Axialturboverdichter für eine Gasturbine mit geringen Spaltverlusten und Diffusorverlusten

Abstract

 Ein Axialturboverdichter für eine Gasturbine weist ein Leitschaufelgitter (2), das von Leitschaufeln (3) mit nabenseitig freistehenden Schaufelspitzen (4) gebildet ist, und eine stationären Wellenabdeckung (6) auf, die nabenseitig den Schaufelspitzen (4) unmittelbar benachbart angeordnet ist und den Strömungskanal des Axialverdichters (1) abgrenzt, wobei zwischen der Wellenabdeckung (6) und den Schaufelspitzen (4) ein Spalt ausgebildet ist, der derart minimal dimensioniert ist, dass gerade noch das Zusammenbauen des Axialturboverdichters (1) bewerkstelligbar ist, und in der Wellenabdeckung (6) eine Mehrzahl von Vertiefungen (7) vorgesehen ist, wobei einer jeden Schaufelspitze (4) eine der Vertiefungen (7) zugeordnet ist, die der ihr zugeordneten Schaufelspitze (4) unmittelbar benachbart angeordnet und derart dimensioniert ist, dass beim Betrieb des Axialturboverdichters (1) jede Schaufelspitze (4) in ihre zugeordnete Vertiefung (7) eintauchbar ist, ohne dass eine der Schaufelspitzen (4) die Wellenabdeckung (6) maßgeblich berührt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Axialturboverdichter für eine Gasturbine, wobei der Axialturboverdichter geringe Spaltverluste hat.

[0002] Eine Gasturbine weist einen Turboverdichter beispielsweise in Axialbauweise auf. Der Turboverdichter weist ein Gehäuse mit einem daran angebrachten Stator und einen Rotor auf, der von dem Gehäuse umgeben ist. Der Rotor weist eine Welle auf, an der der Rotor drehantreibbar ist. Die Welle umgebend ist eine Wellenabdeckung vorgesehen, deren Außenkontur zusammen mit der Innenkontur des Gehäuses einen Teil des Strömungskanals durch den Turboverdichter bildet. Der Strömungskanal hat einen in Strömungsrichtung sich aufweitenden Querschnitt, so dass der Strömungskanal als ein Diffusor ausgebildet ist.

[0003] Der Rotor weist eine Mehrzahl von Rotorstufen auf, die jeweils von einer Rotorschaufelreihe gebildet sind. Ferner weist der Stator eine Mehrzahl von Statorschaufelreihen auf, die in Axialrichtung gesehen abwechselnd zu den Rotorschaufelreihen angeordnet sind. Herkömmlich ist in Strömungsrichtung gesehen nach der letzten Rotorschaufelreihe eine Leitschaufelreihe und danach eine Nachleitschaufelreihe angeordnet.

[0004] Die Leitschaufelreihen weisen eine Mehrzahl an Schaufeln auf, die mit ihrem einen Ende jeweils an dem Gehäuse befestigt sind und mit ihrem andern Ende in Richtung zu der Welle zeigen. An dem anderen Ende der Leitschaufel ist eine Schaufelspitze ausgebildet, die der Wellenabdeckung zugewandt und unmittelbar benachbart angeordnet ist. Der Abstand zwischen den Schaufelspitzen und der Wellenabdeckung ist als ein Radialspalt ausgebildet, der derart dimensioniert ist, dass einerseits die Schaufelspitzen beim Betrieb der Gasturbine an die Wellenabdeckung nicht anstoßen und andererseits die beim Betrieb der Gasturbine sich einstellende Leckageströmung durch den Radialspalt möglichst gering ist. Dieser Spalt ist deshalb so gering wie möglich auszulegen, damit ein hoher Wirkungsgrad erzielt und das volle Beschaufelungspotential des Verdichters ausgeschöpft werden kann.

[0005] Das Gehäuse des Turboverdichters ist massiv konstruiert, um den Druck- und Temperaturbeanspruchungen beim Betrieb der Gasturbine standhalten zu können. Ferner ist das Gehäuse steif ausgeführt, damit der Lasteintrag auf das Gehäuse beim Betrieb der Gasturbine eine nur kleine Verformung des Gehäuses zur Folge hat. Im Gegensatz dazu ist die Wellenabdeckung beim Betrieb der Gasturbine geringeren mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, wodurch die Wellenabdeckung dünner und weniger massiv als das Gehäuse ausgeführt ist.

[0006] Dadurch, dass die Wellenabdeckung mit kleineren Wandstärken im Vergleich zum Gehäuse ausgebildet ist und in der Regel andere Materialeigenschaften als das Gehäuse hat, erwärmt sich die Wellenabdeckung schneller als das Gehäuse mit den daran befestigten Leitschaufelreihen. Dies hat zur Folge, dass zum Anfahren und Abfahren der Gasturbine die Wellenabdeckung und das Gehäuse eine unterschiedliche Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit haben, so dass sich beim Anfahren und Abfahren der Gasturbine die Höhe des Radialspalts ändert, wobei der Radialspalt beim Anfahren temporär kleiner und beim Abfahren größer ist.

[0007] Damit beim Betrieb des Turboverdichters die Schaufelspitzen der Leitschaufelreihe nicht an die Wellenabdeckung anstoßen und diese beschädigen ist der Radialspalt mit einer derart dimensionierten Minimalhöhe versehen, dass in jedem Betriebszustand der Gasturbine - stationär wie instationär - die Schaufelspitzen die Wellenabdeckung so gut wie nie berühren. Dies hat zur Folge, dass an den Schaufelspitzen ein entsprechend dimensionierter Radialspalt vorgehalten ist, der zu einer Reduktion des Wirkungsgrades der Gasturbine führt.

[0008] Ferner führt die von dem Radialspalt verursachte Blockage zu einer Reduktion der Hauptströmungskomponente, wodurch der Druckrückgewinn im Diffusor reduziert wird und nachteilige Ablösephänomene auftreten können.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Axialturboverdichter für eine Gasturbine zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Betriebssicherheit hat.

[0010] Der erfindungsgemäße Axialturboverdichter für eine Gasturbine weist ein Leitschaufelgitter, das von Leitschaufeln mit nabenseitig freistehenden Schaufelspitzen gebildet ist, und eine stationäre Wellenabdeckung auf, die nabenseitig den Schaufelspitzen unmittelbar benachbart angeordnet ist und den Strömungskanal des Axialverdichters abgrenzt, wobei zwischen der Wellenabdeckung und den Schaufelspitzen ein Spalt ausgebildet ist, der derart minimal dimensioniert ist, dass gerade noch das Zusammenbauen des Axialturboverdichters bewerkstelligbar ist, und in der Wellenabdeckung eine Mehrzahl von Vertiefungen vorgesehen ist, wobei einer jeden Schaufelspitze eine der Vertiefungen zugeordnet ist, die der ihr zugeordneten Schaufelspitze unmittelbar benachbart angeordnet und derart dimensioniert ist, dass beim Betrieb des Axialturboverdichters jede Schaufelspitze in ihre zugeordnete Vertiefung eintauchbar ist, ohne dass eine der Schaufelspitzen die Wellenabdeckung maßgeblich berührt.

[0011] Dadurch ist der Spalt zwischen der Schaufelspitze und der Wellenabdeckung auf den minimal notwendigen Montagespalt eingestellt, so dass die Höhe des Spalts auf das montagebedingte Minimum reduziert ist. Die Höhe des minimal notwendigen Montagespalts ist derart gewählt, dass das Einkugeln der Leitschaufelgitter, insbesondere der hinteren Leitschaufelgitter, bewerkstelligbar ist.

[0012] In einem herkömmlichen Turboverdichter ist der Spalt zwischen den Schaufelspitzen und der Wellenabdeckung mit einer derart gewählten, minimal notwendigen Höhe versehen, dass so gut wie in allen denkbaren Betriebszuständen der Gasturbine die Schaufelspitzen die Wellenabdeckung kaum oder nicht berühren. Dadurch ergibt sich der Spalt mit der derartigen Höhe, dass durch den Spalt ein merklicher Massenstrom an Leckageströmung strömt, der zu einer unerwünschten Wirkungsgradabsenkung der Gasturbine führt.

[0013] Hingegen ist beim erfindungsgemäßen Axialturboverdichter der Spalt auf den minimal möglichen Spalt, nämlich auf den minimal notwendigen Montagespalt, eingestellt, so dass die Leckageströmung durch den Spalt minimal ist. Dadurch hat der Axialturboverdichter einen hohen Druckrückgewinn in dem Diffusorabschnitt und somit einen hohen Wirkungsgrad.

[0014] Ferner können die Schaufelspitzen beim Betrieb des Axialturboverdichters in die Vertiefungen eintauchen, so dass, obwohl der Spalt auf den minimal notwendigen Montagespalt reduziert ist, eine schädliche Berührung der Schaufelspitzen mit der Wellenabdeckung beim Betrieb des Axialturboverdichters unterbunden ist.

[0015] Taucht die Schaufelspitze während eines bestimmten Betriebszustandes in ihre zugeordnete Vertiefung ein, so nimmt die Umströmung der Schaufelspitze ab, wodurch ebenfalls die Leckageströmung an der Schaufelspitze abnimmt. Dadurch steigt der Wirkungsgrad des Leitschaufelgitters und Verluste sowie Ablösungen in dem stromab des Axialturboverdichters liegenden Diffusor sind reduziert. Insgesamt folgt aus dem verbesserten Spaltverhalten ein gutes Gesamtmaschinenverhalten und ein hoher Gesamtmaschinenwirkungsgrad der Gasturbine. Im Umkehrschluss hierzu kann der Aufweitungsgrad des Diffusors, d.h. der Diffusorwinkel des Diffusors, größer gewählt sein, als dies bei einem herkömmlichen Diffuser der Fall wäre. Damit geht einher eine Reduktion der Baulänge der Gasturbine verglichen mit einer herkömmlichen Gasturbine.

[0016] Es ist bevorzugt, dass am Grund der Vertiefung eine honigwabenartige und/oder filzartige Struktur aufgebracht ist, die bei Berührung durch die Schaufelspitze nachgeben kann. Bevorzugt ist die honigwabenartige Struktur ein Honeycomb.

[0017] Dadurch kann die Schaufelspitze in die honigwabenartige und/oder filzartige Struktur eintauchen, wobei die Schaufelspitze nicht beschädigt wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Abstand zwischen der Schaufelspitze und der honigwabenartigen und/oder filzartigen Struktur klein ausgeführt ist. Somit nimmt die Umströmung der Schaufelspitze ab, wenn die Schaufelspitze während eines bestimmten Betriebszustandes in ihrer zugeordneten Vertiefung eintaucht und sich in die honigwabenartige und/oder filzartige Struktur eingräbt. Dadurch nimmt vorteilhaft zusätzlich die Leckageströmung an der Schaufelspitze ab.

[0018] Ferner ist es bevorzugt, dass die Vertiefungen einen Umrissverlauf an der Oberfläche der Wellenabdeckung haben, der dem Profil der ihr zugeordneten Leitschaufeln an der Schaufelspitze nachempfunden ist, und eine vorbestimmte Tiefe haben.

[0019] Somit ist um die in die Vertiefung eingetauchte Schaufelspitze das Material der Wellenabdeckung derart angeordnet, dass einerseits die Schaufelspitze beim Eintauchen in die Vertiefung nicht an die Wellenabdeckung stößt und andererseits die Umströmung der Schaufelspitze abnimmt.

[0020] Bevorzugt ist, dass die Tiefe der Vertiefungen derart bestimmt ist, dass im Betrieb des Axialturboverdichters die radialen Relativbewegungen zwischen den Schaufelspitzen und der Wellenabdichtung kompensierbar sind.

[0021] Dadurch ist vorteilhaft erreicht, dass ein Zusammenstoßen der Schaufelspitze mit der Wellenabdeckung im Betrieb des Axialturboverdichters unterbunden ist, so dass die Betriebssicherheit des Axialturboverdichters hoch ist.

[0022] Außerdem ist es bevorzugt, dass der Umrissverlauf der Vertiefungen derart bestimmt ist, dass im Betrieb des Axialturboverdichters die axialen Relativbewegungen zwischen den Schaufelspitzen und der Wellenabdichtung kompensierbar sind.

[0023] Somit ist es unterbunden, dass im Betrieb des Axialturboverdichters die Schaufelspitzen bei axialen Relativbewegungen zwischen den Schaufelspitzen und der Wellenabdichtung die Schaufelspitzen die Wellenabdichtung berühren, so dass die Betriebssicherheit des Axialturboverdichters hoch ist.

[0024] Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialturboverdichters anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen gezeigt. Es zeigen:

Figur 1

eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Axialturboverdichters und

Figur 2

eine Ansicht entlang der Schaufellängsachse des Ausschnitts aus Figur 1.

[0025] Wie es aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein Axialturboverdichter 1 ein Leitschaufelgitter 2 auf, das von einer Mehrzahl von Leitschaufeln 3 gebildet ist. Die Leitschaufeln 3 sind in Umfangsrichtung des Axialturboverdichters 1 aufgereiht angeordnet und haben eine Längserstreckung in Radialrichtung des Axialturboverdichters 1.

[0026] Ferner weist der Axialturboverdichter 1 ein Gehäuse 5 auf, an dem innenseitig die Leitschaufeln 3 befestigt sind. Dem Gehäuse 5 abgewandt weisen die Leitschaufeln 3 eine Schaufelspitze 4 auf, die nach innen in das Gehäuse 5 zeigt.

[0027] Nabenseitig ist unmittelbar an den Schaufelspitzen 3 eine Wellenabdeckung 6 angeordnet, die als ein umfangssymmetrischer Ring ausgebildet ist. An der den Schaufelspitzen 4 zugewandten Außenseite der Wellenabdeckung 6 ist eine Mehrzahl an Vertiefungen 7 vorgesehen. Jede Vertiefung 7 ist einer anderen Schaufelspitze 4 zugeordnet, wobei die Vertiefung 7 unmittelbar benachbart zu ihrer zugeordneten Leitschaufelspitze 4 angesiedelt ist.

[0028] Jede Vertiefung 7 hat an der den Schaufelspitzen 4 zugewandten Außenseite der Wellenabdeckung 6 einen Umriss 8, der der Profilform der Leitschaufel 3 an der Leitschaufelspitze 4 nachempfunden ist. Ferner ist jede Vertiefung 7 mit einer Tiefe 9 in der Wellenabdeckung 6 vorgesehen. Die Form des Umrisses 8 und die Tiefe 9 sind derart bestimmt, dass im Betrieb des Axialturboverdichters jede Schaufelspitze 4 in ihre zugeordnete Vertiefung 7 eintauchen kann, wobei beim Eintauchen die Schaufelspitze 4 die Wellenabdeckung 6 nicht oder so gut wie kaum berührt.

[0029] Am Grund einer jeden Vertiefung 7 ist eine Honigwabenstruktur 10 aufgebracht, wie es in Figur 1 beispielhaft für die mittlere Vertiefung 7 gezeigt ist. Berührt beim Betrieb des Axialturboverdichters die Schaufelspitzen 4 die Honigwabenstruktur 10, so gibt die Honigwabenstruktur 10 nach, so dass sich die Schaufelspitze 4 in die Honigwabenstruktur 10 eindrückt.

Ansprüche

1. Axialturboverdichter für eine Gasturbine,
mit einem Leitschaufelgitter (2), das von Leitschaufeln (3) mit nabenseitig freistehenden Schaufelspitzen (4) gebildet ist, und einer stationären Wellenabdeckung (6), die nabenseitig den Schaufelspitzen (4) unmittelbar benachbart angeordnet ist und den Strömungskanal des Axialverdichters (1) abgrenzt,
wobei zwischen der Wellenabdeckung (6) und den Schaufelspitzen (4) ein Spalt ausgebildet ist, der derart minimal dimensioniert ist, dass gerade noch das Zusammenbauen des Axialturboverdichters (1) bewerkstelligbar ist, und in der Wellenabdeckung (6) eine Mehrzahl von Vertiefungen (7) vorgesehen ist,
wobei einer jeden Schaufelspitze (4) eine der Vertiefungen (7) zugeordnet ist, die der ihr zugeordneten Schaufelspitze (4) unmittelbar benachbart angeordnet und derart dimensioniert ist, dass beim Betrieb des Axialturboverdichters (1) jede Schaufelspitze (4) in ihre zugeordnete Vertiefung (7) eintauchbar ist, ohne dass eine der Schaufelspitzen (4) die Wellenabdeckung (6) maßgeblich berührt.

2. Axialturboverdichter gemäß Anspruch 1,
wobei am Grund einer jeden Vertiefung (7) eine honigwabenartige und/oder filzartige Struktur (10) aufgebracht ist, die bei Berührung durch die Schaufelspitzen (4) nachgeben kann.

3. Axialturboverdichter gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei jede Vertiefung (7) einen Umrissverlauf (8) an der Oberfläche der Wellenabdeckung (6) hat, der dem Profil der Leitschaufeln (3) an der Schaufelspitze (4) nachempfunden ist, und eine vorbestimmte Tiefe (9) hat.

4. Axialturboverdichter gemäß Anspruch 3,
wobei die Tiefe (9) der Vertiefungen (7) derart bestimmt ist, dass im Betrieb des Axialturboverdichters (1) die radialen Relativbewegungen zwischen den Schaufelspitzen (4) und der Wellenabdeckung (6) kompensierbar sind.

5. Axialturboverdichter gemäß Anspruch 3 oder 4,
wobei der Umrissverlauf (8) der Vertiefungen (7) derart bestimmt ist, dass im Betrieb des Axialturboverdichters (1) die axialen Relativbewegungen zwischen den Schaufelspitzen (4) und der Wellenabdeckung (6) kompensierbar sind.

Zeichnung