Schaufelgitteranordnung für Turbomaschinen

Abstract

 Schaufelgitteranordnung für Turbomaschinen, in Axialbauweise mit zwei relativ zueinander fest positionierten, eine unterschiedliche Schaufelzahl bei jeweils konstanter Schaufelteilung aufweisenden Leitschaufelgittern sowie mit einem zwischen diesen angeordneten Laufschaufelgitter.
Die Schaufeln des ersten Leitschaufelgitters weisen in einem ersten Teilbereich T1 des Gitters aufeinanderfolgend einen gleichen Axialversatz Δ m auf,
der Axialversatz Δ m ist in Abhängigkeit vom Schaufelzahlverhältnis Z1/Z2 der beiden Leitschaufelgitter so gewählt, dass er den effektiven Abströmquerschnitt bei Z1 > Z2 vergrößert, bei Z1 < Z2 verkleinert, und
die Schaufeln des ersten Leitschaufelgitters weisen in einem zweiten Teilbereich T2 des Gitters aufeinanderfolgend einen in Relation zu Δ m entgegengesetzten, sich ggf. ändernden Axialversatz Δ n auf.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaufelgitteranordnung für Turbomaschinen in axial durchströmter, koaxialer Bauweise, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Im Hinblick auf eine Wirkungsgradoptimierung von Turbomaschinen durch strömungstechnische Maßnahmen gibt es erfolgversprechende Ansätze in Form einer festen, definierten Zuordnung der Umfangspositionen aufeinanderfolgender Leitschaufelgitter bzw. aufeinanderfolgender, synchron rotierender Laufschaufelgitter. Dieses als "Clocking" oder konkreter als "Stator-" bzw. "Rotorclocking" in die Fachsprache eingegangene Prinzip zielt darauf ab, die von den einzelnen Schaufeln eines ersten Schaufelgitters ausgehenden Nachläufe in definierter, strömungstechnisch optimaler Umfangsposition einem stromabwärtig nächsten, gleichartigen Schaufelgitter zuzuführen. Falls es sich um zwei "geclockte" Leitschaufelgitter handelt, ist zu berücksichtigen, dass die Nachläufe von dem zwischen den Leitschaufelgittern rotierenden Laufschaufelgitter in erheblichem Maße beeinflusst und verändert werden, insbesondere durch Verschiebung, Verformung und Zerteilung. Die Komplexität dieser Strömungsvorgänge führt dazu, dass bis dato noch keine eindeutigen, zuverlässige Regeln für ein konstruktives "Clocking" existieren.

[0003] Die Patentschrift EP 0 756 667 B1 schützt ein "Clocking"-Verfahren, bei dem die Nachläufe eines ersten Schaufelgitters durch ein zweites Schaufelgitter mit Relativbewegung auf die Schaufeleintrittskanten eines dritten, relativ zum ersten feststehenden Schaufelgitters gelenkt werden, wobei eine maximale, umfängliche Abweichung zwischen Nachlauf und Eintrittskante von plus/minus 12,5 Prozent der Schaufelteilung zulässig sein soll.

[0004] In Versuchen hat sich nicht bestätigt, dass dieses Art "Clocking" generell zu einer Wirkungsgraderhöhung führen würde.

[0005] Unabhängig davon, wie die optimale, relative Umfangsposition der Schaufelgitter gewählt wird, gilt als Voraussetzung für "Clocking", dass die dem selben Relativsystem (Stator oder Rotor) zugehörigen, abgestimmten Schaufelgitter gleiche Schaufelzahlen - bei einer umfänglich konstanten Schaufelteilung - aufweisen.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaufelgitteranordnung mit zwei Leitschaufelgittern und einem zwischen diesen angeordneten Laufschaufelgitter vorzuschlagen, die trotz unterschiedlicher Schaufelzahlen der beiden Leitschaufelgitter eine strömungstechnisch vorteilhafte, relative Umfangspositionierung der Leitschaufelgitter im Sinne eines "Clocking" ermöglicht.

[0007] Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

[0008] Erfindungsgemäß ist das stromaufwärtige Leitschaufelgitter -trotz konstantem Teilungswinkel der Schaufeln über dem Umfang - mit zwei unterschiedlichen, in sich zusammenhängenden oder in mehreren getrennten Sektoren über den Gitterumfang verteilten Teilbereichen ausgeführt, wobei in beiden Bereichen jede Schaufel zu ihrer Nachbarschaufel in definierter Weise axial versetzt ist. Somit liegen die Stapelachsen der Schaufeln nicht mehr - wie üblich - in einer gemeinsamen Radialebene sondern auf Schraubenflächen mit konstanter bzw. sich ändernder Steigung, wobei konkrete Schaufelpunkte entsprechend auf Schraubenlinien liegen. Der erste Teilbereich mit Δ m beschreibt beispielsweise eine "Vorwärtsschraube" der zweite mit Δ n eine die Enden des Δ m-Bereiches verbindende "Rückwärtsschraube", oder umgekehrt. Im Sinne eines "Clocking" wirkt nur der erste Teilbereich mit konstantem, definiertem Axialversatz Δ m von Schaufel zu Schaufel, der zweite Teilbereich dient nur der Rückführung des gesamten, aufsummierten Axialversatzes in linearer oder nicht-linearer Weise mittels Δ n unter Vermeidung relevanter, strömungstechnischer Nachteile. Da die Leitschaufelgitter eine schräge Abströmung mit starker Umfangskomponente aufweisen, bewirkt ein Axialversatz zwischen benachbarten Schaufeln effektiv eine Vergrößerung oder Verkleinerung des austrittsseitigen Strömungsquerschnittes. Im ersten Teilbereich ist der Axialversatz Δ m konstant und in Abhängigkeit vom Schaufelzahlverhältnis der beiden Leitschaufelgitter gewählt. Ist die Schaufelzahl Z2 des zweiten Leitschaufelgitters kleiner als die des ersten (Z1), wird der effektive Abströmquerschnitt des ersten Leitschaufelgitters mittels Δ m vergrößert, ist Z2 größer als Z1, wird der Abströmquerschnitt des ersten Gitters mittels eines entgegengesetzten Axialversatzes verkleinert. Im zweiten Teilbereich des Gitters mit Axialversatz Δ n gilt entsprechend jeweils das umgekehrte, wobei hier kein gezielter "Clockingeffekt" am zweiten, stromabwärtigen Leitschaufelgitter auftritt.

[0009] Durch die Variation der effektiven Abströmquerschnitte des ersten Leitschaufelgitters führt die Erfindung zu einer gewissen Asymmetrie der Strömungs- und somit der Massenverteilung im kreisringförmigen Strömungskanalquerschnitt. Dies hat u.a. den Vorteil, dass Instabilitäten und Störungen, die sich bei symmetrischen bzw. periodischen Verhältnissen über den Umfang weiter ausbreiten könnten, verlagert und zum Teil unterbunden werden können. Weiterhin kann mit der Erfindung gezielt auf gewisse Asymmetrien in der Zuströmung reagiert werden.

[0010] Der mit der Erfindung primär angestrebte "Clockingeffekt" könnte aufgrund seiner Winkelbegrenzung beispielsweise auch als "Teilclocking" oder "Sektorclocking" bezeichnet werden.

[0011] In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen sowie eine Bemessungsregel für die Schaufelgitteranordnung nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.

[0012] Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in verdeutlichender, nicht maßstäblicher Darstellung:

Figur 1 eine Schaufelgitteranordnung mit zwei Leitschaufelgittern und einem dazwischen angeordneten Laufschaufelgitter,

Figur 2 vier Schaufelprofile eines Leitschaufelgitters mit Axialversatz,

Figur 3 ein Diagramm mit dem Verlauf des Axialversatzes über dem Leitschaufelgitterumfang, und

Figur 4 ein mit Figur 3 vergleichbares Diagramm, jedoch mit in vier Sektoren periodisch wechselndem Verlauf des Axialversatzes.

[0013] Zum besseren Verständnis sei zunächst darauf hingewiesen, dass die Figuren 1 und 2 die Schaufelgitter so zeigen, als ob es sich um ebene Gitter - ohne Krümmung mit parallelen Schaufeln - handelt würde, wobei je Schaufel nur ein konkretes Profil wiedergegeben ist. Diese Art der Darstellung ist wesentlich einfacher, übersichtlicher und leichter verständlich, als eine realistische, räumliche Darstellung mit radialen, dreidimensionalen Schaufeln etc..

[0014] Die Schaufelgitteranordnung 1 in Fig. 1 wird von links nach rechts durchströmt, wobei stromaufwärts (links) ein Leitschaufelgitter 2, in der Mitte ein Laufschaufelgitter 5 und stromabwärts (rechts) wieder ein Leitschaufelgitter 3 vorhanden sind. Die Schaufeln der Gitter 2, 5 und 3 sind mit den Bezugszeichen 6, 9 und 7 versehen. Die Drehrichtung des Laufschaufelgitters 5 ist unter diesem mit einem nach oben weisenden, schwarzen Pfeil angedeutet. Oberhalb des Laufschaufelgitters 5 erkennt man einen gestrichelten, horizontalen Doppelpfeil, der darauf hinweist, dass das Gitter axial verschiebbar ausgeführt sein kann, um zusätzlich Einfluss auf den Strömungsverlauf zu nehmen. In den Farben Grau und Schwarz sind die -sogenannten- Nachläufe 10 des Leitschaufelgitters 2, die Nachläufe 11 des Laufschaufelgitters 5 und die Veränderung der Nachläufe 10 auf Ihrem Weg durch die Gitter 2 und 5 dargestellt, wobei die gepunkteten Kurven und Geraden die Wege der Nachläufe 10 in Relation zum unbewegten Statorsystem beschreiben. Der erfindungsgemäße Axialversatz der Schaufeln betrifft nur das stromaufwärtige Leitschaufelgitter 2 und ist in Figur 1 nicht zu erkennen. Ebensowenig ist aus Figur 1 ersichtlich, dass die Leitschaufelgitter 2 und 3 unterschiedliche Schaufelzahlen aufweisen.

[0015] Figur 2 zeigt deshalb ein mit dem Gitter 2 in Figur 1 vergleichbares Leitschaufelgitter 4 mit erfindungsgemäß axial versetzten Schaufeln 8. Der Teilungswinkel zwischen allen Schaufeln 8 ist konstant, so dass in der Figur der Höhenversatz jeweils konstant ist. Siehe links die Angabe 2·π ÷ Z1, welche dem durch den Radius r geteilten, d.h. radiusbezogenen Bogenmaß von Schaufel zu Schaufel entspricht. Die erste, zweite und dritte Schaufel von oben sind gegeneinander axial (hier horizontal) jeweils um eine Betrag Δ m versetzt, wobei die Schaufeln von oben nach unten weiter nach rechts rücken, d.h. stromabwärts. Die Abströmung aus dem Leitschaufelgitter 4 verläuft unter einem Winkel β von etwa 45° schräg nach rechts oben, d.h. mit vergleichbar großer Axial- und Umfangskomponente. Diese schräge Abströmung hat zur Folge, dass ein Axialversatz zwischen zwei Schaufeln zwangsweise eine Veränderung des effektiven Abströmquerschnittes Aeff zur Folge hat. Bei der vorliegenden Geometrie wird der Abströmquerschnitt gegenüber Schaufeln ohne Axialversatz Δ m vergrößert. Siehe hierzu die gestrichelte Lage der zweiten Schaufel von oben ohne Axialversatz in Relation zur obersten Schaufel. Die Vergrößerung des Abströmquerschnittes ist auch daran erkennbar, dass der Vertikalabstand zwischen den von den Schaufelhinterkanten ausgehenden Stromlinien, hier das radiusbezogene Bogenmaß 2·π ÷ Z2, größer ist, als das Maß 2·π ÷ Z1, und zwar um den addierten Wert Δ m ÷ (r·tanß). Siehe hierzu die Gleichung rechts oben in der Figur. Dies entspricht einer effektiven Anpassung des Leitschaufelgitters 4 an ein stromabwärts liegendes, hier nicht dargestelltes Leitschaufelgitter mit größerer Schaufelteilung, das heißt kleinerer Schaufelzahl Z2 < Z1. Da die Schaufelzahlen Z1, Z2 im jeweiligen Gitter über die Kanalhöhe konstant, d.h. vom Radius r unabhängig sind, sollte tan β zumindest über den Großteil der radialen Kanalhöhe umgekehrt proportional zum Radius r gewählt sein.

[0016] Zur Anpassung an ein stromabwärtiges Leitschaufelgitter mit größerer Schaufelzahl, d.h. Z2 > Z1, müssten die Abströmquerschnitte der Schaufeln 8 verkleinert werden in Relation zu einem Gitter ohne Axialversatz Δ m. In der Figur müssten dann die oberen drei Schaufeln von oben nach unten weiter nach links rücken, jeweils um einen konstanten Axialversatz Δ m nach links. Dieses Prinzip ist leicht verständlich und daher nicht gesondert dargestellt.

[0017] Es ist zu beachten, dass die unterste Schaufel in Figur 2 relativ zur darüberliegenden nicht mehr um Δ m nach rechts, sondern um einen Axialversatz Δ n nach links gerückt ist. In der Realität ist es strömungstechnisch nicht sinnvoll, alle Schaufeln eines Leitschaufelgitters im Sinne einer Schraubenlinie mit fortlaufendem Axialversatz anzuordnen, wobei zwischen der ersten und der letzten Schaufel eines solchen Gitters ein großer Axialsprung mit sehr negativen, strömungstechnischen Folgen vorhanden wäre. Deshalb sieht die Erfindung vor, einen ersten Teilbereich T1 des Leitschaufelgitters mit einem fortlaufenden Axialversatz Δ m zu versehen, und in einem zweiten Teilbereich T2 die Summe aller Δ m wieder vollständig rückgängig zu machen mittels entgegengesetzter Axialversätze Δ n.

[0018] Dieses Prinzip wird am besten aus Figur 3 verständlich, welche den Verlauf des Axialversatzes Σ Δ m, Δ n über dem Umfang U des Leitschaufelgitters zeigt, wobei die konkreten Schaufelpositionen mit kleinen Kreisen markiert sind. Man erkennt einen ersten, hier über 270° reichenden Teilbereich T1 mit linear steigendem Axialversatz, von Schaufel zu Schaufel jeweils um Δ m. Daran schließt sich ein zweiter, hier über 90° reichender Teilbereich T2 an, in dem der Axialversatz wieder sukzessive abnimmt, entweder linear (gestrichelt) oder nach einer S-Kurve, z.B. einer Cosinuskurve. Bezüglich der S-Kurve sieht man, dass sich der Axialversatz Δ n von Schaufel zu Schaufel ändern kann. Welche Art von Kurve hier günstiger ist, wird u.a. in Versuchen zu klären sein. Die Schaufel (kleiner Kreis) bei der Ordinate 0 ist identisch mit der Schaufel bei der Ordinate 2·π, da sich hier der Gitterumfang schließt. Im vorliegenden Diagramm sind somit 16 verschiedene Schaufelpositionen angedeutet. In der Realität werden die Schaufelzahlen in der Regel deutlich größer sein. Das Größenverhältnis der Teilbereiche T1 und T2 ist nur beispielhaft, wobei T1 > T2 anzustreben ist. Da die Schaufelzahlen Z1 und Z2 in der Praxis nur wenig unterschiedlich sind, genügen relativ kleine Axialversätze Δ m zur Anwendung der Erfindung.

[0019] Figur 4 zeigt den Verlauf des Axialversatzes ΣΔm, Δn über dem Umfang U eines Leitschaufelgitters, dessen Teilbereiche T1, T2 im Unterschied zur Ausführung nach Figur 3 nicht in sich zusammenhängend angeordnet, sondern jeweils in vier getrennten Sektoren T1÷4, T2÷4 über den Gitterumfang verteilt sind, so dass sich ein vierfach periodischer Verlauf jeweils mit positivem und negativem Axialversatz Δm, Δn ergibt. Die Aufteilung in vier Sektoren ist beispielhaft, es könnten auch zwei, drei, fünf oder mehr Sektoren sein. Der Verlauf der Teilbereichssektoren T2÷4 ist hier jeweils linear, es sind selbstverständlich statt dessen auch S-Kurven möglich, wie in Figur 3. Durch die Aufteilung des "geclockten" Teilbereiches T1 und des Teilbereiches T2 in jeweils mehrere, getrennte Sektoren lassen sich Asymmetrien des Strömungsfeldes über den Kanalquerschnitt - wie bei einer Ausführung gemäß Figur 3 - vermeiden, wobei diese aber auch gewollt sein können.

Ansprüche

1. Schaufelgitteranordnung für Turbomaschinen, insbesondere für Gasturbinen, in axial durchströmter, koaxialer Ausführung mit zwei relativ zueinander in fester Axial- und Umfangsposition stehenden, eine unterschiedliche Schaufelzahl und jeweils einen konstanten Teilungswinkel zwischen ihren Schaufeln aufweisenden Leitschaufelgittern sowie mit einem zwischen letzteren drehbar angeordneten Laufschaufelgitter, wobei das stromaufwärtige Leitschaufelgitter eine Abströmrichtung mit größenmäßig vergleichbarer Axial- und Umfangskomponente besitzt, dadurch gekennzeichnet,

dass die Schaufeln (6,8) des stromaufwärtigen, ersten Leitschaufelgitters (2,4) in einem ersten, zusammenhängenden oder in mehreren getrennten Sektoren über den Gitterumfang verteilten Teilbereich T1 des Gitters aufeinanderfolgend einen gleich großen sowie gleich gerichteten Axialversatz Δ m aufweisen,

dass der Axialversatz Δ m in Abhängigkeit vom Schaufelzahlverhältnis Z1/Z2 des ersten und zweiten Leitschaufelgitters (2,4/3) so gerichtet ist, dass er bei Z1 > Z2 den effektiven Abströmquerschnitt Aeff zwischen den Schaufeln (6,8) vergrößert, bei Z1 < Z2 den Abströmquerschnitt verkleinert, und

dass die Schaufeln (6,8) des ersten Leitschaufelgitters (2,4) in einem zweiten, zusammenhängenden oder in mehreren getrennten Sektoren über den Gitterumfang verteilten Teilbereich T2 des Gitters aufeinanderfolgend einen gleich großen oder sich ändernden, in Relation zu Δ m entgegengesetzt gerichteten Axialversatz Δ n aufweisen.

2. Schaufelgitteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Teilbereich T1 der Zusammenhang zwischen den Schaufelzahlen Z1, Z2, dem örtlichen Schaufelgitterradius r, dem Abströmwinkel β des ersten Leitschaufelgitters, gemessen zur Umfangsrichtung an den Schaufelhinterkanten, und dem Axialversatz Δ m über einen möglichst großen Bereich der radialen Schaufelhöhe der Gleichung

entspricht, wobei mit stets positiv gerechnetem Δ m das Pluszeichen für Z1 > Z2, das Minuszeichen für Z1 < Z2 gilt.

3. Schaufelgitteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem zweiten Teilbereich T2 die axialen Schaufelpositionen mit Axialversatz Δ n bestimmende, auf einem Kreiszylinder darstellbare, schraubenlinienartige Kurve bei Abwicklung in eine Ebene eine Gerade oder eine S-förmig gekrümmte Kurve mit Krümmungswendepunkt, z.B. einen Cosinuskurvenabschnitt, bildet.

4. Schaufelgitteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich T1 des Gitters mit Axialversatz Δ m sich zusammenhängend oder in der Summe seiner Sektoren über einen größeren Winkel erstreckt, als der restliche Teilbereich T2 mit Axialversatz Δ n, beispielsweise über einen Winkel von 270°.

5. Schaufelgitteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen den beiden Leitschaufelgittern (2,3) angeordnete Laufschaufelgitter (5) in seiner Axialposition verstellbar ausgeführt ist, insbesondere als rotorfestes Schaufelgitter auf einem axial verschiebbaren Rotor.

Zeichnung