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Die
Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Gasturbinen
bestehen aus mehreren Baugruppen, so zum Beispiel aus einem Lüfter (Fan),
einer Brennkammer, vorzugsweise mehreren Verdichtern sowie mehreren
Turbinen. Bei den mehreren Verdichtern handelt es sich vorzugsweise
um einen Hochdruckverdichter und einen Niederdruckverdichter, bei
den mehreren Turbinen handelt es sich vorzugsweise um eine Hochdruckturbine
und eine Niederdruckturbine. Die Baugruppen der Gasturbine sind
von einem feststehenden Gehäuse
umgegeben und nach außen
hin abgeschlossen.
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In
einer Turbine sowie in einem Verdichter der Gasturbine sind mehrere
feststehende Leitschaufeln sowie mehrere rotierende Laufschaufeln angeordnet.
Die Leitschaufeln sind gegenüber
dem Gehäuse
statisch, d.h. feststehend ausgebildet. Die Laufschaufeln sind mindestens
einem Rotor zugeordnet und rotieren gegenüber den feststehenden Leitschaufeln
sowie dem feststehenden Gehäuse. Verfügt die Turbine
bzw. der Verdichter über
mehrere Stufen, so sind in axialer Richtung bzw. in Strömungsrichtung
hintereinander abwechselnd Leitschaufeln und Laufschaufeln angeordnet,
wobei an einer axialen Position, d.h. entlang des Umfangs des Rotors
bzw. des Gehäuses,
ebenfalls mehrere Laufschaufeln bzw. Leitschaufeln in Form eines
Schaufelkranzes angeordnet sind. Die feststehenden Leitschaufeln
können
um eine zumindest annähernd
radiale Achse verstellbar bzw. schwenkbar ausgebildet sein.
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Es
ist aus dem Stand der Technik bekannt, bei derartigen Gasturbinen
sogenannte Vorleitschaufeln stromaufwärts vor der Turbine bzw. dem
Verdichter, d.h. in Strömungsrichtung
vor dem Verdichter bzw. der Turbine, anzuordnen. Die Vorleitschaufeln sind
nach dem Stand der Technik in einem separaten Eintrittsgehäuse angeord net,
wodurch sich eine entsprechend vergrößerte axiale Baulänge von
Verdichter bzw. Turbine und damit der gesamten Gasturbine ergibt.
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Aus
der
US 6 045 325 A ,
der
US-PS 3 990 810 und
der
US-PS 4 097 187 sind
verstellbare Leitschaufeln mit Vorleitelementen bekannt. Dabei ist den
in Strömungsrichtung
vorn liegenden, verstellbaren Leitschaufeln jeweils ein Vorleitelement
zugeordnet, wobei die verstellbaren Leitschaufeln gegenüber dem
jeweiligen Vorleitelement verstellbar sind, und wobei ein Spalt
zwischen den verstellbaren Leitschaufeln und dem jeweiligen Vorleitelement
durch mindestens eine Dichtungseinrichtung abgedichtet ist. Somit
sind den in Strömungsrichtung
vorne liegenden Leitschaufeln, also den Vorleitschaufeln, Vorleitelemente
zugeordnet. Vorleitschaufeln und Vorleitelemente sind nicht in einem
separaten Eintrittsgehäuse
angeordnet, sondern vielmehr in die Turbine bzw. den Verdichter
der Gasturbine integriert. Hierdurch kann die axiale Baulänge der
Gasturbine kleingehalten werden. Der bei diesem Konzept vorzuhaltende
Spalt zwischen der verschwenkbaren Vorleitschaufel, welche eine
aerodynamisch wirksame Baugruppe bildet, und dem feststehenden Vorleitelement,
welches eine strukturell tragende Baugruppe bildet, wird durch die
Dichtungseinrichtung abgedichtet. Durch diese Spaltabdichtung zwischen
der Vorleitschaufel und dem in Strömungsrichtung vor der Vorleitschaufel
angeordneten Vorleitelement wird ein Druckausgleich verhindert.
Eintrittsverluste werden demnach minimiert, wodurch eine aerodynamische Wirksamkeitsvergrößerung realisierbar
ist. Durch die Abdichtung des Spalts zwischen Vorleitelement und Vorleitschaufeln
sind im Vergleich zu einer Konstruktion ohne derartige Dichtungseinrichtungen
kleinere Ausschläge
der Vorleitschaufeln erforderlich. Bei kleineren Ausschlägen der
Vorleitschaufeln werden auch nur geringere Verstellkräfte benötigt, was
zur Folge hat, dass die gesamte Verstellmechanik für die Vorleitschaufeln
weniger steif, und ein entsprechender Antriebsmotor weniger stark
ausgeführt
werden kann. All dies führt
zu einer leichteren Gasturbine, wodurch letztendlich der Wirkungsgrad
verbessert wird. Gemäß den drei
genannten US-Patentenschriften ist der Übergang vom Vorleitelement
zur Leitschaufel nach Art eines Scharniers mit komplementären Zylinderflächen an
beiden Teilen ausgeführt. Dadurch
befinden sich die Schwenkachse und die maximale Profildicke der
Leitschaufel im Bereich ihres vorderen, stromaufwärtigen Endes,
nahe beim Vorleitelement. Dies hat mechanische und strömungstechnische
Nachteile.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Gasturbine
zu schaffen, welche diese Nachteile vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Gasturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgeführt ist.
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Die
gerundete Vorderkante der Leitschaufel ist mit einem wesentlich
kleineren Radius und mit einer wesentlich kleineren Breite ausgeführt, als
die stromabwärts
liegende Fläche
des Vorleitelements. Dabei liegen die Schwenkachse und die maximale Profildicke
der Leitschaufel erheblich weiter stromabwärts, als bei den bekannten
Ausführungen.
Die Leitschaufel wird strömungsgünstiger
und benötigt
weniger Drehmoment zum Schwenken. Die schmale Vorderkante/Nase der
Leitschaufel liegt auch bei maximaler Auslenkung noch im „Windschatten" des keilförmigen Vorleitelements.
Der druckseitige Rücksprung
der Leitschaufelvorderkantenkontur gegenüber dem stromabwärtigen Ende
des Vorleitelements ist strömungstechnisch
unproblematisch.
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Die
Dichtungseinrichtung ist insbesondere als Bürstendichtung ausgebildet.
Die Bürstendichtung
ist dabei vorzugsweise in die Leitschaufel integriert, wobei freie
Enden von Borsten der Bürstendichtung
an der stromabwärts
liegende Fläche
des Vorleitelements anliegen und beim Verschwenken der Vorleitschaufel
an der Fläche
entlang bewegt werden. Die Bürstendichtung
kann aber auch in die stromabwärts
liegende Fläche
des Vorleitelements integriert sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird, ohne diese hierauf zu beschränken, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1:
einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Gasturbine im Querschnitt;
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2:
ein vergrößertes Detail
der Darstellung gemäß 1;
und
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3:
ein abermals vergrößertes Detail
der Darstellungen gemäß 1 und 2.
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Nachfolgend
wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 in
größerem Detail
erläutert.
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1 zeigt
einen bereichsweisen bzw. ausschnittsweisen Querschnitt durch einen
Verdichter 10 einer Gasturbine 11. Der Verdichter 10 der
Gasturbine 11 weist einen sich in axialer Richtung erstreckenden
sowie in axialer Richtung verengenden Strömungskanal 12 auf.
Die Strömungsrichtung
durch den Strömungskanal 12 ist
in 1 durch den Pfeil 13 visualisiert.
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Innerhalb
des Strömungskanals 12 sind
in Strömungsrichtung
bzw. in axialer Richtung abwechselnd hintereinander Laufschaufeln 14 und
Leitschaufeln 15 bzw. 16 bzw. 17 angeordnet.
Die in Strömungsrichtung
vorne liegende Leitschaufeln 15 ist als Vorleitschaufel
ausgebildet. Die Vorleitschaufel 15 ist um eine sich in
radialer Richtung erstreckende Achse 18 verstellbar bzw.
schwenkbar, wobei hierzu an einem radial außenliegenden Ende der Vorleitschaufel 15 eine
Verstelleinrichtung 19 angreift. Die beiden in Strömungsrichtung
hinter der verstellbaren Vorleitschaufel 15 angeordneten
Leitschaufeln 16 sind ebenfalls um eine sich in radialer
Richtung erstreckende Achse 20 bzw. 21 verstellbar,
wobei hierzu wiederum an den radial außenliegenden Enden der Leitschaufeln 16 Verstelleinrichtungen 22 bzw. 23 angreifen.
Die in Strömungsrichtung
weiter hinten liegenden Leitschaufeln 17 sind starr ausgeführt und mit
einer äußeren Strömungskanalwand
bzw. einem äußeren Gehäuse fest
verbunden. Die Laufschaufeln 14 rotieren gegenüber dem
feststehenden Gehäuse und
den feststehenden Leitschaufeln 15, 16 und 17 und
sind hierzu mit einem Rotor verbunden, wobei 1 Laufradscheiben 24 des
Rotors zeigt.
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Wie
bereits erwähnt,
bilden die in Strömungsrichtung
vorne liegenden Leitschaufeln 15 die Vorleitschaufeln.
Eine Vorleitschaufel 15 sowie eine in Strömungsrichtung
hinter der Vorleitschaufel 15 positionierte Laufschaufel 14 sind
in 2 vergrößert dargestellt.
In Strömungsrichtung
vor der Vorleitschaufel 15 ist ein sogenanntes Vorleitelement 25 positioniert.
Sowohl die Vorleitschaufel als auch das Vorleitelement 25 sind
gegenüber
den rotierenden Laufschaufeln 14 feststehend ausgebildet.
Die Vorleitschaufel 15 ist um die in radialer Richtung
verlaufende Achse 18 verschwenkbar, das Vorleitelement 25 ist
hingegen starr ausgebildet. Wie bereits erwähnt, greift zur Verschwenkung
der Vorleitschaufel 15 an einem radial außenliegenden
Ende 26 der Vorleitschaufel 15 die Verstelleinrichtung 19 an,
an einem radial innenliegenden Ende 27 ist die Vorleitschaufel 15 über einen
Drehzapfen 28 in einer entsprechenden Ausnehmung geführt. Es
sei darauf hingewiesen, dass in 2 nicht
nur die Seitenansichten von Vorleitschaufel 15, Laufschaufel 14 und Vorleitelement 25 gezeigt
sind, sondern vielmehr auch die Querschnittprofile dieser Elemente. 3 zeigt
die Querschnittsprofile von Vorleitelement 25 sowie Vorleitschaufel 15 in
Alleindarstellung.
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Gemäß 3 verfügt das feststehende
und starre Vorleitelement 25 über einen in etwa keilförmigen Querschnitt,
wobei der Querschnitt sich ausgehend von einem stromaufwärts liegenden
Ende 29 auf ein stromabwärts liegendes Ende 30 hin
verbreitert. Am stromabwärts
liegenden Ende 30 verfügt
das starre Vorleitelement 25 über eine im Wesentlichen kreisbogenförmige Fläche 31,
die nach innen in das Vorleitelement 25 hineingewölbt ist
und damit eine konkave Wölbung
bildet. Die feststehende Vorleitschaufel 15 ist im Querschnitt
etwa tropfenförmig ausgebildet
und gegenüber
dem starren Vorleitelement 25 verstellbar bzw. schwenkbar. 3 zeigt
die Vorleitschaufel 15 in drei unterschiedlichen Positionen,
nämlich
in einer gegenüber
dem Vorleitelement 25 unverschwenkten Position, in der
die Symmetrieachsen von Vorleitelement 25 und Vorleitschaufel 15 zusammenfallen,
sowie in einer gegenüber
dem Vorleitelement 25 noch oben sowie nach unten verschwenkten
Position. Ein stromaufwärts
liegendes Ende 32 der Vorleitschaufel 15 wird
beim Verschwenken derselben entlang der kreisbogenförmigen Fläche 31 des
Vorleitelements 25 bewegt. Zwischen dem stromaufwärts liegenden
Ende 32 der Vorleitschaufel 15 und der stromabwärts liegenden
Fläche 31 des
Vorleitelements 25 ist dabei stets ein Spalt 33 ausgebildet.
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Zur
Abdichtung des Spalts 33 zwischen der Fläche 31 des
Vorleitelements 25 und dem stromaufwärts liegenden Ende 32 der
verschwenkbaren Vorleitschaufel 15 ist eine Dichtungseinrichtung
vorhanden. Die Dichtungseinrichtung 34 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
als Bürstendichtung
ausgebildet und in die verstellbare Vorleitschaufel 15 integriert. Aus
dem stromaufwärts
liegenden Ende 32 der Vorleitschaufel 15 ragen
freie Ende von Borsten der Bürstendichtung
heraus und die freien Enden der Borsten liegen auf der stromabwärts liegenden,
konkav gewölbten
Fläche 31 des
Vorleitelements 25 auf. Beim Verschwenken der Vorleitschaufel 15 wird
die Bürstendichtung
mitverschwenkt und die freien Enden der Borsten werden entlang der
Fläche 31 bewegt.
Demnach wird auch beim Verschwenken der Vorleitschaufel 15 der
Spalt 33 stets abgedichtet.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass jede Dichteinrichtung
mit einer hinreichenden Steifigkeit und Flexibilität verwendet
werden kann. Die Verwendung der gezeigten Bürstendichtung ist jedoch bevorzugt.
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Des
weiteren ist es möglich,
die Dichtungseinrichtung 34 nicht wie im gezeigten Ausführungsbeispiel
in die verschwenkbare Vorleitschaufel 15, sondern vielmehr
in das starre Vorleitelement 25 zu integrieren. In diesem
Fall würden
freie Enden der Borsten einer entsprechenden Bürstendichtung aus der stromabwärtsliegenden,
konkav gewölbten
Fläche 31 des
Vorleitelements 25 herausragen und das stromaufwärts liegende
Ende 32 der Vorleitschaufel 15 würde beim
Verschwenken an den freien Enden der Borsten entlang gleiten. Die
Entscheidung, ob die Dichtungseinrichtung 34 in das starre
Vorleitelement 25 oder die verschwenkbare Vorleitschaufel 15 integriert
wird, hängt
von den gegebenen Querschnittsprofilen von Vorleitelement 25 und
Vorleitschaufel 15, von den erforderlichen Schwenkbewegungen
der Vorleitschaufel 15 und den kinematischen Randbedingungen,
wie zum Beispiel von der Lage der Achse 18, ab.
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Abschließend sei
darauf hingewiesen, dass die verschwenkbaren Vorleitschaufeln 15 als
aerodynamisch wirksame Klappen, sogenannte Flaps, ausgebildet sind,
wohingegen die starren Vorleitelemente 25 als nicht-verschwenkbare,
strukturell wirksame Streben, sogenannte Fins, ausgebildet sind.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzips
für eine
Gasturbine bzw. eine Leitschaufelanordnung ist es möglich, eine
deutliche Verringerung der axialen Baulänge und eine Verringerung des
Gewichts von Gasturbinen zu realisieren. Hierdurch wird eine Erhöhung des
Wirkungsgrads der Gasturbine erreicht.
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- 10
- Verdichter
- 11
- Gasturbine
- 12
- Strömungskanal
- 13
- Pfeil
- 14
- Laufschaufel
- 15
- Vorleitschaufel
- 16
- Leitschaufel
- 17
- Leitschaufel
- 18
- Achse
- 19
- Verstelleinrichtung
- 20
- Achse
- 21
- Achse
- 22
- Verstelleinrichtung
- 23
- Verstelleinrichtung
- 24
- Laufradscheibe
- 25
- Vorleitelement
- 26
- Ende
- 27
- Ende
- 28
- Drehzapfen
- 29
- Ende
- 30
- Ende
- 31
- Fläche
- 32
- Ende
- 33
- Spalt
- 34
- Dichtungseinrichtung