[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1, eine Leitschaufel sowie eine Laufschaufel.
[0002] Um bei einer Strömungsmaschine wie einer Gasturbine einen Heißgaseinzug eines Heißgases
aus einem radial äußeren Heißgaskanal in einen radial inneren Kühlkanal durch einen
Axialspalt zwischen einer Strömungsprofilreihe bzw. Leitschaufelreihe und einer stromabwärtigen
Laufschaufelreihe zu verhindern, werden sogenannte Fischmauldichtungen verwendet,
bei denen ein umlaufender Rotorring der Laufschaufelreihe in einen ringförmigen Dichtraum
läuft, der von einem radial inneren Statorring und einem radial äußeren Statorring
der Leitschaufelreihe begrenzt wird. Im Dichtraum bilden sich Wirbel aus, die das
Eindringen von Heißgas aus dem Heißgaskanal in den Kühlkanal verhindern sollen. Der
innere Statorring kann wie in der
US 2010172749 A1 gezeigt als integrales Bauteil mit dem äußeren Statorring ausgebildet sein oder wie
in der
DE 2847012 A1 gezeigt als separates Bauteil.
[0003] Aus der
US 7540709 B1 ist eine Strömungsmaschine mit einer Dichteinrichtung zwischen einer Leitschaufelreihe
und einer Laufschaufelreihe bekannt, die einen radial inneren hakenartigen Statorring
und einen radial äußeren hakenartigen Rotorring aufweist. Die beiden Ringe befinden
sich in axialer Überlappung, wobei zwischen ihnen aufgrund ihrer hakenartigen Ausbildung
ein Dichtraum gebildet ist.
[0004] In der
US 8075256 B2 ist eine Strömungsmaschine mit einer Dichteinrichtung gezeigt, die als eine Labyrinthdichtung
zwischen einem radial äußeren Statorring und einem radial innen laufenden Rotorring
ausgebildet ist. Die Ringe befinden sich in axialer Überlappung, wobei der Rotorring
zusätzlich zu seinem radial nach außen gerichteten Endabschnitt auf ungefähr seiner
halben axialen Erstreckung einen umlaufenden radial nach außen gerichteten Dichtsteg
hat. Der Statorring hat einen radial nach innen gerichteten Endabschnitt.
[0005] Aus der
EP 2573329 A2 ist eine Strömungsmaschine mit einer Dichteinrichtung zwischen einer in einem Turbinenzwischengehäuse
angeordneten feststehenden Strömungsprofilreihe und einer nachfolgenden Laufschaufelreihe
gezeigt.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine zu schaffen, die eine alternative
Dichteinrichtung zum Abdichten eines Axialspaltes zwischen einer Strömungsprofilreihe
und einer stromabwärtigen Laufschaufelreihe aufweist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Leitschaufel und eine Laufschaufel für eine derartige Strömungsmaschine zu schaffen.
[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1, durch eine Leitschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und durch eine
Laufschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
[0008] Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine mit einer Strömungsprofilreihe und einer
zur Strömungsprofilreihe stromabwärtigen Laufschaufelreihe, zwischen denen ein radial
innerer Kühlkanal gebildet ist, wobei die Strömungsprofilreihe und die Laufschaufelreihe
jeweils einen Plattformring aufweisen, der einen radial äußeren Heißgaskanal begrenzt,
hat eine Dichteinrichtung zum Verhindern eines Heißgaseinzuges durch einen Axialspalt
zwischen den Reihen aus dem Heißgaskanal in den Kühlkanal. Erfindungsgemäß hat die
Dichteinrichtung einen stromabwärts orientierten leitschaufelseitigen Axialring, der
sich axial über eine Plattformringhinterkante der Strömungsprofilreihe erstreckt und
einen radial nach außen gerichteten Endabschnitt hat. Zudem hat die Dichteinrichtung
einen stromaufwärts gerichteten Plattformringüberhang, der an der Laufschaufelreihe
angeordnet ist und einen radial nach innen gerichteten Endabschnitt aufweist, wobei
der Axialring radial innen zum Plattformringüberhang angeordnet ist und mit diesem
eine axial Überlappung bildet. Dabei folgt der vordere Plattformringüberhang zumindest
abschnittsweise einem idealen Strömungsverlauf des Heißgases über den laufschaufelreihenseitigen
Plattformring.
[0009] Die Ausbildung der Strömungsprofilreihe ohne einen stromabwärtigen bzw. hinteren
Plattformringüberhang in Verbindung mit dem zu ihrem Plattformring radial innen laufenden
hinteren hakenartigen Axialring und dem mit sich in axialer Überlappung mit dem Axialring
befindenden radial äußeren vorderen hakenartigen Plattformringüberhang bewirkt einen
Dichtraum bzw. eine Wirbelzone, in dem/die einströmendes Heißgas mit einer hohen tangentialen
Geschwindigkeitskomponente beaufschlagt wird. Das einströmende Heißgas wird verwirbelt
und hierdurch an seinem Einzug in den Kühlkanal wesentlich erschwert bzw. unterbunden.
Zudem wirkt der Dichtraum als ein Dämpfungsbereich zwischen dem Heißgaskanal und dem
inneren Kühlkanal, wodurch Druckunterschiede zwischen dem Heißgaskanal und dem inneren
Kühlkanal abgeschwächt werden, wodurch ebenfalls ein Heißgaseinzug aus dem Heißgaskanal
in den inneren Kühlkanal erschwert wird. Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße
Dichteinrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Fischmauldichtungen bei einem kleinen
Axialspalt große axiale und radiale Relativbewegungen des Rotors und des Stators zueinander.
Dadurch, dass der vordere Plattformringüberhang zumindest abschnittsweise einen idealen
Strömungsverlauf des Heißgases über den laufschaufelreihenseitigen Plattformring folgt,
werden zudem Wirbel im Bereich des Plattformüberhangs im Heißgaskanal verhindert bzw.
wesentlich reduziert. Die Dichteinrichtung ist bevorzugterweise turbinenseitig der
Strömungsmaschine wie eine Gasturbine und insbesondere ein Flugtriebwerk angeordnet.
Beispielsweise ist die Strömungsprofilreihe eine Leitschaufelreihe in einer Niederdruckturbine
der Strömungsmaschine. Allerdings kann die Strömungsprofilreihe auch aus einer Vielzahl
von in einem Turbinenzwischengehäuse zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine
angeordneten Schaufelprofilen bestehen.
[0010] Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Endabschnitte in radialer Richtung voneinander
beabstandet. Hierdurch wird im wesentlichen ein Radialspalt geschaffen, durch den
Kühlluft aus dem Kühlkanal in den Dichtraum ausgeblasen werden kann.
[0011] Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enden die Endabschnitte auf gleicher radialer
Höhe. Hierdurch wird im wesentlichen ein Axialspalt geschaffen, durch den Kühlluft
aus dem Kühlkanal in den Dichtraum ausgeblasen werden kann.
[0012] Bevorzugterweise hat der Endabschnitt des Axialrings eine größere radiale Erstreckung
als der Endabschnitt des vorderen Plattformringüberhanges. Der Endabschnitt des rotierenden
Plattformringüberhangs ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Vergleich zum Endabschnitt
des feststehenden Axialrings verkürzt. Die Endabschnitte des Plattformringüberhangs
sind durch die kurze radiale Erstreckung stabilisiert, wodurch eine Einleitung von
störenden Schwingungen in den Rotor durch die rotierenden Endabschnitte verhindert
wird.
[0013] Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Endabschnitte parallel und in radialer Richtung
versetzt zueinander orientiert. Beispielsweise verlaufen die Endabschnitte orthogonal
zur Axialrichtung der Strömungsmaschine. Durch die Parallelität wird eine axiale Komponente
des Radialspalts trotz unterschiedlicher thermischer radialer Dehnungsverhalten des
Axialrings und des Plattformringüberhangs bzw. des Stators und des Rotors konstant
gehalten.
[0014] Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Endabschnitte zueinander angestellt.
Beispielsweise ist der Endabschnitt des Axialrings in Axialrichtung stromabwärts geneigt
und der Endabschnitt des vorderen Plattformringüberhangs verläuft orthogonal zur Axialrichtung.
Durch die Schrägstellung bzw. Neigung kann der Spalt zwischen dem Kühlraum und dem
Dichtraum geöffnet werden.
[0015] Eine erfindungsgemäße Leitschaufel für eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine hat
einen stromabwärts orientierten Axialüberhang, der sich axial über eine Plattformhinterkante
erstreckt und einen radial nach außen gerichteten Endabschnitt aufweist. Eine derartige
Leitschaufel ermöglicht die Bildung einer Leitschaufelreihe, in die die bevorzugte
Dichteinrichtung zum Verhindern eines Heizgaseizugs abschnittsweise integriert ist.
[0016] Eine erfindungsgemäße Laufschaufel für eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine hat
einen stromaufwärts gerichteten vorderen Plattformüberhang, der einen radial nach
innen gerichteten Endabschnitt aufweist. Eine derartige Laufschaufel ermöglicht die
Bildung einer Laufschaufelreihe, in die die bevorzugte Dichteinrichtung zum Verhindern
eines Heizgaseizugs abschnittsweise integriert ist.
[0017] Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
[0018] Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter
schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine im Bereich einer
ersten beispielhaften Dichteinrichtung,
- Figur 2
- einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine im Bereich einer
zweiten beispielhaften Dichteinrichtung, und
- Figur 3
- eine Seitendarstellung einer erfindungsgemäßen Laufschaufel.
[0019] In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch eine Strömungsmaschine im Bereich einer Strömungsprofilreihe
1 und einer zur Leitschaufelreihe 1 stromabwärtigen Strömungsprofilreihe 2 gezeigt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsprofilreihe eine Leitschaufelreihe.
Die Leitschaufelreihe 1 sowie die Laufschaufelreihe 2 weisen eine Vielzahl von Schaufeln
35, 36 auf, die in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine nebeneinander angeordnet
sind und deren jeweiliges Schaufelblatt 4, 6 im Heißgaskanal 8 der Strömungsmaschine
angeordnet ist. Die Strömungsmaschine ist eine Gasturbine und insbesondere ein Flugtriebwerk.
Die Leitschaufelreihe 1 und die Laufschaufelreihe 2 sind insbesondere turbinenseitig
und beispielsweise in der Niederdruckturbine der Strömungsmaschine angeordnet.
[0020] Der Heißgaskanal 8 wird von einem Heißgasstrom gemäß der Darstellung in Figur 2 von
links nach rechts durchströmt. Er ist radial innen von einem leitschaufelreihenseitigen
Plattforming 10 und von einem laufschaufelreihenseitigen Plattformring 12 begrenzt.
Radial innen zum Heißgaskanal 8 ist ein Kühlraum 14 gebildet, der von einem Kühlluftstrom
durchströmt wird.
[0021] Um einen Heißgaseinzug bzw. einen Einzug eines Heißgasteilstroms 16 durch einen Axialspalt
zwischen der Leitschaufelreihe 1 und der Laufschaufelreihe 2 aus dem Heißgaskanal
8 in den Kühlraum 14 zu verhindern, ist im Axialspalt zwischen der Leitschaufelreihe
1 und der Laufschaufelreihe 2 eine Dichteinrichtung 18 angeordnet.
[0022] Das in Figur 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel der Dichteinrichtung 18 bildet
einen ringartigen Dichtraum 20. Der Dichtraum 20 ist in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
über einen ringartigen axialen Außenspalt 21 zum Heißgaskanal 8 und über einen ringartigen
axialen Innenpalt 23 zum Kühlkanal 14 geöffnet. Durch den Außenspalt 21 tritt der
Heißgasteilstrom 16 in den Dichtraum 20 ein und wird in diesem verwirbelt. Zur Wirbelführung
wird gleichzeitig durch den Innenpalt 23 in den Dichtraum 20 ein Kühlluftteilstrom
22 eingeblasen, der sich auf einen Heißgasteilstromwirbel 25 im Dichtraum 20 legt
und in den Heißgaskanal 8 austritt.
[0023] Die Dichteinrichtung 18 hat einen gegenüber einer leitschaufelreihenseitigen vorderen
Plattformringhinterkante 24 radial innen angeordneten Axialring 26, der stromabwärts
in Richtung der Laufschaufelreihe 2 orientiert ist und einen radial nach außen gerichteten
Endabschnitt 28 aufweist. Zudem hat die Dichteinrichtung 18 einen laufschaufelreihenseitigen
vorderen Plattformringüberhang 30, der stromabwärts in Richtung der Leitschaufelreihe
1 orientiert ist und einen radial nach innen gerichteten Endabschnitt 32 aufweist.
Die umlaufenden Endabschnitte 28, 32 weisen somit in entgegengesetzte radiale Richtungen,
wobei sie einander zugewandt sind.
[0024] Zur Bildung des Dichtraums 20 befinden sich der Axialring 26 und der Plattformringüberhang
30 in axialer Überlappung. Dabei befinden sie sich in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
derart in axialer Überlappung, dass der Dichtraum 20 nicht über seine gesamte axiale
Erstreckung zum Heißgaskanal 8 geöffnet ist, sondern lediglich im Bereich nahe der
Plattformringhinterkante 24.
[0025] Der Axialring 26 erstreckt sich mit einem zylinderförmigen Ringabschnitt 34 in Axialrichtung
der Strömungsmaschine und ist radial innen zum Plattformringüberhang 30 angeordnet.
Sein Endabschnitt 28 erstreckt sich vom Ringabschnitt 34 und ist stromabwärts geneigt
angestellt, wobei er sich radial nach außen erstreckt. Der Endabschnitt 28 weist somit
in Richtung des vorderen Plattformringüberhangs 30.
[0026] Der vordere Plattformringüberhang 30 folgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit
einem Ringabschnitt 37 einem idealen Strömungsverlauf des Heißgases über den laufschaufelreihenseitigen
Plattformring 12. Er geht hierzu zum einen stufenlos in die Plattform 12 über und
hat zum einen in Strömungsrichtung betrachtet eine sich trichterförmig öffnende Kontur.
[0027] Der Endabschnitt 32 des vorderen Plattformringüberhangs 30 erstreckt sich vom Ringabschnitt
37. Er verläuft orthogonal zur Axialrichtung und somit orthogonal zum Ringabschnitt
34 des Axialrings 26, wobei er sich radial nach innen erstreckt. Der Endabschnitt
32 hat eine kürze radiale Erstreckung als der Endabschnitt 28 des Axialrings 26. In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat er eine derartige radiale Erstreckung, dass
er auf bzw. in etwa auf der gleichen radialen Höhe wie der Endabschnitt 28 des Axialrings
26 endet. Stromabwärts bildet der Endabschnitt 32 des Plattformringüberhangs 30 zusammen
mit dem Endabschnitt 28 des Axialrings 26 den Innenpalt 23, der hier in Figur 1 quasi
ein Axialspalt ist. Aufgrund der Neigung des Endabschnitts 28 ist der Innenspalt 23
dabei gegenüber einer nicht geneigten Anstellung des Endabschnitts 28 axial erweitert.
Stromaufwärts bildet der Endabschnitt 32 des vorderen Plattformringüberhangs 30 zusammen
mit der leitschaufelseitigen Plattformringhinterkante 24 den Außenspalt 21.
[0028] Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Dichteinrichtung 18 zwischen
einer Leitschaufelreihe 1 und einer stromabwärtigen Laufschaufelreihe 2 einer Strömungsmaschine
zum Verhindern eines Heißgaseinzugs 16 aus einem radial äußeren Heißgaskanal 8 in
einen radial inneren Kühlkanal 14 unter Bildung eines Dichtraums 20 sind im wesentlichen
Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 beide Endabschnitte 28, 32 orthogonal
zum axialen Ringabschnitt 34 bzw. zur Axialrichtung der Strömungsmaschine orientiert.
Die Endabschnitte 28, 32 sind quasi parallel zueinander ausgerichtet. Allerdings sind
sie in Radialrichtung der Strömungsmaschine derart voneinander beanstandet, dass ein
ringartiger Innenspalt 23 zum Einblasen eines Kühlluftteilstroms 22 in den Dichtraum
20 eine größere axiale Komponente als radiale Komponente hat und somit quasi ein Radialspalt
ist.
[0029] Zudem sind im wesentlichen Unterschied die Endabschnitte 28, 32 derart von einer
leitschaufelseitigen Plattformringhinterkante 24 beabstandet, dass sich ein ringartiger
axialer Außenspalt 21 quasi über die gesamte axiale Erstreckung des Axialrings 26
erstreckt und der Dichtraum 20 somit quasi über seine gesamte axiale Erstreckung zum
Heißgaskanal 8 geöffnet ist.
[0030] Wie in den Figuren 1 und 2 zu erkennen, ist eine jeweilige Leitschaufel 35 der Leitschaufelreihe
1 ohne einen hinteren Plattformüberhang ausgebildet. Die Leitschaufel 35 weist jeweils
einen zu einer hinteren Plattformkante radial innen positionierten Axialvorsprung
mit einem radial nach außen gerichteten Endbereich auf. Im zur Leitschaufelreihe 1
montierten Zustand bilden die nebeneinander liegenden Axialvorsprünge den Axialring
26, wobei die Endbereiche den umlaufenden Endabschnitt 28 bilden.
[0031] In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Laufschaufel 36 zur Bildung einer vorgenannten
Laufschaufelreihe 2 gezeigt. Die Laufschaufel 36 hat hierzu in Strömungsrichtung eines
Heißgases betrachtet einen vorderen Plattformüberhang 38 mit einem radial nach innen
gerichteten Endbereich 40. Der vordere Plattformüberhang 38 folgt einem idealen Strömungsverlauf
des Heißgases über eine Schaufelplattform 42. Der vordere Plattformüberhang 38 geht
stufenlos in die Schaufelplattform 42 über und ist entsprechend der Schaufelplattform
42 in Strömungsrichtung aufsteigend schräg angestellt. Zudem weist die in Figur 3
gezeigte Laufschaufel 36 eine hintere Plattformüberhang 44 auf, der nahezu axial zur
Axialrichtung ausgerichtet ist. Im zur Laufschaufelreihe 1 montierten Zustand bilden
die nebeneinander liegenden vorderen Plattformüberhänge 38 den vorderen Plattformringüberhang
30, wobei die Endbereiche 40 den umlaufenden Endabschnitt 32 bilden.
[0032] Offenbart ist eine Strömungsmaschine, mit einer Dichteinrichtung zum Verhindern eines
Heißgaseinzugs durch einen Axialspalt zwischen einer Strömungsprofilreihe und einer
Laufschaufelreihe aus einem Heißgaskanal in einen Kühlkanal, wobei die Dichteinrichtung
einen stromabwärts orientierten leitschaufelseitigen Axialring hat, der sich axial
über eine Plattformringhinterkante der Strömungsprofilreihe erstreckt und einen radial
nach außen gerichteten Endabschnitt hat, und einen stromaufwärts gerichteten laufschaufelseitigen
Plattformringüberhang aufweist, der einen radial nach innen gerichteten Endabschnitt
aufweist, wobei der Axialring radial innen zum Plattformringüberhang angeordnet ist
und mit diesem eine axiale Überlappung bildet, wobei der vordere Plattformringüberhang
zumindest abschnittsweise einem idealen Strömungsverlauf des Heißgases über den laufschaufelreihenseitigen
Plattformring folgt, sowie eine Leitschaufel und eine Laufschaufel.
Bezugszeichenliste
[0033]
- 1
- Leitschaufelreihe
- 2
- Laufschaufelreihe
- 4
- Schaufelblatt
- 6
- Schaufelblatt
- 8
- Heißgaskanal
- 10
- Plattformring
- 12
- Plattformring
- 14
- Kühlkanal
- 16
- Heißgasteilstrom / Heißgaseinzug
- 18
- Dichteinrichtung
- 20
- Dichtraum
- 21
- Außenspalt
- 22
- Kühlluftteilstrom
- 23
- Innenspalt
- 24
- Plattformringhinterkante
- 25
- Heißgasteilstromwirbel
- 26
- Axialring
- 28
- Endabschnitt
- 30
- Plattformringüberhang
- 32
- Endabschnitt
- 34
- Ringabschnitt
- 35
- Leitschaufel
- 36
- Laufschaufel
- 37
- Ringabschnitt
- 38
- Plattformüberhang
- 40
- Endbereich
- 42
- Schaufelplattform
- 44
- vorderer Plattformüberhang
1. Strömungsmaschine, mit einer feststehenden Strömungsprofilreihe (1) und einer stromabwärtigen
Laufschaufelreihe (2), zwischen denen ein radial innerer Kühlkanal (14) gebildet ist,
wobei die Strömungsprofilreihe (1) und die Laufschaufelreihe (2) jeweils einen Plattformring
(10, 12) aufweisen, der einen radial äußeren Heißgaskanal (8) begrenzt, und mit einer
Dichteinrichtung (18) zum Verhindern eines Heißgaseinzugs (16) durch einen Axialspalt
zwischen den Reihen (1, 2) aus dem Heißgaskanal (8) in den Kühlkanal (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (18) einen stromabwärts orientierten leitschaufelseitigen Axialring
(26) hat, der sich axial über eine Plattformringhinterkante (24) der Strömungsprofilreihe
(1) erstreckt und einen radial nach außen gerichteten Endabschnitt (28) hat, und dass
die Dichteinrichtung (18) einen stromaufwärts gerichteten laufschaufelseitigen Plattformringüberhang
(30) aufweist, der einen radial nach innen gerichteten Endabschnitt (32) aufweist,
wobei der Axialring (26) radial innen zum Plattformringüberhang (30) angeordnet ist
und mit diesem eine axiale Überlappung bildet, wobei der vordere Plattformringüberhang
(30) zumindest abschnittsweise einem idealen Strömungsverlauf des Heißgases über den
laufschaufelreihenseitigen Plattformring (12) folgt.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Endabschnitte (28, 30) in radialer Richtung
voneinander beabstandet sind.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Endabschnitte (28, 30) auf gleicher radialer
Höhe enden.
4. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Endabschnitt
(28) des Axialrings (26) eine größere radiale Erstreckung als der Endabschnitt (32)
des vorderen Plattformringüberhangs (30) hat.
5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Endabschnitte (28, 30)
parallel und in radialer Richtung versetzt zueinander verlaufen.
6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Endabschnitte (28, 30)
zueinander angestellt sind.
7. Leitschaufel (35) für eine Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Laufschaufel (36) für eine Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6.