DE19958809A1 - Leckstromkanal - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, bei der im Bereich einer Rotorstufe zwischen einem Dichtungsträgerring und einem Gehäuseabschnitt Isolierungen vorgesehen sind, wobei ein Leckstromkanal zur Kanalisierung von Leckströmung in dem Isolationsraum vorgesehen ist. Dadurch wird verhindert, daß zwischen den Isolationselementen und den Gehäusesegmenten eine erzwungene Strömung hoher Temperatur stattfindet. Dies erhöht in vorteilhafter Weise den Wirkungsgrad der Isolierung, was ein besseres Spaltverhalten der Rotorstufe und damit einen höheren Wirkungsgrad der jeweiligen Stufe insgesamt zur Folge hat. Außerdem wird durch die definierte Luftströmung und damit verbesserte Isolierung die Temperatur des Gehäuses verringert, was den Einsatz von kostengünstigeren Werkstoffen erlaubt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 1.
Bei Turbomaschinen wird im allgemeinen versucht das Gehäuse und die
Gehäuseverkleidung möglichst gut gegen das in einem Hauptströmungska
nal geführte Arbeitsgas zu isolieren, um ein akzeptables Spaltverhalten an
den Laufspalten der Laufschaufeln zu erhalten. Es wird weiter versucht die
Gehäusetemperatur so niedrig wie möglich zu halten, um einen kostengün
stigen Werkstoff, wie zum Beispiel Stahl, verwenden zu können. Im Stand
der Technik sind bereits Anstrengungen unternommen worden, um die Ge
häusekühlung und die Luftführung zu optimieren. So beschreibt die
WO 92/17686 ein Turbinengehäuse, das durch die besondere Ausgestaltung
der Gehäuseverkleidung die Luftführung der Kühlluft zwischen Verkleidung
und Gehäuseaußenumfang reguliert. Dabei wird versucht, durch Verengung
des Strömungsquerschnitts über Gehäuseabschnitten mit besonders dickem
Querschnitt eine erhöhte Kühlung dieser Abschnitte zu erreichen.
Jedoch können durch eine derartige Ausgestaltung, wie sie in der
WO 92/17686 vorgeschlagen wird, keine Leckluftströmungen beeinflußt werden,
die aus dem Hauptströmungskanal der Turbine heraus in den Bereich zwi
schen Gehäuseinnenumfang und Dichtungsträgerring strömen. Insbesonde
re bei Niederdruckturbinen besteht nämlich das Problem, daß unter hohem
Druck stehendes heißes Arbeitsgas aus dem Hauptströmungskanal der Tur
bine durch Undichtigkeiten in den Bereich zwischen Gehäuseinnenumfang
und Dichtungsträgerring entweicht. Dies ergibt sich aus daraus, daß im all
gemeinen an Niederdruckturbinen aus Kostengründen kein spezielles Luft
system mit Sperrluft zum Sperren des Heißgases verwendet wird.
Bei der in Fig. 3 in einem Längsschnitt dargestellten Niederdruckturbinen
stufe nach dem bekannten Stand der Technik wird heißes Arbeitsgas aus
dem Turbinen-Hauptströmungskanal 6 durch einen Verbindungsspalt 22 in
einen Raum 5 in Form einer sog. Leckluftströmung 24 eingezogen. In die
sem Raum 5 vermischt sich diese Leckluftströmung 24 mit einem gezielt be
reitgestellten bzw. in diesen Raum 5 eingeleiteten Strom von Drosselluft 8,
wobei es sich im wesentlichen um Sperrluft aus der dieser Niederdruck-
Turbinenstufe vorgelagerten Hochdruck-Turbinenstufe handelt. Dieser
Mischluftstrom (an späterer Stelle als Leckageluftgemisch 25 bezeichnet)
strömt über eine sog. Nut-Nase Verbindung 23 in einen Isolationsraum 21
ein, der zwischen dem bereits genannten Dichtungsträgerring 7 und dem
Innenumfang des Turbinen-Gehäuseabschnittes 10 vorgesehen ist, und in
dem Isolierelemente 19 vorgesehen sind.
Der aufgrund der heißen Leckluftströmung 24 ebenfalls relativ heiße Misch
luftstrom aus dieser Leckluftströmung 24 sowie der Drosselluft 8 umströmt
bzw. durchdringt die Isolierelemente 19 und setzt demzufolge deren Isolati
onswirkung gegenüber dem Gehäuseabschnitt 10 erheblich herab. Der Ge
häuseabschnitt 10 kann hierdurch ungüstigstenfalls überhitzt werden. Zu
mindest jedoch werden durch diese Führung der Leckluftströmung 24, die
sich aus der Leckage auf der Seite des niedrigen Druckes ergibt, die Isolie
relemente 19 des Dichtungsträgerrings 7 von allen Seiten mit Luft hoher
Temperatur umströmt. Deren Isolierwirkung in Richtung Gehäusewand wird
damit stark verringert. Dies wirkt sich wie bekannt negativ auf die Laufspalte
und damit auf den Turbinenwirkungsgrad aus, da im übrigen durch den ver
stärkten Wärmeübergang der gesamte Bereich des Turbinengehäuses ther
misch schneller verformt wird, d. h. er reagiert kurzfristiger auf Änderungen
der Temperaturen. Wie bekannt wirkt sich dies negativ auf die sog. Lauf
spalte, d. h. auf den wünschenswerterweise so gering als möglich zu halten
den Spalt zwischen einer bzw. der Labyrinthdichtung 12 und den Dichtungs
spitzen 15 der Rotorschaufeln 14 der Turbine aus. Die so entstehenden
Spaltverluste erfordern somit eine Verwendung entsprechend hitzebeständi
ger Werkstoffe für die Gehäuseabschnitte 10.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile
des Standes der Technik zu vermeiden und eine einfache und kostengünsti
ge Lösung zur Abführung der aus dem Turbinen-Hauptströmungskanal ent
weichenden heißen Arbeitsgase zu finden, wobei der Turbinenwirkungsgrad
verbessert und Überhitzung von Gehäuseteilen vermieden werden soll.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan
spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den
Unteransprüchen beschrieben.
Durch die erfindungsgemäße Lösung mit den Merkmalen gemäß Patentan
spruch 1 wird eine definierte Luftströmung im Bereich zwischen Gehäuse
innenumfang und Dichtungsträgerring erreicht. Dadurch wird verhindert, daß
zwischen den Isolierelementen und den Gehäuseabschnitten eine erzwun
gene Strömung hoher Temperatur stattfindet, da diese Strömung nunmehr in
einem unschädlichen Bereich geführt wird. Die Isolierwirkung der Isolierele
mente erhöht sich dadurch erheblich, was ein besseres Spaltverhalten einer
Rotorstufe und damit einen höheren Wirkungsgrad der jeweiligen Stufe ins
gesamt zur Folge hat. Außerdem wird durch die definierte Luftströmung und
die damit verbesserte Isolierung die Temperatur des Turbinen-Gehäuses
verringert, was den Einsatz von kostengünstigeren Werkstoffen erlaubt.
Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung gemäß den Merkmalen des
Patentanspruchs 2 sieht eine besonders vorteilhafte konstruktive Ausge
staltung vor. Dabei wird ein zumindest teilweise doppelwandiger Dichtungs
trägerring erzeugt, bei dem Leckluftströmung durch den doppelwandigen
Abschnitt kanalisiert wird.
Das Leitblech kann dabei in vorteilhafter Weise gemäß den Merkmalen des
Patentanspruchs 3 auf dem Dichtungsträgerring angebracht sein. Aber auch
andere Varianten, wie einzelne Röhren, längs durchlässige Metallwaben
oder Metallstege sind möglich. Der Dichtungsträgerring kann dabei bei
spielsweise aus einer Nickel-Basis-Legierung, wie Inconel 718 hergestellt
sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist
die Merkmale des Patentanspruchs 4 auf. Dabei sind entsprechende Öff
nungen, die vorzugsweise als Bohrungen ausgestaltet sind, über den Um
fang verteilt und jeweils an Stellen angeordnet, wo sie auf einen freien Ab
schnitt des erfindungsgemäßen Leckstromkanals treffen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die
Öffnungen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5 angeordnet. Da
bei liegen die Öffnungen an einem dem Hauptströmungskanal der Turboma
schine zugewandten Ende des Verbindungsspalts.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird mit den Merkmalen des Anspruchs 6 erreicht. Darin hat das Leitblech
eine Doppelfunktion, da es hier nämlich gleichzeitig auch als Halterung des
Dichtungsträgerrings an einer hervorstehenden umlaufenden Haltenase des
Gehäusesegments dient. Durch diese Doppelfunktion läßt sich ein zusätzli
ches Halterungsbauteil einsparen.
Schließlich weist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 7 auf. Insbesondere in einer
Niederdruckturbinenstufe einer Turbomaschine lassen sich deutliche Wir
kungsgradsteigerungen durch eine entsprechende Ausgestaltung des Dich
tungsträgerrings erzielen.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden durch die Be
schreibung des Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefüg
ten Zeichnungen erläutert. Darin zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Niederdruckturbinenstufe ei
ner Turbomaschine im Längsschnitt, bei der ein erfindungsgemä
ßer Leckstromkanal zur Kanalisierung von Leckströmung vorgese
hen ist;
Fig. 2 ein Detail des Längsschnitts aus Fig. 1, bei dem der Leckstrom
kanal mit den entsprechenden Strömungen dargestellt ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Niederdruckturbinenstufe vom
bekannten Stand der Technik, die bereits erläutert wurde.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Niederdruckturbinenstufe einer Axialturboma
schine im Längsschnitt. Dabei verläuft die Hauptströmungsrichtung der Tur
bine in der Zeichnungsebene von links nach rechts, d. h. von einem Stator 18
zu einem Stator 13. Der Querschnitt der Turbine erweitert sich dabei kegel
förmig in Richtung des Stators 13. Dem Stator 18 ist in axialer Richtung eine
Rotorstufe mit Rotorschaufeln 14 nachgeschaltet. in radialer Richtung bilden
zum einen Statorfüße 17 und 29 sowie ein Dichtungsträgerring 7 die äußere
Begrenzung des Hauptströmungskanals 6. Die Statorfüße 17, 29, die jeweils
Statorsegmente mit mehreren Statoren 18 und 13 aufweisen, und der Dich
tungsträgerring 7 sind jeweils mit Gehäuseabschnitten 27, 10 verbunden, die
einen gasdichten Abschluß gegenüber der Umgebung bilden. Die Gehäuse
abschnitte 27, 10 sind wiederum an ihrem Außenumfang von einer Gehäu
severkleidung 11 umgeben, die insbesondere der Führung von Kühlluft
dient.
Die Rotorschaufeln 14 weisen an ihren Schaufelspitzen jeweils Dichtungs
spitzen 15 auf, die mit einer am Dichtungsträgerring 7 befestigten Labyrinth
dichtung 12 zusammenwirken, um Strömungsverluste zu vermeiden. Auf die
Rotorstufe folgt ein weiterer Stator 13. Die jeweils aus mehreren Statoren 18,
13 gebildeten Statorsegmente sind dabei über Statorfüße 17, 29 am Turbi
nen-Gehäuse befestigt. Zwischen dessen Gehäuseabschnitten 10 und den
Rotorblättern 14 ist am bereits genannten Dichtungsträgerring 7 die umlau
fende Labyrinthdichtung 12 angeordnet, in die sich die Dichtungsspitzen 15
der Rotorschaufeln 14 bei Ausdehnung der Rotorblätter aufgrund von Tem
peratur und Fliehkräften hineinarbeiten können.
Zwischen dem Dichtungsträgerring 7 und dem Gehäuseabschnitt 10 wird ein
sog. Isolationsraum 21 gebildet, in welchem erste Isolierelemente 30 und
quasi dahinter zweite Isolierelemente 19 angeordnet sind.
Die Gehäuseabschnitte 27 und 10 sind über eine Gehäuse-Verschraubung
16 miteinander verbunden. Am Gehäuseabschnitt 10 steht eine umlaufende
Haltenase 23 hervor, wie in Fig. 2 im Detail gezeigt. Diese umlaufende
Haltenase 23 wird von oben und unten jeweils durch ein Ende des Dich
tungsträgerrings 7 und ein Ende eines später noch näher erläuterten Leit
blechs 1 umfaßt, so daß sie als Halterung des Dichtungsträgerrings 7 an
seinem dem Stator 18 zugewandten Ende dient. An seinem dem Stator 13
zugewandten Ende ist der Dichtungsträgerring 7 in einer nutförmigen in
Umfangsrichtung umlaufenden Aussparung 28 des Statorfußes 29 aufge
nommen.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leckstromka
nals 4 zur Kanalisierung von Leckströmung, der in Fig. 2 im Detail darge
stellt ist. Dabei ist der Leckstromkanal 4 in Umfangsrichtung der Turbine
durch eine ringförmige Wandung des Dichtungsträgerrings 7 und ein ring
förmiges Leitblech 1 begrenzt, wobei diese beiden Bauelemente durch sog.
Abstandsbleche 2, welche in regelmäßigen Abständen über den Umfang
verteilt angeordnet sind, voneinander beabstandet sind. Dabei ist jeweils das
Abstandsblech 2 mit einer Wandung des Dichtungsringträgers 7 und das
Leitblech 1 mit dem Abstandsblech 2 verschweißt. Der Leckstromkanal 4
weist somit im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Strö
mungsquerschnitt auf.
Zwischen dem Statorfuß 17 und dem Dichtungsträgerring 7 ist ein Verbin
dungsspalt 22 gebildet. Auf der dem Hauptströmungskanal 6 abgewandten
Seite des Verbindungsspalts 22 ist ein ringförmiger Hohlraum 5 zwischen
Statorfuß 17 und Gehäuseabschnitt 27 gebildet. Ferner weist der Dichtungs
trägerring 7 in Höhe des Verbindungsspalts 22 Bohrungen 3 auf, über die
der Verbindungsspalt 22 mit den Leckstromkanälen 4 in Verbindung steht.
Das gesamte Turbinengehäuse ist im übrigen von einer Verkleidung 11 um
geben, die über eine Verschraubung 20 mit den Gehäuseabschnitten 10
verbunden ist.
Während des Betriebs der Turbine expandiert heißes unter hohem Druck
stehendes Arbeitsgas im Hauptströmungskanal 6 in Richtung des Stators 13.
Gleichzeitig tritt, wie in Fig. 2 angedeutet, sog. Drosselluft 8, von der vor
gelagerten Hochdruck-Turbine als dort verwendete Sperrluft kommend, in
den Hohlraum 5 ein und wird weiter in Richtung des abfallenden Drucks in
den Isolationsraum 21 eingeführt. Ferner gelangt eine Leckluftströmung 24
in Form eines Bruchteiles des heißen Arbeitsgases aus dem Hauptströ
mungskanal 6 durch den Verbindungsspalt 22 in Richtung des abfallenden
Drucks, d. h. in Richtung des Hohlraums 5. Diese Leckluftströmung wird nun
durch die Bohrung 3 in den Leckstromkanal 4 geleitet. Dadurch wird die
Leckluftströmung 24 definiert an den Isolierelementen 19 außen am Dich
tungsträgerring 7 vorbeigeführt. Selbstverständlich vermischen sich zuvor
und währenddessen die bereits genannte Drosselluft 8 und die Leckluftströ
mung 24 insbesondere beim Einströmen in die Löcher 3, wobei wesentlich
ist, daß dieser heiße Mischstrom, der in Fig. 2 unter der Bezugsziffer 25 als
Leckageluftgemisch in Form eines Pfeiles dargestellt ist, aufgrund des Leck
stromkanales 4 vom Turbinen-Gehäuse, d. h. vom Gehäuseabschnitt 10 auf
Distanz gehalten wird. Im übrigen wird hierdurch ausgeschlossen, daß mit
relativ kalter Drosselluft 8 durchmischtes Leckluft-Arbeitsgas 24 unkontrolliert
in den Isolationsraum 21 eindringen kann und dort zu lokalen Überhitzungen
führt. Vielmehr wird dieses heiße Luftleckagegemisch 25 an der Außenseite
des Dichtungsträgerrings 7 im Leckstromkanal 4 geführt, wo es abkühlen
kann und am Ausgang des Leckstromkanals 4 von weiterer Drosselluft mit
gerissen und der Wandung des Dichtungsträgerrings 7 folgend in einen
Hohlraum 9 austreten kann.
Dabei ist der Kanalquerschnitt des Leckstromkanals 4 so ausgelegt, daß
dessen Strömungswiderstand sehr viel niedriger als derjenige des mit Isola
tionselementen 19 zum Großteil ausgefüllten Isolationsraums 21 ist, um den
gewünschten Strömungsverlauf sicherzustellen. Die Anordnung der Bohrun
gen 3 ist dabei so gewählt, daß die Drosselluft 8, die selbstverständlich käl
ter ist als das Arbeitsgas im Hauptströmungskanal 6, ebenfalls durch die
Bohrungen 3 in die Leckstromkanäle 4 einströmt. Nur wenn die Menge der
Drosselluft 8 geringer ist als die Leckagemenge, die in den bereits genann
ten Hohlraum 9 des Dichtungsträgerrings 7 an dem der Aussparung 28 zu
gewandten Ende austritt, so wird zusätzliches Leckluft-Arbeitsgas 24 aus
dem Hauptströmungskanal 6 durch den Verbindungsspalt 22 und die Boh
rungen 3 in die Leckstromkanäle 4 eingezogen. Das Leckluft-Arbeitsgas
bzw. die Leckluftströmung 24 dringt aber aufgrund der Anordnung der Boh
rungen 3 nicht in den Hohlraum 5 ein. Dadurch wird das Turbinen-Gehäuse
bzw. werden die Gehäuseabschnitte 10, 27 zusätzlich vor Überhitzung ge
schützt.
Wie aus Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, muß der Leckstromkanal 4 dabei
nicht über die gesamte Länge des Dichtungsträgerrings 7 geführt werden.
Vielmehr genügt es, wenn der Leckstromkanal 4 stromab des ersten Isolie
relementes 30 bzw. kurz nach Beginn des zweiten Isolierelementes 19 en
det. Dieses Isolierelement 19 übernimmt dann die Führung des Leckageluft
gemischs 25 im wesentlichen bis in den Hohlraum 9 hinein. Eine unge
wünschte Umströmung der Isolierelemente 30 und 19 und insbesondere die
unerwünschte direkte Beaufschlagung des Gehäuseabschnittes 10 mit der
Leckluftströmung 24 kann dadurch nicht mehr stattfinden.
1
Leitblech
2
Abstandsblech
3
Bohrung
4
Leckstromkanal
5
Hohlraum
6
Hauptströmungskanal
7
Dichtungsträgerring
8
Drosselluft
9
Hohlraum
10
Gehäuseabschnitt
11
Verkleidung
12
Labyrinthdichtung
13
Stator
14
Rotorschaufel
15
Dichtungsspitzen
16
Verschraubung
17
Statorfuß
18
Stator
19
Isolierelement
20
Verschraubung Gehäuse-Verkleidung
21
Isolationsraum
22
Verbindungsspalt
23
Haltenase
24
Leckluftströmung (des Arbeitsgases)
25
Leckageluftgemisch
26
Halteblech
27
Gehäuseabschnitt
28
Aussparung
29
Statorfuß
30
Isolierelement
Claims (7)
1. Turbomaschine, bei der im Bereich einer Rotorstufe zwischen einem
Dichtungsträgerring (7) und einem Gehäuseabschnitt (10) Isolierun
gen (19, 30) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Leckstromkanal (4) zur Kanalisierung von Leckströmung im Be
reich der Isolierungen (19, 30) vorgesehen ist.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Leckstromkanal (4) zwischen einem Leitblech (1) und dem äuße
ren Umfang des Dichtungsträgerrings (7) gebildet ist.
3. Turbomaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Leitblech (1) und dem äußeren Umfang des Dich
tungsträgerrings (7) in regelmäßigem Abstand über den Umfang ver
teilte Abstandsbleche (2) vorgesehen sind.
4. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
über den Umfang des Dichtungsträgerrings (7) verteilte Öffnungen (3)
angeordnet sind, über die Heißgas in den Leckstromkanal (4) einleit
bar ist.
5. Turbomaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Öffnungen (3) an einem Verbindungsspalt (22) zwischen einem
Hohlraum (5) und einem Hauptströmungskanal (6) angeordnet sind.
6. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Leitblech (1) gleichzeitig als Halteblech zur Befestigung des
Dichtungsträgerrings (7) am Gehäuse (10) vorgesehen ist.
7. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Leckstromkanal (4) zur Verwendung in einer Niederdruckturbinen
stufe vorgesehen ist.
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