DE19807247A1 - Strömungsmaschine mit Rotor und Stator - Google Patents

Strömungsmaschine mit Rotor und Stator

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DE19807247A1 DE19807247A DE19807247A DE19807247A1 DE 19807247 A1 DE19807247 A1 DE 19807247A1 DE 19807247 A DE19807247 A DE 19807247A DE 19807247 A DE19807247 A DE 19807247A DE 19807247 A1 DE19807247 A1 DE 19807247A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit Rotor und Stator in strömungstechnisch ein- oder mehrstufiger Ausführung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Strömungsmaschine ist beispielsweise aus der DE-PS 27 45 130 bekannt, wobei diese Schrift sich speziell auf Axialturbinen mit Labyrinthdichtungen bezieht. Der Strömungskanal des Arbeitsmediums führt abwechselnd durch Leit- und Laufschaufelkränze wobei die statischen Bauteile radial von außen, die rotierenden radial von innen in diesen hineinragen. Wie Fig. 1 dieser Schrift deutlich zeigt, gibt es sowohl radial innen angeord­ nete Dichtungen zwischen dem Rotor und den Leitschaufelkränzen ("Inner Airseal") als auch radial außen angeordnete Dichtungen zwischen den Laufschaufeln und dem Stator ("Outer Airseal").
Bei der Axialturbine gemäß der DE-PS sind die Dichtfins (Pos. 8) der "Inner Airseal" am Rotor (Pos. 4) befestigt, so daß deren Maße bzw. Maßabweichungen von den Verhältnissen am Rotor (Temperatur, Drehzahl) abhängen. Der zugehörige Dichtungsbelag (Pos. 7) ist demge­ genüber am inneren Deckband (Pos. 20) der Leitschaufelsegmente (Pos. 1, 5) befestigt. Die Leitschaufelsegmente sind am Gehäuse (Pos. 13, 14) gelagert, so daß die Maße bzw. Maß­ abweichungen des Dichtungsbelages letztlich von den Verhältnissen außen am Gehäuse wesentlich mitbestimmt werden. Die Verhältnisse am Rotor einerseits und am Gehäuse an­ dererseits ändern sich oft weder konform nach zeitgleich, so daß sich spaltverändernde Re­ lativbewegungen zwischen den Dichtungselementen (Pos. 7, 8) ergeben. Das Gleiche gilt für die "Outer Airseal" (Pos. 11, 12). Die spezielle Art der Leitschaufelbefestigung am Gehäuse wird so bzw. in vergleichbarer Ausführung bei größeren Triebwerken häufig verwendet. Je­ des Segment eines Leitschaufelkranzes ist als mechanische Einheit an - im Längsschnitt - hakenförmigen Gehäuseelementen (Pos. 14) gelagert, welche in Umfangsrichtung ringförmig geschlossen sind. Am stromaufwärtigen Ende des äußeren Deckbandes weist jedes Leit­ schaufelsegment einen Randwulst mit Nut auf, welcher das hakenförmige Gehäuseelement (Pos. 14, 22) klauenartig umgreift (siehe Fig. 3). Am stromabwärtigen Ende des äußeren Deckbandes jedes Leitschaufelsegmentes ist eine - im Längsschnitt - abgewinkelte Anlagestufe mit einer radial nach außen weisenden Anlagefläche vorhanden, welche im Be­ trieb infolge eines strömungsinduzierten Kippmomentes um das stromaufwärtige "Klauenlager" gegen das korrespondierende hakenförmige Gehäuseelement gedrückt wird (siehe Fig. 1). Durch die hakenförmigen Gehäuseelemente - auch als "Hakenringe" bezei­ chenbar - fließen Wärmeströme hoher Dichte zum kälteren Gehäuse, wobei die "Hakenringe" speziell im Bereich der "Klauenlager" durch Kriechen zunehmend plastisch verformt werden können. Abhilfe schafft hier meist nur eine permanente Kühlung der "Hakenringe". Falls vor­ handen, kann hierzu ein aktives Spaltkontrollsystem ("Aktive Clearence Control"= ACC) mit herangezogen werden, welches dann allerdings permanent in Betrieb sein muß.
Die DE-PS 35 40 943 beschreibt ein solches Spaltkontrollsystem speziell für ein Zweistrom­ triebwerk. Bei diesem erstreckt sich der Sekundärluftkanal zumindest bis zum Ende des Turbinenbereiches und weist Öffnungen (Pos. 11) in seiner Innenwand auf, durch die Sekun­ därluft von außen gezielt auf Bereiche des Turbinengehäuses geblasen werden kann. Bei diesem vereinfachten ACC-System besteht ggf. das Problem, daß der geringe Überdruck des Sekundärluftstromes nicht ausreicht, um in örtlich eng begrenzten Gehäusezonen durch entsprechend kleine Strömungsquerschnitte Kühlluftströme mit ausreichendem Massen­ durchsatz zu erzeugen. Üblicherweise wird bei einem ACC Verdichterluft aus dem Booster bzw. Niederdruckverdichter als Kühlmittel abgezweigt, in separaten Kanälen geführt und über Ventile gezielt ausgeblasen. Bei kleineren Gasturbinentriebwerken ist es bekannt, Leit­ schaufelkränze als selbsttragende, integrale Bauelemente mit geschlossenen Deckbändern auszuführen und im Gehäuse zu zentrieren.
Aus fertigungstechnischen sowie festigkeitstechnischen Gründen (Thermospannungen) ist diese "monolithische" Lösung auf Schaufelkränze mit relativ kleinen Abmessungen be­ schränkt.
Angesichts dieser bekannten Lösungen und ihrer Nachteile besteht die Aufgabe der Erfin­ dung darin, eine Strömungsmaschine mit Rotor und Stator sowie mit mindestens einem, je ein äußeres und ein inneres Deckband aufweisenden Leitschaufelkranz zu schaffen, welche sich in allen Betriebszuständen durch besonders niedrige, wenig variierende und rechnerisch gut erfaßbare Leckageverluste, somit einen hohen Wirkungsgrad, sowie durch eine relativ einfache, kosten- und gewichtsgünstige, langlebige und wartungsfreundliche Konstruktion ohne die Erfordernis eines aktiven Spaltkontrollsystems (ACC's) auszeichnet und auch mit großen Leistungen und Abmessungen ausführbar sowie funktionstüchtig ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbin­ dung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Die Erfindung liegt somit in der speziellen Ausführung und Lagerung/Zentrierung mindestens eines Leitschaufelkranzes der Strömungsmaschine. Der - mindestens eine - Leitschaufel­ kranz ist als selbsttragendes Bauteil mit einer Verstärkung am inneren Deckband ausgeführt, welche ihn gegen stülpende Axialverformung versteift. Ausgehend von einer etwa ebenen, radialen Ausrichtung der Schaufelachsen im unbelasteten Zustand werden diese durch die statische Druckdifferenz vor!hinter dem Leitschaufelkranz bei Auslenkung "Null" am Gehäu­ se zur Kranzmitte hin zunehmend axial ausgelenkt und dabei u. U. auch gekrümmt. Somit ist der Leitschaufelkranz mechanisch mit einer Tellerfeder vergleichbar, deren inneren Rand (Lochrand) das innere Deckband, und deren äußeren Rand das äußere Deckband bildet. Das innere Deckband wird dabei sowohl axial verschoben als auch durch die schaufelindu­ zierten Momente in sich verdreht/verstülpt. Das heißt, die in Radial-Axialschnitten sichtbaren Materialquerschnitte des Deckbandes werden um gedachte, zur Schnittfläche jeweils senk­ rechte Achsen je nach Steifigkeit/Verstärkung mehr oder weniger verdreht.
Die erfindungsgemäße Verstärkung des inneren Deckbandes gegen besagte Verstülpung reduziert auch die axiale Auslenkung der Schaufelachsen und somit die gesamte Verfor­ mung des Leitschaufelkranzes unter Last. Dies verbessert die Maßhaltigkeit der statischen Komponente der "Inner Airseal".
Durch die geringe Berührungsfläche zwischen äußerem Deckband und Gehäuse wird der Wärmetransport vom Gaskanal in das Gehäuse behindert, wodurch sich geringe Tempera­ turgradienten über das äußere Deckband einstellen. Die geringen Temperaturgradienten in Kombination mit der Segmentierung des äußeren Deckbandes verringern die Thermospan­ nungen im Leitkranz.
Die mindestens dreifache, jeweils radiale Bewegungen zulassende Lagerung ("Speichenzentrierung") der Deckbandsegmente behindert die thermische Deh­ nung/Kontraktion praktisch nicht und trägt somit auch zu einer Spannungsminimierung bei. Außerdem wird eine exakte Zentrierung im Gehäuse erreicht.
Die erfindungsgemäße Leitschaufelkranzkonstruktion und -lagerung hat zur Folge, daß das Verformungsverhalten des Kranzes überwiegend durch die Verhältnisse/Temperaturen am inneren Deckband, d. h. im rotornahen und auch für das Rotorverhalten maßgeblichen Be­ reich, bestimmt wird. Da die statischen Komponenten der Inner"- und Outer Airseal" von den Leitschaufelkränzen getragen werden und sich zu diesen konform verhalten, wird eine bestmögliche Angleichung der Verformungen der statischen und rotatorischen Dichtungs­ komponenten hinsichtlich Zeitverlauf, Größe und Richtung bei wechselnden Betriebsver­ hältnissen (instationärer Betrieb) erreicht. Somit kann die Maschine durchgehend mit etwa gleichbleibenden, minimalen Spalten bzw. Leckageverlusten und damit hohem Wirkungsgrad gefahren werden, wobei speziell im Leitschaufelbereich keine vorzeitige Bauteilermüdung zu befürchten ist. Die Anwendung von Bürstendichtungen wird durch das konforme Verhalten der Dichtungsträger (geringe Spaltänderung, geringe Exzentrizität etc.) begünstigt bzw. so­ gar erst ermöglicht.
In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Figur noch näher erläutert. Diese zeigt einen Teillängsschnitt durch die Niederdruckturbine eines Turboluftstrahltriebwerkes.
Die vorliegende Erfindung ist generell für Strömungsmaschinen mit Rotor und Stator, d. h. für Verdichter und Turbinen, geeignet, welche zumindest abschnittsweise in Axialbauart, d. h. mit vorwiegend axialer Durchströmung, ausgeführt sind. Thermodynamisch und abmessungsbe­ dingt dürften Niederdruckturbinen mittlerer bis großer Gasturbinentriebwerke bevorzugte Anwendungsfälle darstellen, weshalb die Figur ein Beispiel aus diesem Bereich zeigt.
Von der Niederdruckturbine 1 sind die ersten beiden Stufen und hiervon wiederum die rele­ vanten Elemente der oberen Hälfte dargestellt, wobei die Turbinen-/Triebwerksachse hori­ zontal unterhalb der Darstellung verlaufen würde. Die Strömungsrichtung des Arbeitsgases verläuft von links nach rechts, d. h. zunächst durch den Leitschaufelkranz 14, dann durch den Bereich der Laufschaufeln 3, anschließend durch den Leitschaufelkranz 15 und durch den Bereich der Laufschaufeln 4, wobei noch weitere Stufen (Leit-, Lauf-) folgen können. Die äußere Triebwerkshülle bildet das Gehäuse 13, in welchem die Leitschaufelkränze 14, 15 radial zentriert und axial fixiert gelagert sind. Sowohl die Laufschaufeln 3, 4 als auch die Leit­ schaufelkränze 14, 15 sind mit inneren und äußeren Deckbändern 5 bis 8 und 16 bis 19 aus­ geführt, wobei die inneren und äußeren Laufschaufeldeckbänder jeweils zwischen den Schaufeln Trennfugen aufweisen, u. a. damit beschädigte Schaufeln einzeln auswechselbar sind.
Die Leitschaufelkränze 14, 15 sind als selbsttragende Bauelemente ausgeführt, wobei ihre mechanische Stabilität überwiegend im Bereich der inneren Deckbänder 16, 17 erzielt wird. Dort sind in Umfangsrichtung geschlossene, d. h. "umlaufende", Verstärkungen 20, 21 ange­ ordnet, welche auch das thermische Verhalten (Maß- und Formänderungen) der Leitschau­ felkränze 14, 15 entscheidend beeinflussen. Die Gaskräfte im Betrieb bewirken u. a. eine stül­ pende Axialverformung der Leitschaufelkränze, d. h. eine vom äußeren zum inneren Deck­ band zunehmende axiale Auslenkung mit einer gewissen Verdrehung der Deckbänder in sich. Diese "tellerfederartige" Verformung läßt sich über die Verstärkungen an den inneren Deckbändern erheblich reduzieren. Als Verstärkungen sind beispielsweise die dargestellten, torusartigen Hohlkörper, axial beabstandete Ringe, Kombinationen von Hohl- und Vollprofi­ len usw. geeignet, wobei auch die Platzverhältnisse eine Rolle spielen. Die Verstärkungen sollten jedenfalls - im Axial-/Radialschnitt - ein möglichst großes Flächenträgheitsmoment um eine radiale Achse z. B. durch den Flächenschwerpunkt aufweisen, was durch ausrei­ chende, axial beabstandete Flächenanteile erreichbar ist. Die Flächenanteile des Deckban­ des sind hier mit zu berücksichtigen. Vorteilhaft ist ein Verstärkungswerkstoff mit hohem E- Modul. Insgesamt sollte bei möglichst kleiner Massenerhöhung ein Optimum an Steifigkeits­ erhöhung erzielt werden. Die Ermittlung der Spannungen und Verformungen beim "Stülpen" ist über einschlägige Berechnungsverfahren möglich.
Die Verstärkung 20 ist mit dem Deckband 16 formschlüssig verbunden, wobei der Leit­ schaufelkranz 14 aus mehreren Segmenten bestehen kann, welche über die Verstärkung zusammengehalten werden. Die Verstärkung 21 ist hingegen in das Deckband 17 integriert, d. h. stoffschlüssig mit diesem zusammengefügt. Auch hier können Leitschaufelsegmente die Ausgangsteile sein, welche durch Schweißen oder Löten im Bereich des inneren Deckban­ des/der Verstärkung verbunden werden.
Die äußeren Deckbänder 18, 19 sollen jedoch im Einbauzustand noch segmentiert sein, d. h. mehrere Trennfugen am Umfang aufweisen, um Thermospannungen zu minimieren.
Die Zentrierung und Fixierung der Leitschaufelkränze 14, 15 im Gehäuse 13 erfolgt über jeweils mindestens drei Lagereinheiten mit je einem gehäusefesten Lagerzapfen 26, 27 und je einer deckbandfesten Lagerbuchse 24, 25. Die Kontaktflächen der Zapfen sind ballig, die der Buchsen zylindrisch ausgeführt, so daß über eine freie radiale Beweglichkeit hinaus auch kleine allseitige Schwenkbewegungen nach Art eines Kugelgelenkes möglich sind. All dies minimiert Zwangskräfte und somit Bauteilspannungen, was wiederum die Lebensdauer erhöht.
Die "Inner Airseal" ist hier - zumindest überwiegend - mit Bürstendichtungen ausgeführt, wobei im Bereich der Leitschaufelkranzverstärkungen befestigte Bürsten 22, 23 gegen mit dem Rotor 2 verbundene Ringe 11, 12 laufen, welche axiale Anschläge für die Laufschaufeln 3, 4 bilden.
Die "Outer Airseal" ist hier mit Labyrinthdichtungen verwirklicht, wobei ringschneidenartige Dichtspitzen 9, 10 gegen Wabenstrukturen laufen, welche auf Wabenträger 28, 29 aufge­ bracht sind. Die Wabenträger 28, 29 sind ihrerseits an den Leitschaufelkränzen 14, 15 gela­ gert und dadurch im Verformungsverhalten an diese angeglichen.
Obwohl nicht generell erforderlich, ist hier eine Luftkühlung für die Lagereinheiten der Leit­ schaufelkränze vorgesehen, welche konstruktiv jedoch bei weitem nicht so aufwendig ist, wie ein ACC-System. Zu diesem Zweck ist auf der Innenseite des Gehäuses 13 in radialem Ab­ stand eine Luftleitschale 30 angeordnet, so daß zwischen dieser und dem Gehäuse Kühlluft in Triebwerkslängsrichtung strömen kann. Der Zutritt der in der Regel vom Verdichter abge­ zweigten Kühlluft erfolgt über Bohrungen 35 in eine erste Kammer 33. Im Bereich der Lager­ zapfen 26 und 27 besitzt die Luftleitschale 30 bewußt gasdurchlässige Öffnungen 31, 32, so daß ein Teil der Kühlluft längs der Lagerzapfen 26, 27 in den Bereich der äußeren Deckbän­ der 18, 19 der Leitschaufelkränze 14, 15 strömen kann, ein entsprechendes Druckgefälle (Kühlluftüberdruck) vorausgesetzt. Dadurch werden die Lagerstellen gekühlt und Wär­ meströme von den Leitschaufelkränzen zum Gehäuse reduziert. Das Wandelement 37 weist - nicht dargestellte - Restriktoren auf oder bildet selbst mit entsprechenden Drosselspalten einen Restriktor für die Kühlluft, so daß diese in die nachfolgende Kammer 34 mit reduzier­ tem Druck eintritt. Es reicht aus, wenn die Kühlluft jeweils nur einen mäßigen Überdruck gegenüber dem Arbeitsgas im angrenzenden Strömungskanal aufweist. Da der Druck des Arbeitsgases axial abnimmt, ist es sinnvoll, auch den Kühlluftdruck zumindest in wenigen Stufen zu reduzieren, was hier durch die genannte Kammerbauweise mit Restriktoren er­ reicht wird. Hohe Überdrücke der Kühlluft würden auch eine hohe Druckfestigkeit der Luft­ leitschale 30 erfordern, d. h. größere Wanddicken und mehr Gewicht.
Zwischen dem Strömungskanal des Arbeitsgases und dem Kühlluftkanal sind weitere Wandelemente 36, 38 angeordnet, welche Arbeitsgasnebenströme, d. h. -verluste, durch diese Passagen verhindern sollen. Aus Kühlungsgründen sind auch diese Wandelemente 36, 38 bewußt etwas gasdurchlässig ausgeführt bzw. befestigt.
Bezugszeichenliste
1
Niederdruckturbine
2
Rotor
3
Laufschaufel
4
Laufschaufel
5
Deckband, inneres
6
Deckband, inneres
7
Deckband, äußeres
8
Deckband äußeres
9
Dichtspitzen
10
Dichtspitzen
11
Ring
12
Ring
13
Gehäuse
14
Leitschaufelkranz
15
Leitschaufelkranz
16
Deckband, inneres
17
Deckband, inneres
18
Deckband, äußeres
19
Deckband, äußeres
20
Verstärkung
21
Verstärkung
22
Bürste
23
Bürste
24
Lagerbuchse
25
Lagerbuchse
26
Lagerzapfen
27
Lagerzapfen
28
Wabenträger
29
Wabenträger
30
Luftleitschale
31
Öffnung
32
Öffnung
33
Kammer
34
Kammer
35
Bohrung
36
Wandelelement
37
Wandelelement
38
Wandelelement

Claims (7)

1. Strömungsmaschine mit Rotor und Stator in strömungstechnisch zumindest abschnitts­ weise axialer Bauart, deren Rotor Laufschaufeln, und deren Stator ein Gehäuse mit Leit­ schaufeln aufweist, wobei die Leitschaufeln als mindestens ein Leitschaufelkranz mit ei­ nem radial inneren und einem radial äußeren Deckband angeordnet sind, insbesondere axiale Niederdruckturbine, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein Leitschaufelkranz (14, 15) als selbsttragendes Bauteil mit einer in Umfangsrichtung geschlossenen, zumindest weitgehend rotationssymmetrischen, das Bauteil gegen stülpende Axialverformung versteifenden Verstärkung (20, 21) am inneren Deckband (16, 17) ausgeführt ist,
ein segmentiertes äußeres Deckband (18, 19) mit mehreren über seinen Umfang verteilten Trennfugen aufweist und
über mindestens drei Segmente des äußeren Deckbandes (18, 19) mittels jeweils ei­ ner radiale Bewegungen zulassenden Lagereinheit (24, 25, 26, 27), d. h. insgesamt über eine sog. Speichenzentrierung, im Gehäuse (13) positioniert ist.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung (20, 21) des mindestens einen Leitschaufelkranzes (14, 15) als torusförmiger Hohlkörper oder in Form mindestens zweier axial beabstandeter Ringe ausgeführt und stoffschlüssig in das innere Deckband (17) integriert oder formschlüssig mit diesem (16) verbunden ist.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 mit formschlüssiger Verbindung zwischen der Ver­ stärkung und dem inneren Deckband des mindestens einen Leitschaufelkranzes, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Leitschaufelkranz (14) aus mehreren Leit­ schaufelsegmenten besteht, welche mittels der Verstärkung (20) zu einem selbsttragen­ den Bauteil zusammengefügt sind.
4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung (20, 21) des mindestens einen Leitschaufelkranzes (14, 15) das statische Element einer Wellendichtung trägt, insbesondere die Bürste (22, 23) einer Bürstendich­ tung oder den Einlaufbelag bzw. die Wabenstruktur einer Labyrinthdichtung.
5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lagereinheit des mindestens einen Leitschaufelkranzes (14, 15) aus einem gehäu­ sefesten Lagerzapfen (26, 27) mit balliger Kontaktfläche und einer deckbandfesten Lager­ buchse (24, 25) mit zylindrischer Kontaktfläche besteht.
6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (13) und dem äußeren Deckband (18, 19) des mindestens einen Leitschaufelkranzes (14, 15) eine Luftleitschale (30) angeordnet ist, welche einen Kühlluft­ strom längs der Gehäuseinnenseite führt und mit Öffnungen (31, 32) für die gehäusefe­ sten Lagerelemente (26, 27) des mindestens einen Leitschaufelkranzes (14, 15) versehen ist, wobei die Öffnungen (31, 32) einen Teil des Kühlluftstromes zum Deckband (18, 19) hin durchtreten lassen.
7. Strömungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftkanal zwischen Gehäuse (13) und Luftleitschale (30) in mehrere, nacheinander durchströmte Kammern (33, 34) mit von Kammer zu Kammer abnehmendem Innendruck aufgeteilt ist, wobei jede Kammer (33, 34) für einen Betriebsdruck ausgelegt ist, welcher zumindest ge­ ringfügig höher ist als der Druck im jeweils benachbarten Strömungskanalbereich des Ar­ beitsmediums.
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