CH703600B1 - Stator-Rotor-Baugruppe, Turbomaschine und Verfahren zur Einschränkung der Strömung von Gas. - Google Patents

Abstract

Eine Stator-Rotor-Baugruppe (21) wird beschrieben, welche zumindest einen Grenzschichtbereich (92) zwischen einer Oberfläche eines Stators (18) und einer Oberfläche eines Rotors umfasst. Die Oberflächen sind durch zumindest einen Spalt (76, 77) getrennt und zumindest eine Stator- oder Rotoroberfläche in dem Grenzschichtbereich (92) umfasst ein Muster von Austiefungen. Verschiedene Turbomaschinen, die eine solche Stator-Rotor-Baugruppe (21) enthalten können, werden ebenfalls beschrieben. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Einschränkung der Gasströmung durch einen Spalt (76, 77) zwischen einem Stator (18) und einem Rotor in einer Stator-Rotor-Baugruppe (21) einer erfindungsgemässen Turbomaschine.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Diese Erfindung betrifft allgemein eine Stator-Rotor-Baugruppe, eine Turbomaschine, wie etwa Turbinenmotoren, und ein Verfahren zur Behinderung der Strömung von Gas (z.B. Heissgas) durch ausgewählte Bereiche von Stator-Rotor-Baugruppen in Turbomaschinen.

[0002] Die typische Konstruktion der meisten Turbinenmotoren ist im Stand der Technik bekannt. Sie schliessen einen Kompressor zum Verdichten von Luft ein, die mit Brennstoff vermischt wird. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird in einer angeschlossenen Brennkammer gezündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen. Den heissen, unter Druck stehenden Gasen, die in modernen Motoren in dem Bereich von etwa 1100 bis 2000 °C liegen können, wird dann gestattet, durch eine Turbinendüse zu entspannen, welche die Strömung leitet, um eine angeschlossene Hochdruckturbine zu drehen. Die Turbine ist üblicherweise mit einer Rotorwelle gekoppelt, um den Kompressor anzutreiben. Die Kerngase verlassen dann die Hochdruckturbine und stellen unterstromig von dieser Energie zur Verfügung. Die Energie liegt in Form von zusätzlicher Rotationsenergie vor, die durch angeschlossene Turbinenstufen mit niedrigerem Druck extrahiert wird, und/oder in Form von Schub durch eine Abgasdüse.

[0003] Insbesondere wird thermische Energie, die innerhalb der Brennkammer erzeugt wird, innerhalb der Turbine in mechanische Energie umgewandelt, indem die heissen Verbrennungsgase auf eine oder mehrere beschaufelte Rotorbaugruppen aufprallen. (Dem Fachmann ist klar, dass der Begriff «Schaufeln (blades)» üblicherweise Teil des Fachwortschatzes für Flugturbinen ist, während der Begriff «Schaufeln (buckets)» typischerweise in der Beschreibung derselben Art von Komponente für landgebundene Turbinen verwendet wird.) Die Rotorbaugruppe schliesst üblicherweise zumindest eine Reihe von in Umfangsrichtung in einem Abstand angeordnete Rotorschaufeln ein. Jede Rotorschaufel schliesst ein Blatt ein, das eine Druckseite und eine Saugseite umfasst. Jedes Blatt erstreckt sich von einer Rotorschaufel-Plattform radial nach aussen. Jede Rotorschaufel umfasst auch einen Schwalbenschwanz, der sich von einem zwischen der Plattform und dem Schwalbenschwanz erstreckenden Schaft radial nach innen erstreckt. Der Schwalbenschwanz wird verwendet, um die Rotorschaufel innerhalb der Rotorbaugruppe an einem Laufrad oder an einer Trommel zu befestigen.

[0004] Wie im Stand der Technik bekannt, kann die Rotorbaugruppe tatsächlich als ein Abschnitt einer Stator-Rotor-Baugruppe betrachtet werden. Die Reihen von Rotorschaufeln an der Rotorbaugruppe und die Reihen von Statorflügeln an der Statorbaugruppe erstrecken sich abwechselnd über einen axial orientierten Strömungspfad zur «Umformung» der Verbrennungsgase. Die Strahlen von heissem Verbrennungsgas, welche die Flügel des Statorelements verlassen, wirken auf die Turbinenschaufeln und veranlassen das Turbinenrad, in einem Geschwindigkeitsbereich von etwa 3000–15 000 Upm zu rotieren, je nach Typ des Motors. (Wiederum kann, was die parallele Terminologie betrifft, das Statorelement, d. h., das Element, das stationär bleibt, während sich die Turbine mit hoher Geschwindigkeit dreht, im Stand der Technik auch als «Düsenbaugruppe» bezeichnet werden).

[0005] Wie in den unten beschriebenen Figuren abgebildet, kann die Öffnung in der Grenzschicht zwischen dem Statorelement und den Rotorschaufeln («blades or buckets») dem heissen Kerngas gestatten, den Heissgaspfad zu verlassen und in den Radraum des Turbinenmotors einzutreten. Um diesen Austritt von Heissgas zu begrenzen, schliesst die Schaufelstruktur typischerweise axial vorspringende Winkelflügeldichtungen (angel wing seals) ein. Nach einer typischen Konstruktion wirken die Winkelflügel mit vorspringenden Segmenten oder «Hindernissen» zusammen, welche sich von dem benachbarten Statorelement, d.h. der Düse, wegerstrecken. Die Winkelflügel und die Hindernisse überlappen sich (oder überlappen sich beinahe), berühren einander aber nicht, und schränken so die Gasströmung ein. Die Wirksamkeit der Labyrinthdichtung, die durch diese zusammenwirkenden Merkmale gebildet wird, ist entscheidend für die Begrenzung der Ansaugung von Heissgas in unerwünschte Abschnitte des Motors. Die Winkelflügel können verschiedene Formen aufweisen und weitere Merkmale, wie etwa radiale Zähne, einschliessen. Darüber hinaus verwenden einige Motorkonstruktionen mehrere, sich überlappende Winkelflügel-Hindernis-Dichtungen.

[0006] Ein Spalt verbleibt an der Grenzschicht zwischen benachbarten Bereichen der Düse und der Turbinenschaufel, z.B. zwischen den benachbarten Winkelflügel-Hindernis-Vorsprüngen, wenn eine solche Dichtung verwendet wird. Das Vorhandensein des Spalts ist verständlich, d.h. es handelt sich um das an dem Übergang von den ortsfesten zu den rotierenden Komponenten erforderliche Spiel. Der Spalt schafft jedoch immer noch einen Pfad, der dem heissen Kerngas gestatten kann, aus dem Heissgaspfad in den Radraumbereich des Turbinenmotors hinein auszutreten.

[0007] Wie oben angedeutet, ist der Austritt des Heissgases durch diesen Weg aus einer Reihe von Gründen nachteilig. Erstens verursacht der Verlust von Heissgas aus dem Arbeitsgasstrom einen daraus resultierenden Verlust von für den Turbinenmotor verfügbarer Energie. Zweitens kann die Ansaugung des Heissgases in Turbinenradräume und andere Hohlräume Komponenten beschädigen, die nicht für die längere Aussetzung gegenüber solchen Temperaturen konstruiert sind, wie etwa den Düsentragrahmen und das Rotorrad.

[0008] Eine bekannte Methode, um den Austritt von Heissgas aus dem Arbeitsgasstrom weiter zu minimieren, umfasst die Verwendung von Kühlluft, d.h., «Spülluft», wie in dem US-Patent 5 224 822 (Lenehan et al.) beschrieben. In einer typischen Konstruktion kann die Luft umgelenkt oder von dem Kompressor «ausgeblasen» und als Hochdruck-Kühlluft für den Turbinenkühlkreislauf verwendet werden. Somit ist die Kühlluft Teil eines sekundären Strömungskreises, der im Allgemeinen durch den Hohlraum des Radraums und andere innere Bereiche geleitet werden kann. In einem speziellen Beispiel kann die Kühlluft zu der Rotor/Stator-Grenzschicht abgelassen werden.

[0009] Somit kann die Kühlluft dazu dienen, die Temperatur bestimmter Motorkomponenten unter einem annehmbaren Grenzwert zu halten. Die Kühlluft kann jedoch eine zusätzliche spezielle Funktion erfüllen, wenn sie von dem Radraumbereich in einen der zuvor beschriebenen Spalte hineingeleitet wird. Diese Gegenströmung von Kühlluft in den Spalt hinein schafft eine zusätzliche Barriere für die unerwünschte Strömung von Heissgas aus dem Spalt und in den Radraumbereich hinein.

[0010] Während Kühlluft aus dem sekundären Strömungskreis aus den oben behandelten Gründen sehr vorteilhaft ist, gibt es in Verbindung mit deren Verwendung auch Nachteile. Zum Beispiel verbraucht die Entnahme von Luft aus dem Kompressor für Hochdruckkühl- und Hohlraum-Spülluft Arbeit der Turbine und kann sehr kostspielig sein, was die Motorleistung betrifft. Darüber hinaus könnte in einigen Motorkonfigurationen das Kompressorsystem zumindest bei einigen Motorleistungseinstellungen nicht in der Lage sein, Spülluft mit einem ausreichenden Druck bereitzustellen. Somit könnten immer noch Heissgase in den Hohlraum des Radraums abgesaugt werden.

[0011] Aus dieser Betrachtung wird klar, dass neue Methoden zur Reduktion des Austritts von Heissgasen aus einem Heissgas-Strömungspfad in unerwünschte Bereiche innerhalb eines Turbinenmotors oder eines anderen Typs von Turbomaschine im Stand der Technik erwünscht sind. Darüber hinaus würde eine Reduktion des Kühl- und Hohlraumspül-Luftstroms, der typischerweise erforderlich ist, um den Austritt von Heissgas zu reduzieren, an sich weitere bedeutende Vorteile mit sich bringen. Zum Beispiel wäre eine höhere Kernluftströmung möglich, wodurch die in dem Heissgas-Strömungspfad verfügbare Energie erhöht werden würde.

[0012] Neue Methoden zur Erreichung dieser Ziele müssen jedoch immer noch den Hauptanforderungen für die Konstruktion eines Gasturbinenmotors oder eines anderen Typs von Turbomaschine gerecht werden. Im Allgemeinen muss der Gesamtwirkungsgrad sowie die Integrität des Motors erhalten werden. Jede Veränderung am Motor oder an speziellen Merkmalen innerhalb des Motors darf die gesamten Heissgas- und Kühlluft-Strömungsfelder innerhalb des Motors nicht stören oder negativ beeinflussen. Darüber hinaus sollten die in Erwägung gezogenen Verbesserungen keine Herstellungsschritte oder Veränderungen in diesen Schritten umfassen, die zeitaufwändig und unwirtschaftlich sind. Darüber hinaus sollten die Verbesserungen an variable Motorkonstruktionen anpassbar sein, z.B. an unterschiedliche Typen von Stator-Rotor-Baugruppen. Sehr vorteilhaft wäre ausserdem, wenn die Verbesserungen auf die Eingrenzung von Gasen niedriger Temperatur (z.B. Gase mit Raumtemperatur) als auch Heissgasen angepasst werden könnte.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0013] Diese Erfindung, gemäss Anspruch 1, zielt auf eine Stator-Rotor-Baugruppe ab, die zumindest einen Grenzschichtbereich zwischen einer Oberfläche eines Stators und einer Oberfläche eines Rotors umfasst. Die Oberflächen sind durch zumindest einen Spalt getrennt. Zumindest eine Stator- oder Rotoroberfläche in dem Grenzschichtbereich umfasst ein Muster von Austiefungen. Eine Turbomaschine, gemäss den Ansprüchen 8 und 9, die eine solche Stator-Rotor-Baugruppe enthält, stellt ebenfalls einen Teil dieses erfinderischen Konzepts dar.

[0014] Ein Verfahren, gemäss Anspruch 10, zur Einschränkung der Strömung von Gas durch einen Spalt zwischen einem Stator und einem Rotor in einer Stator-Rotor-Baugruppe einer Turbomaschine nach Anspruch 8 stellt diese Erfindung dar. Das Verfahren umfasst den Schritt der Ausbildung eines Musters von Austiefungen an zumindest einer Oberfläche des Stators oder des Rotors, welche zu dem Spalt benachbart ist, wobei die Austiefungen eine Grösse und Gestalt aufweisen, die ausreichen, um die Gasströmung zu behindern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0015] <tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Abschnitts einer Gasturbine. <tb>Fig. 2<sep>ist eine vergrösserte Ansicht des Querschnitts des Turbinenabschnitts von Fig. 1. <tb>Fig. 3<sep>ist eine teilweise Seitenschnittansicht einer Objektoberfläche, die eine Austiefung einschliesst. <tb>Fig. 4<sep>ist eine teilweise Seitenschnittansicht einer weiteren Objektoberfläche, die eine Austiefung einschliesst. <tb>Fig. 5<sep>ist eine weitere teilweise Seitenschnittansicht einer Objektoberfläche, die eine Art von Austiefung einschliesst. <tb>Fig. 6<sep>ist eine vereinfachte Veranschaulichung der Fluidströmung durch einen beispielhaften Stator-Rotor-Spalt im Vergleich. <tb>Fig. 7<sep>ist eine weitere vergrösserte Ansicht des Querschnitts des Turbinenabschnitts von Fig. 1.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0016] Fig. 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Abschnitts eines Gasturbinenmotors, allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Motor schliesst axial in einem Abstand angeordnete Rotorräder 12 und Abstandshalter 14 ein, die miteinander durch eine Vielzahl von in umlaufender Richtung in einem Abstand angeordneter, sich axial erstreckender Schrauben 16 verbunden sind. Die Turbine schliesst verschiedene Stufen mit Düsen (Statoren) ein, zum Beispiel die Düse (Stator) 18 der ersten Stufe und die Düse (Stator) 20 der zweiten Stufe, welche aus einer Vielzahl von in umlaufender Richtung in einem Abstand angeordneter Statorschaufeln bestehen. Zwischen den Düsen (Statoren) und mit dem Rotor rotierend ist eine Vielzahl von Turbinenschaufeln («buckets or blades») vorhanden, wobei jeweils die Turbinenschaufeln 22 bzw. 24 der ersten bzw. zweiten Stufe veranschaulicht sind.

[0017] Jede Turbinenschaufel, z.B. die Turbinenschaufel 22, schliesst ein Blatt 23 ein, das an einem Schaft 25 montiert ist, der eine Plattform 26 einschliesst. (Einige der anderen Merkmale der Rotorschaufeln im Detail werden hier nicht speziell gezeigt, können jedoch in verschiedenen Quellen gefunden werden, z.B. dem US-Patent 6 506 016 (Wang), das durch Verweis hierin aufgenommen ist.) Der Schaft 25 schliesst einen Schwalbenschwanz 27 zur Verbindung mit entsprechenden, an dem Rotorrad 12 ausgebildeten Schwalbenschwanzschlitzen ein.

[0018] Die Turbinenschaufel 22 schliesst axial vorspringende Winkelflügel 33, 34, 50 und 90 (manchmal als «Winkelflügel-» oder «Angel-Wing-Dichtungen» bezeichnet) ein, wie in Fig. 1 abgebildet. Die Winkelflügel sind typischerweise einteilig mit der Schaufel gegossen. Wie vorstehend beschrieben befinden sich diese im Allgemeinen in gegenüberliegender Stellung zu «Stegen» oder Hindernissen 36 und 64, welche von den benachbarten Düsen (Statoren) 20 bzw. 18 vorspringen. Als ein Beispiel wird das Hindernis 64 in einer gegenüberliegenden, überlappenden Position relativ zu dem Winkelflügel 90 dargestellt. Der Heissgaspfad in einer Turbine dieses Typs wird allgemein durch den Pfeil 38 angezeigt. Wie oben angedeutet, können in einigen Beispielen der Winkelflügel und das Hindernis einander auch nicht richtig überlappen, sondern sich in gegenüberliegender, proximaler Ausrichtung zueinander, z. B. Spitze an Spitze, befinden. Üblicherweise wären die Spitzen in diesem Fall direkt ausgerichtet, obwohl ihre relative vertikale Position, wie in der Figur zu sehen, etwas variieren kann, solange eine ausreichende Strömungsbegrenzung aufrechterhalten bleibt.

[0019] Fig. 2 ist eine vergrösserte Ansicht eines Abschnitts des in Fig. 1 abgebildeten Motors, wobei der allgemeine Bereich hervorgehoben wird, der die Düse (Stator) 18 der ersten Stufe und die Turbinenschaufel 22 der ersten Stufe aufweist. (Der Bereich kann als die «Stator-Rotor-Baugruppe» bezeichnet werden, die in der Zeichnung als Element 21 bezeichnet wird). Die Düse (Stator) 18 schliesst ein Hindernis 58 ein, d.h., einen vorspringenden Abschnitt (Endwandung) der Düsenstruktur, der so geformt ist, dass er, wie vorstehend erwähnt, als Teil eines Gasströmungs-Einschränkungsschemas fungiert. Das Hindernis weist typischerweise verschiedene Oberflächen auf, die für diese Offenbarung von besonderem Interesse sind. Diese schliessen die radiale Fläche 60 zusammen mit der unteren Hindernisfläche 62 ein. Die Düse (Stator) 18 schliesst auch ein Hindernis 64 ein, das in dieser Konstruktion nahe dem unteren Ende der radialen Statorfläche 66 angeordnet ist. Das Hindernis 64 schliesst eine obere Oberfläche 67 und eine untere Oberfläche 69 ein.

[0020] Weiter Bezug nehmend auf Fig. 2erstreckt sich der Winkelflügel 50 von dem Schaft 25 der Turbinenschaufel 22 weg. Der Winkelflügel schliesst eine obere Dichtungsfläche 70 und eine untere Dichtungsfläche 72 ein. Während der Flügel in diesem Fall in einer «Aufwärtswindung» oder Spitze 74 ausläuft, muss ein solches Merkmal nicht immer verwendet werden. In der Tat können die Gestalt und die Grösse des Winkelflügels (oder jeder anderen Art von an der Turbinenschaufel 22 befestigtem Hindernis-Segment) beträchtlich variieren. Das oben beschriebene US-Patent 6 506 016 von Wang beschreibt viele Aspekte der Konstruktion von Winkelflügeln, und auch wie diese Konstruktion variieren kann. Wie oben erwähnt bildet die Figur auch den unteren Winkelflügel 90 ab, der sich ebenfalls von dem Schaft 25 wegerstreckt.

[0021] Aus Fig. 2 ist offensichtlich, dass einige der Abschnitte der Düse (Stator) 18 und der Turbinenschaufel 22 einander in einem Grenzschichtbereich 92 gegenüberliegen. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen sind durch zumindest einen Spalt getrennt (wie untenstehend beschrieben, sind hierin zwei Spalte dargestellt.) Somit liegt der obere Spalt 76 im Allgemeinen zwischen der unteren Hindernis-Fläche 62 und der Winkelflügelspitze 74. Der untere Spalt 77 liegt im Allgemeinen zwischen der unteren Oberfläche 69 des Hindernisses 64 und der Spitze 91 des Winkelflügels 90. In diesem Fall definieren die Spalte 76 und 77 allgemein einen Pufferhohlraum 80 und schaffen einen Weg zwischen dem axialen Spalt 78 und den «inneren» Bereichen des Turbinenmotors, z.B. dem Radraumbereich 82.

[0022] Der Begriff «Grenzschichtbereich» wird hierin verwendet, um den allgemeinen Bereich mit eingeschränkter Dimension, der die Spalte 76 und 77 einschliesst, zusammen mit den umgebenden Abschnitten der Düse (Stator) 18 und der Turbinenschaufel 22 zu bezeichnen. Zum Zweck der allgemeinen Veranschaulichung ist der Grenzschichtbereich 92 in Fig. 2so dargestellt, dass er von unterbrochenen Begrenzungslinien 94 und 96 begrenzt wird. Die exakte Begrenzung für den Grenzschichtbereich variiert zum Teil mit der spezifischen Konstruktion der Stator-Rotor-Baugruppe. Eine beispielhafte Art, einen typischen Grenzschichtbereich zu definieren, würde von der Länge (in Fig. 2als «Höhe» gesehen) der Turbinenschaufel 22 abhängen. Wenn somit die Höhe der Turbinenschaufel 22 innerhalb des Heissgaspfads 38 als «H» bezeichnet wird, kann der Grenzschichtbereich (obere Begrenzungslinie 94) sich schätzungsweise bis zu etwa 10% der Höhe H von der Plattform 26 wegerstrecken. Was den «inneren» Bereich der Stator-Rotor-Baugruppe (d.h. für die untere Begrenzungslinie 96) betrifft, kann der Grenzschichtbereich sich schätzungsweise über dieselbe Länge (etwa 10% von H) unter den untersten Abschnitt des am innersten liegenden Hindernisses, d.h. den unteren Winkelflügel 90, erstrecken. (Die Begrenzungslinie 96 würde sich somit ebenfalls immer über den Radraumbereich 82 wegerstrecken, um das unterste Hindernis an dem Stator, d.h. das Hindernis 64 in Fig. 2, einzuschliessen.) Der Grenzschichtbereich kann oft auch als ein «Strömungsbegrenzungs»-Bereich bezeichnet werden.

[0023] In Übereinstimmung mit dem normalen Motorbetrieb strömt Verbrennungsgas, das entlang des Heissgaspfads 38 in den Motor hineingeleitet wird, danach durch die Stator-Rotor-Baugruppe 21, und setzt sich durch weitere Stator-Rotor-Baugruppen in dem Motor fort. (Vom technischen Standpunkt aus sollte das Verbrennungsgas auf dieser Stufe als «Nachverbrennung» bezeichnet werden. Darüber hinaus ist der Begriff «Heissgas» so zu verstehen, dass er oft ein Gemisch von Gasen ist. Während in dem Gemisch üblicherweise Nachverbrennungsgase dominieren, kann es auch verschiedene Kühlmitteleinspritzungen und Kühlmittelströmungen, z.B. von der Düse (Stator) 18 und/oder von dem Kühlluftstrom 98, der im Folgenden besprochen wird, einschliessen.) Während der Heissgasstrom in den axialen Spalt 78 eintritt, kann ein Teil des Gasstroms (unterbrochener Pfeil 37) durch den oberen Spalt 76 entweichen und in den Pufferhohlraum 80 hineinströmen. (In einigen extremen Situationen, die sehr ungewöhnlich sind, könnte das Heissgas weiter durch den unteren Spalt 77 ziehen und in den Radraumbereich 82 eintreten). Wie oben erwähnt wird üblicherweise Kühlluft, durch Pfeil 98 angezeigt, von dem Kompressor (nicht dargestellt) abgeblasen und von dem inneren Bereich des Motors (z.B. Radraum 82) in den Pufferhohlraum 80 geleitet, um dem Austritt von Heissgas entgegenzuwirken. Die Mängel, die manchmal in einem solchen Gas-Strömungspfadsystem auftreten, wurden bereits vorstehend beschrieben.

[0024] Gemäss dieser Erfindung (gemäss Anspruch 1) ist zumindest eine der Stator- oder Rotoroberflächen innerhalb des Grenzschichtbereichs 92 mit einem Muster von Austiefungen versehen. Während Heissgas (z.B. die Nachverbrennungsgase) über die Austiefungen strömt, wird die Gasströmung behindert. Obwohl der Erfinder sich nicht auf eine bestimmte Theorie für diese Erscheinung festlegen möchte, scheint es so, dass jede Austiefung einen lokalen Strömungswirbel erzeugt, während der Fluidstrom darüberzieht. Während die Wirbel in den Fluidstrom ausgestossen werden, schränken sie die Gasströmung ein. Auf diese Weise wird der Austritt von Heissgas aus dem primären Strömungspfad in den Radraumbereich 82 – der bereits zum Teil durch die Hindernis-Winkelflügel-Strukturen versperrt ist – noch weiter eingeschränkt.

[0025] So wie er hierin verwendet wird, ist der Begriff «Austiefung» so zu interpretieren, dass er eine sehr breite Palette von Vertiefungen, Einbuchtungen, Einsenkungen, Gruben oder jede weitere Art von diskretem Senkloch umfasst. In einigen Beispielen liegt jede Austiefung in der Gestalt einer Halbkugel oder einer teilweisen Halbkugel vor. Die halbkugelförmige Gestalt muss jedoch nicht geometrisch exakt sein, d.h., eine bestimmte Variation in ihrer Krümmung ist möglich.

[0026] Fig. 3 und 4 sind nicht einschränkende Veranschaulichungen verschiedener halbkugelförmiger Formen im Querschnitt, die jeweils für die Austiefungen 99, 101 in Frage kommen. In Fig. 3ist eine vollständige Halbkugel dargestellt, d. h., mit einer Tiefe, die dem gesamten Radius R entspricht. Fig. 4 zeigt eine wesentlich flachere Austiefung. Darüber hinaus kann auch die Oberflächenkante der Austiefung variieren. In Fig. 3sind die Oberflächenkanten 100 und 102 etwas abgerundet dargestellt, während in Fig. 4 die Oberflächenkanten 104 und 106 relativ scharfkantig abgebildet sind. (Darüber hinaus können auch unterschiedliche Abschnitte der Oberflächenkanten für eine gegebene Austiefung in der Gestalt variieren, z.B. abhängig davon, wie diese relativ zu einem bestimmten Gasstrom positioniert sind.)

[0027] Wie aus den beispielhaften Fig. 3und 4 offensichtlich ist, kann die Tiefe der Austiefungen beträchtlich variieren. Faktoren, die für die Auswahl der optimalen Tiefe relevant sind, schliessen die Art und die Geschwindigkeit der Gasströmung über den Austiefungen (in einem oder mehreren Strömen); das Ausmass, in welchem die Gasströmung eingeschränkt werden soll; die Gestalt und Grösse der Stator- und/oder Rotoroberflächen, an welchen die Austiefungen angeordnet sind; die Art und Weise, in der die Austiefungen ausgebildet werden sollen; und die Grösse des lokalen Stator-Rotor-Spaltbereichs ein. Im Allgemeinen variiert die Tiefe der Austiefungen für eine typische Stator-Rotor-Baugruppe in einer handelsüblichen Turbomaschine von etwa 0,5 mm bis etwa 6 mm. Im Fall von halbkugelförmigen oder zum Teil halbkugelförmigen Austiefungen reicht die Tiefe typischerweise von etwa 0,5 mm bis etwa 6 mm, und noch öfter von etwa 0,5 mm bis etwa 2,5 mm. Der Fachmann wird, auf der Grundlage der oben erwähnten Faktoren, sowie auf Grund von Fluidströmungsversuchen, Entladungskoeffiziententests, computergestützten Fluiddynamikprognosen und dergleichen in der Lage sein, die am besten geeignete Tiefe der Austiefung für eine gegebene Situation auszuwählen.

[0028] Wie oben erwähnt, sind auch Austiefungen mit anderen Gestalten möglich. Als eine nicht einschränkende Veranschaulichung könnte die Austiefung 108 (Fig. 5) eine relativ flache untere Oberfläche 110, zusammen mit geneigten Seitenwänden 112 aufweisen, so dass die Öffnung der Austiefung eine grössere Fläche aufweist als ihr Boden 110. Der Neigungsgrad der Seitenwände kann beträchtlich variieren, abhängig von vielen der anderen Faktoren, die hierin dargelegt wurden.

[0029] Die Austiefungen können in einer Reihe vieler unterschiedlicher Muster angeordnet sein. Was die Gestalt und Grösse der Austiefung betrifft, hängt das spezifische ausgewählte Muster zum Teil von vielen der oben aufgezählten Faktoren ab. Üblicherweise, jedoch nicht immer, sind diese gleichmässig in einem Abstand voneinander angeordnet.

[0030] Der Abstand zwischen den Austiefungen kann ebenfalls in einem gewissen Mass variieren. (Der Abstand wird hierin als das Verhältnis des Abstands von Mittelpunkt zu Mittelpunkt, geteilt durch den Oberflächendurchmesser der Austiefung ausgedrückt.) Im Fall einer typischen Stator-Rotor-Baugruppe eines Turbinenmotors reicht das beschriebene Verhältnis von etwa 1,0 bis etwa 3,0. In einigen Beispielen kann ein Muster von in einem gleichmässigen Abstand angeordneten Austiefungen eine versetzte Ausrichtung von Austiefungen zwischen anderen Reihen von Austiefungen einschliessen. Fluidströmungsversuche wie die oben erwähnten können verwendet werden, um das am besten geeignete Muster von Austiefungen für eine gegebene Situation einfach zu bestimmen. Es ist auch zu beachten, dass das Muster selbst entlang unterschiedlicher Oberflächenabschnitte des Stators und/oder des Rotors abgewandelt werden kann. (Weitere Details bezüglich der Verwendung, Gestalt und Anordnung von Austiefungen in Metalloberflächen, die einer Gasströmung ausgesetzt sind, werden in dem US-Patent 6 504 274 (R. Bunker et al.) bereitgestellt, welches durch Verweis hierin aufgenommen wird).

[0031] Die Austiefungen können mit einer Reihe von Verfahren ausgebildet werden. Nicht einschränkende Beispiele schliessen maschinelle Bearbeitungsverfahren wie etwa verschiedene Fräsmethoden ein. Andere maschinelle Bearbeitungsverfahren, die möglich sind, schliessen elektroerosive Bearbeitung (electro-discharge machining, EDM) und elektrochemische Bearbeitung (electro-chemical machining, ECM) ein. In einigen Fällen könnten die Austiefungen während des Giessens der spezifischen Komponente, z.B. dem Präzisionsguss eines Turbinenrotors oder einer Turbinendüse, ausgebildet werden. Als ein Beispiel könnte die Oberfläche einer Präzisionsgussform mit einem ausgewählten Muster positiver Merkmale, z.B. «Hügel», Kuppeln, Pyramiden, Zapfen oder einem beliebigen anderen Typ von Vorsprüngen oder Verwirbelungen versehen sein. (Einige der Verfahren zur Schaffung dieser Merkmale an verschiedenen Oberflächen sind in der US-Patentanmeldung 10/841 366 (R. Bunker et al.), welche durch Verweis hierin aufgenommen ist, beschrieben.) Die Gestalt der positiven Merkmale wird durch die gewünschte Gestalt der Austiefungen bestimmt, die das Inverse des positiven Merkmals darstellen. Somit wird nach Entfernung der Form das Teil das ausgewählte Muster von Austiefungen einschliessen. Der Fachmann wird in der Lage sein, auf einfache Weise die am besten geeignete Methode (oder Kombination von Methoden) zur Ausbildung der Austiefungen an einer gegebenen Oberfläche zu bestimmen.

[0032] Fig. 6 ist eine vereinfachte Abbildung in Übereinstimmung mit einigen Beispielen und veranschaulicht die Vorteile der Schaffung von Austiefungen in der Stator-Rotor-Baugruppe einer Turbomaschine. Für die Baugruppen 120 und 122 sind Abschnitte des Stators und des Rotors jeweils durch monolithische Platten 124 und 126 dargestellt. Die Heissgasströmung innerhalb des Heissgasströmungsbereichs 128 wird durch den Pfeil 130 angezeigt. Die Strömung von Heissgas aus dem Strömungsbereich 128 in den inneren Bereich 132 (z.B. ein Radraumbereich) wird durch den Strömungspfeil 134 angezeigt. Die Strömung von Kühlmittel, um der Heissgasströmung entgegenzuwirken, wird durch den Strömungspfeil 136 angezeigt. Im Fall der Baugruppe 120 sind keine Austiefungen an irgendeiner der Stator- oder Rotoroberflächen vorhanden. Die Heissgasströmung 134 erstreckt sich im Wesentlichen in die inneren Bereiche 132 der Turbomaschine, wo sie manchmal Räder, Scheiben, und andere temperaturempfindliche Komponenten beschädigen kann.

[0033] Weiter Bezug nehmend auf Fig. 6, schliesst die Stator-Rotor-Baugruppe 122 Austiefungen 137 an einer unteren Oberfläche 138 des Stators 124 und an einer oberen Oberfläche 140 des Rotors 126 ein. Die tatsächliche Gestalt und Grösse der Austiefungen ist aus dieser Ansicht nicht zu erkennen. Stattdessen werden diese durch die «wirbelartigen» Formen dargestellt. (Wie oben erwähnt, schliesst eine Theorie den Vorschlag ein, dass innerhalb jeder Austiefung ein Wirbel gebildet wird, während Gas darüberströmt.) Wie für die Baugruppe 122 gezeigt, kann das Vorhandensein der Austiefungen den Austritt des Heissgases 134 in den inneren Bereich 132 stark einschränken. Somit kann das Heissgas effektiv in den Heissgasbereich 128 «zurückgelenkt» werden, ohne in empfindliche Bereiche des Turbinenmotors angesaugt zu werden. Als weitere Folge muss der Kühlmittelstrom 136 nicht so umfangreich sein wie im Fall der Baugruppe 120, was zu den anderen hierin beschriebenen Vorteilen führt.

[0034] Die Austiefungen können an einer Reihe von Oberflächen des Stators, des Rotors, oder sowohl des Stators als auch des Rotors ausgebildet werden. (In einigen Fällen brauchen die Austiefungen nur an Abschnitten dieser Oberflächen ausgebildet zu werden.) Als Beispiel können sie an verschiedenen Oberflächen einer oder mehrerer Stator-Hindernisdichtungen angeordnet werden, welche sich in einen der Spalte in dem Grenzschichtbereich hineinerstrecken. Wie zuvor beschrieben können diese ebenfalls an verschiedenen Oberflächen eines oder mehrerer Winkelflügel (an dem Rotor) ausgebildet sein, welche sich in einen der Spalte hineinerstrecken.

[0035] In einigen Arten von Stator-Rotor-Baugruppen kann ein beträchtlicher Vorteil daraus gezogen werden, die Austiefungen in eine Oberfläche des Hindernisses hineinzuintegrieren, und kein wesentlicher Vorteil wird erzielt, wenn die Austiefungen in Oberflächen der Rotorschaufel integriert werden. Das Niveau der Effektivität der Austiefungen hängt jedoch von den vielen hierin behandelten Faktoren ab, einschliesslich Grösse, Gestalt und genaue Position der Merkmale, zusammen mit der besonderen Konstruktion der Stator-Rotor-Baugruppe. Somit wird in einigen Arten von Stator-Rotor-Baugruppen erwartet, dass das Vorhandensein von Austiefungen an verschiedenen Abschnitten des Rotors ebenfalls die wesentlichen Vorteile schafft, die hierin behandelt wurden.

[0036] Die hierzu beiliegenden Figuren sind im Allgemeinen gemäss einer zweidimensionalen Perspektive gezeichnet, um den Überblick über diese Offenbarung zu erleichtern. Es ist jedoch klar, dass die hierin beschriebenen Grenzschichtbereiche typischerweise Teil einer drehenden Anordnung sind. Somit ist es üblicherweise wichtig, dass die Austiefungen in Mustern angelegt sind, welche im Allgemeinen den gesamten Umfang der jeweiligen Komponente, d.h. des Rotors oder des Stators, umgeben.

[0037] Fig. 7 ist eine weitere Ansicht des Turbinenmotorabschnitts von Fig. 1 und 2, in höherem Mass vergrössert. In dieser Figur werden nicht einschränkende Beispiele für die spezifische Anordnung von Austiefungen an verschiedenen Abschnitten des Stators (Düse) 18 und/oder der Turbinenschaufel 22 dargestellt. Die möglichen Positionen der Austiefungen werden durch die verschiedenen Pfeilsymbole angezeigt. Aus der Figur wird klar, dass die Austiefungen in eine Reihe von radial inneren Abschnitten des Stators integriert werden können, einschliesslich zum Beispiel der radialen Fläche 60 (zum Grabenhohlraum 54 weisend), der unteren Hindernisfläche 62 (zum oberen Spalt 76 weisend), und der Statorfläche 66. Die Austiefungen können auch in verschiedene Statorbereiche integriert werden, die zu dem unteren Spalt 77 gehören, wie etwa den verschiedenen Oberflächen des Hindernisses 64. Fig. 7 veranschaulicht ebenfalls die Anordnung der Austiefungen in den Winkelflügeln 50 und 90. Viele unterschiedliche Bereiche jedes Winkelflügels könnten die Austiefungen einschliessen, z. B. die obere Dichtungsfläche 70 des Winkelflügels 50 zusammen mit dessen Spitze 74.

[0038] Es ist zu beachten, dass die primären Bereiche für die Anordnung der Austiefungen üblicherweise in den «oberen» Bereichen der Stator-Rotor-Baugruppe, z.B. entlang der Oberflächen 60 und 62 des Stators und verschiedener Oberflächen des Winkelflügels 50, liegen werden. Doch die Anordnung der Austiefungen in den «unteren» Bereichen, z.B. entlang des Winkelflügels 90 und des Hindernisses 64, kann ebenfalls verschiedene Vorteile schaffen. So kann zum Beispiel die Verwendung von Austiefungen in diesen Bereichen tatsächlich in gewissem Masse Vergrösserungen des Spalts bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des effektiven Strömungswiderstands erlauben. Eine Vergrösserung der Dimension des physischen Spalts kann andere Einschränkungen bezüglich Bearbeitungstoleranzen und Montagepassungen erleichtern, wodurch zusätzliche Vorteile bei der Herstellung geschaffen werden. (Dies ist auch im Fall der oberen Spaltbereiche ein Vorteil.)

[0039] Die vorliegende Offenbarung hat Beispiele für Stator-Rotor-Baugruppen in dem Turbinenabschnitt einer Turbomaschine gezeigt. Es muss jedoch betont werden, dass Stator-Rotor-Baugruppen in anderen Abschnitten einer derartigen Maschine ebenfalls von der Erfindung profitieren können. Als eine nicht einschränkende Veranschaulichung schliessen etwa die Kompressorabschnitte in vielen Turbomaschinen ebenfalls Stator-Rotor-Baugruppen ein, welche Winkelflügel-Hindernis-Anordnungen beinhalten können. Wie im Fall der Turbine ist diese Konstruktion ein Dichtungsmechanismus (z.B. durch unterschiedliche Kompressorstufen), obwohl das Gas im Allgemeinen eine niedrigere Temperatur aufweist. Somit kann auch die Verwendung der Austiefungen in Stator-Rotor-Baugruppen in dem Kompressor sehr vorteilhaft für die Einschränkung der Gasströmung sein. (Im Allgemeinen sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung für die Eingrenzung von Gas mit beliebiger Temperatur, z.B. Raumtemperatur oder darüber, geeignet ist.)

[0040] Die Vorteile des Vorhandenseins von Austiefungen wurden durch mehrere Tests bestätigt, die an einer vereinfachten Stator-Rotor-Baugruppe durchgeführt wurden. Die Baugruppe schloss eine gegenüberliegende Hindernis-Winkelflügel-Struktur ein, die durch einen Spalt getrennt war (und in gewisser Weise ähnlich der in Fig. 7 abgebildeten Konfiguration aus Hindernis und Winkelflügel (64, 90) ist). In der ersten Anordnung war die Statoroberfläche frei von jeglichen Austiefungen.

[0041] Sowohl in der zweiten als auch in der dritten Anordnung wurde ein ausgewähltes Muster von Austiefungen (vier umlaufende Reihen) in die Statoroberfläche integriert. Die Austiefungen wiesen die Gestalt von halbkugelförmigen «Einsenkungen» mit einer durchschnittlichen Tiefe von etwa 2,5 mm und einem Durchmesser (an deren Öffnung) von etwa 8 mm auf. In der zweiten Anordnung überlappten einander das Hindernis und der Winkelflügel in der vorstehend beschriebenen Weise. In der dritten Anordnung überlappten einander der Winkelflügel und das Hindernis nicht, sondern waren miteinander ausgerichtet, d.h., es war kein axialer Spalt, jedoch immer noch ein radialer Spalt zwischen dem Ende des Hindernisses und dem Ende des Winkelflügels vorhanden. Für jede Anordnung wurde der Aufbau so konstruiert, dass die gemessenen Mengen an Spülluft von einem Radraumbereich auf die innere Seite der Anordnung durch den Spalt, und in einen Heissgas-Strömungspfadbereich hinein, eingespritzt werden konnten.

[0042] Für jede Anordnung wurde eine Anzahl von Druckabnehmern an verschiedenen Positionen relativ zu den Austiefungen und dem Spalt in den Stator eingebaut. Während der Rotor in dem Aufbau mit etwa 4500 Upm gedreht wurde, wurde der statische Druck an der Statoroberfläche (in der radialen Richtung) unter Verwendung der Druckabnehmer gemessen. Die Messungen wurden bei verschiedenen Spülströmungsraten für jede der drei Aufbauten vorgenommen.

[0043] Sowohl für die zweite als auch für die dritte Anordnung (überlappt bzw. ausgerichtet) wurde festgestellt, dass dasselbe dimensionslose Druckfeld an dem Stator aufrechterhalten werden konnte, unter Verwendung einer geringeren Menge von Spülluft, verglichen mit den Spülluftanforderungen für die erste Anordnung (die keine Austiefungen aufwies). Somit wurde verifiziert, dass die Verwendung der Austiefungen eine effektive Dichtung zwischen dem Stator und Rotor unter gleichzeitiger Verwendung einer geringeren Menge an Spülluft schaffte.

[0044] Ein Beispiel zielt auf eine Turbomaschine ab, die zumindest eine Stator-Rotor-Baugruppe einschliesst, wie etwa jene, die obenstehend beschrieben wurden. Gasturbinenmotoren (z.B. Düsentriebwerke, Turboprops, landgebundene Turbinen zur Leistungserzeugung und Turbinenmotoren für den Schiffsantrieb) stellen Beispiele für eine Turbomaschine dar. Weitere Typen sind im Stand der Technik ebenfalls bekannt. Nicht einschränkende Beispiele schliessen eine breite Palette von Pumpen und Kompressoren ein, die ebenfalls eine Stator-Rotor-Baugruppe beinhalten, durch welche Fluide (Gas oder Flüssigkeit) strömen. In vielen von diesen anderen Turbomaschinenkonstruktionen würden neue Methoden zur Reduktion des Austritts von Fluid aus einem Strömungspfad in andere Bereiche der Maschine auf beträchtliches Interesse stossen. Somit könnten die Stator-Rotor-Baugruppen in jeder dieser Turbomaschinen Muster von Austiefungen einschliessen, wie dies in dieser Offenbarung beschrieben wurde.

[0045] Diese Erfindung, gemäss Anspruch 10, zielt auf ein Verfahren zur Einschränkung der Strömung von Gas (z.B. Heissgas) durch einen Spalt zwischen einem Stator und einem Rotor in einer Turbomaschine nach Anspruch 8 oder 9 ab. Wie vorstehend beschrieben, umfasst das Verfahren den Schritt der Ausbildung eines Musters von Austiefungen an zumindest einer Oberfläche des Stators oder des Rotors, welcher zu dem Spalt benachbart ist. Wie ebenfalls obenstehend beschrieben wurde, weisen die Austiefungen eine Grösse und Gestalt auf, die ausreichend ist, um die Gasströmung zu behindern. Beispielhafte Verfahren zur Ausbildung der Austiefungen wurden in dieser Offenbarung ebenfalls geschaffen.

[0046] Obwohl diese Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen und Beispiele beschrieben wurde, ist dennoch klar, dass dem Fachmann verschiedene Modifikationen, Anpassungen und Alternativen in den Sinn kommen mögen, ohne dass diese vom Schutzbereich des beanspruchten erfinderischen Konzepts abweichen.

Claims (10)

1. Stator-Rotor-Baugruppe (21), umfassend zumindest einen Grenzschichtbereich (92) zwischen einer Oberfläche eines Stators (18) und einer Oberfläche eines Rotors, wobei die Oberflächen durch zumindest einen Spalt (76, 77) getrennt sind, wobei zumindest eine der Stator- oder Rotoroberflächen in dem Grenzschichtbereich (92) ein Muster von Austiefungen (99, 101, 108, 137) umfasst.

2. Baugruppe (21) nach Anspruch 1, wobei der Stator (18) eine Düse ist, welche zumindest eine Hindernisdichtung (64) mit einem Segment umfasst, welches sich in den Spalt (77) hineinerstreckt, und das Muster von Austiefungen (99, 101, 108, 137) an zumindest einer Oberfläche des Segments angeordnet ist.

3. Baugruppe (21) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Rotor eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln (22) enthält.

4. Baugruppe (21) nach Anspruch 3, wobei die Turbinenschaufeln (22) jeweils zumindest einen Winkelflügel (50) umfassen, welcher sich in den Spalt (76) hineinerstreckt, und das Muster von Austiefungen (99, 101, 103, 108, 137) an zumindest einer Oberfläche des Winkelflügels (50) angeordnet ist.

5. Baugruppe (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Austiefungen (99, 101) in der Gestalt einer Halbkugel oder einer teilweisen Halbkugel vorliegen.

6. Baugruppe (21) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Grenzschichtbereich (92) zwischen den Stator- und Rotoroberflächen ein Strömungsbegrenzungsbereich ist, welcher die Strömung von Gas aus einem Heissgaspfad (38) eines Turbinenmotors, durch den Spalt (76, 77) zu einem Radraumbereich (82) der Stator-Rotor-Baugruppe (21) begrenzt; und die Austiefungen (99, 101, 103, 108, 137) eine Gestalt und Grösse aufweisen, die ausreichen, um, zusätzlich zu einer Beschränkung durch die mindestens eine Hindernisdichtung (64), eine zusätzliche Beschränkung der Strömung von Gas von dem Heissgaspfad (38) durch den Spalt (76, 77) zu schaffen.

7. Baugruppe (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher Oberflächen des Stators (18) und des Rotors zueinander gegenüberliegen, wobei das Muster von Austiefungen (99, 101, 108, 137) an zumindest einer der gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet ist.

8. Turbomaschine, umfassend einen Turbinenmotor und zumindest eine Stator-Rotor-Baugruppe (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Turbomaschine nach Anspruch 8, umfassend Stator-Rotor-Baugruppen (21), welche Austiefungen (99, 101, 108, 137) sowohl in einem Turbinenabschnitt als auch in einem Kompressorabschnitt umfassen.

10. Verfahren zur Einschränkung der Strömung von Gas durch einen Spalt (76, 77) zwischen einem Stator (18) und einem Rotor in einer Stator-Rotor-Baugruppe (21) einer Turbomaschine nach Anspruch 8 oder 9, umfassend den Schritt der Ausbildung eines Musters von Austiefungen (99, 101, 108, 137) an zumindest einer Oberfläche des Stators (18) oder des Rotors, welche zu dem Spalt (76, 77) benachbart ist, wobei die Austiefungen (99, 101, 108, 137) eine Grösse und eine Gestalt aufweisen, die ausreichen, um die Gasströmung zu behindern.