VORRICHTUNG ZUR BEEINFLUSSUNG DER STRÖMUNG IN EINER TURBOMASCHINE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Strömung in einer Turbomaschine, mit einem Gehäuse und mit wenigstens einem, mehrere Schaufeln aufweisenden, innerhalb des Gehäuses rotierenden Schaufelkranz, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Turbomaschine mit einer derartigen Vorrichtung.

[0002] Der Begriff "Turbomaschine" im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung umfasst Turbinen und Verdichter. Stromab von Turbinen werden häufig Diffusoren eingesetzt, die die Aufgabe haben, die Strömung am Austritt der Turbine zu verzögern, um auf diese Weise die in diesem Bereich noch vorhandene kinetische Energie der Strömung, beispielsweise einer Luft- oder Dampfströmung, in potenzielle Energie in Form von statischem Druck umzuwandeln, was als Druckrückgewinn bezeichnet wird. Um dies zu erreichen, wird bei bekannten Lösungen der Strömungsquerschnitt vom Eintritt des Diffusors in Richtung seines Austritts erweitert. Durch diese Vergrößerung des Querschnitts des Diffusors wird eine Verzögerung der Strömung erreicht. Der Diffusor bewirkt ein Absinken des Gegendrucks am Austritt, so dass ein höheres Enthalpiegefälle zur Verfügung steht, d. h. mehr Arbeit umgesetzt und dadurch der Wirkungsgrad der Turbine gesteigert wird.

[0003] Ein maximaler Druckrückgewinn bei einem Diffusor wird bei einem Öffnungswinkel erreicht, bei dem gerade noch keine Strömungsablösung auftritt. Eine solche Strömungsablösung kann dadurch entstehen, dass die Grenzschicht an der Wand des Diffusors mit zunehmender Lauflänge immer mehr an Energie verliert und gleichzeitig durch die Verzögerung der Strömung ein Druckanstieg auftritt, was innerhalb der Grenzschicht eine Strömungsumkehr und damit ein Ablösen der Strömung von der Wand bewirken kann. Eine Vergrößerung des Öffnungswinkels der Turbine erhöht das Risiko einer Strömungsablösung. Das Auftreten von Strömungsablösungen führt zu großflächigen Rückströmungen innerhalb des Diffusors, was letztendlich eine nicht ausreichende Verzögerung der Strömung zur Folge hat. Hierdurch wird der Druckrückgewinn verringert und kann teilweise sogar negativ ausfallen. Die beschriebenen, im Falle einer Strömungsablösung auftretenden Rückströmgebiete sind meist nicht stationär, sondern können erhebliche Druckund Geschwindigkeitsfluktuationen innerhalb des Diffusors auslösen, was auch zu strukturmechanischen Problemen innerhalb des Diffusors führen kann.

[0004] Aufgrund der beschriebenen Risiken werden Diffusoren heutzutage meist sehr vorsichtig ausgelegt, indem der Diffusor entweder recht lang ist oder einen geringen Öffnungswinkel aufweist, wodurch ein geringerer Druckrückgewinn in Kauf genommen wird. Dies führt jedoch entweder zu sehr hohen Kosten oder zu einem nicht optimalen Wirkungsgrad der Turbine.

[0005] Da Turbinen in Kraftwerken aufgrund der stark fluktuierenden Einspeisung von regenerativen Energien meist in einem sehr breiten Lastbereich von sehr niedriger Teillast bis hin zu extremer Überlast gefahren werden, kann das Auftreten von Strömungsablösungen im Diffusor auf der Grundlage der geometrischen Parameter, also der Länge und des Flächenverhältnisses zwischen Eintritt und Austritt, kaum vermieden werden. Dies ist ein weiterer Grund, weshalb Diffusoren häufig sehr vorsichtig bzw. konservativ ausgelegt werden, um einen Kompromiss zwischen einem möglichst hohen Druckrückgewinn, einem großen Betriebsbereich und einer wirtschaftlich akzeptablen Länge des Diffusors zu erreichen.

[0006] Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur passiven Beeinflussung der Strömung in Turbinen bekannt, die insbesondere eine Energetisierung der Grenzschicht im Bereich des Diffusors bewirken sollen, indem künstlich Wirbel erzeugt werden oder der Turbulenzgrad der Strömung erhöht wird, wodurch ein verstärkter Austausch von Energie und Impuls zwischen der Hauptströmung und der Grenzschicht stattfindet. Diese passiv arbeitenden Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie sich ständig im Strömungskanal befinden und daher in denjenigen Betriebsbereichen, in denen der Diffusor stabil arbeitet, zusätzliche Verluste verursachen. Ein Beispiel hierfür ist in "Improving curved subsonic diffuser performance with vortex generators" von B. A. Reichert und B. J. Wendt in AIAA-Journal 34(1), 1996 beschrieben.

[0007] Des Weiteren ist aus "Control of separation in a conical diffuser by vortex generator jets" von M. Nishi, Y. Kouichi und M. Keisuke in JSME Series B, 41(1), 1998 ein aktives Verfahren bekannt, bei dem in den Diffusor zusätzlich ein Arbeitsfluid, z.B. Luft, eingeblasen wird, um die Grenzschicht zu energetisieren bzw. um den Turbulenzgrad zu erhöhen. Das Problem des zusätzlichen Einblasens von Arbeitsfluid ist jedoch, dass dieses aus einem Bereich höheren Druckes innerhalb der Turbine und insbesondere bei Gasturbinenanlagen dem Verdichter entnommen werden muss. Da der entnommene Massenstrom jedoch nicht an der Arbeitsumsetzung teilnimmt, verringert sich auf diese Weise die Leistungsabgabe der Turbine und damit der Wirkungsgrad. Hinzu kommt, dass die aktiven Verfahren meist auch relativ energieintensiv und kostspielig sind.

[0008] Eine gattungsgemäße Vorrichtung und eine entsprechende Turbine sind aus der US 2012/0102956 A1 bekannt. Hierbei ist zwischen dem Gehäuse und den Turbinenschaufeln ein Spalt mit einer Höhe von ca. 2,3 bis 3,8 mm (90 bis 150 mils) vorgesehen, durch den eine Leckströmung erzeugt werden soll, um eine Grenzschicht entlang einer äußeren Wandung eines nachfolgenden Diffusors zu energetisieren.

[0009] Eine Erhöhung des Spaltmassenstroms durch die Vergrößerung des Spalts zwischen Laufschaufeln und Gehäuse, wie dies in der US 2012/0102956 A1 beschrieben ist, kann zwar zur Stabilisierung des Diffusors beitragen, da der Spaltmassenstrom nicht an der Arbeitsumsetzung innerhalb der Laufschaufel teilnimmt und da es zu einer Interaktion zwischen der Hauptströmung und der Spaltströmung kommen kann, kann dies jedoch auch zu einem Wirkungsgrad- und Leistungsabfall der Turbine führen. Durch den bei dieser Lösung vorhandenen, verhältnismäßig großen Spalt, der zu einer sehr hohen Leckströmung führt, verringert sich der Wirkungsgrad der Turbine in den meisten Anwendungsbereichen. Diese Verluste durch den Spaltmassenstrom überwiegen den höheren Druckrückgewinn im Diffusor bei weitem. Einen ähnlichen Stand der Technik beschreibt auch "A Trade-Off Study of Rotor Tip Clearance Flow in a Turbine/Exhaust Diffuser System" von S. Farokhi in ASME-Paper No. 87-GT-214, 1989.

[0010] Ein Spalt zwischen den rotierenden Teilen der Turbomaschinen einerseits, d.h. der Welle und den Laufschaufeln, und den stehenden Teilen andererseits, d.h. dem Gehäuse, ist notwendig, um die Relativbewegung zwischen den Komponenten zu ermöglichen. Um die durch die Spaltströmung verursachten Verluste zu minimieren, wird meist versucht, den Radialspalt, also den Abstand zwischen den Schaufelenden und dem Gehäuse bei frei stehenden Schaufeln bzw. die freie Fläche zwischen dem Deckband des Schaufelkranzes und dem Gehäuse, so gering wie möglich zu halten.

[0011] Als Faustregel wird häufig angegeben, dass der Radialspalt mindestens 1/1000 des Schaufelkranz-Durchmessers betragen soll. Dabei ist zu beachten, dass der Spalt im Betrieb der Turbomaschine reduziert wird, beispielsweise auf Grund der Fliehkraftdehnung und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Gehäuse und Laufschaufeln. Diesen statischen Dehnungen ist zudem eine Radialbewegung auf Grund von Wellenschwingungen überlagert. Wird der Spalt zu gering ausgeführt, besteht die Gefahr, dass die rotierenden Komponenten der Turbomaschine am Gehäuse anstreifen. Dies kann zu dauerhaft höheren Verlusten oder sogar zur Zerstörung der Turbomaschine führen.

[0012] Um das Risiko eines Anstreifens bei möglichst geringem Spalt bzw. die daraus resultierenden Schäden zu minimieren, werden nach dem Stand der Technik verschiedene Verfahren eingesetzt.

[0013] Zunächst wird die minimale Spalthöhe zumeist nicht über die ganze Breite der Schaufelspitze bzw. die axiale Deckbandlänge eingestellt, da es in diesem Fall zu einem großflächigen Anlaufen kommen könnte. Vielmehr werden zumeist möglichst dünne Strukturen verwendet, die im Falle eines Anstreifens zwar beschädigt werden können, wodurch die Dichtwirkung nachlässt, was jedoch in der Regel keine größeren Beschädigungen oder gar einen Ausfall der Turbomaschine zur Folge hat. Eine solche Vorrichtung für frei stehende Schaufeln ist beispielsweise in der US 2007/02376237 beschrieben.

[0014] Bei Schaufelkränzen mit Deckband ist letzteres üblicherweise mit einer oder mehreren Dichtspitzen oder -rippen besetzt, die dadurch in axialer Richtung eine oder mehrere Wirbelkammern bilden und somit die Dichtwirkung erhöhen. Diese Ausführung wird auch als Labyrinthdichtung bezeichnet. Um die Dichtwirkung weiter zu verbessern, werden diese Dichtspitzen sowie die Gegenlaufflächen im Gehäuse oft radial versetzt angebracht, um so ein gestuftes Labyrinth zu erzeugen.

[0015] Um die in solchen Dichtrippen beim Betrieb auftretenden mechanischen Belastungen zu reduzieren, werden diese zum Teil geometrisch so ausgeführt, dass der Rippenquerschnitt in radialer Richtung erweitert wird, wie zum Beispiel in der EP 1 413 712 A1 beschrieben. Zusätzlich dienen einzelne kleine Trennschlitze dazu, die auf Grund der Fliehkraft entstehenden Druckspannungen in den Rippen zu verringern.

[0016] Des Weiteren wird die Gegenlauffläche im Gehäuse üblicherweise mit einer weichen Beschichtung versehen, die im Falle eines Anstreifens abgetragen wird. Um diesen Vorgang zu begünstigen, können die Schaufelspitzen von frei stehenden Schaufeln, wie z.B. in der EP 0 702 130 A2 beschrieben, mit einem schneidfähigen Anstreifbelag ausgeführt werden, während die Dichtspitzen von Deckbandschaufeln mit einer schneidenförmigen Geometrie versehen werden können, wie z.B. in WO 02/25065 A1 dargelegt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Dichtungen im Gehäuse in radial nachgiebigen Segmenten anzuordnen, wie dies beispielsweise in der US 5,603,510 A oder der US 6,502,823 B1 offenbart ist.

[0017] Da der Spaltstrom nicht an der Umlenkung innerhalb des Schaufelkranzes teilnimmt und deshalb eine andere Strömungsrichtung aufweist als der Hauptmassenstrom, wird in der DE 10 2012 106 175 A1 zusätzlich durch drallbrechende Strukturen innerhalb des Anstreifbelags bzw. durch vor- und nachgelagerte drallbrechende Elemente versucht, die Strömungsrichtung des Spaltmassenstroms ähnlich zu der des Hauptmassenstroms einzustellen, um dadurch die Mischungsverluste, welche durch die Interaktion von Spalt- und Hauptmassenstrom entstehen, zu reduzieren.

[0018] Für frei stehende Schaufeln sind Ansätze bekannt, bei denen versucht wird, den Spaltwirbel als solchen mithilfe von sich teilweise über die Schaufel erstreckenden Ausnehmungen zwischen Saug- und Druckseite zu schwächen. Eine solche Vorgehensweise ist in der EP 2 538 024 A1 beschrieben.

[0019] Allen diesen Maßnahmen liegt der Gedanke zu Grunde, den Spaltmassenstrom in seiner Gesamtheit zu reduzieren, um den Wirkungsgrad der einzelnen Turbinenstufen zu verbessern. Jedoch wird dadurch auch die vorteilhafte Wirkung der Spaltströmung auf die Strömung im Diffusor beseitigt, was zwangsläufig zu der oben angesprochenen sehr vorsichtigen Auslegung von Diffusoren führt.

[0020] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Strömung in einer Turbomaschine zu schaffen, mit der Strömungsablösungen vermieden und der Wirkungsgrad der Turbomaschine verbessert werden kann.

[0021] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

[0022] Die Erfindung ist in dem beigefügten Satz von Ansprüchen dargelegt.

[0023] Durch den erfindungsgemäßen, auf Grund von einzelnen Ausnehmungen um den Umfang des Schaufelkranzes eine diskontinuierliche Höhe aufweisenden und in Axialrichtung durchgehenden Spalt wird eine lokale Erhöhung des Spaltstroms über den Schaufelkranz erreicht. Im Falle eines dem Schaufelkranz der Turbomaschine nachgeordneten Diffusors kann dadurch die Energetisierung der Grenzschicht an der Wandung des Diffusors, also das Einbringen von Energie in diese Grenzschicht, verbessert werden, was zu einer Stabilisierung der Grenzschichtströmung führt und letztendlich höhere Druckrückgewinne bzw. eine Verkürzung des Diffusors bei konstantem Druckrückgewinn ermöglicht. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es damit, deutlich "aggressivere", d. h. bei gleichem Verhältnis von Eintritts- zu Austrittsfläche, kürzere Diffusoren zu bauen, so dass die Anlagenkosten deutlich reduziert werden können. Des Weiteren kann durch den erfindungsgemäßen Spalt die Entstehung großer Rückströmgebiete in einem dem Schaufelkranz nachgeordneten Bereich vermieden werden, welche ansonsten durch niederfrequente Pulsationen strukturmechanische Probleme verursachen können.

[0024] Dadurch, dass die Höhe des Spalts um den Umfang des Schaufelkranzes diskontinuierlich ist, kann in den Bereichen, in denen der Spalt eine größere Höhe aufweist, ein ausreichend großer Massenstrom erreicht werden, der die oben beschriebene Energetisierung der Grenzschicht sicherstellt, wobei gleichzeitig durch die Beschränkung eines solchen Spalts auf einzelne Abschnitte des Umfangs des Schaufelkranzes ein zu hoher Spaltverlust, der den Wirkungsgrad der Turbomaschine zu stark verringern würde, vermieden wird.

[0025] Die Spaltfläche der ursprünglichen Ausführung ist hierbei durch die freie Fläche zwischen dem Schaufelkranz und dem Gehäuse bei der Ausführung mit kontinuierlichem Spalt definiert. Daher wird diese Spaltfläche teilweise auch als freie Fläche zwischen dem Schaufelkranz und dem Gehäuse bezeichnet.

[0026] Da die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Lösung einen um den Umfang des Schaufelkranzes gleichmäßig hohen Spalt aufweisen, tritt bei denselben entweder ein zu geringer Massenstrom, mit dem eine Energetisierung der Grenzschicht nicht erreicht werden kann, oder eine zu starke Verringerung des Wirkungsgrads der Turbomaschine auf. Bei anderen Ausführungen mit sich verändernder Spalthöhe, bei welchen die Variation der Spalthöhe z.B. bei einer Ausführung der Schaufelspitze wie in der EP 0 702 130 A2 bzw. des Deckbands wie in der WO 02/25065 A1 nur gering ausfällt, und deren Sinn darin besteht, die Dichtwirkung im Ganzen zu verbessern, tritt ebenfalls ein zu geringer Massenstrom im Spalt auf, so dass eine Energetisierung der Grenzschicht nicht erreicht werden kann.

[0027] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass aufgrund des verhältnismäßig großen Spalts in bestimmten Abschnitten am Umfang des Schaufelkranzes das Problem der Fertigungstoleranzen sowie der Längung der Turbinenschaufeln und der damit verbundenen Größenänderung des Spalts umgangen werden kann.

[0028] Ein anderes, allgemein bekanntes Problem bei Turbomaschinen ist das Flattern der Schaufeln, insbesondere wenn Schaufelkränze ohne Deckbänder eingesetzt werden. Dieses Schaufelflattern kann sowohl bei in Verdichtern als auch bei in Turbinen eingesetzten Schaufelkränzen auftreten.

[0029] Im Falle des Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Verdichter oder einer Turbine kann eine ansonsten auftretende, zu einem Flattern der Turbinenschaufeln führende Interaktion von Strömung und Schaufeln vermieden werden. Durch die Veränderung der Spaltströmung in Umfangsrichtung und die damit einhergehende Variation der Spaltströmung ist es möglich, das Einschwingen einer solchen Wechselwirkung gezielt zu stören und damit zu unterbinden.

[0030] Eine Turbomaschine mit einer erfindungsgemäßen, in einem Bereich vor einem Diffusor angeordneten Vorrichtung ist in Anspruch 4 angegeben.

[0031] Aus Anspruch 5 ergibt sich eine Turbomaschine mit einer erfindungsgemäßen, in einem Verdichterabschnitt angeordneten Vorrichtung. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.

[0032] Es zeigt:

Fig. 1

eine sehr schematische Darstellung einer Turbomaschine;

Fig. 2

eine nicht zu der Erfindung gehörende Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig. 3

einen Schnitt nach der Linie III-III aus Fig. 2;

Fig. 4

einen Schnitt nach der Linie IV-IV aus Fig. 2;

Fig. 5

eine nicht zu der Erfindung gehörende Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig. 6

eine nicht zu der Erfindung gehörende Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig. 7

eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 8

eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0033] Fig. 1 zeigt auf sehr schematische Art und Weise eine Turbomaschine 1, die im vorliegenden Fall als Gasturbine ausgebildet ist und ein Gehäuse 1a, eine Einlassöffnung 2 sowie eine Auslassöffnung 3 aufweist. In an sich bekannter Weise wird die Turbomaschine 1 in der mit "x" bezeichneten Axialrichtung von einem Arbeitsfluid, im vorliegenden Fall einem Gas, durchströmt mit dem Ziel, eine in dem Gehäuse 1a gelagerte Welle 4 anzutreiben, um im Falle des Einsatzes der Turbomaschine 1 in einem Kraftwerk Strom zu erzeugen.

[0034] Wie ebenfalls an sich bekannt ist, weist die Turbomaschine 1 in der Axialrichtung x des Arbeitsfluids hintereinander einen Verdichterabschnitt 5, einen Turbinenabschnitt 6, einen sich an den Turbinenabschnitt 6 anschließenden Diffusor 7 und eine zwischen dem Verdichterabschnitt 5 und dem Turbinenabschnitt 6 angeordnete Brennkammer 8 auf. Der Verdichterabschnitt 5, der Turbinenabschnitt 6, der Diffusor 7 und die Brennkammer 8, die in Fig. 1 nur sehr schematisch angedeutet sind, sind von dem Gehäuse 1a umgeben. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei der Turbomaschine 1 um eine Gasturbine. Mit dem Begriff "Turbomaschine" sind jedoch auch andere Ausführungen umfasst, wie zum Beispiel eine Dampfturbine, die keinen Verdichter und keine Brennkammer aufweist. Sowohl der Verdichterabschnitt 5 als auch der Turbinenabschnitt 6 weisen eine Vielzahl von Schaufelkränzen 9 auf, die von dem durchströmenden Gas in Rotation versetzt werden und damit die Welle 4 antreiben. Da die grundsätzliche Wirkungsweise der Turbomaschine 1 bekannt ist, wird hierin nicht im Detail darauf eingegangen.

[0035] In den Figuren 2 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung 10 dargestellt, die zur Beeinflussung der Strömung in der Turbomaschine 1 dienen. Sämtlichen Ausführungsformen der Vorrichtung 10 ist gemeinsam, dass sich zwischen dem Gehäuse 1a und dem Schaufelkranz 9 ein um den Umfang des Schaufelkranzes 9 eine diskontinuierliche Höhe aufweisender, in Axialrichtung x durchgehender Spalt 11 befindet. Obwohl der Spalt 11, wie nachfolgend deutlich wird, in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden kann, ist er jeweils so ausgeführt, dass sich durch denselben eine lokale Erhöhung des Spaltstroms über den Schaufelkranz 9 und eine Stabilisierung der Strömung in der Grenzschicht zu dem Gehäuse 1a ergibt.

[0036] Dabei ist es grundsätzlich zu bevorzugen, wenn der Spalt 11 eine derartige Größe aufweist, dass sich durch denselben eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1a gegenüber einer in den Figuren nicht dargestellten, für den Fachmann jedoch sehr einfach nachvollziehbaren Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.

[0037] Bei der nicht zu der Erfindung gehörenden Ausführungsform von Fig. 2, die eine vereinfachte Vorderansicht eines Schaufelkranzes 9 zeigt, ist der Spalt 11 durch mehrere Ausnehmungen 12 an dem Schaufelkranz 9 gebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, lediglich eine Ausnehmung 12 vorzusehen. Gemäß Fig. 2 weist der Schaufelkranz 9 ein Deckband 13 mit einer umlaufenden Dichtspitze 14 auf, die durch die Ausnehmungen 12 unterbrochen ist, um den Spalt 11 zu bilden. Durch das Deckband 13 wird eine Versteifung einzelner Schaufeln 15 des Schaufelkranzes 9 erreicht, von denen aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in den Figuren einzelne weggelassen wurden. Das abwechselnde Vorhandensein der Dichtspitze 14 und der Ausnehmungen 12 in der Dichtspitze 14 führt zu der beschriebenen Diskontinuität der Höhe des Spalts 11 um den Umfang des Schaufelkranzes 9. Die Angabe "in Axialrichtung x durchgehend" bedeutet dabei, dass im Falle zweier in Axialrichtung x versetzter Dichtspitzen 14 beide Dichtspitzen 14 jeweilige Ausnehmungen 12 aufweisen, die ein Überströmen der Schaufelreihe durch den Spaltstrom ermöglichen.

[0038] Bei der in Fig. 2 dargestellten, nicht zu der Erfindung gehörenden Ausführungsform sind mehrere Ausnehmungen 12 vorgesehen. Die Größe derselben ist dabei als rein beispielhaft anzusehen. Die Ausnehmungen 12 gehen in Axialrichtung x vollständig durch die Dichtspitze 14 durch, wobei die Größe und die Anzahl der Ausnehmungen 12 so gewählt ist, dass sich durch den Spalt 11 eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen der Dichtspitze 14 und dem Gehäuse 1a gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.

[0039] Jede einzelne Ausnehmung 12 weist eine derartige Größe auf, dass die Vergrößerung der freien Fläche pro Ausnehmung 12 mindestens 1%, bevorzugt mindestens 2%, noch bevorzugter mindestens 3%, noch bevorzugter mindestens 4% und noch bevorzugter mindestens 5%, der gesamten freien Fläche zwischen der Dichtspitze 14 und dem Gehäuse 1a ohne Ausnehmungen beträgt.

[0040] In Fig. 2 ist des Weiteren erkennbar, dass jede der Ausnehmungen 12 jeweils über die gesamte Höhe der Dichtspitze verläuft. Grundsätzlich ist es zu bevorzugen, dass die Fläche der wenigstens einen Ausnehmung 12 mindestens 50% der Fläche der Dichtspitze 14 über die Länge der Ausnehmung 12 in Umfangsrichtung beträgt.

[0041] Die beschriebene Diskontinuität der Höhe des Spalts 11 ist in den beiden Schnitten der Figuren 3 und 4 ebenfalls sehr deutlich zu erkennen. Während Fig. 3 einen Schnitt durch den Bereich zeigt, in dem die Dichtspitze 14 vorhanden ist und der Spalt 11 zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1a eine geringe Höhe aufweist, zeigt Fig. 4 einen Schnitt durch einen Bereich des Schaufelkranzes 9, in dem die Dichtspitze 14 eine der Ausnehmungen 12 aufweist, so dass der Spalt 11 zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1a sehr viel größer ist als in dem in Fig. 3 dargestellten Bereich. Während gemäß der Figuren 3 und 4 die Ausnehmungen 12 jeweils eine derartige Größe aufweisen, dass die Dichtspitze 14 im Bereich der Ausnehmungen 12 nicht vorhanden ist, wäre es, wie bereits erwähnt, auch möglich, die Ausnehmungen 12 so auszuführen, dass die Dichtspitze 14 in dem Bereich der Ausnehmungen 12 eine geringere Höhe aufweist als in den Bereichen, in denen die Ausnehmungen 12 nicht vorhanden sind.

[0042] Die diskontinuierliche Höhe des Spalts 11 führt zu einem erhöhten Massenstrom in den Bereichen, in denen der Spalt 11 eine größere Höhe aufweist als in den Bereichen, in denen er eine geringere Höhe aufweist. Durch diesen sich durch den vergrößerten Spalt 11 bzw. durch die Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1a gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt ergebenden erhöhten Massenstrom, der nicht durch den Schaufelkranz 9 strömt und damit nicht an der Arbeitsumsetzung innerhalb der Turbomaschine 1 teilnimmt, kann eine Verbesserung der Energetisierung der an dem Gehäuse 1a entlang und in den Diffusor 7 strömenden Grenzschicht erreicht werden. Durch das Vergrößern des Spalts 11 auf Grund der lokalen Verringerung des Durchmessers des Schaufelkranzes 9 bzw. der Dichtspitze 14 des Schaufelkranzes 9 mittels der Aussparungen 12 bei der Ausführungsform von Fig. 2 ergibt sich ein mit der Rotation des Schaufelkranzes 9 innerhalb des dem Turbinenabschnitts 6 folgenden Diffusors 7 rotierender Spaltmassenstrom. Durch diese, einen gewissen Drall aufweisende Strömung wird der gesamte Diffusor 7 mit der veränderten Spaltströmung beaufschlagt. Dadurch wird eine ungleichmäßige Beaufschlagung des Diffusors 7 vermieden.

[0043] Bei der nicht zu der Erfindung gehörenden Ausführungsform von Fig. 5 ist der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt 11 durch eine Verkürzung einzelner frei stehender Schaufeln 15 des Schaufelkranzes 9 gebildet, wodurch die Ausnehmungen 12 entstehen. Diese Variante bietet sich an, wenn der Schaufelkranz 9 das Deckband 13 nicht aufweist, d.h. wenn die Schaufeln 15 frei stehende Schaufeln sind.

[0044] Dabei ist es zu bevorzugen, dass mindestens eine und höchstens die Hälfte der frei stehenden Schaufeln 15 eine Länge aufweisen, die geringer ist als die mittlere Länge der verbleibenden ungekürzten Schaufeln 15, so dass sich eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen der jeweiligen Schaufel 15 und dem Gehäuse 1a gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt, d.h. bei einer Ausführung, bei der alle Schaufeln 15 gleich lang sind, von 5% - 50% ergibt.

[0045] Die frei stehenden Schaufeln 15 sind derart verkürzt, dass die Vergrößerung der freien Fläche durch die Verkürzung pro frei stehender Schaufel 15 mindestens 1%, bevorzugt mindestens 2%, noch bevorzugter mindestens 3%, noch bevorzugter mindestens 4% und noch bevorzugter mindestens 5%, der gesamten freien Fläche zwischen der jeweiligen frei stehenden Schaufel 15 und dem Gehäuse 1a ohne Ausnehmungen beträgt.

[0046] Bei der in Fig. 6 dargestellten, nicht zu der Erfindung gehörenden Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist der eine diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt 11 durch mehrere, jeweils voneinander beabstandete Ausnehmungen 16 am inneren Umfang des Gehäuses 1a gebildet. Auch auf diese Weise ergibt sich in den Bereichen, in denen der Spalt 11 aufgrund der Ausnehmungen 16 eine größere Höhe aufweist, ein größerer Massenstrom, der nicht durch den Schaufelkranz 9 hindurch, sondern zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1a hindurchströmt und damit zu einer Energetisierung der Grenzschicht beiträgt. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen von Fig. 2 und Fig. 5 ist dieser Massenstrom jedoch stationär, da die Ausnehmungen 16 sich stets an derselben Stelle befinden. Obwohl der Schaufelkranz 9 bei der Ausführungsform von Fig. 6 das Deckband 13 mit der Dichtspitze 14 aufweist, ist es auch möglich, einen Schaufelkranz 9 ohne das Deckband 13 einzusetzen.

[0047] In einer von der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist in dem Gehäuse 1a ein drehbarer Ring gelagert, der Ausnehmungen aufweist, mit denen die oben beschriebene diskontinuierliche Höhe des Spalts 11 erzeugt wird. Wenn dieser Ring stationär gehalten wird, bleiben auch die erhöhten Massenströme an denselben Stellen um den inneren Umfang des Gehäuses 1a. Durch Verdrehen des Rings ist es in diesem Fall jedoch möglich, die erhöhten Massenströme an anderen Stellen am inneren Umfang des Gehäuses 1a zu erzeugen.

[0048] Die in Fig. 7 dargestellte, erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist ebenfalls eine Weiterbildung der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform. Auch hier sind die Ausnehmungen 16 in dem Gehäuse 1a vorgesehen, um die diskontinuierliche Höhe des Spalts 11 zu erzeugen. Zusätzlich ist in dem Gehäuse 1a ein drehbarer Ring 17 gelagert, mit dem die Ausnehmungen 16 zumindest teilweise verschließbar sind. Der Ring 17 weist hierzu abwechselnd Ausnehmungen 17a und Vorsprünge 17b auf, so dass durch ein Verdrehen des Rings 17 die sich in dem Gehäuse 1a befindenden Ausnehmungen 16 verschlossen werden können. Je nach Größe der Ausnehmungen 17a bzw. der Vorsprünge 17b des Rings 17 in Fig. 7 können auf diese Weise die Ausnehmungen 16 vollständig geöffnet oder, wenn die Länge der Vorsprünge 17b des Rings 17 mindestens so groß ist wie die Länge der Ausnehmungen 16 in dem Gehäuse 1a, auch vollständig verschlossen werden. In einem solchen Fall würde der Spalt 11 um den gesamten Umfang dieselbe, geringe Höhe aufweisen. Durch den Ring 17 kann die Höhe des Spalts 11 im Bereich der Ausnehmungen 16 nur verringert und nicht vergrößert werden. Diese Ausnehmungen könnten in nicht dargestellter Weise auch in einem zweiten, ebenfalls gegenüber dem Gehäuse 1a verdrehbaren Ring vorgesehen sein. In diesem Fall wären also zwei gegenüber dem Gehäuse 1a verdrehbare Ringe vorgesehen. Durch entsprechendes Verdrehen der beiden Ringe gegeneinander kann dabei die Größe der sich durch die Überdeckung der beiden Ausnehmungen ergebenden Gesamtausnehmung verändert werden.

[0049] Bei der Ausführungsform von Fig. 7 weist der Schaufelkranz 9 kein Deckband auf. Dennoch ist es auch möglich, einen Schaufelkranz 9 mit dem Deckband 13 einzusetzen. Eine solche Ausführungsform der Vorrichtung 10, die sich von der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform nur dadurch unterscheidet, dass das Deckband 13 vorgesehen ist, ist in Fig. 8 dargestellt.

[0050] Die Größe der in Axialrichtung x durchgehenden Ausnehmungen 16 bzw. 17a weisen in Anlehnung an die oben beschriebenen Ausführungsformen eine derartige Größe auf, dass sich durch dieselben eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1a gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.

[0051] Auch bei dieser Ausführungsform ist es zu bevorzugen, wenn jede einzelne Ausnehmung 16 bzw. 17a wiederum eine derartige Größe aufweist, dass die Vergrößerung der freien Fläche pro Ausnehmung 16 bzw. 17a mindestens 1%, bevorzugt mindestens 2%, noch bevorzugter mindestens 3%, noch bevorzugter mindestens 4% und noch bevorzugter mindestens 5%, der gesamten freien Fläche zwischen der jeweiligen frei stehenden Schaufel 15 und dem Gehäuse 1a ohne Ausnehmungen beträgt.

[0052] Die Ausnehmungen 12 bzw. 16 bzw. 17a sind um den Umfang des Gehäuses 1a bzw. des Schaufelkranzes 9 bzw. des Rings 17 mit geringen Abweichungen gleich verteilt angeordnet, sodass einerseits eine gleichmäßige Verteilung der Bereiche mit einem erhöhten Spaltmassenstrom und den Umfang des Schaufelkranzes 9 erreicht und andererseits ein gegenseitiges Aufschwingen der Schaufeln 15 verhindert werden kann.

[0053] Der beschriebene, eine diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt 11 zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1a kann im Prinzip an jeder beliebigen Stelle der Turbomaschine 1 eingesetzt werden. Da der über den Schaufelkranz 9 und durch den Spalt 11 strömende Massenstrom an Luft, Dampf oder dergleichen jedoch nicht an der Arbeitsumsetzung innerhalb des jeweiligen Laufrads teilnimmt, wird dieser Spalt 11 nur an demjenigen Schaufelkranz 9 eingesetzt, der sich in Strömungsrichtung x unmittelbar vor dem Diffusor 7 befindet. Insbesondere kann die Vorrichtung 10 sowohl in Turbinen mit nachgeschalteten Axial-Diffusoren als auch nachgeschalteten Axial-Radial-Diffusoren eingesetzt werden.

[0054] Eine weitere Möglichkeit zum Einsatz der Vorrichtung 10 besteht in dem Verdichterabschnitt 5, um ein Flattern der Schaufeln 15 des Schaufelkranzes 9 zu verhindern.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Beeinflussung der Strömung in einer Turbomaschine (1), mit einem Gehäuse (1a) und mit wenigstens einem, mehrere Schaufeln (15) aufweisenden, innerhalb des Gehäuses (1a) rotierenden Schaufelkranz (9), wobei

sich zwischen dem Gehäuse (1a) und dem Schaufelkranz (9) ein in Axialrichtung (x) durchgehender, um den Umfang des Schaufelkranzes (9) eine diskontinuierliche Höhe aufweisender Spalt (11) befindet, durch welchen sich eine lokale Erhöhung des Spaltstroms über den Schaufelkranz (9) und eine Stabilisierung der Strömung in der Grenzschicht zu dem Gehäuse (1a) ergibt, und wobei

der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt (11) durch Ausnehmungen (16,17a) an dem Gehäuse (1a) oder einem mit dem Gehäuse (1a) verbundenen Bauteil gebildet ist, dadurch gekennzeichnet , dass

in dem Gehäuse (1a) ein drehbarer Ring (17) gelagert ist, mit dem die Ausnehmungen (16) zumindest teilweise verschließbar sind, oder dass

das Gehäuse (1a) zwei gegeneinander verdrehbare Ringe aufweist, welche jeweils Ausnehmungen aufweisen, wobei wenigstens einer der Ringe drehbar an dem Gehäuse (1a) gelagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , dass
das Gehäuse (1a) oder ein mit dem Gehäuse (1a) verbundenes Bauteil radial außerhalb des Schaufelkranzes (9) eine oder mehrere in Axialrichtung (x) durchgehende Ausnehmungen (16,17a) aufweist, so dass sich eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz (9) und dem Gehäuse (1a) gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet , dass
der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt (11) durch mehrere Ausnehmungen (12,16,17a) gebildet ist, die um den Umfang des Gehäuses (1a) oder des Schaufelkranzes (9) mit geringen Abweichungen gleich verteilt angeordnet sind.

4. Turbomaschine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche in einem Bereich vor einem Diffusor (7) angeordnet ist.

5. Turbomaschine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche in einem Verdichterabschnitt (5) angeordnet ist.

Claims

1. Device for influencing the flow in a turbomachine (1), having a housing (1a) and at least one blade ring (9) which has a plurality of blades (15) and rotates within the housing (1a), wherein

between the housing (1a) and the blade ring (9) there is a gap (11) which is continuous in the axial direction (x) and has a discontinuous height around the circumference of the blade ring (9) and by means of which there is a local increase in the gap flow over the blade ring (9) and a stabilization of the flow in the boundary layer to the housing (1a), and wherein

the gap (11) having the discontinuous height is formed by recesses (16, 17a) on the housing (1a) or a component connected to the housing (1a),

characterized in that

a rotatable ring (17) is supported in the housing (1a), by means of which ring the recesses (16) can be at least partially closed, or in that

the housing (1a) has two rings which can be rotated relative to one another and which each have recesses, at least one of the rings being rotatably supported by the housing (1a).

2. Device according to claim 1,
characterized in that
the housing (1a) or a component connected to the housing (1a) has one or more recesses (16, 17a) radially outside the blade ring (9) passing through in the axial direction (x), so that there is an increase in the free area between the blade ring (9) and the housing (1a) of 5% - 50% compared with a design with a continuous gap.

3. Device according to claim 1 or 2,
characterized in that
the gap (11) having the discontinuous height is formed by a plurality of recesses (12, 16, 17a) which are equally distributed with slight deviations around the circumference of the housing (1a) or of the blade ring (9).

4. Turbomachine having a device according to one of claims 1 to 3, which is arranged in an area in front of a diffuser (7).

5. Turbomachine having a device according to one of claims 1 to 3, which is arranged in a compressor section (5).

Revendications

1. Procédé destiné à influencer l'écoulement dans une turbomachine (1), avec un boîtier (1a) et avec au moins une couronne à aubes (9) présentant plusieurs aubes (15) tournant à l'intérieur du boîtier (1a), dans lequel

se trouve entre le boîtier (1a) et la couronne à aubes (9) une fente (11) traversante dans la direction axiale (x), présentant une hauteur discontinue sur la périphérie de la couronne à aubes (9), qui provoque une augmentation locale du courant d'entrefer sur la couronne à aubes (9) et une stabilisation de l'écoulement dans la couche limite sur le boîtier (1a), et dans lequel

la fente (11) présentant une hauteur discontinue est formée par des évidements (16, 17a) sur le boîtier (1a) ou un élément relié au boîtier (1a),

caractérisé en ce que

dans le boîtier (1a) est montée une bague pivotante (17) avec laquelle les évidements (16) peuvent être au moins partiellement obturés ou que

le boîtier (1a) présente deux bagues pouvant pivoter l'une par rapport à l'autre qui présentent chacune des évidements, au moins une des bagues étant montée de manière pivotante sur le boîtier (1a).

2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
le boîtier (1a) ou un élément relié au boîtier (1a) présente, radialement à l'extérieur de la couronne à aubes (9), un ou plusieurs évidements (16, 17a) traversants dans la direction axiale (x), de sorte à obtenir un agrandissement de 5% à 50% de la surface libre entre la couronne à aubes (9) et le boîtier (1a) par rapport à la version avec une fente continue.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
la fente (11) présentant la hauteur discontinue est formée par plusieurs évidements (12, 16, 17a) qui sont répartis régulièrement avec de faibles écarts sur la périphérie du boîtier (1a) ou de la couronne à aubes (9).

4. Turbomachine avec un dispositif selon une des revendications 1 à 3, qui est disposée dans une zone située devant un diffuseur (7).

5. Turbomachine avec un dispositif selon une des revendications 1 à 3 qui est disposé dans une section de compression (5).

Zeichnung