Beschaufelung einer axial durchströmten Turbomaschine mit Deckbändern

Abstract

 Der Strömungskanal einer axial durchströmten Turbomaschine wird so konturiert, dass zwischen den Schaufelgittern LE, LA eine zylindrische Mischstrecke 53 entsteht. Die Schaufeldeckbänder 16,23 erhalten auf der der Dichtung zugewandten Seite ebenfalls eine zylinderförmige Kontur, und werden so eingebaut, dass an der Abströmseite der Schaufelgitter eine radiale Überdeckung mit dem Stator 8 bzw. dem Rotor 7 vorhanden ist. Hierdurch werden die Austrittskavitäteten 42 der Dichtungen abgedeckt, und es entsteht stromab der Dichtungen ein zylinderförmiger Ringspalt 44, durch den die Leckageströmung bei entsprechender Dimensionierung der Spaltgeometrie laminar und gerichtet in den Strömungskanal zurückgeführt wird. Störende Wechselwirkungen zwischen der Leckageströmung und der Hauptströmung werden auf ein Minimum reduziert. Die Eintrittskavitäten 18 hingegen bleiben vorzugsweise offen.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft die Beschaufelung einer axial durchströmten Turbomaschine mit Deckbändern, bestehend aus mindestens einem mit einem Stator der Turbomaschine verbundenen Leitgitter und mindestens einem, diesem Leitgitter nachgeschalteten, mit einem Rotor der Turbomaschine verbundenen Laufgitter, wobei mindestens eines dieser Schaufelgitter mit einem Deckband versehen ist, welches Deckband mit einem diesem gegenüberliegend angeordneten Rotor- bzw. Statorteil in einer Einbettungskavität eine berührungslose Dichtung bildet, und welches Deckband auf der Abströmseite des Schaufelgitters auf einer der Dichtung zugewandten Seite zylindrisch geformt ist. Insbesondere betrifft sie die Gestaltung der Deckbänder oder Deckplatten auf deren Dichtfläche, sowie die Gehäuse- und Nabenkontur zwischen den Schaufelreihen.

Stand der Technik

[0002] Durch die berührungslos ausgeführten Dichtungen, wie sie in Turbomaschinen zwischen den Leitschaufelspitzen und dem Läufer bzw. den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse verwendet werden, können in Abhängigkeit von der Gittergeometrie erhebliche Mengen des Arbeitsfluids überströmen, ohne das über das Schaufelgitter vorhandene Enthalpiegefälle in Arbeit umzusetzen. Neben dem Verlust an zur Verfügung stehendem Massenstrom entstehen weitere Verluste, wenn der Leckagestrom wieder in die Kemströmung eintritt, zum einen durch hierdurch induzierte Wirbel, zum anderen auch durch eine Fehlanströmung des nachfolgenden Schaufelgitters.

[0003] Es sind zahlreiche Möglichkeiten vorgeschlagen, die Leckageströmung zu verringern. Einer Verbesserung der Dichtwirkung selbst sind hier enge Grenzen gesetzt, da die Dichtspalte zur Aufrechterhaltung eines für die Bertiebssicherheit mindestens notwendigen Spiels nicht beliebig klein gewählt werden können; Veränderungen der Dichtungsgeometrie andererseits bringen einen überproportional steigenden Fertigungsaufwand mit sich.

[0004] Auch ist bekannt, durch die Form des Strömungskanals die Druckverhältnisse an Dichtungsein- und -austritt in günstiger Weise zu beeinflussen, um den Leckagestrom zu vermindern.

[0005] Daneben wird in jüngerer Zeit in steigendem Masse die Bedeutung der Interferenz von Leckage- und Hauptströmung als signifikante Einflussgrösse erkannt. Daher werden verstärkte Anstrengungen unternommen, die Leckageströmung möglichst gerichtet ohne Querkomponente wieder in die Hauptströmung einzuführen.

[0006] Beispiele für die Anwendung und Realisierung von Massnahmen zur Beeinflussung der Leckagemengen und der Interferenzen werden beispielsweise in EP 0 799 973 gefunden.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Beschaufelung der eingangs genannten Art den zwangsläufig vorhandenen Leckagestrom möglichst verlustarm und ohne resultierende Fehlanströmung des stromab folgenden Schaufelgitters wieder in die Hauptströmungeinzubringen.

[0008] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die einen Strömungskanal begrenzenden Wände von Rotor und Stator zwischen den Schaufelreihen zylindrisch ausgebildet sind, und ein Deckband eine positive axiale Überdeckung mit einer die Einbettungskavität stromab begrenzenden Stufe des Rotors bzw. des Stators aufweist, dergestalt, dass stromab der Einbettungskavität ein zylindrischer Ringspalt zwischen dem Deckband und dem gegenüberliegenden Teil von Rotor bzw. Stator gebildet ist. Das Deckband verdeckt aufgrund dieser konstruktiven Auslegung die Austrittskavität der Dichtung, in der im allgemeinen eine stark turbulente Strömung vorliegt. Der Leckagestrom wird durch den zylindrischen Ringspalt möglichst gerichtet in die zylindrische Mischstrecke eingebracht, welche wiederum zwischen den Schaufelreihen durch die rotor- und statorseitige Wand des Strömungskanals gebildet wird.

[0009] Der Vorteil dieser Massnahme liegt insbesondere darin, dass aufgrund der zylindrischen Ausformung der Überdeckung und der Mischstrecke der Leckagestrom ohne Querkomponente in die Hauptströmung eingebracht wird. Da es sich um einen ebenen Austrittsspalt handelt kann auch die Turbulenz der Leckageströmung am Spaltaustritt, und damit ein Aufplatzen des Leckagestrahls beim Eintritt in die Hauptströmung vermieden werden. Die Zylinderform von Deckband und Strömungskanal-Wand ermöglicht ungestörte axiale Bewegungen von Rotor und Stator. Ein Verringerung des Radialspiels auf ein zum sicheren Betrieb notwendiges Minimum ist an dieser Stelle also nicht notwendig, und, wie unten gezeigt, auch nicht erwünscht, da der zylindrische Ringspalt nur die Aufgabe einer Strömungsführung hat. Dadurch werden gegenüber einer Dichtfunktion wesentlich geringere Anforderungen an die Masshaltigkeit des Deckbandes und des gegenüberliegende Bauteils gestellt, was letztlich die Auslegung wie auch Fertigung und Montage in diesem Bereich deutlich vereinfacht.

[0010] Auf die Form der Dichtung wird an dieser Stelle bewusst nicht eingegangen, da diese in keiner Weise Gegenstand der Erfindung ist, sondern nur die Führung der Leckageströmung.

[0011] Die Wirkung der Strömungsführung kann weiter verbessert werden, indem das Deckband auf der Seite der Schaufelkanals auf seiner gesamten Länge zum Schaufelkopf hin geneigt ist und abströmungsseitig spitz ausgeformt wird. Auf diese Weise wird ein Totwassergebiet und eine damit verbundene turbulente Ablösung der Leckageströmung stromab des Deckbandes vermieden. Vereinfacht ausgedrückt, dient die Leckageströmung als Wandgrenzschicht in der zylindrischen Mischstrecke und dem nachfolgenden Gitter. Der turbulente Queraustausch zwischen der Leckageströmung und der Kemströmung wird auf diese Weise auf ein Minimum reduziert.

[0012] Während die Austrittskavität erfindungsgemäss vom Deckband abgedeckt sein muss, kann die Eintrittskavität offen sein. Durch die offene Eintrittskavität wird die stromauf gebildete Wandgrenzschicht durch die Dichtung abgesaugt. Damit wird die Ablöseneigung im stromab gelegenen Gitter, mit der bei entsprechender Konturierung des Strömungskanals zu rechnen ist, signifikant verringert. Daneben ergibt sich im Falle mehrstufiger Maschinen ein weiterer interessanter Effekt: Wie oben dargelegt, wird durch die Erfindungsgemässe Führung des Leckagestroms dieser stromab zur Wandgrenzschicht. Diese aber wird nun in der korrespondierenden Stelle der folgenden Stufe wieder zur Leckageströmung. Hieran ist die erfindungsgemäss geringe Wechselwirkung zwischen Leckage- und Kernströmung in ihrer vollen Tragweite zu erkennen.

[0013] Selbstverständlich kann die Erfindung mit jeder beliebigen Kanalform in den Schaufelkanälen kombiniert werden, solange zwischen den Schaufelgittern die Bedingung der zylinderförmigen Mischstrecke erfüllt ist. Zweckmässig könnte die bekannte wellige Kanalkonturierung gewählt werden, mit dem Ziel, einen negativen radialen Gradienten des Reaktionsgrades zu erreichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0014] 

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung der Deckbänder einer axial durchströmten Turbomaschine, sowie der Einbettungskavitäteten und des Strömungskanals.

Fig. 2 erläutert am Beispiel eines Leitrad-Austritts die axialen Strömungsverhältnisse im Austrittsspalt bei erfindungsgemässer Ausführung.

Fig. 3 und 4 zeigen die tangentialen Strömungsverhältnisse am Leitrad- und Laufrad-Austritt bei erfindungsgemässer Ausführung der Deckbänder und der Deckbandeinbettungen.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0015] In allen im folgenden zitierten Figuren ist die Hauptströmungsrichtung des Arbeitsmediums von links nach rechts, oder, wo es sich um Querschnitte durch die Maschine handelt, aus der Blattebene heraus.

[0016] An dieser Stelle sei weiterhin angemerkt, dass die Bezeichnung Deckband nicht in einem einschränkenden Sinne verwendet wird, und vollkommen äquivalent mit der Bezeichnung Deckplatte zu verstehen ist.

[0017] In Fig. 1 sind zwei Leitschaufelreihen LE und eine Laufschaufelreihe LA einer axialen Turbomaschine im Längsschnitt dargestellt. Die Leitschaufeln LE sind mit dem Stator 8 verbunden, die Laufschaufeln LA mit dem Rotor 7. Die Schaufeln LE, LA sind mit Deckbändern oder Deckplatten 16,23 versehen. Im Gehäuse 8 und der Welle 7 sind Dichtstreifen 17 angeordnet, die mit den Deckbändern 16, 23 berührungslose Dichtungen bilden. Die Dichtungen sind hierbei in Einbettungskavitäten des Gehäuses 8 oder der Nabe 7 angeordnet, wobei die Einbettungskavitäten zwischen korrespondierenden Stufen des Gehäuses (55,56) bzw. der Nabe (57,58) definiert werden. Die Ausführung der Dichtungen als einfache Halblabyrinthe ist nicht zwingend, ebensowenig wie die Anordnung der Dichtstreifen im jeweils dem Deckband gegenüberliegenden Teil; im Rahmen der Erfindung können beliebige Dichtungsgeometrien realisiert werden. Ebensowenig ist die dargestellte Konturierung des Strömungskanal 54 in den beschaufelten Bereichen notwendig, da hier nur exemplarisch eine Geometrie dargestellt ist, die die Druckverhältnisse um die Dichtungen positiv beeinflusst. Zwingend hingegen ist die zylindrische Ausbildung der Mischstrecken 53, nabenseitig nach einem Leitgitter LE und gehäuseseitig nach einem Laufgitter LA.

[0018] Im dargestellten Ausführungsbeispiel dichten die Leitschaufel-Deckbänder 23 und die Laufschaufel-Deckbänder 16 gegen im Rotor 7 bzw. im Gehäuse 8 eingesetzte Dichtstreifen 17. Die zwischen den Dichtstreifen gebildeten Wirbelkammern 22 bzw. die nach den jeweils letzten Dichtstreifen vorhandenen Austrittskavitäten 42, sind für die Funktion der hier gezeigten Dichtung notwendig. Es ist nun für das Verständnis der Erfindung erforderlich, und für den Fachmann ohne weiteres nachvollziehbar, festzustellen, dass die Dichtungen selbst an den mit A-A, B-B und C-C gekennzeichneten Querschnittsebenen enden.

[0019] Entscheidend bei der Ausführung der Erfindung ist nun, die Deckbänder 16, 23 stromab des letzten Dichtstreifens auf der der Dichtung zugewandten Seite zylindrisch zu formen, und das Deckband stromab der Dichtung, d.h. stromab der Querschnittsebenen A-A, B-B und C-C fortzusetzen, so dass dort zwischen Laufschaufel-Deckband 16 und Gehäuse 8 bzw. zwischen Leitschaufel-Deckband 23 und Nabe 7 die Austrittsspalte 44 gebildet werden. Die bevorzugt anzustrebende Geometrie der Austrittsspalte 44, d.h. die Spaltweite und die Länge der Überdeckung werden unten diskutiert.

[0020] Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass eine Konstruktion möglich ist, bei der das Axialspiel im Rahmen des notwendigen Betriebsspiels keinen Einschränkungen durch die Deckbandeinbettung unterliegt. Es können ohne jegliche Einschränkung der Dichtfunktion beliebige axiale Betriebsspiele realisiert werden.

[0021] Ebenso ist für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, dass im Ausführungsbeispiel der über die Dichtung notwendige Druckabfall, über den Spitzen der Dichtstreifen 17 stattfindet, mit anderen Worten, der Leckagemassenstrom bei gegebenen Druckverhältnissen um ein Schaufelgitter LE, LA massgeblich nur durch die Dichtungsgeometrie zwischen der Eintrittskavität 18 und den Quersschnittsebenen A-A, B-B und C-C bestimmt wird. Daraus folgt aber, dass das Radialspiel im Bereich der Austrittsspalte 44 ebenfalls nicht auf ein notwendiges Minimum reduziert werden muss.

[0022] Im Gegenteil kann die Geometrie des Austrittsspaltes vorteilhafterweise so gewählt werden, dass gewisse, in Fig. 2, 3 und 4 dargestellte Fluidmechanische Bedingungen erfüllt werden. In Fig. 2 sind die axialen Strömungsverhältnisse exemplarisch am Leitradaustritt dargestellt; wobei dies keine Einschränkung darstellt, da in axialer Richtung am Laufradaustritt identische Bedingungen vorliegen. In Fig. 3 ist die Verteilung der tangentialen Geschwindigkeitskomponenten am Leitrad-Austritt schematisch dargestellt, in Fig. 4 am Laufradaustritt, unter der Annahme, dass eine rein axiale Abströmung aus der Turbinenstufe erreicht werden soll. Eine Verallgemeinerung der Strömungsverhältnisse ist für den Fachmann ohne weiteres nachvollziehbar, und ist ohne jegliche Bedeutung für die folgenden Ausführungen. Im übrigen ist, wiederum ohne dass dies im einschränkenden Sinne zu verstehen ist, angenommen, dass die axiale Strömungsrichtung aus der Blattebene herausweist, und der Rotor in Blickrichtung im Gegenuhrzeigersinn läuft.

[0023] Mit Vorteil werden die Deckbänder 16, 23 dergestalt konturiert, dass es abströmungsseitig nicht zu einer Strömungsablösung kommt, das heisst, abströmungsseitig spitz auslaufend. Die axiale Überdeckung von Leitrad-Deckband 23 und Rotor 7 bzw. Laufrad-Deckband 16 und Stator 8 kann nun so gewählt werden, dass im Austrittsspalt 44 eine ausgebildete Spaltströmung vorliegt. Mit Vorteil wird auch die Spaltweite hinreichend gross gewählt, um sowohl für die axialen wie die tangentialen Geschwindigkeitskomponenten laminare Geschwindigkeitsprofile über der Höhe des Austrittsspaltes 44 zu erreichen. Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, wirkt die Spaltströmung nun sozusagen als Schmierfilm für die Kernströmung und minimiert so effizient deren Wandschubspannung in der zylindrischen Mischstrecke 53.

[0024] Die im Ausführungsbeispiel dargestellten Konturierung der Wände 51,52 des Strömungskanals in den Schaufelgittern ist aus dem Stand der Technik bekannt. Sie kann im Rahmen der Erfindung zusätzlich eingesetzt werden, um die radiale Verteilung des Reaktionsgrades zu beeinflussen. Damit kann der Druck lokal am Dichtungseintritt gesenkt und am Dichtungsaustritt erhöht werden, was wiederum einen positiven Einfluss auf die Leckagemenge bei gegebener Dichtungs- und Gittergeometrie hat.

[0025] Bei dieser Kanalgeometrie besteht nabenseitige Ablösegefahr am Leitrad-Eintritt, an der mit P gekennzeichneten Stelle. Diese kann wiederum minimiert werden durch die offene Eintrittskavität 18. Bei entsprechender Auslegung der Dichtung wird die an der radial inneren Kanalwand 52 des Laufrades LA gebildete energiearme Grenzschicht als Leckageströmung durch die Eintrittskavität 18 abgesaugt und die Ablösegefahr signifikant verringert.

[0026] Wie am Ausführungsbeispiel gezeigt, ist nicht die unbedingte Minimierung der Leckageströmung Zielsetzung der Erfindung, sondern eine Führung und Nutzung derselben, ohne schädliche Wechselwirkungen mit der Kemströmung, was wesentlich zu einer deutlichen Verbesserung der Energieausnutzung in der Turbine beitragen kann. Ebenso zeigt gerade der letzte dargestellte Aspekt des Ausführungsbeispiels, dass eine gewisse Leckagemenge sogar vorteilhaft sein kann. Dies wiederum kann das zulässige Spaltmass innerhalb der Dichtung selbst vergrössern, so, dass der konstruktive wie auch der Fertigungs- und Montageaufwand bei gleicher Betriebssicherheit der Maschine und effizienter Energieumsetzung in der Turbine deutlich verringert werden kann.

Bezugszeichenliste

[0027] 

7

Rotor

8

Stator

16

Laufschaufel-Deckband

17

Dichtstreifen

18

Eintrittskavität

22

Verwirbelungskammer

23

Leitschaufel-Deckband

42

Austrittskavität

44

zylindrischer Austrittsspalt

51

radial äussere Wand des Strömungskanals 54 in einem Schaufelgitter LE bzw. LA

52

radial innere Wand des Strömungskanals 54 in einem Schaufelgitter LE bzw. LA.

53

zylindrische Mischstrecke

54

Strömungskanal in einem Schaufelgitter LE bzw. LA

55

gehäuseseitige Stufe, welche eine Einbettungskavität stromauf begrenzt

56

gehäuseseitige Stufe, welche eine Einbettungskavität stromab begrenzt

57

nabenseitige Stufe, welche eine Einbettungskavität stromauf begrenzt

58

nabenseitige Stufe, welche eine Einbettungskavität stromab begrenzt

LE

Leitschaufelgitter

LA

Laufschaufelgitter

P

nabenseitiger Leitrad-Eintritt

A-A

Querschnittsebene, die eine Dichtung stromab begrenzt

B-B

Querschnittsebene, die eine Dichtung stromab begrenzt

C-C

Querschnittsebene, die eine Dichtung stromab begrenzt

Ansprüche

1. Beschaufelung einer axial durchströmten Turbomaschine mit Deckbändern (16, 23), bestehend aus mindestens einem mit einem Stator (8) der Turbomaschine verbundenen Leitgitter (LE) und mindestens einem, diesem Leitgitter stromab folgenden, mit einem Rotor (7) der Turbomaschine verbundenen Laufgitter (LA), wobei mindestens eines dieser Schaufelgitter (LE, LA) mit einem Deckband (16, 23) versehen ist, welches Deckband mit einem diesem gegenüberliegend angeordneten Rotor- bzw. Statorteil in einer Einbettungskavität eine berührungslose Dichtung bildet, und welches Deckband auf der Abströmseite des Schaufelgitters auf einer der Dichtung zugewandten Seite zylindrisch geformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Strömungskanal (53, 54) begrenzenden Wände von Rotor (7) und Stator (8) zwischen den Schaufelreihen zylindrisch ausgebildet sind, und ein Deckband (16, 23) eine positive axiale Überdeckung mit einer die Einbettungskavität stromab begrenzenden Stufe (56, 58) des Rotors (7) bzw. des Stators (8) aufweist, dergestalt, dass eine Austrittskavität (42) der Dichtung durch dieses Deckband abgedeckt ist, und, dass stromab der Einbettungskavität ein zylindrischer Ringspalt (44) zwischen dem Deckband (16, 23) und dem gegenüberliegenden Teil von Rotor (7) bzw. Stator (8) gebildet ist.

2. Beschaufelung nach Anspuch 1, gekennzeichnet durch eine positive radiale Überdeckung und axiales Spiel eines Deckbandes (16,23) und einer stromauf gelegenen, die Einbettungskavität begrenzenden Stufe (55, 57) des Rotors (7) bzw. des Stators (8).

3. Beschaufelung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass ein Deckband (16, 23) auf der Abströmseite des korrespondierenden Schaufelgitters (LE, LA) keilförmig und spitz auslaufend geformt ist.

4. Beschaufelung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass in einer Leitreihe (LE) die radial äussere Wand (51) des Strömungskanals (54) in Strömungsrichtung von der Maschinenachse weg verläuft, und die radial innere Wand (52) des Strömungskanals (54) in Strömungsrichtung zur Maschinenachse hinweist.

5. Beschaufelung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass in einer Leitreihe (LE) die radial äussere Wand (51) des Strömungskanals (54) in Strömungsrichtung parallel zur Maschinenachse verläuft, und die radial innere Wand (52) des Strömungskanals (54) in Strömungsrichtung zur Maschinenachse hinweist.

6. Beschaufelung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass in einer Laufreihe (LA) die radial äussere Wand (51) des Strömungskanals (54) in Strömungsrichtung von der Maschinenachse weg verläuft, und die radial innere Wand (52) des Strömungskanals (54) in Strömungsrichtung von der Maschinenachse wegweist.

Zeichnung