Konturierter Kanal einer axialen Strömungsmaschine

Abstract

 Aufgabe der Erfindung ist es mittels einer besonders ausgeformten Kanalkontur die Verlustströme einer axial durchströmten Turbomaschine zu reduzieren. Der durchströmte Kanal einer mehrstufig beschaufelten Turbomaschine wird dabei durch eine rotorseitige und eine statorseitige strömungsbegrenzende Wand (8,10) gebildet. Die rotorseitige Wand (8) ist im wesentlichen aus Leitschaufelspitzen (16) und aus Laufschaufelfüßen (22) geformt und die statorseitige Wand (10) ist im wesentlichen aus Leitschaufelfüßen (18) und aus Laufschaufelspitzen (20) geformt. Die Laufschaufelfüße (22) weisen eine konkave Kontur (24b) auf und/oder die Leitschaufelspitzen (16) weisen eine konvexe Kontur (26) auf.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft axial durchströmte Turbomaschinen mit einer mehrstufigen Beschaufelung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Konturierung und Gestaltung des durchströmten Kanals in seinem beschaufelten Bereich. Sie ist anwendbar bei Beschaufelung mit Spitzendichtung und bei solchen mit Deckplatten- oder Deckbanddichtungen.

Stand der Technik

[0002] Bei der Durchströmung von zylindrischen Rohren treten bestimmte typische Strömungsformen auf, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. Besonders wichtig ist in diesem Zusammenhang der Unterschied zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Bei der laminaren oder Schichtströmung bewegen sich die einzelnen Masseteilchen auf zur Rohrachse parallelen Stromlinien, ohne sich miteinander zu vermischen. Bei der turbulenten oder wirbelbehafteten Strömung treten neben der in Rohrachse gerichteten Bewegung der Masseteilchen auch Querbewegungen auf, die zu einer ständigen Vermischung der Masseteilchen in der Strömung führen.

[0003] In axial durchströmten Turbomaschinen strömt die Hauptströmung (das Rauchgas) mit hoher kinetischer Energie durch die feststehenden Leitschaufeln und wird von diesen vorteilhaft auf die nachfolgende Reihe rotierender Laufschaufeln geleitet. Dadurch erfahren die letzteren einen starken Impuls in Umfangsrichtung. Über die Expansion wird je Laufschaufelreihe ein Teil der thermischen Energie der Hauptströmung in mechanische Energie umgewandelt. Durch die Beschaufelung und die damit verbundene laufende Umlenkung der Massenteilchen ist in axial durchströmten Turbomaschinen die resultierende Strömung turbulent.

[0004] Bei der wirbelbehafteten Reaktionsbeschaufelungen dieser axial durchströmten Turbomaschinen mit zylindrischen Schaufeln werden durch die laufend wechselnde Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit schlängelnde Bewegungsbahnen der Masseteilchen hervorgerufen. Diese wellige Strömung ist in dem Buch "Thermische Turbomaschinen" von Walter Traupel, 1. Band, Springer Verlag 1966, Kapitel 7 beschrieben. Um Spaltverluste zwischen Beschaufelung und Begrenzungswänden zu vermindern, ist es unter Beibehaltung dieser welligen Strömung bekannt, die statorseitige und die rotorseitige Begrenzung mit annähernd der gleichen Welligkeit zu versehen, wie sie die Strömung aufweist. Dabei kann die statorseitige Wellenform dadurch gebildet sein, daß die Kontur im Bereich des Leitschaufelfußes zur Maschinenlängsachse hingerichtet ist und im Bereich der Laufschaufelspitze von der Maschinenlängsachse weggerichtet ist. Dementsprechend ist die rotorseitige Wellenform dann dadurch gebildet, daß die Kontur im Bereich der Leitschaufelspitze zur Maschinenlängsachse hingerichtet ist und im Bereich des Laufschaufelfußes von der Maschinenlängsachse weggerichtet ist.

[0005] Diese Lösungen haben aber immer noch nicht zu einer zufriedenstellenden Optimierung der durchströmten Turbomaschinen geführt.

[0006] Aus EP 0 799 973 ist es bekannt, die rotorseitige und statorseitige strömungsbegrenzende Wand des durchströmten Kanals unmittelbar am Austritt der Laufschaufeln mit einem Knickwinkel zu versehen. Dieser Knickwinkel dient zum Homogenisieren der Abströmung aus den Laufschaufeln bezüglich Totaldruck und Abströmwinkel. Weiterhin sind die strömungsbegrenzenden Wände im Eintrittsbereich der Leitschaufeln der folgenden Stufe mit einem Gegenknickwinkel versehen.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Beschaufelung der eingangs genannten Art eine Kanalkontur zu schaffen, durch die der Wirkungsgrad bei gleicher Schaufelbelastung gesteigert werden kann bzw. die mögliche Schaufelbelastung bei konstantem Wirkungsgrad erhöht werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei gleichbleibendem Schaufelprofil (=Schaufelkonzept) die zwischen den Schaufelspitzen und dem Stator bzw. dem Rotor hindurchtretende Spaltströmung und die Sekundärverluste zu verringern, ohne die Profilverluste der Schaufel zu verschlechtern.

[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß, bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, die Laufschaufelfüße mit einer konkaven Kontur versehen werden und/oder die Leitschaufelspitzen mit einer konvexen Kontur versehen werden.

[0009] Die Vorteile der Erfindung liegen beispielsweise in einer Reduzierung der Diffusionsströmung an der Leitschaufelspitze durch verstärkte stromlinienförmige Konvergenz, in einem verstärkten Grad der Lastaufnahme im hinteren Bereich des Leitschaufelfußes (Degree of Aft-Loading oder kurz DAL genannt), einem verstärkten Grad der Lastaufnahme im hinteren Bereich des Laufschaufelfußes, reduzierte Diffusionsströmung im Bereich der Laufschaufelspitze und verstärktem Grad der Lastaufnahme im hinteren Bereich der Laufschaufelspitze. Darüber hinaus führt die Erfindung zu einer Reduzierung der Leckströme sowie zu einem verbesserten Rückfluß dieser Leckströme in die Hauptströmung.

[0010] Es ist besonders zweckmäßig, die konkave Kontur an den Laufschaufelfüßen mit der konvexen Kontur an den Leitschaufelspitzen zu kombinieren, da dies zu einer Homogenisierung der Abströmung aus den Laufschaufeln im Hinblick auf Totaldruck und Abströmwinkel führt. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft die konkave Kontur an den Laufschaufelfüßen bzw. die konvexe Kontur an den Leitschaufelspitzen mit der konkaven Kontur an den Leitschaufelfüßen bzw. der konischen Kontur an den Laufschaufelspitzen zu kombinieren.

[0011] Die Übergänge der Konturen zwischen Schaufelspitze und Schaufelfuß bzw. Schaufelfuß und Schaufelspitze sind, jeweils in Abhängigkeit der verwendeten Kontur, bevorzugt so gewählt das sie einen stromlinienförmiger Übergang des Arbeitsmediums ermöglichen. Insbesondere sind die stromabwärts bzw. stromaufwärts liegenden Endbereiche der einzelnen Konturen so aufeinander abgestimmt, daß die die Schaufelspitzen passierende Labyrinthströmung in den Bereich der Rückversetzung der konkaven Kontur des nachfolgenden Schaufelfußes hineinströmt. Diese Zuströmung geschieht im wesentlichen parallel zur Hauptströmung. Die Strömungsrichtung der Hauptströmung in diesem Bereich wird dabei in erster Linie durch die entsprechend ausgebildete strömungsbegrenzende Wand der vorherigen Schaufelspitze bestimmt.

[0012] Die Erfindung ist sowohl für Hochdruckturbinen als auch für Mitteldruckturbinen anwendbar. Darüber hinaus kann sie auch in den ersten Schaufelreihen von Niederdruckturbinen angewendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0013] In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Turbine dargestellt.

[0014] Es zeigen:

Fig. 1

einen Teillängsschnitt einer mehrstufigen Turbine;

Fig. 2

die Machzahlverteilung entlang eines Schnittes durch das Leitschaufelblatt im Bereich des Schaufelfußes;

Fig. 3

die Machzahlverteilung entlang eines Schnittes durch das Laufschaufelblatt im Bereich der Schaufelspitze;

Fig. 4

die Machzahlverteilung entlang eines Schnittes durch das Leitschaufelblatt im Bereich der Schaufelspitze;

Fig. 5

die Machzahlverteilung entlang eines Schnittes durch das Laufschaufelblatt im Bereich des Schaufelfußes;

Fig. 6

Details der Konturierungen von Leitschaufelspitze und von Leitschaufelfuß;

Fig. 7

Details der Konturierungen von Laufschaufelspitze und von Laufschaufelfuß.

[0015] Es sind dabei nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0016] Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Turbine. Dabei ist nur eine Teilabschnitt einer mehrstufigen Mitteldruckbeschaufelung gezeigt. In der Zeichnung strömt das Arbeitsmedium von links nach rechts durch den Kanal 2. In Fig. 1 erkennt man eine aus Leitschaufel Le2 und Laufschaufel La2 bestehende Schaufelstufe. Des weiteren ist die Laufschaufel La1 der vorgeschalteten Schaufelstufe gezeigt. Die dazu gehörige Leitschaufel Le1 ist nicht abgebildet. Die Hauptströmung des Arbeitsmediums (das Rauchgas) strömt mit hoher kinetischer Energie durch die feststehenden Leitschaufeln Le2 und wird von diesen auf die nachfolgende Reihe roierender Laufschaufeln La2 geleitet. Dadurch erfahren die letzteren einen starken Impuls in Umfangsrichtung. Über die Expansion wird je Laufschaufelreihe ein Teil der thermischen Energie der Hauptströmung in mechanische Energie umgewandelt. Die von den Laufschaufeln aufgenommene Energie wird schließlich auf den Rotor übertragen.

[0017] Die Laufschaufelfüße 22 der Laufschaufeln 12 weisen an ihrem radial innen liegenden Ende je einen Sockel 30 auf. Die Sockel 30 sind in Eindrehungen 34 des Rotors 4 eingesetzt. An dem radial außen liegenden Ende der Laufschaufeln 12 befindet sich die Laufschaufelspitzen 20. Die Laufschaufelspitzen 20 eines Laufrades sind mittels nur angedeuteter Deckplatten miteinander verbunden. Die radial äußeren Konturen 38 der Deckplatten können je nach Laufreihe geometrisch unterschiedlich ausgestaltet sein. Sie dichten mit ihren Konturen unter Bildung von Labyrinthen 42 gegen die Dichtstreifen 40, welche im Stator 6 auf bekannt Art angeordnet sind. Teilströme des Arbeitsmediums, die sogenannten Leckströme, treten nach dem Abströmen aus einer Leitschaufel über den Labyrintheintritt 44 in das Labyrinth 42 ein und von dort strömen sie über den Labyrinthaustritt 46 wieder in das Arbeitsmedium zurück. Das Auftreten der Leckströme ist mit hohen Verlusten verbunden. Zum einen gehen sie dem Arbeitsmedium verloren, zum anderen verursachen sie beim Rückfluß in den durchströmten Kanal 2 Wirbel im Arbeitsmedium. Dies ist mit Sekundärverlusten in der stromabwärtigen Schaufelstufe verbunden.

[0018] Der Aufbau einer Leitschaufelreihe erfolgt analog. Die Leitschaufelfüße 18 der Leitschaufeln 14 weisen an ihrem radial außen liegenden Ende je einen Sockel 32 auf. Die Sockel 32 sind in Eindrehungen 36 des Stators 6 eingesetzt. An dem radial innen liegenden Ende der Leitschaufeln 14 befinden sich die Leitschaufelspitzen 16. Die Leitschaufelspitzen 16 einer Leitschaufelreihe sind mittels nur angedeuteter Deckplatten miteinander verbunden. Die radial innen liegenden Konturen 48 der Deckplatten können je nach Laufreihe geometrisch unterschiedlich ausgestaltet sein. Sie dichten mit ihren Konturen unter Bildung von Labyrinthen 52 gegen die Dichtstreifen 50, welche im Rotor 4 auf bekannt Art angeordnet sind. Auch hier treten Leckströme über den Labyrintheintritt 54 in das Labyrinth 52 ein und von dort strömen sie über den Labyrinthaustritt 56 wieder in das Arbeitsmedium zurück.

[0019] Die geometrische Form der Labyrinthe, sowie der Labyrinth Ein- und Austritte wird bestimmt durch die Schaufelfüße und Schaufelspitzen der direkt angrenzenden Beschaufelung und durch Stator- und Rotorteile, welche die Stromführung in den nicht beschaufelten Bereichen übernehmen. Der Hauptstrom des Arbeitsmediums fließt durch den Kanal 2. Dieser hat in Fig. 1 eine konisch verlaufende äußere Grundlinie am Stator 6 und eine zylindrisch verlaufende innere Grundlinie am Rotor 4. Beides ist indes nicht zwingend. Unabhängig vom tatsächlichen Verlauf der Wandungen wird in jedem Fall die statorseitige strömungsbegrenzende Wand 10 des durchströmten Kanals 2 im Bereich des Laufschaufelblattes durch die dem Kanal zugekehrte Seite der Deckplatte der Laufschaufelspitzen 20 und im Bereich des Leitschaufelblattes durch die dem Kanal zugekehrte Seite der nicht im Detail gezeigten Fußplatten der Leitschaufelfüße 18 gebildet. Dementsprechend wird die rotorseitige strömungsbegrenzende Wand 8 des durchströmten Kanals 2 im Bereich des Laufschaufelblattes durch die dem Kanal zugekehrte Seite der nicht im Detail gezeigten Fußplatten der Laufschaufelfüße 22 und im Bereich des Leitschaufelblattes durch die dem Kanal zugekehrte Seite der Deckplatten der Leitschaufelspitzen 16 gebildet.

[0020] Erfindungsgemäß sind nun die Laufschaufelfüße mit einer konkaven Kontur versehen und/oder die Leitschaufelspitzen mit einer konvexen Kontur versehen. Details dieser Konturierung sind den Figuren 6 und 7 zu entnehmen. So zeigt Fig. 7 die konkave Kontur 24b eines Laufschaufelfußes 22. Gegenüber der Grundlinie G des unkonturierten Laufschaufelfußes eines herkömmlichen Kanals einer axialen Strömungsmaschine ist die konkave Kontur 24b des erfindungsgemäßen Laufschaufelfußes in Richtung Rotor gewölbt und vergrößert an dieser Stelle den Kanaldurchschnitt. Das Minimum der konkave Kontur 24b ist gegenüber der Grundlinie G des unkonturierten Kanals um die Strecke h_2H1 in Richtung Rotor versetzt. Bevorzugt gilt für diese Versetzung die Beziehung

wobei h₂ die Höhe des Laufschaufelblattes bezeichnet. Besonders bevorzugt liegt der Wert von k'₁ zwischen 0,06 und 0,12.

[0021] Die konkaven Kontur 24b ist im Bereich der Vorderkante des Laufschaufelblattes gegenüber der Grundlinie G des unkonturierten Kanals um die Strecke h_2H2 in Richtung Rotor versetzt. Bevorzugt gilt für diese Versetzung die Beziehung

[0022] Besonders bevorzugt liegt dabei der Wert von k'₂ zwischen 0,01 und 0,03.

[0023] Das Minimum der konkaven Kontur 24b ist gegenüber der Vorderkante des Laufschaufelblattes um die Strecke S_2H stromabwärts versetzt. Bevorzugt gilt für diese Versetzung die Beziehung

wobei S₂ die Breite des Laufschaufelblattes bezeichnet. Besonders bevorzugt liegt der Wert von k'₆ zwischen 0,3 und 0,4.

[0024] Des weiteren weist die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemässen geraden Kontur 28 der Laufschaufelspitze 20 gegenüber der hier konisch verlaufenden Grundlinie G der unkonturierten Laufschaufelspitze einen Neigungswinkel ε auf. Bevorzugt gilt für diesen Neigungswinkel die Beziehung

[0025] Besonders bevorzugt liegt ε zwischen 0° und 2°.

[0026] Fig. 6 zeigt Details der konkaven Kontur 24a eines Leitschaufelfußes 18. Gegenüber der hier konisch verlaufenden Grundlinie G des unkonturierten Leitschaufelfußes eines herkömmlichen Kanals einer axialen Strömungsmaschine ist die konkave Kontur 24a des erfindungsgemäßen Laufschaufelfußes in Richtung Stator gewölbt und vergrößert an dieser Stelle den Kanaldurchschnitt. Das Minimum der konkave Kontur 24a ist gegenüber dem im Bereich der Vorderkante des Leitschaufelblattes befindlichen Teils der Grundlinie G des unkonturierten Kanals um die Strecke h_1T1 in Richtung Stator versetzt. Bevorzugt gilt für diese Versetzung die Beziehung

wobei h₁ die Höhe des Leitschaufelblattes bezeichnet. Besonders bevorzugt liegt der Wert von k₁ zwischen 0,06 und 0,12.

[0027] Die konkaven Kontur 24a ist im Bereich der Vorderkante des Leitschaufelblattes gegenüber der Grundlinie G des unkonturierten Kanals um die Strecke h_1T2 in Richtung Stator versetzt. Bevorzugt gilt für diese Versetzung die Beziehung

[0028] Besonders bevorzugt liegt dabei der Wert von k₂ zwischen 0,01 und 0,03.

[0029] Das Minimum der konkaven Kontur 24a ist gegenüber der Vorderkante des Leitschaufelblattes um die Strecke S_1T1 stromabwärts versetzt. Bevorzugt gilt für diese Versetzung die Beziehung

wobei S₁ die Breite des Leitschaufelblattes bezeichnet. Besonders bevorzugt liegt der Wert von k₃ zwischen 0,23 und 0,27.

[0030] Im Anschluß an die Strecke S_1T1 weist das Minimum der konkaven Kontur des Leitschaufelfußes einen ausgedehnten abgeflachten Bereich der Breite S_1T2 auf. Bevorzugt gilt für diese Ausdehnung die Beziehung

[0031] Besonders bevorzugt liegt der Wert von k₄ zwischen 0,12 und 0,13.

[0032] Des weiteren zeigt Fig. 6 Details einer erfindungsgemäßen konvexen Kontur 26 einer Leitschaufelspitze 16. Gegenüber der Grundlinie G einer unkonturierten Leitschaufelspitze wölbt sich die konvexe Kontur 26 in den durchströmten Kanal und verengt den Kanaldurchschnitt. Das Maximum der konvexen Kontur ist gegenüber der Grundlinie G um die Strecke h_1H versetzt. Bevorzugt gilt für diese Versetzung die Beziehung

[0033] Besonders bevorzugt liegt der Wert von k₅ zwischen 0,04 und 0,08.

[0034] Das Maximum der konvexen Kontur ist gegenüber der Vorderkante des Leitschaufelblattes um die Strecke S_1H stromabwärts versetzt. Bevorzugt gilt für diese Versetzung die Beziehung

[0035] Besonders bevorzugt liegt der Wert von k₆ zwischen 0,3 und 0,4.

[0036] Die in Fig. 1 abgebildeten kleinen Pfeile deuten die Flußrichtungen der Leck- bzw. Labyrinthströme an. Auf der rotorseitigen Wand 8 des durchströmten Kanals treten sie bei 54 in das Labyrinth ein, passieren die Schaufelspitzen und fließen bei 56 wieder in die Hauptströmung zurück. Auf der statorseitigen strömungsbegrenzenden Wand 10 ist der Labyrintheintritt mit 44 und der Labyrinthaustritt mit 46 bezeichnet. Die Rückführung des Labyrinthstroms in die Hauptströmung soll möglichst wirbelfrei erfolgen. Dies wird zum einen durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der konkaven Kontur 24a des Leitschaufelfußes 18 erreicht. Wie bereits weiter oben erwähnt ist diese im Bereich der Vorderkante des Leitschaufelblattes gegenüber der in Fig. 1 gezeigten im wesentlichen konischen Grundlinie des nicht konturierten Kanals zurückversetzt und bildet dadurch eine Ausnehmung im Schaufelfuß. Der die Schaufelspitzen der Laufschaufeln passierende Labyrinthstrom strömt im Bereich der Ausnehmung in den nachfolgenden Schaufelfuß. Durch eine entsprechende Ausbildung der strömungsbegrenzenden Wand der vorgeschalteten Schaufelspitze erfolgt die Zuströmung im wesentlichen parallel zur Hauptströmung. Zum Beispiel wird bei einer geraden Kontur 28 der Laufschaufelspitze 20 der Neigungswinkel der geraden Kontur 28 bevorzugt etwas flacher als der Neigungswinkel der konischen Grundlinie der statorseitigen strömungsbegrenzenden Wand gewählt. Dies resultiert in eine Gleichrichtung von Labyrinth- und Hauptströmung. Die Rückversetzung der konkaven Kontur 24a im Bereich der Vorderkante des Leitschaufelblattes ist besonders bevorzugt so gewählt, daß auch Teile der Hauptströmung die Ausnehmung hineinströmen.

[0037] Die Rückführung der Labyrinthströmung auf der rotorseitigen Wand des durchströmten Kanals erfolgt analog. Die konkave Kontur 24b des Laufschaufelfußes ist auch hier im Bereich der Vorderkante des Laufschaufelblattes gegenüber der im wesentlichen zylindrischen Grundlinie des unkonturierten Kanals in Richtung Rotor zurückversetzt. In die dadurch gebildete Ausnehmung strömt bevorzugt sowohl der Labyrinthstrom als auch ein Teil der Hauptströmung. Der stromabwärts gelegene Bereich der konvexen Kontur 26 ist entsprechen ausgebildet, so daß eine Gleichrichtung von Haupt- und Labyrinthstrom erfolgt.

[0038] Durch eine erfindungsgemäße Gestaltung der Konturübergänge an den Labyrinth Eintritten 44 und 54 wird das Auftreten von Labyrinthströmen reduziert. Der Neigungswinkel des stromabwärts gelegenen Teils der konkaven Kontur 24b, in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, ist bevorzugt steiler als der Neigungswinkel des stromaufwärts gelegenen Teils der konvexen Kontur 26. Dies bewirkt eine Druckreduzierung am Labyrintheintritt. Der durch das Labyrinth fließende Strom ist in erster Näherung proportional zu der zwischen Labyrintheintritt und Labyrinthaustritt herrschenden Druckdifferenz. Somit resultiert die Reduzierung des Druckes am Labyrintheintritt in einer Reduzierung des Labyrinthstroms. Durch entsprechend Wahl der Neigungswinkel im stromabwärts gelegenen Teil der konkaven Kontur 24a und entsprechender Wahl des Neigungswinkels der geraden Kontur 28 wird auch am Labyrintheintritt 44 der Druck reduziert.

[0039] Die Ausnehmungen in den konkaven Konturen 24a und 24b der Schaufelfüße bewirken eine Verschiebung der Position höchster Belastung vom vorderen in den hinteren Bereich der Schaufel. Dies bewirkt eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit auf der Saugseite der Schaufel und führt somit zu einer Senkung der Sekundärverluste.

[0040] Fig. 2 - 5 zeigen die Geschwindigkeitsverteilung eines Masseteilchens entlang eines Schnittes durch das Schaufelblatt (Leitschaufel, Laufschaufel). Die Geschwindigkeit des Masseteilchens wurde dabei direkt auf der Oberfläche des Schaufelblattes gemessen. Jeder Figur enthält zwei Kurvenpaare, einmal zwei Meßkurven entlang der Saug- bzw. Druckseite eines Schaufelblatts in einem durchströmten Kanal mit geradliniger Kontur, einmal entsprechende Meßkurven entlang eines Schaufelblatts in einem durchströmten Kanal mit einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Kontur d.h. mit konkaven Konturen 24a und 24b an den Leitschaufelfüßen und an den Laufschaufelfüßen, konvexer Kontur 26 an den Leitschaufelspitzen und konischer Kontur 28 an den Laufschaufelspitzen. Beim konturierten beim unkonturierten Kanal verläuft in beiden Fällen die Statorseite des durchströmten Kanals konisch und die Rotorseite des durchströmten Kanals zylindrisch. Jede Figur zeigt im direkten Vergleich jeweils die Geschwindigkeitsverteilung entlang einer bestimmten Höhe des Schaufelblatts; in Figur 2 entlang des Leitschaufelfußes, in Fig. 3 entlang der Laufschaufelspitze, in Fig. 4 entlang der Leitschaufelspitze und in Fig. 5 entlang des Laufschaufelfußes. Die durch kleine Kreise dargestellten Meßpunkte wurden in dem Kanal mit geradliniger Kontur und die durch kleine Quadrate dargestellten Meßpunkte in dem erfindungsgemäß konturierten Kanal gemessen.

[0041] Die oberen Kurvenäste (die beiden Teile der Graphen in den jeweiligen Figuren die zum Großteil höhere Machzahlen als die anderen beiden Teile der Graphen aufweisen) zeigen die Meßwerte entlang der Saugseite (konvexe Seite) des Schaufelblatts während die tiefer liegenden Kurven (untere Kurvenäste) die Meßwerte entlang der Druckseite (konkave Seite) des Schaufelblatts zeigen. Entlang der horizontalen Koordinatenachse (x-Achse) der Figuren 2 - 5 ist die normalisierte Bogenlänge eines Schaufelblatts aufgetragen. Der x-Wert 0.0 kennzeichnet den Staupunkt des Schaufelblatts. Der x-Wert 1.0 kennzeichnet den am weitesten stromab liegenden Abströmpunkt des Schaufelblatts. Der x-Wert 0.5 kennzeichnet den Punkt auf der Oberfläche des Schaufelblatts welcher der Hälfte der Gesamtbogenlänge entspricht, wobei die Gesamtbogenlänge der Saugseite in der Regel größer ist als die Gesamtbogenlänge der Druckseite. Entlang der vertikalen Koordinatenachse (y-Achse) ist die Machzahl eines Masseteilchens am jeweiligen Oberflächenpunkt aufgetragen. Die Machzahl ergibt sich aus dem Verhältnis von Geschwindigkeit des Masseteilchens zur Schallgeschwindigkeit im Arbeitsmedium.

[0042] Den Figuren 2-5 kann der Grad der Lastaufnahme im hinteren Schaufelbereich entnommen werden. Für einen bestimmten Wert der normalisierte Bogenlänge kann die Differenz der für diesen Wert angegebenen zwei Machzahlen, also der Machzahl der Saug- und Druckseite, gebildet werden. Das Maximum der Machzahlendifferenz gibt Auskunft über den Ort der maximalen Kraftübertragung vom Arbeitsmedium auf die Schaufel. Es ist erstrebenswert dieses Maximum möglichst weit nach hinten, d.h. in den Figuren 2 bis 5 zu großen x-Werten zu verschieben.

[0043] Die Ausnehmungen in den konkaven Konturen 24a und 24b der Schaufelfüße bewirken eine Verschiebung der Position höchster Belastung vom vorderen in den hinteren Bereich der Schaufel. Dies bewirkt eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit auf der Saugseite der Schaufel und führt somit zu einer Senkung der Sekundärverluste.

[0044] Fig. 2 ist zu entnehmen, daß der maximale Kurvenbauch von ungefähr 0.43 auf ungefähr 0.5 nach hinten verschoben wurde. Dies bedeutet eine Verbesserung des Grades der Lastaufnahme im hinteren Bereich des Leitschaufelfußes.

[0045] Der Fig. 3 kann ein flacherer Kurvenausklang, also eine kleinere Differenz zwischen Maximalgeschwindigkeit und Machwert bei x=1.0 auf der Saugseite entnommen werden. Dies bedeutet reduzierte Wirbelbildung an der Laufschaufelspitze.

[0046] Wie in Fig. 4 ersichtlich wurde der maximale Machzahlenwert gesenkt. Auch dies resultiert in geringerer Wirbelbildung an der Leitschaufelspitze.

[0047] Fig. 5 zeigt den Laufschaufelfuß. Hier wurde der Grad der Lastaufnahme deutlich in den hinteren Bereich des Laufschaufelfußes verschoben.

Bezugszeichenliste

[0048] 

2

durchströmter Kanal

4

Rotor

6

Stator

8

rotorseitige Wand

10

statorseitige Wand

12

Laufschaufel

14

Leitschaufel

16

Leitschaufelspitze

18

Leitschaufelfuß

20

Laufschaufelspitze

22

Laufschaufelfuß

24a

konkave Kontur an Leitschaufelfuß

24b

konkave Kontur an Laufschaufelfuß

26

konvexe Kontur an Leitschaufelspitze

28

gerade Kontur an Laufschaufelspitze

30

Laufschaufelsockel

32

Leitschaufelsockel

34

Eindrehung (Rotor)

36

Eindrehung (Stator)

38

Deckplattenkontur (Rotor)

40

Dichtstreifen

42

Labyrinth außen

44

Labyrinth Eintritt außen

46

Labyrinth Austritt außen

48

Deckplattenkontur (Stator)

50

Dichtstreifen

52

Labyrinth innen

54

Labyrinth Eintritt innen

56

Labyrinth Austritt innen

Ansprüche

1. Axiale Strömungsmaschine mit mehrstufiger Beschaufelung deren durchströmter Kanal (2) durch eine rotorseitige und eine statorseitige strömungsbegrenzende Wand (8,10) gebildet wird, wobei die rotorseitige Wand (8) im wesentlichen aus Leitschaufelspitzen (16) und aus Laufschaufelfüßen (22) geformt ist und eine im wesentlichen gerade verlaufende Grundlinie aufweist und wobei die statorseitige Wand (10) im wesentlichen aus Leitschaufelfüßen (18) und aus Laufschaufelspitzen (20) geformt ist und eine im wesentlichen gerade verlaufende Grundlinie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufelfüße (22) eine konkave Kontur (24b) aufweisen und/oder die Leitschaufelspitzen (16) eine konvexe Kontur (26) aufweisen.

2. Axiale Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelfüße (18) eine konkave Kontur (24a) aufweisen.

3. Axiale Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufelspitzen (20) eine gerade Kontur (28) aufweisen.

4. Axiale Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Kontur (24b) des Laufschaufelfußes ein Minimum aufweist, welches gegenüber dem im Bereich der Vorderkante des Laufschaufelblattes gelegenen Teil der im wesentlichen gerade verlaufenden Grundlinie um h_2H1 in Richtung Rotor versetzt ist, wobei h_2H1 zwischen 3% und 15% der Höhe h₂ des Laufschaufelblattes beträgt.

5. Axiale Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum der konkaven Kontur (24b) gegenüber der Vorderkante des Laufschaufelblattes um S_2H stromab versetzt ist, wobei S_2H zwischen 25% und 45% der Breite S₂ des Laufschaufelblattes beträgt.

6. Axiale Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Kontur (24b) des Laufschaufelfußes im Bereich der Vorderkante des Laufschaufelblattes gegenüber der im wesentlichen gerade verlaufenden Grundlinie um h_2H2 in Richtung Rotor versetzt ist, wobei h_2H2 zwischen 1% und 4% der Höhe h₂ des Laufschaufelblattes beträgt.

7. Axiale Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Kontur (26) der Leitschaufelspitze ein Maximum aufweist, welches gegenüber der im wesentlichen gerade verlaufenden Grundlinie um h_1H in Richtung Stator versetzt ist, wobei h_1H zwischen 2% und 10% der Höhe h₁ des Leitschaufelblattes beträgt.

8. Axiale Strömungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der konvexen Kontur (26) gegenüber der Vorderkante des Leitschaufelblattes um S_1H stromab versetzt ist, wobei S_1H zwischen 25% und 45% der Breite S₁ des Leitschaufelblattes beträgt.

9. Axiale Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Kontur (24a) des Leitschaufelfußes ein Minimum aufweist, welches gegenüber dem im Bereich der Vorderkante des Leitschaufelblattes gelegenen Teil der im wesentlichen gerade verlaufenden Grundlinie um h_1T1 in Richtung Stator versetzt ist, wobei h_1T1 zwischen 3% und 15% der Höhe h₁ des Leitschaufelblattes beträgt.

10. Axiale Strömungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum der konkaven Kontur (24a) gegenüber der Vorderkante des Leitschaufelblattes um S_1T1 stromab versetzt ist, wobei S_1T1 zwischen 20% und 30% der Breite S₁ des Leitschaufelblattes beträgt.

11. Axiale Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum der konkaven Kontur (24a) eine sich an S_1T1 anschliessende Ausdehnung S_1T2 aufweist, wobei S_1T2 zwischen 10% und 15% der Breite S₁ des Leitschaufelblattes beträgt.

12. Axiale Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Kontur (24a) des Leitschaufelfußes im Bereich der Vorderkante des Leitschaufelblattes gegenüber der im wesentlichen gerade verlaufende Grundlinie um h_1T2 in Richtung Stator versetzt ist, wobei h_1T2 zwischen 1% und 4% der Höhe h₁ des Leitschaufelblattes beträgt.

13. Axiale Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen gerade verlaufende Grundlinie der statorseitigen strömungsbegrenzenden Wand (10) sich in Strömungsrichtung konisch aufweitet.

14. Axiale Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gerade Kontur (28) der Laufschaufelspitze (20) gegenüber der sich im wesentlichen konisch aufweitenden Grundlinie eine Neigungswinkel ε aufweist, wobei ε zwischen 0 und 4 Grad beträgt.

15. Axiale Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der rotorseitigen strömungsbegrenzenden Wand (8) der stromauf gelegene Bereich der konvexen Kontur (26) der Leitschaufelspitzen (16) stromlinienförmig an den stromab gelegenen Bereich der konkaven Kontur (24b) der Laufschaufelfüße (22) angepaßt ist und/oder der stromab gelegene Bereich der konvexen Kontur (26) der Leitschaufelspitzen (16) stromlinienförmig an den stromauf gelegenen Bereich der konkaven Kontur (24b) der Laufschaufelfüße (22) angepaßt ist.

16. Axiale Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der statorseitigen strömungsbegrenzenden Wand (10) der stromauf gelegene Bereich der geraden Kontur (28) der Laufschaufelspitzen (20) stromlinienförmig an den stromab gelegenen Bereich der konkaven Kontur (24a) der Leitschaufelfüße (18) angepaßt ist und/oder der stromab gelegene Bereich der geraden Kontur (28) der Laufschaufelspitzen (20) stromlinienförmig an den stromauf gelegenen Bereich der konkaven Kontur (24a) der Leitschaufelfüße (18) angepaßt ist.

Zeichnung