zweckmässig so verteilt"dass die von .den einen derselben einem in Vibration versetz baren Teil mitgeteilte Schwingungsbewegung etwa um eine halbe Phase zu .den von andern Impulsen erzeugbaren Schwingungsbewegun gen verschoben sind. Beispielsweise bei einer Reaktionsturbine mit abwechselnd .aufeinan der folgenden Laufrad- und Leitradkränzen, kann .die Teilung an einer .oder mehreren Stellen des Umfanges verändert sein.
An die sen -Stellen ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden'Schaufeln zweckmässig um ein ungerades Vielfaches des Abstandes zwischen den übrigen ,Schaufeln verschieden.
In Turbinen mit einer oder mehreren Dii- sensoheiben kann die Entfernung zwischen den in gleichem Drehsinn liegenden Endkan- ten eines Paares von benachbarten Düsen um eine Distanz von der Entfernung zwischen den analogen Endkanten eines andern Paares benachbarter Düsen bezw. Düsengruppen dif ferieren, die nicht weniger .als einen Viertel und nicht mehr als drei Viertel,der grösseren xler genannten Entfernungen beträgt.
Auf der Zeichnung sind mehrere Ausfüh- rungsbeispiela von Teilen solcher Turbinen schematisch dargestellt.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen je eine Ausfüh rungsform von Leitrad- bezw. Düsenschei ben in Ansicht, und Fig. 6 ist ein Achsial- schnitt durch eine einzelne Turbinenstufe mit einer Düsenscheibe gemäss Fig. 5; Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform.
Gemäss der in Fig. 1 dargestellten Aus führungsform ist in der kreisrunden Scheibe 1 ein Leitschaufelring 2 eingegossen. Die Teilung P dieses Soh.aufelringes ist auf dem ganzen Umfang des Düsenstreifens gleich mässig, im folgenden Normalteilung genannt, mit Ausnahme einer Stelle wo der Abstand
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zwiseben <SEP> zwei <SEP> l@enaclnaiten <SEP> @ehaUiBln <SEP> .auf den Wert P' vergrössert ist. Es sei angenom men, @dass .die Schwingungszahl einer Lauf eadsehaufel gleich ist der Zahl von Impulsen, .die sie erhält, während sie sich. den Leit- schaufeln entlang bewegt.
Es ist einleuch tend, ,dass dann die Laufradschaufel .die Ten denz hat, Schwingungen gleicher Perioden zahl wie .die der Dru.ekimpulse zu erzeugen. Wenn P' nicht ein ganzes Mehrfaches von P ist, so erhellt hieraus, dass, wenn die Lauf schaufeln eine ganze Umdrehung gemacht haben und synchron mit den erhaltenen Im pulsen schwingen, nach Überschreiten des Abstandes 1" von Impulsen beeinflusst wer den, die nicht mehr in der gleichen Phase. mit ihren Schwingungen sind, weshalb ihre Bewegung aufgehoben oder doch entspre chend stark gedämpft wird.
Zur Erzielung des grössten Dämpfungseffektes ist es zweck mässig, die neuen Impulse um eine halbe Phase der 'Schwingungen .der Laufschaufeln zu vervchie-bm. :,o dass P- <I>-</I> P <I>-</I> (2,N + 1) P(@, worin N eine ganze Zahl ist, oder P'=: (M -i- 1/2) P, worin M eine ganze Zahl ist.
In allen Fällen ist es wesentlich, dass die Schwingung der Laufschaufeln nicht eine gefährliche Grösse annimmt, .bevor .der Pha senwechsel mit den Impulsen eintritt. Aus diesem Grunde ist es zu empfehlen, inner halb jeder Umdrehung zwei oder mehr Pha senwechsel eintreten zu lassen.
Gemäss Fig. 2 sind im Schaufelring zwei Stellen vorhanden, wo der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Schaufeln der. Wert P' = (3l -i- 1/2) P hat, worin M eine ganze Zahl ist. Die Anzahl von eingeschal teten Spezialteilungen P' kann eine beliebige sein; diese müssen aber so .angeordnet sein, dass für eine gerade Zahl solcher 'Spezial teilungen die gesamten Impulse .der Strahlen bei einer Schwingungsphase in Zahl und Grösse denjenigen bei der entgegengesetzten Phase während einer Umdrehung,desSchau- felrades ungefähr gleich sind.
Für eine un gerade Zahl von Spezialteilungen muss die gesamte Impulszahl der Strahlen einer Phase am Ende zweier Umdrehungen .durch die ge samte Impulszahl einer entgegengesetzten Phase ausgeglichen sein.
Bei einer andern Ausführungsfarm ist die Teilung der sei es in Gruppen ,oder auf -dem ganzen Umfang des Ringes so gewählt, @dass jeder Impuls durch einen oder mehrere Impulse zerstört wird, :deren Phase von .der Schwingungsphase .der Schaufelnab weicht.
Wenn der Dtisenring kein vollständiger ist, vielmehr aus einzelnen auf dem Umfang des Laufrades verteilten Düsen besteht, zwi schen denen sich tote Zwischenräume befin den, ist es möglich, jede den Laufradschau- feln mitgeteilte Schwingung durch eine sol che Verteilung der Düsen zu dämpfen, dass im Falle einer geraden Düsenzahl, die eine Hälfte .den Laufradsch:
aufeln Impulse der einen Phase, die andere Hälfte dagegen um eine halbe Phase verschobene Impulse ver mittelt, so dass .alle Impulse während einer oder mehrerer Umdrehungen des Laufrades zwei Gruppen bilden, die gleich gross, jedoch in der Phase einander entgegengesetzt sind. Bei einer ungeraden Düsenzahl kann diese vollständige Gleichheit nach jeder geraden Umdrehungszahl des Laufrades erzielt wer den. Bei .der in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform sind vier .auf dem Umfang der :Scheibe 1 ungleich verteilte Düsen 3, 4; 5 und 6 vorhanden.
Die Entfernung D/2 zwi schen den Düsen 4 und 5 bezw. 3 und 6 ist halb so gross wie die Entfernung D zwischen den Düsen 4 und 6 bezw. 3 und 5-. Die Im pulse der durch die Düsen 3 und 4 auf die Laufradsch.aufeln geleiteten Treibmittelstrah- len sind um eine halbe Phase zu den Impul sen derjenigen Strahlen verschoben, die durch die Düsen 5 und 6 geleitet sind. Die gesamte Impulszahl beider Phasen ist bei jeder Um drehung :des Laufrades ausgeglichen.
In Fig. 4 weist die Scheibe 1 fünf auf dem Umfang derselben verteilte Düsen .oder Durchgangskanäle 7, 8, 9, 10, 11 für das Treibmittel auf. Die Entfernung D ist zwi- sehen den Düsen 7, 8, 9, 10 und 11 gleich gross, wogegen die Entfernung zwischen ,den Düsen 11 und 7 die Hälfte, D/2 beträgt.
Die Impulse der .durch .die Düsen 7, 8, '9, 10 und 11 gehenden Treibmittelstrahlen auf das Laufrad haben die gleiche Phase, wenn aber ,die Düse 7 wieder erreicht wird, sind die Im pulse während der folgenden Umdrehung .des Laufrades um eine halbe Phase zu denjenigen der vorhergehenden Umdrehung verschoben. Hieraus erhellt, @dass die Impulse beider Pha sen bei jeder zweiten vollständigen Umdre hung :des Laufrades ausgeglichen sind.
Der Phasengegensatz und, die Gleichheit der ent gegengesetzten Impulse kann, wie aus dem bezüglich der Fig. 3 und 4 Gesagten hervor geht, dadurch erzielt werden, .dass weder die Entfernung zwischen allen Düsen gleich noch ein Mehrfaches einer normalen Entfernung beträgt, sondern, dass zwischen einzelnen Dü sen, je nachdem eine gerade oder ungerade Zahl Düsen vorhanden ist,
ein Abstand von der halben Grösse des normalen Düsenabstan- ,des oder aber von der Grösse einer ganzen und einer halben normalen Entfernung ge wählt wird.
In dem Falle, wo Gruppen von Düsen von der Normalteilung P vorhanden und. die Gruppen mit toten Zwischenräumen vonein ander getrennt sind, können beide vorerwähn ten Einteilungen benützt werden, nämlich die Einschaltung von .Spezialteilungen in den Gruppen und die Änderung ,der gegenseitigen Distanz der Gruppen auf. dem Umfang.
Die Teilung .der Schaufelreihe eines Lauf rades kann an einer oder mehreren Stellen des Schaufelkranzes, in ganz ähnlicher Weise geändert sein, wie ;bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Leiträdern. Beispielsweise kann die Teilung des Laufradschaufelringes in der Reihe der Schaufeln fortlaufend verändert sein;
doch wird diese Ausführung gewöhn lich nicht so zweckdienlich sein, wie die zu letzt erwähnte Variante. Die Erfindung kann auch zu dem Zweck angewendet werden, ge fährliche Schwingungen in .der Laufrad scheibe zu verhüten, wenn eine Anzahl von Düsengruppen mit gleichem Zwischenraum auf dem Unifang des Turbinenleitrades ver teilt sind, und die Frequenz der von .den aufeinanderfolgenden Düsengruppen empfan genen Druckimpulse irgend einer Laufrad schaufel die gleiche ist,
wie eine der Eigen- schwinbungszahlen der Laufradscheibe, oder mit andern Worten, wenn die Normaldistanz zwischen den Düsengruppen der Wellenlänge einer Eigenschwingung der Laufradscheibe entspricht, und die letztere somit das Bestre ben hiat, Schwingungen von gefährlicher Grösse auszuführen.
Dieser Nachteil ist be hoben bei der in Fig. 5 und 6 veranschau lichten Ausführungsform. Bei derselben ist auf einer Welle 13 ein Laufrad 12 mit Schaufeln 14 befestigt, ,auf welche durch in einer feststehenden Scheibe 19 vorhandene Düsen 15, 16, 17, 18 hindurch Dampf ge leitet wird.
Diese Düsen sind auf dem Um fang der Scheibe 19 in zwei Gruppen ver teilt, ähnlich wie in Fig. 3 dargestellt, so dass die :der Laufradscheibe bei einer Schwin gungsphase erteilten Impulse .den der Lauf radscheibe bei .der entgegengesetzten Schwin gungsphase erteilten Impulsen in Zahl und Grösse zur Hauptsache deich sind und folg lich auch die durch in einer Phase aufge nommene Impulse erzeugte Schw ingungs.. energie im Laufrad durch die Impulse der entgegengesetzten Phase wenigstens an nähernd vernichtet wird.
'So werden in dem in Fig. 5 und 6 gezeichneten Beispiel die durch die Dampfstrahlen der Düsen 16 und 18 erzeugten Schwingungen durch die Wir- kungder aus,den Düsen 15 und 17 empfan genen Impulse aufgehoben, dank der gezeig ten Veränderung .des Zwischenraumes zwi schen den benachbarten Düsenpaaren. In genau gleicher Weise kann die gewünschte Wirkung erzielt werden, wo Düsengruppen mit unwirksamem Zwischenraum zwischen ihnen vorhanden sind, und zwar durch Ver änderung -der Entfernung, beispielsweise zwi schen den Austrittskanten der benachbarten Gruppenpaare, wie dies in Fig. 7 schematisch gezeigt ist.
Das Rad 20 .besitzt vier Düsen gruppen 21, 22, 23, 24, durch die im Betrieb der Turbine Dampfstrahlen erzeugt werden. Wenn angenommün wird, ,dass die Tur bine entgegengesetzt zur Uhrzeigerdrehrich- tung rotiere, so werden -die !Schaufeln des Laufrades die aus .der Düsengruppe 21 aus tretenden D.ampfstrahlen bei Punkt 25 ver lassen, welcher die Endkante der Düsen gruppe 21 bildet. Zur Vermeidung .einer.;
e- fährliohen Vibration ist die Entfernung D zwischen den Endkanten 26 und 27 der bei den nächstfolgenden Düsengruppen 22 und 23 halb so gross .als die Endkanten-Entfer- nung D der Düsengruppen 21 und 22. In analoger Weise entspricht die Entfernung zwischen den Endkanten 27 und 28 derjeni gen D zwischen den Endkanten 25 und 26 und die Entfernung<B>D,12</B> derjenigen zwischen den Endkanten 26 und 27.
Die aufeinander folgenden Endkanten-Entfernungen auf eine volle Umdrehung des Laufrades wechseln so mit in ihrer Grösse jeweils um das Doppelte, so da.ss die durch die eine Dampfstrahlen- gruppe erzeugten Vibrationen durch diejeni gen der durch die nächstfolgende Dampf strahlengruppe erzeugten Vibrationen <B>ge-</B> dämpft bezw. aufgehoben werden:.