DE3632094A1 - Turbomaschine mit transsonisch durchstroemten stufen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit transso­ nisch durchströmten Stufen, insbesondere eine Gasturbine mit stationärem Vorleitgitter.

Bei transsonisch durchströmten Gasturbinen (Einströmge­ schwindigkeit beim Leitrad im Unterschallbereich, mitt­ lere Ausströmgeschwindigkeit an der Leitradhinterkante im transsonischen Bereich (M < 0.8)) stellen sich bei Ab­ strömung mit hohen Mach-Zahlen M an der Hinterkante des Leitrads ein oder mehrere Verdichtungsstöße ein. Diese Verdichtungsstöße erzeugen mit der Teilung der Schaufeln periodische Druckgradienten, die um ein Vielfaches größer sind als im Unterschallbereich (M < 0.8).

Befinden sich außerhalb des Strömungskanals der Gastur­ bine Hohlräume, so erfolgt an Stellen hohen Drucks ein Einströmen des Gases in die Hohlräume; an Stellen nied­ rigen Drucks ein Herausströmen. Es stellt sich in jeder Teilung am radial äußeren und inneren Rand des Strömungs­ kanals eine zirkulierende Strömung ein. Diese stört in nachhaltiger Weise die Hauptströmung, erhöht die Verluste und verschlechtert den Wirkungsgrad der Gasturbine. Von Nachteil ist ferner, daß bei einem Einströmen von Heiß­ gas in Hohlräume die Temperatur der Bauteile erhöht wird, wodurch die Festigkeit und damit die Lebensdauer verrin­ gert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bei einer Turbomaschine der eingangs genannten Art auftretenden vorgenannten Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine zirkulie­ rende Strömung zwischen den Schaufeln in jeder Teilung an der Hinterkante des Vorleitgitters zu verhindern bzw. zu minimieren.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch ge­ löst, daß eine Ausgleichsvorrichtung zum Druckausgleich von durch Verdichtungsstöße an der Austrittskante des Vorleitgitters entstehenden Druckgradienten über dem Um­ fang hinter dem Leitgitter an der Nabe und/oder Gehäuse vorgesehen ist.

Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß die aufgrund der Verdichtungsstöße auftretenden zirkulierenden Strömungen unterbunden werden, und auf diese Weise sowohl Strömungs­ verluste verringert werden, als auch die thermische Be­ anspruchung von Bauteilen durch in die Hohlräume eindrin­ gendes Heißgas herabgesetzt wird.

Die Ausgleichsvorrichtung wird vorzugsweise als zumindest eine über dem Umfang sich erstreckende nabenseitig ange­ ordnete Beruhigungskammer ausgestaltet, die zum nachfol­ genden Laufrad hin eine Umfangsöffnung aufweist, welche mit einem radial wirkenden Dichtungsflansch des Laufrades abgedeckt ist.

Der Dichtungsflansch ist zweckmäßigerweise als doppelte Umfangsdichtung ausgeführt, wobei jede der beiden Umfangs­ dichtungen als Labyrinthdichtung ausgebildet ist. Diese Maßnahmen verhindern, daß durch den Spalt zwischen rotie­ renden und stehenden Teilen Heißgas in die radial innen liegenden Hohlräume eindringt und eine dadurch entste­ hende zirkulierende Strömung die Hauptströmung behindert. Auch können zweckmäßige Maßnahmen an stehenden Teilen zwecks Verhinderung bzw. Minimierung der zirkulierenden Strömung vorgesehen werden. Insbesondere werden im Gehäuse angeordnete Ringräume mit einer Verbindung zur Hauptströ­ mung hin mittels eines Sperrgliedes als Drosselstelle ausgebildet.

Der Ringraum wird mit Füllmaterial wie Metall- oder Mine­ ralwolle, -faser, -gewebe, -schaum, aufgefüllt. Der lose Verschluß ermöglicht zwar einen Druck- und einen Tempera­ turausgleich, verhindert jedoch eine nennenswerte Gas­ strömung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die beigeführten Zeich­ nungen mit Erläuterung des Standes der Technik näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 zwei benachbarte Leitschaufeln des Leitgitters einer Turbomaschine im Schnitt mit schematischer Darstellung von Verdichtungsstößen an der Hinter­ kante,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des durch die Ver­ dichtungsstöße längs A-A der Fig. 1 erzeugten Druckgradienten,

Fig. 3 einen Teilaxialschnitt einer Gasturbine mit zir­ kulierender Strömung C zwischen Vorleitgitter und Laufrad nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 die zirkulierende Strömung C gemäß Fig. 3 inner­ halb einer Schaufelteilung,

Fig. 5 nabenseitige Beruhigungskammer zwischen stehenden und rotierenden Teilen, gesehen in einem schema­ tischen Teilaxialschnitt einer Gasturbine mit Vorleitgitter und Laufrad und

Fig. 6 radial außen liegender Ringraum an stehenden Teilen im Bereich des Gehäuses einer Turbine, gesehen in einem Teilaxialschnitt ähnlich der Fig. 5.

In den Fig. 1 bis 4 ist der Effekt der zirkulierenden Strömung C innerhalb einer Teilung t der Schaufeln 19, 20 im Bereich der Schaufelhinterkante 18 nach dem Stand der Technik dargestellt.

Bei transsonisch durchströmten Gasturbinen 1 (Schaufel­ eintrittsgeschwindigkeit im Unterschallbereich; Schaufel­ abströmgeschwindigkeit im transsonischen Bereich) stellen sich bei Abströmung insbesondere bei hohen Mach-Zahlen M an der Hinterkante 18 eine oder mehrere Verdichtungs­ stöße 3 gemäß Fig. 1 ein. Diese Verdichtungsstöße 3 er­ zeugen mit der Teilung t periodische Druckgradienten 4, die um ein Vielfaches größer sind als im Unterschallbe­ reich.

Befinden sich beispielsweise gemäß Fig. 3 außerhalb des eigentlichen Strömungskanals Ringräume 14 im Bereich der Gehäusewand, so erfolgt an Stellen hohen Drucks ein Ein­ strömen B in diese Ringräume 14 hinein, an Stellen nied­ rigen Drucks ein Herausströmen D, wie dies insbesondere der Fig. 4 zu entnehmen ist. Es stellt sich mithin in jeder Teilung am radial äußeren und inneren Rand des Strömungskanals eine zirkulierende Strömung C ein. Dies hat zur Folge, daß das zirkulierende Gas am Rand des Kanals die Hauptströmung stört, die Verluste erhöht und den Wirkungsgrad der Gasturbine 1 verschlechtert. Darüber hinaus erhöht das Einströmen von Heißgas in die Ringräume 14 die Temperatur der Bauteile, wodurch die Festigkeit und damit die Lebensdauer verringert werden.

Durch die Erfindung wird eine Druckausgleichsvorrichtung 2 zum Ausgleich der durch Verdichterungsstöße 3 entstehen­ den Druckgradienten 4 über dem Umfang hinter dem Laufrad 9 an Nabe und/oder Gehäuse 6 vorgeschlagen, wie dies ins­ besondere den Fig. 5 und Fig. 6 zu entnehmen ist.

Die Druckausgleichsvorrichtung 2 gemäß Fig. 5 besteht insbesondere aus einer Beruhigungskammer 8, welche sich in Umfangsrichtung des Vorleitgitters 5 an radial innerer Stelle mit einer Umfangsöffnung nach hinten zum nachfol­ genden Laufrad 9 erstreckt, wobei die Umfangsöffnung mit einem radial ausgerichteten Dichtungsflansch 10 des Lauf­ rades 9 abgedeckt ist. Der Dichtungsflansch 10 ist am Laufrad 9 über einen Axialflansch 11 befestigt und sieht an radial innerer Stelle eine Labyrinthdichtung 13 und an radial äußerer Stelle der Umfangsöffnung eine Laby­ rinthdichtung 12 vor.

Die zirkulierende Strömung C nach dem Stand der Technik erfolgt über die obere Labyrinthdichtung 12. In der Be­ ruhigungskammer 8 erfolgt dann ein gewisser Druckausgleich in Umfangsrichtung, wodurch es wieder ermöglicht wird, mit einem nur geringfügig erhöhten Gegendruck im Innen­ raum 7 das Einströmen von Heißgas über die untere Laby­ rinthdichtung 13 zu verhindern. Vorgenannte Druckgleichs­ vorrichtung findet sich zwischen stehendem und rotierendem Teil der Turbine.

Um eine zirkulierende Strömung C in stationären Ringräu­ men 14 des Gehäuses 6 der Gasturbine 1 zu verhindern, werden die Ringräume 14 zwischen stehenden Teilen, die aus anderen Gründen erforderlich sind, gegen die Haupt­ strömung abgedichtet, und zwar mit Hilfe von Sperrglie­ dern 15, beispielsweise in Form von Winkelprofilen, welche die Öffnung 16 als Drosselstelle ausbilden. Um den Wider­ stand für die zirkulierende Strömung C zu erhöhen, werden die Ringräume 14 mit Füllmaterial 17 gefüllt, wie z. B. Metall- oder Mineralwolle, -faser, -gewebe, -schaum. Füllmaterial 17 und Sperrglied 15 ermöglichen gleichwohl einen Druckausgleich und einen Temperaturausgleich im Ringraum 14.

Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeich­ nung dargestellten neuen Merkmale für sich oder in sinn­ voller Kombination sind erfindungswesentlich, auch so weit sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.

Claims (6)

1. Turbomaschine mit transsonisch durchströmten Stufen, insbesondere Gasturbine mit stationärem Vorleitgitter, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgleichsvorrich­ tung (2) zum Druckausgleich von durch Verdichtungs­ stöße (3) an der Austrittskante des Vorleitgitters entstehenden Druckgradienten (4) über dem Umfang hinter dem Leitgitter (5) an Nabe und/oder Gehäuse (6) vorgesehen ist.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsvorrichtung (2) zumindest eine über dem Umfang sich erstreckende nabenseitig ange­ ordnete Beruhigungskammer (8) umfaßt, die zum nach­ folgenden Laufrad (9) hin eine Umfangsöffnung auf­ weist, welche mit einem radial ausgerichteten Dich­ tungsflansch (10) des Laufrades (9) abgedeckt ist.

3. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsflansch (10) als doppelte Umfangs­ dichtung ausgebildet ist.

4. Turbomaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede der beiden Umfangsdichtungen als Labyrinthdichtung (12 bzw. 13) ausgebildet ist.

5. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsvorrichtung (2) einen im Gehäuse (6) angeordneten Ringraum (14) mit einer Verbindung zur Hauptströmung hin umfaßt, die mittels eines Sperr­ gliedes (15) als Drosselstelle ausgebildet ist.

6. Turbomaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringraum (14) mit Füllmaterial (17) wie Metall- oder Mineralwolle, -faser, -gewebe, -schaum, gefüllt ist.