EP0992656A1 - Strömungsmaschine zum Verdichten oder Entspannen eines komprimierbaren Mediums - Google Patents

Strömungsmaschine zum Verdichten oder Entspannen eines komprimierbaren Mediums Download PDF

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EP0992656A1
EP0992656A1 EP98810999A EP98810999A EP0992656A1 EP 0992656 A1 EP0992656 A1 EP 0992656A1 EP 98810999 A EP98810999 A EP 98810999A EP 98810999 A EP98810999 A EP 98810999A EP 0992656 A1 EP0992656 A1 EP 0992656A1
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EP
European Patent Office
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ring channel
ring
channel system
housing
opening
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EP98810999A
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EP0992656B1 (de
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Jakob Prof. Dr. Keller
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
ABB Schweiz AG
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/10—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using sealing fluid, e.g. steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/161—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/164—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps of an axial flow wheel

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine for compression or Relaxing a compressible medium according to the preamble of the claim 1.
  • Turbomachines of the type mentioned above are as rotary machines formed and have blade elements along their axis of rotation on, the free blade ends of the inner wall of the Stand opposite flow housing.
  • the are flowed through axially to the rotor axis of the medium to be compressed usually guide vane plates fixed on one side to the inner wall of the housing attached to the rotary machine and stand with their free end corresponding Contours on the rotor shaft freely opposite.
  • An essential aspect at the optimization of compression efficiency or turbine efficiency is the reduction of leakage currents, i.e. of flow components, of the compressible flowing through the rotary machine Medium between the blade ends or guide blade ends and pass through the contours opposite these.
  • labyrinth seals used, which consist of a large number of interlocking contours, which are almost gastight the spaces between the rotating parts and the fixed housing parts together with the guide vane are able to seal. So can the leakage current is significantly reduced when using labyrinth seals the labyrinth seals themselves with a multitude of individual sealing lips be provided, but this seal form has the disadvantage that ever more labyrinth seals are provided inside a rotary machine and these consist of a large number of individual sealing lips, the larger they become the frictional forces exerted, for example, on the rotating blades from the outside act, causing the mechanical stress on the rotating parts within a rotary machine is increased. In addition, it is rarely possible a sufficient number of labyrinth elements for a high sealing effect to accommodate.
  • Figure 2a shows a cross section through a radial compressor, the one central Has rotor shaft 5, which is arranged in the interior of the housing 4 of the radial compressor is.
  • a nozzle-like contour 11 is connected to the rotor shaft 5 by which by way of rotation preferably air by centrifugal acceleration from the inside to the outside, is driven through the nozzle opening 12.
  • the nozzle opening 12 of the contour 11, an outlet opening 13 is provided within the housing 4, through which the compressed air leaves the radial compressor.
  • the invention has for its object a turbomachine in the preamble of claim 1, namely an axial compressor arrangement or to design an axial turbine arrangement such that without known use of labyrinth seals minimizes the leakage flow the disadvantageous friction effects with labyrinth seals, which not least leads to increased material stresses in the control and Guide blades and limit their lifespan should. Rather, it should be based on the measure known for radial compressors found a practical solution to reduce leakage currents be, the Lekagestrom largely contactless between the rotating and to reduce fixed components of the rotary machine.
  • a turbomachine for compressing or relaxing a compressible medium, with a rotor, on which at least one row of rotor blades is arranged perpendicular to the rotor axis, the individual rotor blades of which have free rotor blade ends on the radial side, which face the inner wall of a housing surrounding the rotor, through the interior of which the compressible one Medium flows axially to the rotor axis, designed in such a way that an annular channel system is provided radially opposite the free ends of the rotor blade of a rotor blade row within the housing surrounding the rotor.
  • the ring channel system preferably extends radially within the housing of the turbomachine around the entire peripheral peripheral edge of a row of moving blades.
  • the area of the The ring channel system is open on one side and is delimited by the blade ends such that an opening channel remains on both sides of a row of blades, through the opening channel of which the compressible medium, preferably air, from the interior of the housing, through which the air flows axially, into the interior flows of the ring channel system and exits the air from the ring channel system into the interior of the housing through the second opening channel.
  • the opening channels mentioned above correspond in the above case to the intermediate gaps between the rotating and stationary components of the turbine arrangement or the compressor arrangement.
  • a ring flow flowing within the ring channel system has the ring channel system and the blade ends at least in areas, which border on the opening channels, surface contours through which the points within the ring channel system where the opening channels open, Pressure conditions are created, which are characterized by the formation of a Set dynamic ring flow within the ring channel system and in correspond approximately to the static pressure conditions in the interior of the housing prevail in the area of the opening channels.
  • the ring flow is preferably generated within the ring channel system in which a small proportion of the compressible medium axially passing through the rotary machine, preferably air, passes into the opening channel between the blade end and the housing, preferably through the opening channel, which is provided in the flow direction in front of the blade, and shortly before entering the ring channel system, it has a flow inner contour which is designed such that the flow passing through the opening channel enters the ring channel with a preferred direction.
  • a ring flow can be induced within the ring channel system opposite the blade ends, which generates the desired pressure conditions after appropriate design of the inner contour of the ring channel system.
  • the blade ends each have a cover band into which the surface contour is incorporated, which is directly opposite the ring channel system.
  • the idea underlying the invention is that the flow is lost within of the ring channel system during the operation of the rotary machine so low as possible. For this it is necessary to keep the pressure conditions within of the ring channel system and the interior of the turbomachine in the Adjust areas of the opening channels.
  • the static pressure conditions in the The interior of the turbomachine is due to its dimensions and performance given to the machine itself. Accordingly, the ring channel system can be designed in such a way as to prevail in the interior static pressure conditions in the area of the opening channels also in the To generate ring channel system yourself.
  • the flow cross section is within the Ring channel system, especially in the area of the opening channels, is reduced in size, that in relation to the flow cross section of the other areas within the Ring channel system, so that a pressure equalization due to a local nozzle effect between the inside of the ring channel and the inside of the flow housing leads.
  • Airflow entering the ring channel can be targeted to cooling channels either in the housing the rotary machine and / or in the rotor blades are provided, through the cooling air in the ring duct system can be specifically fed, with a certain specification of the angle of entry of the cooling line into the ring channel system both the direction as well as the flow velocity within of the ring flow setting ring flow can be specified or influenced can.
  • the air to be compressed passes the turbomachine shown in partial cross-section from right to left (see Arrow display).
  • the blade 1 rotates about the rotor axis 5.
  • the end of the blade 2 has a shroud 9 with a surface contour that is S-shaped is formed and roughly the opposite contour of the inner wall of the ring channel 6 corresponds in this area.
  • On the side of the sound scoop 1 there is an inlet opening channel 7 in the area of the housing provided, through which air can enter the interior of the annular channel 6.
  • the contour of the inlet opening channel 7 is in the region of the transition into the Ring channel 6 formed such that the incoming flow with a preferred direction is introduced into the ring channel.
  • the ring channel flow counterclockwise (see Figure 1a) or clockwise (see FIG. 1b).
  • the Lekagestrom which is through the gap between the Blade end 2 and the housing 4 would form, is limited Ring channel 6 formed in this section as a diffuser, so that the ring flow the inlet channel opening with relatively low flow velocities overflows, which forms a high dynamic pressure, which is about that corresponds to that before entry into the inlet channel opening 7 in the interior of the rotary machine prevails.
  • the inlet opening channel 7 opens inside a curved ring channel course in the ring channel 6 and in particular in the area of the outer curvature of the ring channel, in which the Pressure increase is particularly strict.
  • the exit port channel 8 occurs in particular in a concave annular channel wall section in the ring channel in order to flow in the area of the smallest to lie in the ring channel of the prevailing pressure.
  • the S-shaped contour at the blade end 2 one into the interior of the housing 4 protruding contour section 9 ', a concave section 9 "and a convex section 9 '' 'on the contour sections 9', 9 '' and 9 '' ' are designed as protruding blade ribs, which arise from the plane of the Raise the blade end 2 and protrude into the ring channel system 6.
  • Cooling channel 10 is supplied with cooling air.
  • the flow rate of Ring current influenced within the ring channel 6 and its direction of flow become.
  • the cooling channel enters the ring channel 6 in such a way that so that an increased ring current is formed counterclockwise.
  • a corresponding arrangement for the formation of a ring current clockwise is shown in Figure 3b.
  • the blade 1 each has a cooling outlet channel 10, which depending on its direction of entry into the cooling channel 6 Ring flow with regard to their flow direction and flow speed can influence.
  • the embodiments according to 4a and b with a cooling system 10 passing through the housing 4 can be combined according to the embodiment 3a, b.
  • FIGS. 5 a and b show different embodiments of the shroud 9 shown on a Lautschaufel 2.
  • Figure 5a are on the blade end 2 several small rotor blades 15 are provided, which over the Elevate blade end 2 and extend into ring channel 6.
  • the representation corresponds to the view within the ring channel on the shroud 9 of the blade end 2.
  • Spaced by a gap 14 closes the housing 4 to the left and right of the blade.
  • the housing 4 has adjacent to the gaps 14, also ribs 16, which the Lead ring flow within the ring channel 6.
  • a Ring flow oriented from left to right and corresponds essentially to that Embodiment according to Figure 1a.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Beschrieben wird eine Strömungsmaschine zum Verdichten oder Entspannen eines komprimierbaren Mediums, mit einem Rotor, an dem senkrecht zur Rotorachse (5) wenigstens eine Laufschaufelreihe angeordnet ist, deren einzelne Laufschaufeln (1) radialseitig freie Lautschaufelenden (2) aufweisen, die der Innenwand (3) eines den Rotor umgebenden Gehäuses (4) freibeweglich gegenüberstehen, durch dessen Innenraum das komprimierbare Medium axial zur Rotorachse (5) strömt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß innerhalb des den Rotor umgebenden Gehäuses (4), den freien Enden (2) der Laufschaufeln (1) einer Laufschaufelreihe unmittelbar radial gegenüberliegend, ein Ringkanalsystem (6) vorgesehen ist, das im Bereich der Laufschaufelenden (2) einseitig offen ausgebildet sowie von den Laufschaufelenden (2) begrenzbar ist und beidseitig zur Laufschaufelreihe jeweils einen Öffnungskanal (7, 8) aufweist, durch dessen einen Öffnungskanal (7) das komprimierbare Medium aus dem Innenraum des Gehäuses (4) in das Innere des Ringkanalsystem (6) einströmt und durch den zweiten Öffnungskanal (8) das komprimierbare Medium aus dem Ringkanalsystem (6) in den Innenraum des Gehäuses (4) austritt, und daß das Ringkanalsystem (6) sowie die Laufschaufelenden (2) zumindest in Bereichen, die an den Öffnungskanälen (7, 8) angrenzen, Oberflächenkonturen aufweisen, durch an den Stellen innerhalb des Ringkanalsystems (6), an denen die Öffnungskanäle (7, 8) einmünden, Druckverhältnisse geschaffen werden, die sich durch die Ausbildung einer dynamischen Ringströmung innerhalb des Ringkanalsystems (6) einstellen und in etwa den statischen Druckverhältnissen entsprechen, die im Innenraum des Gehäuses jeweils im Bereich der Öffnungskanäle vorherrschen. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschine zum Verdichten oder Entspannen eines komprimierbaren Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Strömungsmaschinen der vorstehend genannten Gattung sind als Rotationsmaschinen ausgebildet und weisen entlang ihrer Rotationsachse Laufschaufelelemente auf, deren freie Laufschaufelenden frei beweglich der Innenwand des Strömungsgehäuses gegenüber stehen. Im Falle von Rotationsmaschinen, die axial zur Rotorachse von dem zu verdichtenden Medium durchströmt werden, sind üblicherweise Leitschaufelbleche einseitig fest an der Innenwand des Gehäuses der Rotationsmaschine angebracht und stehen mit ihrem freien Ende entsprechenden Konturen an der Rotorwelle frei gegenüber. Ein wesentlicher Aspekt bei der Optimierung des Verdichtungswirkungsgrades oder des Turbinenwirkungsgrades derartiger Rotationsmaschinen ist die Reduzierung von Lekageströmen, d.h. von Strömungsanteilen, des die Rotationsmaschine durchströmenden komprimierbaren Mediums, die zwischen den Laufschaufelenden bzw. Leitschaufelenden und den diesen gegenüberliegenden Konturen hindurchtreten. Zur Reduzierung bzw. Vermeidung derartiger Lekageströme werden sogenannte Labyrinthdichtungen eingesetzt, die aus einer Vielzahl ineinandergreifender Konturen bestehen, die nahezu gasdicht die Zwischenräume zwischen den rotierenden Teilen und den feststehenden Gehäuseteilen nebst Leitschaufel abzudichten vermögen. So kann der Lekagestrom bei Verwendung von Labyrinthdichtungen erheblich reduziert werden, indem die Labyrinthdichtungen selbst mit einer Vielzahl einzelner Dichtlippen versehen werden, doch haftet dieser Dichtungsform der Nachteil an, daß je mehr Labyrinthdichtungen im Inneren einer Rotationsmaschine vorgesehen sind und diese aus einer Vielzahl einzelner Dichtlippen bestehen, um so größer werden die Reibungskräfte, die bspw. auf die rotierenden Laufschaufeln peripher von außen einwirken, wodurch die mechanische Belastung der rotierenden Teile innerhalb einer Rotationsmaschine erhöht wird. Ausserdem ist es nur selten möglich, eine für eine hohe Dichtungswirkung ausreichende Zahl von Labyrinthelemeten unterzubringen.
Eine andere Lösung zur Reduzierung von Lekageströmen ist bei Radialverdichteranordnungen beschritten worden, der in Verbindung mit Figur 2 kurz beschrieben werden soll.
Figur 2a zeigt einen Querschnitt durch einen Radialverdichter, der eine zentrale Rotorwelle 5 aufweist, die im Inneren des Gehäuses 4 des Radialverdichters angeordnet ist. Mit der Rotorwelle 5 ist eine düsenartige Kontur 11 verbunden, durch die im Wege der Rotation vorzugsweise Luft durch die Zentrifugalbeschleunigung von innen nach außen, durch die Düsenöffnung 12 getrieben wird. Die Düsenöffnung 12 der Kontur 11 ist eine Austrittsöffnung 13 innerhalb des Gehäuses 4 vorgesehen, durch die die verdichtete Luft den Radialverdichter verläßt. Um zu verhindern, daß Lekageströme zwischen der Kontur 11 und dem Innengehäuse 4 durch die Zwischenräume 14 entweicht, sind keine, wie im vorstehend geschilderten Fall bei Axialverdichtern Labyrinthdichtungen vorgesehen, sondern das feststehende Gehäuse ist von der rotierenden Kontur 4 durch einen Spalt absichtlich beabstandet, so daß ein Lekagestrom grundsätzlich fließen könnte. Um jedoch den Lekagestrom trotz bestehenden Spaltes zu reduzieren, sind an der Außenseite der Kontur 11 über die Kontur 11 erhabene Rippen 14 angebracht (s. hierzu Figur 2d, aus der eine Schnittzeichnung entlang der Schnittlinie A ― A in abgewickelter Form abgebildet ist), die aufgrund ichhrer Radialbewegung in den Zwischenräumen 14 eine Ringströmung induzieren, die statische Druckverhältnisse innerhalb der Zwischenräume 14 schaffen, die mit den Druckverhältnissen übereinstimmen, die im Bereich der Verbindungsspalte innerhalb der Hauptströmung vorherrschen. Durch einen derartigen Druckangleich zwischen dem Inneren der Zwischenräume 14 und der Hauptströmung kommen jegliche Lekageströme weitgehend zum Erliegen.
Zwar muß ein bestimmter Anteil von Rotationsenergie in die Generierung einer im Innenraum der Zwischenräume 14 erforderlichen Ringströmung investiert werden, doch zeigen Untersuchungen und Messungen, daß ein diesbezüglicher Energieaufwand unter der Energie liegt, die hauptsächlich durch Leckage bei Verwendung von Labyrinthdichtungen verloren geht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung, nämlich eine Axialverdichteranordnung oder Axialturbinenanordnung derart auszugestalten, daß unter Verzicht auf an sich bekannte Verwendung von Labyrinthdichtungen die Lekageströmung minimiert werden soll, wobei die nachteilhaften Reibungseffekte bei Labyrinthdichtungen, die nicht zuletzt zu erhöhten Materialbeanspruchungen in den Leit- und Laufschaufeln führen und deren Lebensdauer begrenzen, ausgeschlossen werden sollen. Vielmehr soll in Anlehnung an die bei Radialverdichtern bekannte Maßnahme zur Reduzierung von Lekageströmen eine praktikable Lösung gefunden werden, den Lekagestrom weitgehend berührungsfrei zwischen den rotierenden und feststehenden Komponenten der Rotationsmaschine zu reduzieren.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Strömungsmaschine zum Verdichten oder Entspannen eines komprimierbaren Mediums, mit einem Rotor, an den senkrecht zur Rotorachse wenigstens eine Laufschaufelreihe angeordnet ist, deren einzelne Laufschaufeln radialseitig freie Laufschaufelenden aufweisen, die der Innenwand eines den Rotor umgebenden Gehäuses gegenüberstehen, durch dessen Innenraum das komprimierbare Medium axial zur Rotorachse strömt, dadurch ausgebildet, daß innerhalb des den Rotor umgebenden Gehäuses den freien Enden der Laufschaufel einer Laufschaufelreihe unmittelbar radial gegenüberliegend, ein Ringkanalsystem vorgesehen ist. Das Ringkanalsystem erstreckt sich vorzugsweise innerhalb des Gehäuses der Strömungsmaschine radial um den gesamten peripheren Umfangsrand einer Laufschaufelreihe. Der den Laufschaufenden gegenüberliegende Bereich des
Ringkanalsystems ist einseitig offen ausgebildet und wird von den Laufschaufelenden derart begrenzt, daß beidseitig zu einer Laufschaufelreihe jeweils ein Öffnungskanal verbleibt, durch dessen einen Öffnungskanal das komprimierbare Medium, vorzugsweise Luft aus dem Innenraum des Gehäuses, das axial von der Luft durchströmt wird, in das Innere des Ringkanalsystems einströmt und durch den zweiten Öffnungskanal die Luft aus dem Ringkanalsystem in den Innenraum des Gehäuses wieder austritt. Die vorstehend genannten Öffnungskanäle entsprechen im vorstehenden Fall den Zwischenspalten zwischen den rotierenden und feststehenden Komponenten der Turbinenanordnung bzw. der Verdichteranordnung.
Zur Erzeugung einer innerhalb des Ringkanalsystems fließenden Ringströmung weist das Ringkanalsystem sowie die Laufschaufelenden zumindest in Bereichen, die an den Öffnungskanälen angrenzen, Oberflächenkonturen auf, durch die an den Stellen innerhalb des Ringkanalsystems, an denen die Öffnungskanäle einmünden, Druckverhältnisse geschaffen werden, die sich durch die Ausbildung einer dynamischen Ringströmung innerhalb des Ringkanalsystems einstellen und in etwa den statischen Druckverhältnissen entsprechen, die im Innenraum des Gehäuses jeweils im Bereich der Öffnungskanäle vorherrschen.
So wird die Ringströmung vorzugsweise derart innerhalb des Ringkanalsystems erzeugt, in dem ein geringer Anteil des durch die Rotationsmaschine axial hindurchtretenden komprimierbaren Mediums, vorzugsweise Luft in den Öffnungskanal zwischen Laufschaufelende und Gehäuse hindurchtritt, vorzugsweise durch den Öffnungskanal, der in Strömungsrichtung vor der Laufschaufel vorgesehen ist, und weist kurz vor Eintritt in das Ringkanalsystem eine Strömungsinnenkontur auf die derart ausgebildet ist, daß die durch den Öffnungskanal hindurchtretende Strömung mit einer Vorzugsrichtung in den Ringkanal eintritt. Auf diese Weise kann innerhalb des den Laufschaufelenden gegenüberliegenden Ringkanalsystems eine Ringströmung induziert werden, die nach entsprechender Ausbildung der Innenkontur des Ringkanalsystems die gewünschten Druckverhältnisse erzeugt.
Die Laufschaufelenden weisen hierzu jeweils ein Deckband auf, in das die Oberflächenkontur eingearbeitet ist, die dem Ringkanalsystem unmittelbar gegenübersteht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist, daß der Strömungsverlußt innerhalb des Ringkanalsystems während des Betriebs der Rotationsmaschine so gering wie nur möglich sein soll. Hierzu ist es erforderlich, die Druckverhältnisse innerhalb des Ringkanalsystems und dem Innenraum der Strömungsmaschine in den Bereichen der Öffnungskanäle anzupassen. Die statischen Druckbedingungen im Innenraum der Strömungsmaschine sind durch die Dimensionierung und das Leistungsvermögen der Maschine selbst vorgegeben. Demzufolge muß das Ringkanalsystem derart ausgelegt werden, um die vorgegebenen, im Innenraum vorherrschenden statischen Druckverhältnisse im Bereich der Öffnungskanäle auch im Ringkanalsystem selbst zu erzeugen.
Um dies bewerkstelligen zu können, ist der Strömungsquerschnitt innerhalb des Ringkanalsystems insbesondere im Bereich der Öffnungskanäle derart verkleinert, daß im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt der übrigen Bereiche innerhalb des Ringkanalsystems, so daß aufgrund einer lokalen Düsenwirkung ein Druckausgleich zwischen Ringkanalinnerem und dem Inneren des Strömungsgehäuses führt.
Zusätzlich zu dem, durch die Strömungsdynamik der Rotationsmaschine in den Ringkanal eintretenden Luftstrom können gezielt Kühlkanäle entweder im Gehäuse der Rotationsmaschine und/oder in den Laufschaufeln vorgesehen werden, durch die Kühlluft in das Ringkanalsystem gezielt einspeisbar ist, wobei durch eine bestimmte Vorgabe des Eintrittswinkels der Kühlleitung in das Ringkanalsystem sowohl die Richtung als auch die Strömungsgeschwindigkeit der sich innerhalb des Ringkanals einstellenden Ringströmung vorgegeben bzw. beeinflußt werden kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a, b
Querschnittsdarstellung durch ein Laufschaufelende, das zusammen mit einer Innenkontur des Gehäuses einen Ringkanal einschließt,
Fig. 2
Querschnittsdarstellung durch einen Radialverdichter gemäß Stand der Technik,
Fig. 3a, b
Querschnittsdarstellung durch ein Ringkanalsystem mit einem im Gehäuse vorgesehenen Kühlkanal,
Fig. 4a, b
Querschnittsdarstellung durch Ringkanalsystem mit einem Kühlkanal, der die Laufschaufel durchsetzt, und.
Fig. 5a, b
Draufsicht auf Laufschaufelende aus dem Inneren des Ringkanals
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1a und b soll die Ausbildung der Ringströmung innerhalb des Ringskanals 6, der hauptsächlich im Gehäuse 4 verläuft und einseitig von den Laufschaufelradenden 2 begrenzt ist, dargestellt werden.
In beiden Darstellungen der Figur 1a und b durchtritt die zu komprimierende Luft die im Teilquerschnitt dargestellte Strömungsmaschine von rechts nach links (s. Pfeildarstellung). Dabei rotiert die Laufschaufel 1 um die Rotorachse 5. Das Laufschau-felende 2 weist ein Deckband 9 mit einer Oberflächenkontur auf, die S-förmig ausgebildet ist und in etwa der Gegenkontur der Innenwand des Ringkanals 6 in diesem Bereich entspricht. Auf der der Hauptströmung H zugewandten Seite der Lautschaufel 1 ist im Bereich de Gehäuses ein Eintrittsöffnungskanal 7 vorgesehen, durch den Luft in das Innere des Ringkanals 6 eintreten kann. Die Kontur des Eintrittsöffnungskanals 7 ist dabei im Bereich des Überganges in den Ringkanals 6 derart ausgebildet, daß die eintretende Strömung mit einer Vorzugsrichtung in den Ringkanal eingeleitet wird. Je nach Krümmung der Eintrittskontur innerhalb des Eintrittsöffnungskanals 7 in Richtung Ringkanal 6 kann die Ringkanalströmung entgegen des Uhrzeigersinns (s. hierzu Figur 1a) oder im Uhrzeigersinn (s. hierzu Figur 1b) orientiert werden.
Um einen Druckangleich zwischen dem Inneren des Ringkanals 6 und dem Innenraum der Strömungsmaschine im Bereich des Eintrittsöffnungskanals 7 zu schaffen, damit der Lekagestrom, der sich durch den Zwischenspalt zwischen dem Laufschaufelende 2 und dem Gehäuse 4 ausbilden würde, begrenzt wird, ist der Ringkanal 6 in diesem Abschnitt als Diffusor ausgebildet, so daß die Ringströmung die Eintrittskanalöffnung mit relativ kleinen Strömungsgeschwindigkeiten überströmt, wodurch sich ein hoher dynamischer Druck ausbildet, der in etwa dem entspricht, der vor Eintritt in die Eintrittskanalöffnung 7 im Innenraum der Rotationsmaschine vorherrscht. Insbesondere mündet der Eintrittsöffnungskanal 7 innerhalb eines gekrümmten Ringkanalverlaufes in den Ringkanal 6 ein und insbesondere im Bereich der Krümmungsaußenwand des Ringkanals, in dem sich der Druckanstieg besonders strak ausbildet.
In umgekehrter Weise verhält es sich mit der Ausbildung der Innenkontur des Ringkanals im Bereich des Austrittsöffnungskanals 8, in dem der Ringkanal in Strömungsrichtung als Düsenkontur ausgebildet ist, durch die die Ringströmung beschleunigt wird, wodurch der im Ringkanal vorherrschende Druck in der Weise absinkt, daß er in etwa dem Außendruck innerhalb des Innenraums der Rotationsmaschine im Bereich des Austrittsöffnungskanals 8 entspricht. Der Austrittsöffnungskanal 8 tritt insbesondere in einem konkav ausgebildeten Ringkanalwandabschnitt in den Ringkanal ein um strömungstechnisch im Bereich des geringsten im Ringkanal vorherrschenden Druckes zu liegen. Durch den gekrümmten Verlauf des Ringkanals im Bereich des Austrittsöffnungskanals 8 entsteht ein lateral zur Strömungsrichtung orientierter Druckgradient, der in Richtung der konvex ausgebildeten Innenwand zunimmt.
Um die vorstehenden Druckverhältnisse geeignet einstellen zu können, weist die S-förmige Kontur am Laufschaufelende 2, einen in das Innere des Gehäuses 4 hineinragenden Konturabschnitt 9', einen konkav verlaufenden Abschnitt 9" sowie einen konvex verlaufenden Abschnitt 9''' auf Die Konturabschnitte 9', 9'' und 9''' sind als vorstehende Schaufelrippen ausgebildet, die sich aus der Ebene des Laufschaufelendes 2 erheben und in das Ringkanalsystem 6 hineinragen.
In den Figuren 3a und 3b sind Querschnittsdarstellungen durch ein Ringkanalsystem gezeigt, das jeweils durch einen zusätzlichen im Gehäuse 4 vorgesehen Kühlkanal 10 mit Kühlluft versorgt wird. Je nach Eintrittsrichtung der in den Ringkanal 6 eintretende Kühlzuluftstrom kann die Strömungsgeschwindigkeit des Ringstromes innerhalb des Ringkanals 6 sowie dessen Strömungsrichtung beeinflußt werden. Im Fall der Figur 3a tritt der Kühlkanal derart in den Ringkanal 6 ein, so daß sich ein verstärkter Ringstrom entgegen des Uhrzeigersinns ausbildet. Eine entsprechende Anordnung zur Ausbildung eines Ringstromes in Uhrzeigersinn ist in Figur 3b dargestellt. Neben der unmittelbaren Beeinflussung des dynamischen Strömungsverhaltens des Ringstromes innerhalb des Ringkanals 6 vermag die Kühlluft sowohl das Gehäuse 4 als auch die Blattspitzenbereiche der Laufschaufeln 1 gezielt zu kühlen, wodurch die thermische Belastung der einzelnen Komponenten reduziert werden kann.
In den Abbildungen 4a und 4b weist jeweils die Laufschaufel 1 einen Kühlaustrittskanal 10 auf, der in Abhängigkeit seiner Eintrittsrichtung in den Kühlkanal 6 die Ringströmung hinsichtlich ihrer Strömungsrichtung sowie Strömungsgeschwindigkeit beeinflussen kann. Selbstverständlich können die Ausführungsformen gemäß der Figuren 4a und b mit einem das Gehäuse 4 durchsetzenden Kühlsystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel 3a, b kombiniert werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Ringkanalsystems innerhalb des Gehäuses 4, da im Gehäuse 4 vollständig radial umläuft und jeweils den Laufschaufelreihen gegenüberliegend angeordnet ist, kann der Lekagestrom, der sich im Zwischenraum zwischen den Laufschaufelenden und dem Gehäuse üblicherweise ausbildet erheblich reduziert werden, ohne dabei merkliche Reibungsverluste in Kauf nehmen zu müssen, wie sie sich bei der Verwendung von Labyrinthdichtungen in axialen Strömungsmaschinen ausbilden. Durch die Verwendung zusätzlicher Kühlkanalsysteme, die neben an sich bekannten Kühlzwecken der gezielten Versorgung der Ringströmung mit Kühlluft dienen, kann eine fein dosierte Druckanpassung zwischen den vorstehend beschriebenen Bereichen innerhalb des Ringkanals eingestellt werden, wodurch der Lekagestrom nahezu vollständig zum erliegen kommt.
In den Figuren 5 a und b sind unterschiedliche Ausführungsformen des Deckbandes 9 auf einer Lautschaufel 2 dargestellt. In Figur 5a sind auf dem Laufschaufelende 2 mehrere kleine Laufschaufelblätter 15 vorgesehen, die sich über das Laufschaufelende 2 erheben und sich in den Ringkanal 6 erstrecken. Die Darstellung entspricht der Sicht innerhalb des Ringkanals auf das Deckband 9 des Laufschaufelendes 2. Beabstandet durch jeweils einen Zwischenraum 14 schließt sich links und rechts neben der Laufschaufel das Gehäuse 4 an. Das Gehäuse 4 weist an den Zwischenräumen 14 angrenzend, ebenfalls Rippen 16 auf, die die Ringströmung innerhalb des Ringkanals 6 führen. Im Falle der Figur 5 a ist die Ringströmung von links nach rechts orientiert und entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a.
In Figur 5 b befinden sich geradlinige Rippen 17 auf dem Laufachaufelende 2, die in das Innere des Ringkanalsystem hineinragen. Nur in entgegengesetzer Orientierung zum Fall der Ausführungsfrom der Figur 5 a sind am Gehäuse 4 wieder Umelnkelemente in Form von geschwungen verlaufenden Rippen 16 vorgesehen. Die Strömungsrichtung der Ringströmung ist, vergleichsweise zu Figur 1 b, nun von rechts nach links orientiert.
Bezugszeichenliste
1
Laufschaufel
2
Laufschaufelende
3
Innenwand
4
Gehäuse
5
Rotorachse
6
Ringkanalsystem
7, 8
Öffnungskanal
9
Deckband
9'
Konturabschnitt des Laufschaufelendes
9''
Konkav verlaufender Abschnitt
9'''
Konvex verlaufender Abschnitt
10
Kühlsystem, Kühlkanal
11
Düsenartige Kontur
12
Düsenöffnung
13
Austrittsöffnung
14
Zwischenraum
15
kleine Laufschaufelblätter
16
Rippen am Gehäuse
17
Rippen auf Laufschaufelende

Claims (11)

  1. Strömungsmaschine zum Verdichten oder Entspannen eines komprimierbaren Mediums, mit einem Rotor, an dem senkrecht zur Rotorachse (5) wenigstens eine Laufschaufelreihe angeordnet ist, deren einzelne Laufschaufeln (1) radialseitig freie Laufschaufelenden (2) aufweisen, die der Innenwand (3) eines den Rotor umgebenden Gehäuses (4) freibeweglich gegenüberstehen, durch dessen Innenraum das komprimierbare Medium axial zur Rotorachse (5) strömt, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des den Rotor umgebenden Gehäuses (4), den freien Enden (2) der Laufschaufeln (1) einer Laufschaufelreihe unmittelbar radial gegenüberliegend, ein Ringkanalsystem (6) vorgesehen ist, das im Bereich der Laufschaufelenden (2) einseitig offen ausgebildet sowie von den Lautschaufelenden (2) begrenzbar ist und beidseitig zur Laufschaufelreihe jeweils einen Öffnungskanal (7, 8) aufweist, durch dessen einen Öffnungskanal (7) das komprimierbare Medium aus dem Innenraum des Gehäuses (4) in das Innere des Ringkanalsystem (6) einströmt und durch den zweiten Öffnungskanal (8) das komprimierbare Medium aus dem Ringkanalsystem (6) in den Innenraum des Gehäuses (4) austritt, und daß das Ringkanalsystem (6) sowie die Laufschaufelenden (2) zumindest in Bereichen, die an den Öffnungskanälen (7, 8) angrenzen,Oberflächenkonturen aufweisen, durch die an den Stellen innerhalb des Ringkanalsystems (6), an denen die Öffnungskanäle (7, 8) einmünden, Druckverhältnisse geschaffen werden, die sich durch die Ausbildung einer dynamischen Ringströmung innerhalb des Ringkanalsystems (6) einstellen und in etwa den statischen Druckverhältnissen entsprechen, die im Innenraum des Gehäuses jeweils im Bereich der Öffnungskanäle vorherrschen.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Laufschaufelende (2) ein Deckband (9) vorgesehen ist, in dem die Oberflächenkontur eingearbeitet ist, die in etwa als Gegenkontur zur Oberflächenkontur des Ringkanalsystems (6) im einseitig offen ausgestalteten Bereich ausgebildet ist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungskanal (7), durch den das komprimierbare Medium in das Ringkanalsystem (6) einströmt, einerseits durch einen Konturabschnitt (9') des Laufschaufelendes (2), der in eine Ausnehmung innerhalb des Gehäuses (4) hineinragt und andererseits durch das Gehäuse (4) begrenzt ist.
  4. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungskanal (7) am Ort des Eintritts in das Ringkanalsystem (6) eine Innenkontur vorsieht, die sich aus der Formgebung des Konturabschnitts (9') des Laufschaufelendes (2) sowie des Gehäuses (4) ergibt, durch die das in das Ringkanalsystem (6) einströmende, komprimierbare Medium eine bevorzugte Strömungsrichtung innerhalb des Ringkanalsystems (6) erhält, die die Strömungsrichtung der Ringströmung bestimmt.
  5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckband (9) des Laufschaufelendes (2) S-förmig ausgebildet ist und einen konvex (9'') sowie einen konkav (9''') verlaufenden Abschnitt aufweist, und daß der konvexe Abschnitt (9'') an dem Öffnungskanal (8) angrenzt durch den das komprimierbare Medium aus dem Ringkanalsystem (6) austritt und der konkave Abschnitt (9''') an dem Öffnungskanal (7) angrenzt, durch den das komprimierbare Medium in das Ringkanalsystem (6) einströmt.
  6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkanalsystem (6) in Strömungsrichtung der Ringströmung vor dem Öffnungskanal (8), durch den das komprimierbare Medium austritt, eine Strömungsquerschnittsverjüngung und nach dem Öffnungskanal (8) eine Strömungsquerschnittvergrößerung aufweist.
  7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungskanal (8), durch den das komprimierbare Medium aus den Ringkanalsystem austritt, in einem Bereich in das Ringkanalsystem (6) einmündet, in dem der Ringkanal gekrümmt verläuft, und daß der Öffnungskanal (8) in diesem Bereich an einer Stelle möglichst größter Krümmung in den Ringkanal einmündet.
  8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungskanal (7), durch den das komprimierbare Medium in das Ringkanalsystem (6) eintritt, in einem Bereich des Ringkanalsystems (6) einmündet, in dem der Ringkanal gekrümmt verläuft, und daß der Öffnungskanal (7) in diesem Bereich an einer Stelle möglichst kleinster Krümmung in den Ringkanal einmündet.
  9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (4) ein Kühlkanalsystem (10) vorgesehen ist, das mit dem Ringkanalsystem (6) derart verbunden ist, daß durch die Eintrittsrichtung relativ zum Verlauf des Ringkanals, mit der das Kühlsystem (10) in das Ringkanalsystem (6) einmündet, eine Strömungsrichtung der Ringströmung vorgebbar ist.
  10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Laufschaufel (1) ein Kühlkanalsystem (11) vorgesehen ist, das über das Laufschaufelende (2) in das Ringkanalsystem (6) einmündet.
  11. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkanalsystem (6) im Gehäuse (4) radial zu den Laufschaufeln (1) in geschlossen umlaufender Form ausgebildet ist.
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