-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren, Systeme
und/oder Vorrichtungen zur Verbesserung des Wirkungsgrads und/oder
des Betriebs von Turbinenmaschinen, womit, so wie hier verwendet
und wenn nicht speziell anders benannt, alle Typen von Turbinen – oder Drehbewegungen ausführende Maschinen
gemeint, sind einschließlich Gasturbinenmaschinen,
Flugtriebwerke, Dampfturbinenmaschinen und andere. Im Einzelnen
betrifft die Erfindung, ohne darauf beschränkt zu sein, Systeme und Vorrichtungen,
die sich auf verbesserte Dichtungen für Abdichtungen bei Turbinenmaschinen
beziehen.
-
Die
Leistung einer Turbinenmaschine ist in großem Maße durch ihre Fähigkeit
beeinträchtigt,
Leckageströmungen
und/oder die Verwendung von Kühlluft
zu eliminieren oder zu reduzieren. Leckage rührt in der Regel von einer
Druckdifferenz her, die an einem Leckagespalt anliegt. Wenngleich
es möglich ist,
die Druckdifferenz über
den Leckagespalt zu verringern, so kann dies doch zu einer unerwünschten Einschränkung hinsichtlich
der aerodynamischen Auslegung von Geschwindigkeitsbeeinflussenden Komponenten
für das
Arbeitsfluid führen.
Die Verringerung des Spalts selbst ist zwar wünschenswert, doch ist dessen
Eliminierung normalerweise nicht praktikabel wegen unvermeidlicher
unterschiedlicher thermischer Eigenschaften der umlaufenden und
der stationären
Komponenten und wegen der charakteristischen Fliehkraftmerkmale
der umlaufenden Komponenten. Unter zusätzlicher Beachtung der Herstellungstoleranzen
von Komponenten und Änderungen der
Betriebsbedingungen, die die charakteristischen thermischen und
zentrifugalen Eigenschaften beeinflussen, ist es üblicherweise
so, dass sich während bestimmter
wesentlicher Betriebsbedingungen ein Leckagespalt ausbildet.
-
Im
Fall von Gasturbinenmaschinen wird oft Kühlluft unmittelbar von dem
Verdichter zu den Turbinenkomponenten hin abgezweigt, um diese gegen die
extremen Temperaturen des Heißgaspfades
zu schützen.
Die Kühlluft
kann dazu verwendet werden, Teile unmittelbar zu kühlen oder
in einigen Fällen kann
sie auch dazu heran gezogen werden, Hohlräume zu spülen, die für einen Arbeitsfluideintritt
durch Spalte, die längs
des Heißgaspfades
vorhanden sind, offen sind. Zum Spülen von Hohlräumen wird normalerweise
eine auswärtsgerichtete
Strömung von
Kühlluft
erzeugt (d. h. eine Kühlluftströmung von dem
Hohlraum in den Heißgaspfad),
und diese nach außen
gerichtete Strömung
verhindert im wesentlichen die Einströmung von Arbeitsfluid durch
die Spalte. Jedoch beeinträchtigen, ähnlich wie
Leckageströmungen
auch Spülströme die Leistung
und den Wirkungsgrad der Turbinenmaschine. Deshalb muss der Einsatz
von Spülluft
möglichst
minimiert werden.
-
Demzufolge
besteht ein Bedürfnis
nach verbesserten Systemen und Vorrichtungen, die Spalten oder Holräume in der
Turbinenmaschine wirksamer abdichten. Insbesondere besteht ein Bedürfnis für verbesserte
Dichtungen, die die Leckageströmungen und/oder
die Verwendung von Kühlluft
verringern.
-
Kurze Beschreibung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt demgemäß eine Turbinenmaschine, die
einen Wirbelvorsprung aufweist, der auf einer Komponente angeordnet
ist, die während
des Betriebs der Turbinenmaschine umläuft; wobei der Wirbelvorsprung
eine äußere Oberfläche aufweist,
die so gestaltet ist, dass sie, wenn die Komponente während des
Betriebs umläuft,
ein Wirbelströmungsmuster(-bild)
erzeugt.
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt außerdem eine Turbinenmaschine,
die einen Wirbelvorsprung aufweist, der auf einer Komponente angeordnet
ist, die während
des Betriebs der Turbinenmaschine umläuft; wobei der Wirbelvorsprung
eine äußere Oberfläche aufweist,
die so gestaltet ist, dass sie, wenn die Komponente während des
Betriebs umläuft,
ein Wirbelströmungsmuster
erzeugt; wobei: die Turbinenmaschine eine Rotorschaufel aufweist,
zu der ein Schaft, ein auf dem Schaft angeordnetes Schaufelblatt,
eine von einem äußeren radialen
Ende des Schaufelblattes getragenes Deckband und eine Dichtungsschiene
gehören,
die etwa radial von dem Schaufelband aus sich erstreckt; der Wirbelvorsprung
ist an einer der äußeren Radialseiten
des Deckbands und der radial darauf ausgerichteten Seite der Dichtungsschiene
befestigt; und der Wirbelvorsprung ist so angeordnet, dass das induzierte
Wirbelströmungsmuster
eine Leckageströmungen
des Arbeitsfluids von einer strömungsaufwärtigen Seite
der Dichtungsschiene zu einer strömungsabwärtigen Seite der Dichtungsschiene
hin verhindert.
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt außerdem eine Turbinenmaschine,
die einen Wirbelvorsprung aufweist, der auf einer Komponente angeordnet
ist, die während
des Betriebs der Turbinenmaschine umläuft; wobei der Wirbelvorsprung
eine äußere Oberfläche aufweist,
die so gestaltet ist, dass sie, wenn die Komponente während des
Betriebs umläuft,
ein Wirbelströmungsmuster
erzeugt; wobei: die Turbinenmaschine eine Rotorschaufel aufweist,
die über
einen Schwalbenschwanz, der die Rotorschaufel an einem Rotorrad
befestigt und zwischen dem Schaufelblatt und dem Schwalbenschwanz über einen
Fuß verfügt; die
Turbinenmaschine weist eine Statorschaufel auf; ein grabenförmiger Hohlraum
ist durch einen axialen Spalt zwischen der Rotorschaufel und der
Statorschaufel definiert; der Wirbelvorsprung ist an der Rotorschaufel
befestigt und auf dieser so ausgelegt und positioniert, dass das
induzierte Wirbelströmungsmuster
das Einströmen
von Arbeitsfluid in den grabenförmigen
Hohlraum verhindert; der Wirbelvorsprung weist zwei nichtaxialsymmetrische Vorsprünge auf;
und ein Umriss der äußeren Oberfläche des
Wirbelvorsprungs weist eine im wesentlichen sanftgekrümmte Kontur
und eine näherungsweise
helicoidale Gestalt auf.
-
Diese
und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang
mit den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen zu
entnehmen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ein
besseres Verständnis
dieser und anderer Merkmale der Erfindung ergibt sich aus der genauen Durchsicht
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
der Erfindung, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, in der:
-
1 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbinenmaschine
ist in der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können;
-
2 eine
Schnittdarstellung des Verdichters in der Gasturbinenmaschine nach 1 ist;
-
3 eine
Schnittdarstellung der Turbine in der Gasturbinenmaschine nach 1 ist;
-
4 eine
Seitenansicht einer Turbinenrotorschaufel gebräuchlicher Konstruktion ist;
-
5 eine
Draufsicht auf eine Turbinenrotorschaufel nach 4 ist;
-
6 eine
perspektivische Ansicht einer mit einem Deckband versehenen Turbinenrotorschaufel mit
Wirbelvorsprüngen
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
7 eine
alternative perspektivische Ansicht der mit einem Deckband versehenden
Turbinenrotorschaufel nach 6 ist;
-
8 eine
perspektivische Darstellung einer mit einem Deckband versehenen
Turbinenschaufel mit Wirbelvorsprüngen gemäß einer altnativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
9 eine
schematische Schnittdarstellung einer mit einem Deckband versehenen
Turbinenrotorschaufel mit Wirbelvorsprüngen und dem umgebenden Turbinengehäuse gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
10 eine
schematische Schnittdarstellung des inneren radialen Teils mehrerer
Reihen, Rotor- und Statorschaufeln ist wie sie bei einer beispielhaften
Turbine in gebräuchlicher
Konstruktion angeordnet sind;
-
11 eine
Schnittdarstellung eines grabenartigen Hohlraums und eines Wirbelvorsprungs
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
-
12 eine
Schnittdarstellung eines grabenförmigen
Hohlraums und eines Wirbelvorsprungs gemäß einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Generell
kann eine Gas- oder Verbrennungsturbinenmaschine dazu verwendet
werden, eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen (wenngleich gleiche oder
andere Einsatzarten bei anderen Typen von Verbrennungsturbinenmaschinen
möglich
sind). Eine Verbrennungsturbinenmaschine weist einen Verdichter,
eine Brennkammer und Turbine auf. Der Verdichter und die Turbine
verfügen
im Allgemeinen über Reihen
von Schaufeln, die axial in Stufen gestapelt sind. Jede Stufe enthält eine
Reihe in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Statorschaufeln, die
fest sind und eine Reihe Rotorschaufeln, die um eine Mittelachse
oder Welle rotieren. Im Betrieb laufen die Verdichterrotorschaufeln
um die Welle um und verdichten im Zusammenwirken mit den Statorschaufeln
einen Luftstrom. Die jeweils zugeführte verdichtete Luft wird
dann in der Brennkammer dazu verwendet, einen zugeführten Brennstoff
zu verbrennen. Anschließend
wird der sich aus der Verbrennung ergebende Strom heißer expandierender
Gase, d. h. das Arbeitsfluid, durch den Turbinenabschnitt der Maschine
expandieren lassen. Der Durchstrom von Arbeitsfluid durch die Turbine
veranlasst, dass die Rotorschaufeln umlaufen. Die Rotorschaufeln sind
mit einer mittigen Welle so verbunden, dass die Umlaufbewegung der
Rotorschaufeln die Welle im Umdrehung versetzt. Auf diese Weise
wird die in dem Brennstoff enthaltene Energie in mechanische Energie
der umlaufenden Welle umgesetzt, was beispielsweise dazu benutzt
werden kann, die Rotorschaufeln des Verdichters so in Umdrehung
zu versetzen, dass der für
die Verbrennung erforderliche Zustrom verdichteter Luft erzeugt
wird, oder die Spulen eines Generators, so dass elektrische Energie
erzeugt wird.
-
Die
Leistung einer Turbinenmaschine wird wesentlich durch deren Fähigkeit
beeinflusst, eine Leckageströmung
und/oder die Verwendung von Kühlluft
zu reduzieren oder zu eliminieren. Leckage, die die Ausgangsleistung
und den Wirkungsgrad der Turbinenmaschine verringert, betrifft allgemein
Arbeitsfluid, das neben den Schaufelblättern der Turbinenrotorschaufeln
derart vorbeiströmt,
dass aus ihm keine Arbeit entzogen wird. Eine Weise in der Leckage
auftritt ist eine Strömung
von Arbeitsfluid über
die äußere radiale
Spitze der Rotorschaufeln. Um das zu verhüten, sind Turbinenrotorschaufeln
häufig
mit Deckbändern
und einer Dichtungsschiene versehen, die im Wesentlichen radial
von der äußeren Oberfläche des
Deckbands hervorragt. Die Dichtungsschiene erstreckt sich in der
Regel in Umfangsrichtung zwischen einander gegenüberliegenden Enden des Deckbands
in der allgemeinen Drehrichtung des Turbinenrotors.
-
Wenngleich
die Dichtungsschienen eine gewisse Leckage verhindern, so bleibt
doch die Leckage über
die äußeren radialen
Spitzen der Rotorschaufeln ein beträchtliches Problem. Bei einigen
gebräuchlichen
Konstruktionen ragen Dichtungsschienen radial in eine in einem stationären Turbinengehäuse ausgebildete
Nut. Um ein Anlaufen während des
Betriebs zu verhüten,
muss ein Spiel zwischen der radialen Spitze der Dichtungsschiene
und dem stationären
Turbinengehäuse
aufrechterhalten werden. Dieses Spiel oder dieser Spalt ermöglichen
aber das Auftreten von Leckage. Bei anderen gebräuchlichen Konstruktionen ragt
die Dichtungsschiene in einem wabenartigen Mantel, der dem umlaufenden Spitzendeckband
gegenüber
liegt. Typischerweise ist aus verschiedenen Gründen an der (auch als Saugseite
bezeichneten) vorderen Kante der Dichtungsschiene ein Schneidzahn
so angeordnet, dass er eine Nut in den wabenartigen Laufweg des
stationären
Mantels einschneidet, die breiter ist als die Breite der Dichtungsschiene.
Dieser geringfügig
breitere Laufweg schafft ein Spiel oder einen Spalt, der eine Leckströmung zwischen
dem Hochdruck- und dem Niederdruckbereich auf gegenüberliegenden
Seiten der Dichtungsschiene ermöglicht.
Wie dem Fachmann bekannt, beeinträchtigt eine Leckage dieser Art
die Leistung und den Wirkungsgrad der Turbinenmaschine. Es besteht
deshalb ein Bedürfnis
nach verbesserten Verfahren, Systemen und/oder -vorrichtungen, die
diese Art Spalte oder Hohlräume
wirksamer abdichten, so dass eine Leckage verringert oder minimiert
werden kann.
-
Außerdem wird,
wie bereits erwähnt
oft Kühlluft
von dem Verdichter zu Teilen der Turbine hin abgezweigt, um bestimmte
Komponenten gegen die extremen Temperaturen des Heißgaspfades
zu schützen.
Die Kühlluft
kann direkt zum Kühlen
der Komponenten oder dazu verwendet werden, Hohlräume zu spülen, in
der Art, dass kein Arbeitsfluid in die gespülten Hohlräume eintritt. Beispielsweise
ist ein Bereich der gegen extreme Temperaturen des Arbeitsfluids empfindlich
ist der Raum, der allgemein betrachtet radial einwärts von
dem Heißgaspfad
liegt. Dieser Bereich, der oft als innerer Radraum oder Turbinenradraum
bezeichnet wird, enthält
mehrere Turbinenräder
oder -rotoren auf denen die umlaufenden Rotorschaufeln befestigt
sind. Wenngleich die Rotorschaufeln so ausgelegt sind, dass sie
den extremen Temperaturen des Heißgaspfades widerstehen, so gilt
dies in der Regel nicht für
die Rotoren und demgemäß ist es
erforderlich, zu verhindern, dass Arbeitsfluid aus dem Heißgaspfad
in den Radraum einströmt.
-
Notwendigerweise
sind aber axiale Spalte zwischen den umlaufenden Schaufeln und den
diese umgebenden stationären
Teile vorhanden, und durch diese Spalte kann Arbeitsfluid Zugang
zu dem Radraum erlangen. Außerdem
können,
als Folge der jeweiligen Erwärmung
der Maschine und wegen unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen
den umlaufenden und den stationären Komponenten,
diese Spalte sich erweitern oder schrumpfen, abhängig von der jeweiligen Betriebsweise
der Maschine. Diese Größenvariabilität macht es
schwierig diese Spalte ausreichend abzudichten, was im Allgemeinen
bedeutet, dass der Turbinenradraum gespült werden muss, um einen Heißgaseintritt
zu verhüten.
-
Spülen erfordert,
dass der Druck in dem Radraum auf einem Niveau gehalten werden muss, das
höher ist,
als der Druck des Arbeitsfluids, um so eine positive Spülluftströmung durch
die axiale Spalte und in den Heißgasweg hinein zu erzeugen.
Typischerweise wird dies in der Weise erreicht, dass Luft von dem
Verdichter abgezweigt und direkt in den Radraum eingeleitet wird.
Wenn dies geschieht, wird eine nach außen gerichtete Strömung von
Spülluft
erzeugt (d. h. ein Spülluftstrom
aus dem Radraum zu dem Heißgasweg
hin), und diese Auswärtsströmung durch
die Spalte verhütet
den Einstrom von Arbeitsfluid. Auf diese Weise können die Komponenten in dem
Radraum gegen die extremen Temperaturen des Arbeitsfluids geschützt werden.
-
Das
Spülen
des Radraums hat aber seinen Preis. Wie dem Fachmann bekannt, beeinträchtigt sein
Einsatz die Leistung und den Wirkungsgrad der Turbinenmaschine,
weil die Spülluft
an der Verbrennung vorbei strömt.
Das bedeutet, dass größere Mengen
Kühlluft
die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad der Maschine verringern.
Demgemäß sollte
die Verwendung von Kühlluft
wenn immer möglich,
minimiert werden. Demzufolge besteht auch ein Bedürfnis nach
verbesserten Verfahren, Systemen und/oder Vorrichtungen, die Spalte
oder Hohlräume wirkungsvoller
gegen Arbeitsfluideintritt abdichten, so dass der Einsatz von Spülluft minimiert
werden kann.
-
Wie
im Nachfolgenden im Detail beschrieben, schlägt die vorliegende Erfindung
eine Befriedigung der vorstehend geschilderten Bedürfnisse
(d. h. der Notwendigkeit einer verbesserten Abdichtung zur Verringerung
von Leckageströmungen
und der Verwendung von Kühlluft
in Turbinenmaschinen, wie auch zur Schaffung verbesserter Kühleigenschaften für die Kühlluft und
zusätzlicher
Vorteile) durch die Verwendung einer aerodynamischen Beschauflung vor,
die einen Wirbelvorhang erzeugt. Das bedeutet, dass das Drehmoment
von umlaufenden Komponenten der Turbinenmaschine bei oder nahe einer
Leckage oder eines Spülspaltes
in kinetische Fluidenergie umgesetzt werden kann, derart, dass verbesserte Abdichtungseigenschaften
erreicht werden können. Insbesondere
kann das mit Energie beladene Fluid dazu verwendet werden, Leckage
oder die Verwendung von Kühlluft
zu verringern oder zu eliminieren, abhängig von den speziellen Anforderungen
des jeweiligen Anwendungsfalles. Dies kann, wie in nachstehenden
größeren Einzelheiten
beschrieben, durch die Verwendung eines Wirbelvorsprungs gemäß der Erfindung
erreicht werden.
-
Im
Nachstehenden sind zwei beispielhafte Anwendungen der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Die erste betrifft die Verwendung eines Wirbelvorsprungs
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
zur besseren Abdichtung des Spaltes zwischen dem äußeren radialen
Ende einer Turbinenschaufel und dem stationären Mantel derart, dass zusammen mit
anderen Vorteilen, die Leckageströmung verringert wird. Die zweite
beispielhafte Anwendung betrifft die Verwendung eines Wirbelvorsprungs
gemäß einer
alternativen beispielhaften Ausführungsform
zur besseren Abdichtung eines Spaltes in dem Heißgaspfad derart, dass zusammen
mit anderen Vorteilen der Einsatz von Kühlluft in einem zu spülenden Hohlraum
verringert ist.
-
Zum
technischen Hintergrund veranschaulichen unter Bezugnahme auf die
Figuren, die 1 bis 3 eine beispielhafte
Gasturbinenmaschine in der Ausführungsformen
der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden können. Für den Fachmann versteht sich,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art der Verwendung
beschränkt
ist. Wie erwähnt,
kann die vorliegende Erfindung bei Gasturbomaschinen eingesetzt
werden, wie Maschinen, die bei der Energieerzeugung und in Flugzeugen
Verwendung finden, in Gasturbinenmaschinen und anderen Arten umlaufender
Maschinen. 1 ist eine schematische Veranschaulichung
einer Gasturbinenmaschine 50. Gasturbinenmaschinen arbeiten
allgemein in der Weise, dass sie Energie aus einem verdichteten
Heißgasstrom
entziehen, der durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem
Strom verdichteter Luft erzeugt wird. Wie in 1 dargestellt, kann
die Gasturbinenmaschine 50 mit einem Axialverdichter 52,
der mittels einer gemeinsamen Welle oder eines gemeinsamen Rotors
an einen nachgeschalteten Turbinenabschnitt oder eine Turbine 54 angekuppelt
ist und einer Brennkammer 56 ausgelegt sein, die zwischen
dem Verdichter 52 und der Turbine 54 angeordnet
ist.
-
2 zeigt
eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen Axialverdichters 52,
der in der Gasturbinenmaschine nach 1 verwendet
werden kann. Wie dargestellt, kann der Verdichter 52 mehrere
Stufen aufweisen. Jede Stufe kann eine Reihe Verdichterrotorschaufeln 60 aufweisen,
auf die jeweils eine Reihe Verdichterstatorschaufeln 62 folgen.
Auf diese Weise kann eine erste Stufe eine Reihe Verdichterrotorschaufeln 60 aufweisen,
die um eine gemeinsame Mittelwelle umlaufen und auf die eine Reihe
Verdichterstatorschaufeln 62 folgen, die während des
Betriebs stationär
bleiben. Die Verdichterstatorschaufeln 62 sind generell
in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und rings um die Drehachse
herum ortsfest. Die Verdichterrotorschaufeln 60 sind in
Umfangsrichtung voneinander beabstandet und an der Welle befestigt.
Wenn im Betrieb die Welle umläuft, laufen die
Verdichterrotorschaufeln 60 um diese um. Wie dem Fachmann
bekannt, sind die Verdichterrotorschaufeln 60 so gestaltet,
dass sie beim Umlaufen um die Welle der Luft oder dem Fluid, das
durch den Verdichter 52 strömt, kinetische Energie verleihen. Der
Verdichter 52 kann neben den in 2 veranschaulichten
Stufen weitere Stufen aufweisen. Zusätzliche Stufen können eine
Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Verdichterrotorschaufeln
beinhalten, an die sich jeweils mehrere in Umfangsrichtung voneinander
beabstandete Verdichterstatorschaufeln 62 anschließen.
-
3 veranschaulicht
eine Teilansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts oder einer
Turbine 54, die in der Gasturbinenmaschine nach 1 verwendet
werden kann. Die Turbine 54 kann ebenfalls mehrere Stufen
beinhalten. Es sind drei beispielhafte Stufen veranschaulicht. Es
können
aber in der Turbine 54 mehr oder weniger Stufen vorhanden
sein. Eine erste Stufe beinhaltet mehrere Turbinenschaufeln oder
Turbinenrotorschaufeln 66, die im Betrieb um die Welle
umlaufen und eine Anzahl Düsen
oder Turbinenstatorschaufeln 68, die während des Betriebes stationär bleiben.
Die Turbinenstatorschaufeln 68 sind, allgemein gesehen,
in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und rings um die Drehachse ortsfest.
Die Turbinenrotorschaufeln 66 können auf einem (nicht dargestellten)
Turbinenrad angeordnet sein, so dass sie um die (nicht dargestellte)
Welle umlaufen. Außerdem
ist eine zweite Stufe der Turbine 54 dargestellt. Die zweite
Stufe enthält
in gleicher Weise eine Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter
Turbinenstatorschaufeln 68, auf die jeweils eine Anzahl
in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Turbinenrotorschaufeln 66 folgt,
die ebenfalls auf einem Turbinenrad angeordnet sind, so dass sie
mit diesem umlaufen. Weiterhin ist eine dritte Stufe dargestellt.
Diese enthält
in ähnlicher
Weise mehrere Turbinenstatorschaufeln 68 und Rotorschaufeln 66.
Es versteht sich, dass die Turbinenstatorschaufeln 68 und
die Turbinenrotorschaufeln 66 in dem Heißgaspfad
in der Turbine 54 liegen. Die Strömungsrichtung der Heißgase durch
den Heißgaspfad ist
durch einen Pfeil angedeutet. Für
den Fachmann versteht sich, dass die Turbine 54 außer den
in 3 dargestellten Stufen noch weitere Stufen aufweisen kann.
Jede zusätzliche
Stufe kann eine Reihe Turbinenstatorschaufeln 68 beinhalten,
auf die eine Reihe Turbinenrotorschaufeln 66 folgt.
-
Im
Betrieb kann eine Umlaufbewegung der Verdichterrotorschaufeln 60 in
dem Axialverdichter 52 einen Luftstrom verdichten. In der
Brennkammer 56 kann, wenn verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt
und gezündet
wird, Energie freigesetzt werden. Der sich ergebende Strom heißer Gase
aus der Brennkammer 56, die als das Arbeitsfluid bezeichnet
werden können,
wird sodann über
die Turbinenrotorschaufeln 66 geleitet, wobei der Arbeitsfluidstrom
die Umlaufbewegung der Turbinenrotorschaufeln 66 um die
Welle erzeugt. Dadurch wird die Energie des Arbeitsfluidstroms in
mechanische Energie in den umlaufenden Schaufeln und, wegen der
Verbindung zwischen den Rotorschaufeln und der Welle, der umlaufenden
Welle umgesetzt. Die mechanische Energie der Welle kann sodann dazu
verwendet werden, die Verdichterrotorschaufeln 60 in Umlauf
zu versetzen derart, dass die erforderliche Zufuhr verdichteter
Luft erzeugt wird und beispielsweise auch ein Generator elektrische
Energie erzeugt.
-
Vor
einer weiteren Erläuterung
erscheint es zweckmäßig, zur
klaren Darstellung der Erfindung der vorliegenden Anmeldung eine
Terminologie auszuwählen,
die sich auf bestimmte Maschinenkomponenten oder Teile einer Turbinenmaschine
bezieht und diese beschreibt. Wenn immer möglich, wird eine gebräuchliche
industrielle Terminologie verwendet und in einer gebräuchlichen
Bedeutung entsprechenden Weise benutzt. Jegliche solche Terminologie
soll aber eine breite Bedeutung haben und nicht so ausgelegt werden,
dass die beabsichtigte Bedeutung und der Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche ungebührlich beschränkt sind.
Der Fachmann weiß,
dass bestimmte Komponenten häufig
mit mehreren verschiedenen Bezeichnungen angesprochen werden. Auch
kann, was hier als ein Einzelteil beschrieben ist, in anderem Kontext
auch aus mehreren Komponententeilen bestehen und so in Bezug genommen
werden, oder aber was hier als mehrere Komponententeile enthaltend
beschrieben ist, kann in gewissen Fällen als Einzelteil ausgebildet
und als solches in Bezug genommen sein. Allgemein gilt, dass beim
Verständnis
des Umfangs der hier beschriebenen Erfindung die Aufmerksamkeit
nicht nur auf die Terminologie und die hier gegebene Beschreibung
gelenkt werden darf, sondern auch auf den Aufbau, die Konfiguration,
die Funktion und/oder die Verwendung der Komponente wie sie hier
beschrieben sind.
-
Zusätzlich können hier
verschiedene beschreibende Ausdrücke
verwendet sein. Die Bedeutung dieser Ausdrücke soll die nachfolgenden
Definitionen beinhalten. Der Ausdruck „Rotorschaufel” ist ohne
weitere spezifische Bedeutung ein Bezug auf die umlaufenden Schaufeln,
entweder des Verdichters 52 oder der Turbine 54 wozu
sowohl Verdichterrotorschaufeln 60 als auch Turbinenrotorschaufeln 66 gehören. Der
Ausdruck „Statorschaufel” nimmt ohne
weitere spezifische Bedeutung auf die feststehenden Schaufeln, entweder
des Verdichters 52 oder der Turbine 54 Bezug,
wobei sowohl Verdichterstatorschaufeln 62 als auch Turbinenstatorschaufeln 68 gehören. Der
Ausdruck „Schaufel” wird hier
so verwendet, dass er sich auf jeden Schaufeltyp bezieht. Demgemäß beinhaltet
der Ausdruck „Schaufeln” ohne weitere
spezifische Erläuterung
alle Typen von Turbinenmaschinenschaufeln, einschließlich Verdichterrotorschaufeln 60,
Verdichterstatorschaufeln 62, Turbinenrotorschaufeln 66 und
Turbinenstatorschaufeln 68. Außerdem sind, so wie hier verwendet, „stromabwärts” und „stromaufwärt” Ausdrücke die eine
auf den Arbeitsfluidstrom durch die Turbine bezügliche Richtung angeben. Der
Ausdruck „stromabwärts” bedeutet
deshalb die Strömungsrichtung, während der
Ausdruck „stromaufwärts” die der
Strömung
durch die Turbine entgegengesetzte Richtung bedeutet. Im Zusammenhang
mit diesen Ausdrücken beziehen
sich die Ausdrücke „hinten” und/oder „Hinterkante” auf die
stromabwärtige
Richtung, das stromabwärtige
Ende und/oder die Richtung des stromabwärtigen Endes der gerade beschriebenen Komponenten.
Die Ausdrücke „vorne” und/oder „Vorderkante” beziehen
sich auf die stromaufwärtige Richtung,
das stromaufwärtige
Ende und/oder in die Richtung des stromaufwärtigen Endes der gerade beschriebenen
Komponenten. Der Ausdruck „radial” betrifft
eine Bewegung und/oder eine Position rechtwinklig zu einer Achse.
Häufig
ist es erforderlich Teile zu beschreiben, die sich in unterschiedlichen
radialen Positionen bezüglich
einer Achse befinden. In diesem Falle, wenn eine erste Komponente
näher der
Achse liegt als eine zweite Komponente, kann hier gesagt sein, dass
die erste Komponente „innerhalb” oder „radial
innen von” der
zweiten Komponente liegt. Falls auf der anderen Seite die erste
Komponente weiter von der Achse ab liegt als die zweite Komponente,
kann hier gesagt sein, dass die erste Komponenten „außerhalb” oder „radial
auswärts
von” der
zweiten Komponente sich befindet. Der Ausdruck „achsial” bezieht sich auf eine Bewegung
oder Position parallel zu einer Achse, und der Ausdruck „in Umfangsrichtung” bezieht
sich auf eine Bewegung oder Position rings um eine Achse.
-
Bezug
nehmend nun auf die 4 bis 9
wird die
erste beispielhafte Anwendung eines Wirbelvorsprungs gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die 4, 5 zeigen eine typische, an der
Spitze mit einem Deckband versehene Turbinenrotorschaufel 100.
Die Turbinenrotorschaufel 100 weist ein Schaufelblatt 102 auf,
das, wie beschrieben, die aktive Komponente ist, die die Strömung des
Arbeitsfluids aufnimmt. Wie dargestellt, kann auf der Oberseite
des Schaufelblatts 102 ein Spitzendeckband 104 angeordnet
sein. Das Spitzendeckband 104 ist im Wesentlichen eine
ebene Platte, die auf ihre Mitte zu durch das Schaufelblatt 102 abgestützt ist.
Längs der
Oberseite des Deckbands 104 kann eine Dichtungsschiene 106 angeordnet
sein. Die Dichtungsschiene 106 ist, wie im vorstehenden
beschrieben, so ausgebildet, dass sie den Durchstrom von Arbeitsfluid
durch den Spalt zwischen dem Deckband 104 und der Innenfläche der umgebenden
Komponente (wozu wie erläutert
bei einigen Anwendungen ein stationärer Waben oder abtragbarer
Mantel gehören)
behindert. Wie ebenfalls bereits erläutert, verhindern aber bestimmte
praktische Zwänge,
dass die Dichtungsschiene 106 eine wirksame Abdichtung
gegen Leckageströmungen
ist.
-
Die 6 bis 8 veranschaulichen
eine mit einem Deckband versehene Turbinenrotorschaufel mit Wirbelvosprüngen 110 gemäß beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, kann ein Wirbelvorsprung 110 an
der näherungsweise
radial ausgerichteten Fläche
der Dichtungsschiene 106, die hier als die Seite der Dichtungsschiene
bezeichnet ist, befestigt sein. Der Wirbelvorsprung 110 kann,
wie dargestellt, an beiden Seiten der Dichtungsschiene 106 befestigt
sein, das heißt
auf der stromaufwärtigen
und der stromabwärtigen
Seite, wenngleich bei anderen Ausführungsformen der Wirbelvorsprung 110 lediglich
auf einer Seite der Dichtungsschiene 106 angebracht sein
kann. Allgemein ist, wie dargestellt, der Wirbelvorsprung 110 ein
nicht achsymetrischer Vorsprung, der so gestaltet ist, dass er während des
Betriebs ein Wirbelströmungsmuster
auf jeder Seite der Dichtungsschiene 106 induziert. Wie
nachfolgend noch im größeren Detail
erörtert,
kann die Wirbelströmung
dazu verwendet werden, einem Leckstrom über die Dichtungsschiene 106 entgegen
zu wirken, diesen zu verhindern oder zu behindern, derart, dass
der Wirkungsgrad der Turbinenmaschine verbessert wird.
-
Der
Wirbelvorsprung 110 kann verschiedene Formen und Gestalten
annehmen, und die hier angegebenen Beispiele sind nicht beschränkend zu
verstehen. Im Allgemeinen weist der Wirbelvorsprung 110 einen
achsialen Vorsprung auf, der sich auch in Umfangsrichtung und radial
erstreckt. Bei einigen Ausführungsformen,
wie sie in den 6, 7 dargestellt
sind, kann der Wirbelvorsprung 110 eine dünne Rippe
aufweisen, die sich längs
einer Achse wendelt oder krümmt.
Wie im Einzelnen noch erläutert, wird
dadurch eine Außenoberfläche ausgebildet,
die eine näherungsweise
teilhelikoidale Gestalt aufweist. Außerdem kann der Wirbelvorsprung 110 so
positioniert sein, dass wenn in Bewegung oder einem Luftstrom ausgesetzt,
diese Außenoberfläche mit
dem sie umgebenden Arbeitsfluid zusammenwirkt und in diesem ein
Wirbelströmungsmuster
erzeugt. Zu beachten ist, dass bei nicht dargestellten alternativen Ausführungsformen
die Außenoberfläche des
Wirbelvorsprungs 110 anstatt eine glatte gekrümmte Kontur
zu haben, aus linearen Segmenten zusammengesetzt sein kann, die ähnliche
Wirbelströmungsmuster
erzeugen wie das gekrümmte
Ausführungsbeispiel
nach den 6, 7.
-
Die 6, 7 veranschaulichen
zwei verschiedene Ansichten von Wirbelvorsprüngen 110, so wie diese
auf einer beispielhaften, mit einem Deckband versehenen Turbinenschaufel
positioniert sein können.
Die Wirbelvorsprünge 110 können als
ein stromaufwärtiger
Wirbelvorsprung 112 und ein stromabwärtiger Wirbelvorsprung 114 bezeichnet
werden. Wie dargestellt, weist jeder dieser Wirbelvorsprünge 112, 114 eine
näherungsweise
rechteckige Gestalt auf, die längs
eine Achse gewendelt ist. Die Verwindungsachse kann, wie dargestellt,
die in Umfangsrichtung ausgerichtete Achse sein. Das Maß der Wendelung
kann abhängig
von der jeweiligen Anwendung variieren. So wie hier verwendet, kann
das Maß der
Verwindung als der Winkelversatz zwischen den einander gegenüberliegenden
Kanten des Wirbelvorsprungs beschrieben werden, die im Wesentlichen
rechtwinklig zu der Achse verlaufen, längs derer der Wirbelvorsprung 110 verwunden
ist. In Fällen
in denen eine oder beide der der einander gegenüberliegenden Kanten gekrümmt sind,
kann eine die beiden Ecken der Kanten miteinander verbindende Bezugslinie
zur Bestimmung des Winkels benutzt werden. Wie in den 6, 7 dargestellt,
kann diese Bezugslinie mit einer die gegenüberliegende Kante wiedergebenden
Bezugslinie verglichen werden, um einen Winkel auszubilden, der
als das Maß der
Verwindung bei dem Wirbelvorsprung 110 definiert ist. Bei
einigen Ausführungsformen
hat der Wirbelvorsprung 110 ein solches Maß der Verwindung,
dass der ausgebildete Winkel zwischen etwa 10° und 80° liegt. Vorzuziehen ist, dass
bei anderen Ausführungsformen
der Wirbelvorsprung 110 ein solches Maß der Verwindung aufweist,
dass der ausbildete Winkel zwischen etwa 30° und 60° liegt. Weiterhin hat der Wirbelvorsprung 110 bei
anderen bevorzugten Ausführungsformen
ein solches Maß der
Verwindung, dass der ausgebildete Winkel etwa 45° beträgt.
-
Der
stromaufwärtige
Wirbelvorsprung 112 und der stromabwärtige Wirbelvorsprung 114 sind, wie
dargestellt, in Gestalt und Form gleich, jeder kann aber in unterschiedlicher
Weise befestigt und ausgerichtet sein, um die gewünschten
Resultate zu erzielen. Jeder ist von Gestalt im Wesentlichen rechteckig
und weist vier Seiten oder Kanten auf. Die vier Kanten können im
Hinblick auf ihre Orientierung und Platzierung auf der Rotorschaufel
und auf die Drehrichtung der Rotorschaufel im Betrieb beschrieben werden
(zu beachten ist, dass die Drehrichtung der Rotorschaufel in den 6, 7 durch
einen Pfeil 115 angegeben ist). Der stromaufwärtige Wirbelvorsprung 112 kann
so aufweisen: Eine in die Drehrichtung blickende oder vordere Kante 116;
eine innen liegende Kante 117, eine hintere Kante 118 und
eine außen
liegende Kante 119. Der stromaufwärtige Wirbelvorsprung 112 kann,
wie dargestellt, an der Dichtungsschiene 106 längs zweier
seiner Kanten befestigt sein. Diese Kanten können, wie dargestellt, die Vorderkante 116 und
die einwärtige
Kante 117 sein. Die verwundene Gestalt des Wirbelvorsprungs 110 kann,
wie dargestellt, dadurch ausgebildet sein, dass die der von den
beiden befestigten Kanten gebildeten Ecke diagonal gegenüberliegende
Ecke, welche die zwischen der Außenkante 119 und der
Hinterkante 118 gebildete Ecke ist, so konfiguriert ist,
dass diese Ecke von der Seite der Dichtungsschiene 106 entfernt
liegt. Mehr im Einzelnen gesehen, kann die vordere Kante 116 näherungsweise
linear und parallel mit der Seite der Dichtungsschiene 106 sein,
während
die Hinterkante 118 dadurch gekrümmt sein kann, dass die zwischen
der Außenkante 119 und
der Hinterkante 118 ausgebildete Ecke, wie dargestellt, von
der Seite der Dichtungsschiene 106 weg gebogen ist. Diese
Art Konfiguration führt
zu einer Vorderkante 116, die parallel zu der radial ausgerichteten Dichtungsschiene 106 ist
und zu einer Hinterkante 118, die in Bezug auf die Vorderkante 116 näherungsweise
gegen den Uhrzeigersinn verwunden ist (betrachtet aus einer Position
hinter der Hinterkante des Deckbandes 104).
-
Der
strömungsabwärtige Wirbelvorsprung 114 kann,
wie dargestellt, so beschrieben werden, dass er aufweist:
Eine
in die Drehrichtung blickende oder Vorderkante 120; eine
Innenkante 121, eine Hinterkante 122 und eine
Außenkante 123.
Der strömungsabwärtige Wirbelvorsprung 114 kann,
wie dargestellt, längs
einer Kante an der Dichtungsschiene 106 befestigt sein. Diese
Kante kann, wie dargestellt, die Innenkante 121 sein. Die
verwundene Gestalt des Wirbelvorsprungs 114 kann, wie ebenfalls
dargestellt, dadurch ausgebildet sein, dass die zwischen der Hinterkante 122 und
der Außenkante 123 ausgebildete
Ecke so konfiguriert ist, dass sie außerhalb der äußeren radialen
Seite des Deckbands 104 liegt. Mehr im Einzelnen betrachtet,
kann die Vorderkante 120 näherungsweise linear und rechtwinklig
zu der Seite der Dichtungsschiene 106 sein, während die
Hinterkante 122 so gekrümmt
ist, dass die zwischen der Außenkante 123 und
der Hinterkante 122 gebildete Ecke, wie dargestellt, in
einer nach außen
zu gerichteten radialen Richtung versetzt ist. Diese Art Konfiguration
ergibt eine Vorderkante 120, die parallel zu der äußeren Oberfläche des
Deckbands 104 ist und eine Hinterkante 122, die
in Bezug auf die Vorderkante 120 näherungsweise gegen den Uhrzeigersinn
verwunden ist (betrachtet aus einer Position hinter der Hinterkante
des Deckbandes 104).
-
Bei
einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann der stromabwärtige Wirbelvorsprung 114 auch
eine Verbindung mit der äußeren radialen
Oberfläche
des Deckbandes haben. In diesem Falle kann der stromabwärtige Wirbelvorsprung 114 immer
noch mit der Seite der Dichtungsschiene 106 verbunden sein,
oder er kann vollständig
von dem Deckband 104 getragen sein. Bei anderen nicht dargestellten
Ausführungsformen
kann der stromabwärtige
Wirbelvorsprung 114 von der Dichtungsschiene 106 und
vollständig
von der äußeren radialen
Oberfläche
des Deckbandes getragen sein.
-
Bei
einigen alternativen Ausführungsformen kann
der Wirbelvorsprung 110 anstelle der verhältnismäßig dünnen Rippe
ein Vorsprung mit einem dickeren oder kräftigen Körper sein. 8 veranschaulicht
einen stromaufwärtigen
Wirbelvorsprung 112 und einen stromabwärtigen Wirbelvorsprung 114 dieser
Art. Wie dargestellt, weist jeder dieser Wirbelvorsprünge 110 eine
Außenfläche auf,
die eine ähnlich
gekrümmte
Kontur hat, wie sie bei den Ausführungsformen
nach den 6, 7 veranschaulicht ist.
Demzufolge wirken die Wirbelvorsprünge 112, 114 der 8 gleich
wie die in den 6, 7 dargestellte
Ausführungsformen
mit dünner
Rippe. Der dickere Körper
kann für
einige Anwendungen von Vorteil sein, weil eine große Oberfläche zur
Befestigung verwendet werden kann, um so die Verbindung zwischen
dem Wirbelvorsprung 110 und dem Deckband oder einer anderen
Oberfläche
zu verstärken. Alternativ
kann der dickere Körper
die Möglichkeit bieten,
den Vorsprung einfacher als ein integrales Teil der Komponente mit
der er verbunden ist, zu fertigen. Es versteht sich, dass alle anderen
Ausführungsformen,
die hier so angegeben sind, dass sie verhältnismäßig dünne Rippen aufweisen, auch
mit den dickeren Körpern,
wie in 8 dargestellt versehen sein können.
-
9 veranschaulicht
eine schematische Darstellung eines stromaufwärtigen Wirbelvorsprungs 112 und
eines stromabwärtigen
Wirbelvorsprungs 14 im Gebrauch. Wie es bei gebräuchlicher Konstruktion üblich ist,
erstreckt sich die Dichtungsschiene 106 von dem Deckband 104 radial
nach außen
und teilweise in eine Vertiefung oder Nut 125, die in dem
Turbinengehäuse 126 ausgebildet
ist (zu beachten ist, dass wie oben erwähnt, in gewissen Fällen die
Dichtungsschiene 106 dazu verwendet kann eine Nut in ein
abtragbares Wabenmaterial einzuschneiden. Die bei dieser Anordnung
ausgebildete Dichtung erlaubt aber, wie ebenfalls bereits erläutert, eine
Leckage. Der Fachmann sieht, dass die vorliegende Erfindung auch
für diese
Art Anordnung verwendet werden kann). Im Gebrauch strömt normalerweise
eine Leckageströmung
durch den Spalt, der zwischen der Dichtungsschiene 106 und
der Nut 125 vorhanden sind. Dem Fachmann ist bekannt, dass die
Umlaufbewegung der Rotorschaufeln und die Ausbildung und Platzierung
des stromaufwärtigen Wirbelvorsprungs 112 und
des stromabwärtigen
Wirbelvorsprungs 114 bewirken, dass sich ein Wirbelströmungsmuster
entwickelt, das durch einen Pfeil 127 bzw. 128 angedeutet
ist. Mehr im einzelnen erzeugt die von dem stromaufwärtigen Wirbelvorsprung 112 induzierte
Strömung,
wie in dem Pfeil 127 angedeutet, eine Spiralströmung, die
bogenförmig nach
außen
geht und einen Widerstand gegen Arbeitsfluid bildet, das sonst zu
der Nut 125 hin und durch den Spalt strömen würde. Das bedeutet, dass das
induzierte Wirbelströmungsmuster 127 sich
so ringelt, dass es allgemein zumindest teilweise dem Arbeitsfluid
entgegen wirkt, das zu dem Spalt hin strömen will.
-
Die
von dem strömungsabwärtigen Wirbelvorsprung 114 induzierte
Strömung
wirkt, wie durch einen Pfeil 128 angedeutet, in gleicher
Weise mit dem Unterschied, dass sie einer Durchströmung des Spaltes
von der Rückseite
des Spaltes oder von einer stromabwärtigen Position aus, entgegenwirkt.
Mehr im einzelnen erzeugte die von dem stromabwärtigen Wirbelvorsprung 114 induzierte
Strömung,
wie durch den Pfeil 128 angedeutet, eine Spiralströmung, die auswärts gebogen
ist und die einen Widerstand gegen Arbeitsfluid bildet, das sonst
durch den Spalt durchströmen
würde.
Das heißt,
dass das induzierte Wirbelströmungsmuster 128 sich
so ringelt, dass es allgemein zumindest teilweise Arbeitsfluid entgegenwirkt,
das sonst durch den Spalt durchströmen will.
-
Nochmals
auf die Figuren Bezug nehmend, ist dort eine zweite beispielhafte
Verwendung eines Wirbelvorsprungs gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 10 zeigt
schematisch eine Schnittdarstellung des radial innen liegenden Teils
mehrerer Reihen von Schaufeln, wie sie in einer beispielhaften Turbine
herkömmlicher
Bauart vorgesehen sein können.
Der Fachmann sieht, dass die Darstellung die radial einwärts liegenden
Merkmale von zwei Reihen von Rotorschaufeln 66 und zwei
Reihen von Statorschaufeln 68 zeigt. Jede Rotorschaufel 66 verfügt ganz
allgemein über
ein Schaufelblatt 102, das in dem Heißgaspfad liegt und mit dem
Arbeitsfluid der Turbine zusammenwirkt (dessen Strömungsrichtung
durch einen Pfeil 131 angedeutet ist), einen Schwalbenschwanz 132,
der die Rotorschaufel 66 an einem Rotorrad 134 befestigt
und zwischen dem Schaufelblatt 102 und dem Schwalbenschwanz 132 über einen
Abschnitt, der typischerweise als Schaft 136 bezeichnet wird.
So wie hier verwendet, soll sich der Schaft 136 auf den
Abschnitt der Rotorschaufel 66 beziehen, der zwischen den
Befestigungsmitteln, in diesem Fall dem Schwalbenschwanz 132 und
dem Schaufelblatt 102 liegt. Jede Statorschaufel 68 verfügt allgemein über ein
Statorschaufelblatt oder Schaufelblatt 140, das in dem
Heißgaspfad
liegt und mit dem Arbeitsfluid zusammenwirkt und radial einwärts von
dem Schaufelblatt 140 über
eine innere Seitenwand 142 sowie radial innerhalb der inneren
Seitenwand 142 und über
einen Zwischenboden 144. Typischerweise ist die innere
Seitenwand 142 einstückig
mit dem Schaufelblatt 140 und sie bildet die innere Begrenzung
des Heißgaspfades.
Der Zwischenboden 144 ist typischerweise an der inneren
Seitenwand 142 befestigt (wenngleich er auch einstückig mit
dieser ausgebildet sein kann) und erstreckt sich in einer radial nach
innen gerichteten Richtung um eine Dichtung 146 mit der
umlaufenden Maschinerie zu bilden.
-
Zu
bemerken ist, dass längs
des radial inneren Randes des Heißgaspfades axiale Spalte vorhanden
sind. Diese Spalte, die hier als „grabenartige Hohlräume 150” zu ende
bezeichnet sind, sind deshalb vorhanden, weil zwischen den umlaufenden
Teilen, d. h. den Rotorschaufeln 66) und den stationären Teilen
(d. h. den Statorschaufeln 68) ein Raum vorhanden sein
muss. Wegen der Art und Weise, in der sich die Maschine erwärmt, unter
verschiedenen Belastungsbedingungen arbeitet und wegen der unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
einer der Komponenten, verändert
sich im Allgemeinen die Breite des grabenförmigen Hohlraums 150 (das
heißt der
axiale Abstand über
den Spalt). Das bedeutet, dass der grabenförmige Hohlraum 150,
abhängig von
der Betriebsweise der Maschine, sich verbreitern oder schrumpfen
kann. Da es im hohen Maße
unerwünscht
ist, dass die umlaufenden Teile an stationären Teilen reiben, muss die
Maschine so ausgelegt sein, dass unter allen Betriebsbedingen wenigstens ein
gewisser Raum an den Orten des grabenförmigen Hohlraums 150 vorhanden
ist. Dies führt
allgemein zu einem grabenförmigen
Hohlraum 150, der unter einigen Betriebsbedingungen verhältnismäßig schmal
ist und unter anderen Betriebsbedingungen eine verhältnismäßig breite Öffnung darstellt.
Ein grabenförmiger
Hohlraum 150 mit einer verhältnismäßig breiten Öffnung ist
naturgemäß deshalb
unerwünscht,
weil er allgemein zu einem stärkeren
Arbeitsfluideintritt, in den Turbinenradraum einlädt.
-
Es
versteht sich, dass ein grabenförmiger Hohlraum 150 allgemein
an jeder Stelle längs
der radial inneren Begrenzung des Heißgaspfades vorhanden ist, wo
umlaufende Teile an stationäre
Teile angrenzen. Demgemäß ist, wie
dargestellt, ein grabenförmiger
Hohlraum 150 zwischen der Hinterkante der Rotorschaufel 66 und
der Vorderkante der Statorschaufel 68 und zwischen der
Hinterkante der Statorschaufel 68 und der Vorderkante der
Rotorschaufel 66 vorhanden. Typischerweise definiert bezüglich der Rotorschaufein 66 der
Schaft 136 einen Rand des grabenförmigen Hohlraumes 150 während hinsichtlich
der Statorschaufel 68 die innere Seitenwand 142 den
anderen Rand des grabenförmigen
Hohlraums 150 definiert. Häufig kann ein Engelflügelvorsprung oder
ein Engelflügel 152 auf
dem Schaft 136 der Rotorschaufeln 64 ausgebildet
sein. Jeder Engelflügel 152 kann
mit einem Statorvorsprung 154 zusammen wirken, der auf
der jeweiligen Statorschaufel 68 ausgebildet ist. Der Statorvorsprung 154 kann
entweder auf der inneren Seitenwand 142 oder, wie dargestellt, auf
dem Zwischenboden 144 ausgebildet sein. Typischerweise
ist der Engelflügel 152,
wie dargestellt, einwärts
von dem Statorvorsprung 154 ausgebildet. Es können auch
mehr als ein Engelflügel 152-/Statorvorsprung 154-Paar
vorhanden sein. Allgemein gilt, dass einwärts des ersten Engelflügels 152 der
grabenförmige
Hohlraum 150 sozusagen in einen Radraum-Hohlraum 156 übergeht.
-
Wie
bereits erwähnt,
ist es erstrebenswert, ein Eindringen des Arbeitsfluids des Heißgaspfades in
den grabenförmigen
Hohlraum 150 und den Radraum-Hohlraum 156 zu verhindern,
weil die extremen Temperaturen die Komponenten in diesem Bereich
beschädigen
können.
Der Engelflügel 152 und
der Statorvorsprung 154 sind so ausgebildet, dass die den
Eintritt begrenzen. Wegen der sich verändernden Breite der Öffnung des
grabenförmigen Hohlraums 150 und
der relativen Unwirksamkeit des Engeflügels 152/Statorvorsprungs 154 würde regelmäßig Arbeitsfluid
in den Radraum/Hohlraum 156 eintreten, wenn der Hohlraum
nicht mit einer verhältnismäßig großen Menge
von dem Verdichter abgezweigter Verdichteterluft gespült würde. Wie
bereits erwähnt,
muss da Spülluft
die Leistung und den Wirkungsgrad der Maschine negativ beeinflusst,
deren Verwendung, wenn immer möglich,
verringert werden.
-
Die 11 und 12 veranschaulichen Wirbelvorsprünge 160,
die gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung an einer Turbinenrotorschaufel 66 befestigt
sein können.
Bei dieser Gestaltung können
die Wirbelvorsprünge 160 der 11, 12 auch
dazu verwendet werden, einen Arbeitsmediumseintritt in den grabenförmigen Hohlraum 150 zu
drosseln und damit den Einsatz von Spülluft zu verringern. Im Allgemeinen
kann der Wirbelvorsprung 160 des grabenförmigen Hohlraums beliebige
charakteristische Eigenschaften der im vorstehend erörterten
beispielhaften Wirbelvorsprünge 112, 114 aufweisen,
einschließlich
dessen, dass er als eine dünne
Rippe (wie in den 11, 12 dargestellt)
gestaltet oder mit einem dickeren, kräftigern Körper ausgebildet ist (ähnlich der
in 8 dargestellten Ausführungsform). Bei einigen Ausführungsformen
können
die Wirbelvorsprünge 160 des
grabenförmigen
Hohlraums der 11, 12, wie
dargestellt, in Formgestalt und installierter Orientierung gleich
dem sein, was im vorstehenden zu dem stromabwärtigen Wirbelvorsprung 114 erläutert worden
ist.
-
Bei
Verwendung in dem grabenförmigen Hohlraum 150 kann
der Wirbelvorsprung 160 an dem Schaft 136 der
Rotorschaufel 66 befestigt sein. Bei einigen bevorzugten
Ausführungsformen
kann der Wirbelvorsprung 160 des grabenförmigen Hohlraums auf
der Innenseite der Öffnung
des grabenförmigen Hohlraums 150 aber
in der Nähe
befestigt sein, wie dies in 11 dargestellt
ist. Bei einer alternativen Ausführungsform
kann der Wirbelvorsprung 110 des grabenförmigen Hohlraums
an einer Stelle befestigt sein, die einwärts von dem Engelflügel 152 liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
kann, wie in 12 dargestellt, der Wirbelvorsprung 160 an
dem distalen Ende des Engelflügels 152 befestigt
sein.
-
Der
Wirbelvorsprung 160 des grabenförmigen Hohlraums kann an außen liegenden
Teilen des Schaftes 136 (d. h. außerhalb des Engelflügels 152), (wie
in 11) oder des Engelflügels 152 (wie in 12)
längs einer
Kante befestigt sein, ähnlich dem,
was im Zusammenhang mit dem stromabwärtigen Wirbelvorsprung 114 der 6, 7 und 8 dargestellt
und beschrieben worden ist. Diese eine Kante kann auch als eine
innere Kante bezeichnet werden. Die verwundene Gestalt eines Wirbelvorsprungs 160 des
grabenförmigen
Hohlraums kann, wie dargestellt, in der Weise geformt sein, dass,
wie dargestellt, die hintere/äußere Ecke
so gestaltet ist, dass sie sich in einer im Wesentlichen nach außen gerichteten
Richtung krümmt.
Mehr im Einzelnen gesehen, kann die vordere Kante des Wirbelvorsprungs 160 des
grabenförmigen
Hohlraums näherungsweise linear
und rechtwinklig zu der Seite des Schafts 136 sein, während die
Hinterkante gekrümmt
ist, wobei die hintere/äußere Ecke
sich in einer im Wesentlichen auswärts gerichteten radialen Richtung
biegt, ähnlich
dem was für
den stromabwärtigen
Wirbelvorsprung 114 beschrieben worden ist. Diese Art der Ausbildung
führt zu
einer Vorderkante, die linear ist und zu einer Hinterkante, die
bezüglich
der Vorderkante näherungsweise
im gegen Uhrzeigersinn (betrachtet aus einer Position hinter dem
Schaft 136) verwunden ist.
-
Bei
gebräuchlichen
Turbinenmaschinen kann Arbeitsfluid durch den grabenförmigen Hohlraum 150 in
den Radraum-Hohlraum 156 eintreten. Wie erwähnt, kann
dieser Eintritt durch die Verwendung eines Wirbelvorsprungs 160 für den grabenförmigen Hohlraum
verringert werden. Für
den Fachmann versteht sich, dass die Umlaufbewegung der Rotorschaufeln
und die Ausbildung und Platzierung des Wirbelvorsprungs 160 bewirken,
dass sich ein Wirbelströmungsmuster
entwickelt, das durch einen Pfeil 170 angedeutet ist. Mehr
im Einzelnen betrachtet, erzeugt die von dem Wirbelvorsprung 160 des grabenförmigen Hohlraums
induzierte Strömung,
wie durch den Pfeil 170 angedeutet, allgemein eine spiralförmige Strömung, die
sich bogenförmig
nach außen
erstreckt und Arbeitsfluid das sonst zu der Öffnung des grabenförmigen Hohlraums 150 hin
und in diesen hinein strömen
würde,
einen Widerstand entgegensetzt. Das bedeutet, dass das induzierte
Wirbelströmungsmuster 170 sich
so ringelt, dass es allgemein wenigstens teilweise Arbeitsfluid
entgegenwirkt, das zu der Öffnung
des grabenförmigen
Hohlraums 150 hinströmen
will oder dass sie allgemein wenigstens teilweise Arbeitsfluid,
das schon in dem grabenförmigen
Hohlraum 150 ist, daran hindert weiter vorzudringen.
-
Bezüglich des
Wirbelvorsprungs 160 der 12 ist
zu bemerken, dass in Anbetracht der Enge des grabenförmigen Hohlraums 150 an
dieser Stelle und dem axialen Laufweg, der zwischen dem Engelflügel 152 und
dem Statorvorsprung 154 ausgebildet ist, dieser Ort für den Wirbelvorsprung 160 besonders
wirksam sein kann, um einen Fluideintritt zu vermeiden. Wie durch
einen Pfeil 171 angedeutet, kann der Wirbelvorsprung 160 in
dieser Position ein Strudel- oder Wirbelströmungsmuster erzeugen, das dem
Fluideintritt entgegenwirkt und das das Ausströmen von Luft aus dem Radraum-Hohlraum
zu dem grabenförmigen
Hohlraum 150 und/oder aus dem grabenförmigen Hohlraum 150 zu
dem Heißgasweg hin
erleichtert und unterstützt.
Dies erlaubt es, weniger Spülluft
zu verwenden, wodurch die Maschinenleistung erhöht wird.
-
Für den Fachmann
versteht sich, dass viele unterschiedliche Merkmale und Ausbildungen,
die im vorstehenden im Zusammenhang mit den mehreren beispielhaften
Ausführungsformen
beschrieben worden sind, auch selektiv angewandt werden können, um
andere mögliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auszubilden. Der Kürze wegen und in Anbetracht
der Kenntnisse eines Durchschnittsfachmanns ist nicht jede mögliche Iteration hier
im Detail erörtert,
wenngleich alle von den mehreren nachfolgenden Patentansprüchen umfassten Kombinationen
und möglichen
Ausführungsformen einen
Teil der vorliegenden Erfindung bilden sollen. Außerdem ergeben
sich für
den Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung verschiedene beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung, Verbesserungen, Veränderungen und Abwandlungen.
Solche Verbesserungen, Änderungen
und Abwandlungen, die im Vermögen
des Fachmanns liegen, sollen von den beigefügten Patentansprüchen ebenfalls
abgedeckt sein. Außerdem
versteht sich, dass das Vorstehende sich lediglich auf die beschriebenen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bezieht und dass zahlreiche Veränderungen
und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Anmeldung
zu verlassen, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche und Äquivalente
deren Gegenstände
definiert ist.
-
Eine
Turbinenmaschine 50 weist einen Wirbelvorsprung 110 auf,
der auf einer im Betrieb der Turbinenmaschine 50 umlaufenden
Komponente angeordnet ist, wobei der Wirbelvorsprung 110 eine
Außenfläche aufweist,
die so gestaltet ist, dass sie ein Wirbelströmungsmuster erzeugt wenn die
Komponente während
des Betriebs umläuft.
