[0001] Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für eine Axialströmungsmaschine, die
Axialströmungsmaschine und ein Verfahren zum Auslegen des Leitschaufelkranzes.
[0002] In einer Dampfturbine wird zur Erzeugung von Rotationsenergie Wasserdampf entspannt.
Die Dampfturbine weist eine Mehrzahl von Stufen auf, wobei jede Stufe einen Leitschaufelkranz
mit einer Mehrzahl an Leitschaufeln und einen Laufschaufelkranz mit einer Mehrzahl
an Laufschaufeln aufweist. Die Laufschaufeln sind an der Welle der Dampfturbine angebracht
und rotieren im Betrieb der Dampfturbine, die Leitschaufeln sind an dem Gehäuse der
Dampfturbine angebracht und stehen fest. Die Schaufeln können im Betrieb der Dampfturbine
zu einer Schwingung angeregt werden. Die Schwingung zeichnet sich dadurch aus, dass
an den Schaufelfüßen der Schaufeln ein Schwingungsknoten angeordnet ist. Die Spannungsbelastung
durch die Schwingung ist insbesondere an den Schaufelfüßen hoch, so dass es an den
Schaufelfüßen zu einer Materialermüdung kommen kann, welche einen kostenintensiven
Tausch der Leitschaufeln erforderlich macht.
[0003] Zwischen jeweils zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln ist ein Strömungskanal
ausgebildet, durch welchen im Betrieb der Dampfturbine der Wasserdampf strömt. Die
Geschwindigkeitsverteilung der Strömung stromab des Leitschaufelkranzes weist im Bereich
der Hinterkanten der Leitschaufeln lokale Geschwindigkeitsminima auf, die als Nachlaufdellen
bezeichnet werden. Die Nachlaufdellen können die dem Leitschaufelkranz stromab angeordneten
Laufschaufeln zu der Schwingung anregen.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stufe für eine Axialturbomaschine,
die Axialturbomaschine mit der Stufe und ein Verfahren zum Auslegen der Stufe zu schaffen,
wobei die oben genannten Probleme überwunden sind und die Laufschaufeln der Stufe
eine lange Lebensdauer haben.
[0005] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegen einer Stufe für eine Axialströmungsmaschine
aufweisend einen Leitschaufelkranz und einen dem Leitschaufelkranz stromab angeordneten
Laufschaufelkranz weist folgende Schritte auf: Profilieren eines Leitschaufelkranzes
mit regelmäßig über den Umfang des Leitschaufelkranzes angeordneten Leitschaufeln
gemäß aerodynamischer und mechanischer Randbedingungen; Verschieben von mindestens
einem Profilschnitt von mindestens einer der Leitschaufeln in Umfangsrichtung derart,
dass der Teilungswinkel für die mindestens eine Leitschaufel und einer ihr benachbart
angeordneten Leitschaufel derart über die Schaufelhöhe variiert, dass im Betrieb der
Axialströmungsmaschine die dem Leitschaufelkranz stromab ausgebildete Abströmung derart
unregelmäßig über den Umfang der Axialströmungsmaschine ausgebildet ist, dass die
Schwingungsanregung der Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes gering ist.
[0006] Bei der Profilierung werden verschiedene Profilschnitte gemäß der Randbedingungen
ausgelegt. Jede Leitschaufel setzt sich aus den Profilschnitten zusammen, wobei jedem
Profilschnitt ein Fädelpunkt zugewiesen wird und alle Profilschnitte mit ihren Fädelpunkten
auf einer Fädellinie "aufgefädelt" sind. Gemäß der Erfindung erfolgt eine Verschiebung
des mindestens einen Profilschnitts, so dass der Fädelpunkt des mindestens einen Profilschnitts
nicht mehr auf der ursprünglichen Fädellinie liegt.
[0007] Der Teilungswinkel ist der Winkel zwischen zwei Verbindungslinien, die von einem
gemeinsamen Punkt auf der Achse der Axialströmungsmaschine ausgehen sowie senkrecht
zu der Achse verlaufen und an entsprechenden Punkten auf den Oberflächen der beiden
benachbart angeordneten Leitschaufeln enden. Bei den zwei entsprechenden Punkten handelt
es sich um zwei Punkte, die den gleichen radialen Abstand von der Achse der Axialströmungsmaschine
haben und jeweils an gleichen Stellen der Leitschaufeln, d.h. beispielsweise ein Punkt
entweder auf der Druckseite, auf der Saugseite, auf der Vorderkante oder auf der Hinterkante
der jeweiligen Leitschaufel, angeordnet sind. Bei dem Leitschaufelkranz mit regelmäßig
über den Umfang angeordneten Leitschaufeln ist der Teilungswinkel der Nominalteilungswinkel
2*II/n, mit der Kreiszahl Π und n der Anzahl der in dem Leitschaufelkranz angeordneten
Leitschaufeln.
[0008] Die Laufschaufeln können zwei verschiedenen Anregungsmechanismen für Schwingungen
ausgesetzt sein, nämlich einem Flattern und einer erzwungenen Schwingung (englisch:
"forced response"). Bei dem Flattern handelt es sich um eine selbsterregte Schwingung,
bei der Energie von der Strömung in die Schwingungen der Laufschaufeln übertragen
wird. Das Flattern wird durch kleine Schaufelschwingungen angeregt, die selbstverstärkend
sein können, so dass die Schaufel mit jeder folgenden Schwingungsperiode stärker schwingt.
Dies kann zu einem Abriss der Laufschaufeln führen. Dadurch, dass der Teilungswinkel
variiert, ergibt sich bei zwei benachbart angeordneten Kanälen ein anderer Umlenkungswinkel
der Strömung, wodurch sich die Zuströmung von dem Leitschaufelkranz zu dem Laufschaufelkranz
unregelmäßig über den Umfang der Axialströmungsmaschine ausbildet. Dadurch ändert
sich die Belastung der Laufschaufeln während einer Umdrehung, wodurch das Flattern
vorteilhaft vermindert wird.
[0009] Die erzwungene Schwingung ergibt sich aufgrund einer periodischen Anregung der Laufschaufeln.
Zwischen zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln ist jeweils ein Kanal angeordnet,
durch welchen ein Fluid der Axialströmungsmaschine strömbar ist. Die den beiden Kanälen
zugeordneten Nachlaufdellen haben durch den sich ändernden Teilungswinkel eine unterschiedliche
Form und Umfangslage. Im Betrieb der Axialströmungsmaschine tauchen die stromab angeordneten
Laufschaufeln in die Nachlaufdellen ein, wodurch die Laufschaufeln eine instationäre
Anströmung erfahren, die zu einer Schwingungsanregung der Laufschaufeln führen kann.
Dadurch, dass die Nachlaufdellen über den Umfang inhomogenisiert sind, erfolgt die
Schwingungsanregung unperiodisch, wodurch die erzwungenen Schwingungen der Laufschaufeln
ebenfalls vorteilhaft schwach sind.
[0010] Das Verschieben des mindestens einen Profilschnitts erfolgt bevorzugt auf einem Verschiebeweg,
der für jede der beiden benachbart angeordneten Leitschaufeln maximal 10% der Erstreckung
des Kanals zwischen den beiden Leitschaufeln in Umfangsrichtung beträgt. Die Profilschnitte
werden bevorzugt derart verschoben, dass die Leitschaufel gegen eine ihr benachbart
angeordnete Leitschaufel geneigt wird. In diesem Fall variiert der Teilungswinkel
linear über die Schaufelhöhe.
[0011] Bevorzugtermaßen werden die Profilschnitte derart verschoben, dass mindestens eine
von zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln gekrümmt ausgeführt wird. Hier variiert
der Teilungswinkel nichtlinear über die Schaufelhöhe. Die Leitschaufeln, in denen
Profilschnitte verschoben sind, werden bevorzugt symmetrisch um die Achse der Axialströmungsmaschine
verteilt angeordnet. Somit ist die stromabwärtige Strömung von dem Leitschaufelkranz
symmetrisch.
[0012] Die Laufschaufeln werden bevorzugt derart ausgelegt, dass keine der Eigenfrequenzen
der Laufschaufeln mit der Drehfrequenz der Axialströmungsmaschine oder einem Vielfachen
der Drehfrequenz bis einschließlich dem Achtfachen der Drehfrequenz übereinstimmt.
Somit ist vorteilhaft sichergestellt, dass es im Betrieb der Axialströmungsmaschine
nicht zu einer Kopplung zwischen der Rotation der Axialströmungsmaschine und den Schwingungen
der Laufschaufeln kommt. Die Kopplung kann zu einer Vergrößerung eines Energieeintrags
von der Strömung in die Schwingungen führen.
[0013] Bevorzugtermaßen liegen die Profilschnitte auf einer Zylinderfläche oder einer Kegelfläche,
deren Achsen mit der Achse der Axialströmungsmaschine zusammenfallen, auf einer S
1-Strö-mungsfläche oder in einer tangentialen Ebene der Axialströmungsmaschine. Die
S
1-Strömungsfläche erstreckt sich in Umfangsrichtung und in Axialrichtung der Axialströmungsmaschine
und beschreibt eine Fläche, der eine idealisierte Strömung folgt. Das Verfahren weist
bevorzugt den Schritt auf: Anpassen des mindestens einen Profilschnitts an die nach
dem Verschieben geänderten aerodynamischen Randbedingungen.
[0014] Die erfindungsgemäße Stufe ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt. Die
erfindungsgemäße Axialströmungsmaschine weist die Stufe auf, insbesondere als die
letzte, stromab liegende Stufe der Axialströmungsmaschine. Die Laufschaufeln in der
letzten Stufe der Axialströmungsmaschine sind die Laufschaufeln mit den längsten radialen
Erstreckungen in der Axialströmungsmaschine und sind somit besonders anfällig für
eine Schwingungsanregung. Eine unperiodische Schwingungsanregung der Laufschaufeln
ist damit besonders in der letzten Stufe vorteilhaft.
[0015] Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stufe anhand
der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen
- Figuren 1 bis 3
- jeweils einen Ausschnitt einer Draufsicht einer der Ausführungsformen eines Leitschaufelkranzes
einer erfindungsgemäßen Stufe und
- Figur 4
- einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Stufe.
[0016] Wie es aus Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Axialströmungsmaschine 1 einen
Leitschaufelkranz 2 und ein Gehäuse 7 auf. Der Leitschaufelkranz 2 weist eine Mehrzahl
an Leitschaufeln 3, 4 auf, wobei jede der Leitschaufeln 3, 4 einen Schaufelfuß 5,
eine Schaufelspitze 6, eine Druckseite 9 und eine Saugseite 10 aufweist. Jede der
Leitschaufeln 3, 4 ist mit ihrer Schaufelspitze 6 an dem Gehäuse und mit ihrem Schaufelfuß
5 an einem Nabenring 8 fest angebracht. Zwischen zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln
3, 4 ist ein Kanal 14 ausgebildet, in dem ein Arbeitsfluid strömbar ist. Dargestellt
ist in Figuren 1 bis 3 jeweils die Hinterkante der Leitschaufeln 3, 4.
[0017] In Figur 3 ist beispielhaft ein Teilungswinkel 13 der Axialströmungsmaschine 1 dargestellt.
An den beiden benachbart angeordneten Leitschaufeln 3, 4 ist jeweils ein Oberflächenpunkt
15 auf den Hinterkanten der Leitschaufeln 3, 4 dargestellt. Die beiden Oberflächenpunkte
15 haben dabei den gleichen Abstand zu der Achse 11 der Axialströmungsmaschine 1.
Ebenso sind in Figur 3 zwei Verbindungslinien 16 gezeigt, die jeweils von den beiden
Oberflächenpunkten 15 ausgehen, senkrecht zu der Achse 11 der Axialströmungsmaschine
1 verlaufen und jeweils auf demselben Punkt auf der Achse 11 der Axialströmungsmaschine
1 enden. Die beiden Verbindungslinien 16 schließen den Teilungswinkel 13 ein.
[0018] In Figuren 1 bis 3 ist der Leitschaufelkranz 2 vor einem Verschieben von mindestens
einem Profilschnitt und nach dem Verschieben des mindestens einen Profilschnitts dargestellt.
Gezeigt sind in den Figuren 1 bis 3 Leitschaufeln 3 vor dem Verschieben (durchgezogene
Linien) und Leitschaufeln 4 nach dem Verschieben (gestrichelte Linien). Die Leitschaufeln
3 zeichnen sich dadurch aus, dass sie für jede Leitschaufel 3 und für jeden Oberflächenpunkt
15 den gleichen Teilungswinkel 13 aufweisen, nämlich den Nominalteilungswinkel 12.
Der Nominalteilungswinkel 12 ergibt sich zu 2*Π/n, wobei n die Anzahl der Leitschaufeln
3 in dem Leitschaufelkranz 2 und Π die Kreiszahl ist.
[0019] In Figur 1 sind die Profilschnitte derart verschoben, dass die Leitschaufeln 4 im
Vergleich zu den Leitschaufeln 3 geneigt sind. Dabei weist der Leitschaufelkranz 2
nach dem Verschieben jeweils gleiche Paare von benachbart angeordneten Leitschaufeln
4 auf. Die Paare zeichnen sich dadurch aus, dass der Schaufelfuß 5 der einen Leitschaufel
4 des Paars in eine Umfangsrichtung des Leitschaufelkranzes 2 und die Schaufelspitze
6 in die andere Umfangsrichtung verschoben ist, die der einen Umfangsrichtung entgegen
gerichtet ist. Die andere Leitschaufel 4 des Paars wird entgegen der einen Leitschaufel
4 des Paars geneigt, d.h. der Schaufelfuß 5 der anderen Leitschaufel 4 des Paars wird
in die andere Umfangsrichtung verschoben und die Schaufelspitze 6 der anderen Leitschaufel
4 wird in die eine Umfangsrichtung verschoben. Die so angeordneten Leitschaufeln 4
führen zu einer linearen Variation des Teilungswinkels 13 über die Schaufelhöhe, d.h.
in Abhängigkeit des radialen Abstands von der Achse 11 der Axialströmungsmaschine
1. In Figur 1 ist der Leitschaufelkranz 2 vollständig durch die gleichen Paare gebildet.
Es ist ebenso denkbar, dass der Leitschaufelkranz 2 abwechselnd von den Paaren und
von den Leitschaufeln 3 ohne verschobene Profilschnitte gebildet ist. Dabei können
jeweils zwischen zwei Paaren eine Leitschaufel 3 oder eine Mehrzahl an Leitschaufeln
3 vorgesehen werden, wobei die Störung der aeroelastischen Kopplung effektiver ist,
wenn nur eine Leitschaufel 3 vorgesehen wird.
[0020] Der Leitschaufelkranz 2 aus Figur 2 weist ebenfalls Paare von Leitschaufeln 4 auf.
Die Leitschaufeln 4 der Paare sind derart gekrümmt, dass die Leitschaufeln 4 einen
Bauch aufweisen. Dabei weist eine Leitschaufel 4 des Paars einen Bauch in die eine
Umfangsrichtung und die andere Leitschaufel 4 des Paars einen Bauch in die andere
Umfangsrichtung auf. Es ist ebenso denkbar, dass die Leitschaufeln 4 eine Mehrzahl
an Bäuchen aufweisen, die entweder auf der gleichen Seite der Leitschaufeln 3 in Umfangsrichtung
oder auf beiden Seiten der Leitschaufeln 4 in Umfangsrichtung angeordnet sind. Weiterhin
ist es möglich, die Form des Bauches von Leitschaufel 4 zu Leitschaufel 4 zu variieren,
um die aerolastische Kopplung besonders effektiv zu stören. Indem die Leitschaufeln
4 gekrümmt ausgeführt sind, variiert der Teilungswinkel 13 nichtlinear über die Schaufelhöhe.
Auch in Figur 2 ist der Leitschaufelkranz 2 vollständig aus den Paaren gebildet und
auch hier ist denkbar, dass zwischen zwei Paare eine oder eine Mehrzahl an Leitschaufeln
3 angeordnet ist. Ebenso ist denkbar, dass abwechselnd eine gekrümmt ausgeführte Leitschaufel
4 und eine Leitschaufel 3 angeordnet sind.
[0021] In Figur 3 ist jede zweite der Leitschaufeln 3, 4 in dem Leitschaufelkranz 2 im Vergleich
zu den entsprechenden Leitschaufeln 3 geneigt. Die derart geneigten Leitschaufeln
4 sind mit ihren Schaufelfüßen 5 abwechselnd in die eine Umfangsrichtung respektive
in die andere Umfangsrichtung und mit ihren Schaufelspitzen 6 abwechselnd in die andere
Umfangsrichtung respektive in die eine Umfangsrichtung verschoben. In den Figuren
1 bis 3 betragen die Abweichungen der Leitschaufeln 4 gegenüber den Leitschaufeln
3 maximal 10% der verfügbaren Erstreckung der Kanäle 14 in Umfangsrichtung. Die Abweichungen
werden erhalten, in dem Profilschnitte der Leitschaufeln 3 in Umfangsrichtung verschoben
werden. Die Profilschnitte der Leitschaufeln 3 können dabei auf einer um die Achse
11 symmetrischen Zylinderfläche oder Kegelfläche, in einer tangentialen Ebene der
Axialströmungsmaschine 1 oder auf einer S
1-Strömungsfläche liegen.
[0022] In Figur 4 ist ein Längsschnitt durch die Axialströmungsmaschine 1 mit einer Hauptströmungsrichtung
21 und mit der erfindungsgemäßen Stufe 22 dargestellt. Die Stufe 22 weist den Leitschaufelkranz
2 und einen stromab von dem Leitschaufelkranz 2 angeordneten Laufschaufelkranz 20
auf. Gezeigt sind jeweils eine Leitschaufel 18 und eine Laufschaufel 19. Ebenfalls
dargestellt ist eine Nabe 17, die sich im Betrieb der Axialströmungsmaschine 1 um
die Achse 11 dreht. Die Leitschaufel 18 ist an dem Gehäuse 7, die Laufschaufel 19
an der Nabe 17 angebracht. Im Betrieb der Axialströmungsmaschine 1 bildet sich stromab
des Leitschaufelkranzes 2 eine Strömung mit einer inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung
aus. Dadurch ändert sich die Belastung der Laufschaufeln 19 während einer Umdrehung,
wodurch ein Flattern der Laufschaufeln 19 vorteilhaft vermindert wird.
[0023] Das Verfahren zum Auslegen einer Stufe 22 für eine Axialströmungsmaschine 1 aufweisend
einen Leitschaufelkranz 2 und einen dem Leitschaufelkranz 2 stromab angeordneten Laufschaufelkranz
20 ist bevorzugt wie folgt durchzuführen: Profilieren eines Leitschaufelkranzes 2
mit regelmäßig über den Umfang des Leitschaufelkranzes 2 angeordneten Leitschaufeln
3 gemäß aerodynamischer und mechanischer Randbedingungen; Verschieben von mindestens
einem Profilschnitt von mindestens einer der Leitschaufeln 3 in Umfangsrichtung derart,
dass der Teilungswinkel 13 für die mindestens eine Leitschaufel 4 und einer ihr benachbart
angeordneten Leitschaufel 4 derart über die Schaufelhöhe variiert, dass im Betrieb
der Axialströmungsmaschine 1 die dem Leitschaufelkranz 2 stromab ausgebildete Abströmung
derart unregelmäßig über den Umfang der Axialströmungsmaschine ausgebildet ist, dass
die Schwingungsanregung der Laufschaufeln 19 des Laufschaufelkranzes 20 gering ist;
Anpassen des mindestens einen Profilschnitts an die nach dem Verschieben geänderten
aerodynamischen Randbedingungen.
[0024] Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert
und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
1. Verfahren zum Auslegen einer Stufe (22) für eine Axialströmungsmaschine (1) aufweisend
einen Leitschaufelkranz (2) und einen dem Leitschaufelkranz (2) stromab angeordneten
Laufschaufelkranz (20), mit den Schritten:
- Profilieren eines Leitschaufelkranzes (2) mit regelmäßig über den Umfang des Leitschaufelkranzes
(2) angeordneten Leitschaufeln (3) gemäß aerodynamischer und mechanischer Randbedingungen;
- Verschieben von mindestens einem Profilschnitt von mindestens einer der Leitschaufeln
(3) in Umfangsrichtung derart, dass der Teilungswinkel (13) für die mindestens eine
Leitschaufel (4) und einer ihr benachbart angeordneten Leitschaufel (4) derart über
die Schaufelhöhe variiert, dass im Betrieb der Axialströmungsmaschine (1) die dem
Leitschaufelkranz (2) stromab ausgebildete Abströmung derart unregelmäßig über den
Umfang der Axialströmungsmaschine ausgebildet ist, dass die Schwingungsanregung der
Laufschaufeln (19) des Laufschaufelkranzes (20) gering ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
wobei das Verschieben des mindestens einen Profilschnitts auf einem Verschiebeweg
erfolgt, der für jede der beiden benachbart angeordneten Leitschaufeln (4) maximal
10% der Erstreckung des Kanals (14) zwischen den beiden Leitschaufeln (3) in Umfangsrichtung
beträgt.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2,
wobei die Profilschnitte derart verschoben werden, dass die Leitschaufel (4) gegen
eine ihr benachbart angeordnete Leitschaufel (4) geneigt wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Profilschnitte derart verschoben werden, dass mindestens eine von zwei benachbart
angeordneten Leitschaufeln (4) gekrümmt ausgeführt wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Leitschaufeln (4), in denen Profilschnitte verschoben sind, symmetrisch
um die Achse (11) der Axialströmungsmaschine verteilt angeordnet werden.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Leitschaufeln (3, 4) derart ausgelegt werden, dass keine der Eigenfrequenzen
der Laufschaufeln (19) mit der Drehfrequenz der Axialströmungsmaschine (1) oder einem
Vielfachen der Drehfrequenz bis einschließlich dem Achtfachen der Drehfrequenz übereinstimmt.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Profilschnitte auf einer Zylinderfläche oder einer Kegelfläche, deren Achsen
mit der Achse (11) der Axialströmungsmaschine (1) zusammenfallen, auf einer S1-Strö-mungsfläche oder in einer tangentialen Ebene der Axialströmungsmaschine (1)
liegen.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
mit dem Schritt:
- Anpassen des mindestens einen Profilschnitts an die nach dem Verschieben geänderten
aerodynamischen Randbedingungen.
9. Stufe für eine Axialströmungsmaschine (1),
die mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgelegt ist.
10. Axialströmungsmaschine,
die eine Stufe (22) gemäß Anspruch 9 aufweist, insbesondere als letzte, stromab liegende
Stufe der Axialströmungsmaschine (1).