WO2011029420A1 - Umlenkvorrichtung für einen leckagestrom in einer gasturbine und gasturbine - Google Patents

Umlenkvorrichtung für einen leckagestrom in einer gasturbine und gasturbine Download PDF

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WO2011029420A1
WO2011029420A1 PCT/DE2010/001020 DE2010001020W WO2011029420A1 WO 2011029420 A1 WO2011029420 A1 WO 2011029420A1 DE 2010001020 W DE2010001020 W DE 2010001020W WO 2011029420 A1 WO2011029420 A1 WO 2011029420A1
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deflection
deflection device
webs
outlet
deflecting
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PCT/DE2010/001020
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Inventor
Jürgen Kraus
Inga Mahle
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
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    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a deflection device for deflecting a leakage flow in a gas turbine, in particular an aircraft engine, according to the preamble of patent claim 1 and a gas turbine with such a deflection device according to the preamble of patent claim 13.
  • the deflection device is designed as a guide plate in front of a rotor disk accommodating the rotor blade row or according to EP 1 582 697 B1 as groove-like depressions in the rear platform regions of a row of guide blades upstream of the rotor blade row to be cooled.
  • US Pat. No. 7,244,104 B2 proposes groove-like recesses in the front platform region of the blade row to be cooled.
  • the deflection device is designed as radially extending blade-like projections on blade roots of the blade row to be cooled. A Kavmaschineenströmung is not removable from the prior art.
  • the object of the invention is to provide a deflection device for deflecting a leakage flow in a gas turbine, which eliminates the aforementioned disadvantages and leads to a reduction of the mixing losses, as well as to provide a gas turbine with such a deflection device.
  • a deflection device for deflecting a leakage flow in a gas turbine when emerging from an annular space formed between a row of blades and an opposite peripheral component section into a main flow channel has a plurality of deflection webs defining a plurality of individual exit channels in the exit of the annular space.
  • At least a partial flow of the leakage stream flows out of the annulus between the diverter bars through the exit channels thereby reducing differences in directional components as well as axial and circumferential velocity components between the leakage flow and a main flow in the main flow channel, resulting in a reduction in mixing losses and thus an increase in efficiency the gas turbine results.
  • the flow of the following row of blades in the wall area is improved by the deflection device according to the invention.
  • the deflecting webs on blade roots are the blade row following the outlet and thus are rotating.
  • the deflecting webs are arranged on a rotor ring or on axial securing elements of the rotor blades. At the rotating deflecting webs is particularly advantageous that they make an energy input into the leakage current through their rotation. This facilitates the adaptation of the velocity of the leakage flow to the velocity of the main flow.
  • the deflecting webs of plate-like projections of the outlet be covered subsequent blade row between which recesses are formed for the passage of the leakage channel.
  • the shape of the recesses may vary, for example, open on one side, slotted or slot-like.
  • the height or radial extension of the recesses can be made constant or different.
  • the deflecting webs are fixedly formed on a housing section or on a platform of the Leitschaüfel Hor following the outlet.
  • At least one sealing strip arranged opposite to the flow direction of the leakage stream may be formed on the shroud of the moving blades to form a radial sealing gap and thus to reduce a leakage loss.
  • the leakage flow is reduced by a narrowing of the flow cross-section above the sealing fins.
  • the outlet channels can each have a convergent cross section, so that the leakage flow in the outlet channels is accelerated.
  • the flow of the outlet channels is improved if at least some deflecting webs have a blade section which is curved in the direction of rotation.
  • guide channels are formed and thus directed the leakage current directed to the outlet channels.
  • the vane sections may be of the same geometry as, for example, radial length or variously.
  • the guide channels can have a constant cross-sectional area.
  • the exit channels or the guide channels can have constant or different exit angles or entry angles. For example, the exit angles may be radial or set in the axial and circumferential directions of the rotor.
  • a gas turbine according to the invention has a housing with a plurality of vanes and a rotatably mounted in the housing rotor with a plurality of blades.
  • the guide vanes and the blades of a row of blades limit shovel tip side a radially inner and a radially outer annulus, in each of which forms a leakage current, which mixes after flowing through the respective annulus with a main stream.
  • at least one annular space is in the region of its outlet a deflection device having a plurality of deflecting webs for forming a plurality of outlet channels.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the deflection device according to the invention in the region of a rotor cavity
  • FIG. 2 shows a perspective view of a first embodiment of the deflection device according to the invention
  • FIG. 3 is a perspective plan view in the circumferential direction of a second embodiment of the deflection device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a perspective top view in the axial direction of the second exemplary embodiment from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a side view of the second exemplary embodiment from FIG. 3,
  • FIG. 6 shows a perspective view of a third exemplary embodiment of the deflection device according to the invention
  • Figure 7 is a side view of a fourth exemplary embodiment of the deflection device according to the invention.
  • FIG 8 shows a side view of a fifth exemplary embodiment of the deflection device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the arrangement of a deflection device 2 according to the invention for deflecting and accelerating a leakage flow 6 in a low-pressure turbine of an aircraft engine, which enters from a rotor-side annulus 4 and a rotor cavity in a main flow channel 8.
  • the low-pressure turbine has a housing, not shown, and a stator, not shown, which has a plurality of vanes 10 arranged in rows of blades.
  • a rotor 12 is rotatably mounted, which carries a plurality of arranged in blade rows of blades 14.
  • the guide vanes 10 are provided on the blade tip side with a shroud 16, which defines the annular space 4 of a row of guide vanes with an opposing rotor-side component section 18.
  • the annular space 4 is divided by two rotor-side sealing strips 20, 22 into a front chamber 24, a middle chamber 26 and a rear chamber 28.
  • the sealing strips 20, 22 each delimit a sealing gap 30, 32 for reducing leakage losses, through which the leakage flow 6 enters the respective adjacent chamber 26, 28.
  • the deflection device 2 is arranged in the outlet 34 of the annular space 4 or the rear chamber 28. As can be seen in the following figures 2 to 6, the deflection device 2 is rotatably mounted on or with the rotor 12.
  • a leakage flow 6 enters the front chamber 24 from a main flow 36 flowing through the main flow channel 8, flows over the sealing strips 20, 22 and re-enters the main flow channel 8 via the rear chamber 28.
  • at least a partial flow of the leakage flow 6 is deflected by the deflection device 2 and accelerated, so that differences in axial and peripheral speed between the leakage and the main flow 6, 36 are reduced, resulting in reduced mixing losses in comparison to conventional annular spaces without the deflection device according to the invention 2 results.
  • the blades 14 of the subsequent blade row are better flown in the wall area, so that in addition to reducing the mixing losses and flow losses are minimized.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a deflection device 2 according to the invention in the region of an outlet 34 of a rotor cavity 4 (not shown) (not shown), which is arranged in each case on the blade root 38 of a rotor blade 14.
  • the rotor blades 14 are each arranged with their fir-tree-like blade root 38 in a correspondingly formed recess 40 of a rotor disk 42 and in each case via an axial securing element 44 in the region its blade feet 38 in the axial direction to the rotor disk 42 fixed in position.
  • the deflection device 2 has a multiplicity of finger-like deflecting webs 46 extending approximately parallel to a main flow 36 (not shown), between each of which a slot-like outlet channel 48 for the escape of the leakage flow 6 from the annular space 4 is formed.
  • the deflection device 2 has a chamber-like shape.
  • the deflecting webs 46 are wedge-shaped in such a way that opposite deflecting surfaces 50, 52 of adjacent deflecting webs 46 converge toward one another and thus the outlet passages 48 are formed with converging or narrowing cross-sectional areas.
  • the peripheral surfaces 50, 52 are flat. However, they can also be curved or convex and concave.
  • the deflection webs 46 and outlet channels 48 have constant exit angle and entry angle for the leakage flow. 6
  • each third deflection web 46 has a blade section 54 which extends approximately radially along the corresponding blade root 38.
  • the vane sections 54 have a concave guide surface 56 and an opposite convex guide surface 58 and taper in the radial direction. They form a curvature which runs in the direction of rotation of the rotor disk 42.
  • a radially inner free end portion is formed shortened in the axial direction relative to the deflection web 46, so that a step-shaped end surface 60 results.
  • the respective course of the blade sections 54 and the curvature define an entry angle of the leakage flow 6 into the deflection device 2, which is designed to be constant in all the blade sections 54 in the exemplary embodiment shown here.
  • the vane sections 54 by their Umlenk gr. Curvature angle, their height or radial extent and their height-aspect ratio defined.
  • the term "length” is understood to mean its extent along the rotor longitudinal axis and thus its axial extent.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a deflection device 2 according to the invention in the region of an outlet 34 of a rotor cavity 4 (compare FIG. 1), which is formed on a rotor ring 62, a so-called inner air seal ring.
  • the rotor ring 62 surrounds a rotor portion and has a plate-like base body 64 with two radially of the
  • the sealing strips 20, 22 have a tapered head section and divide the rotor cavity 4 into a front chamber 24, a middle chamber 26 and a rear chamber 28.
  • the rear chamber 28 is delimited by a body portion 66 extending obliquely away from the body 64, at its rear chamber 28 side facing and thus in the outlet 34 of the rotor cavity 4, the deflection device 2 is arranged.
  • the deflecting device 2 has a multiplicity of deflection webs 46 which delimit a plurality of slot-like and converging exit channels 48 for the escape of the leakage flow 6.
  • the outlet channels 48 are formed by wedge-like head portions 68 of the deflecting webs 46 with mutually opposing circumferential surfaces 50, 52, wherein the peripheral surface 52 is employed in the radial direction stronger than the peripheral surface 50.
  • the head portion 68 is extended in the direction of the main body 64 and goes into one in the direction of rotation of the rotor 12, not shown curved blade portion 54 with a concave guide surface 56 and a convex guide surface 58 via.
  • the respective adjacent blade sections 54 delimit a guide channel 74 with a constant cross section for the leakage flow 6, so that it is directed onto the outlet channels 48. They are defined as in the above-described embodiment of Figure 2 by their deflection or curvature angle, their height or radial extent and their height-aspect ratio. The respective exit angles from the exit channels 48 and the entry angles into the guide channels 74 are formed constant.
  • the head portions 68 have a substantially parallel to the rotor longitudinal axis extending head surface 70 and obliquely to the rotor longitudinal axis employed top surface 72.
  • the blade portions 54 are downgraded relative to the head portions 68, so that extending in the radial direction step-shaped end face 60 of the deflecting webs 46 is formed.
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of a deflection device 2 according to the invention in the region of an outlet 34 of a rotor cavity 4 (see FIG.
  • the deflection device 2 like the exemplary embodiment described in the preceding FIGS. 3, 4 and 5, is formed on an obliquely set body section 66 of a rotor ring 62 and has deflecting elements. 46 with the same physical characteristics, so that is omitted to repeated explanations.
  • a platform 76 with a plurality of crenellated projections 78 is formed on the rotor blades 14, which extend over the deflection webs 46 and between which a plurality of recesses 80 are formed.
  • the leakage flow 6 is passed between the deflecting webs 46, accelerated and deflected accordingly. He then enters through the recesses 80 in the platform 76 in a main stream 36, not shown.
  • the projections 78 have a greater extension in the circumferential direction than the head sections 68 of the deflection webs 46.
  • the cutouts 80 have a smaller extent in the circumferential direction than the exit channels 48.
  • FIG. 7 shows a view of the arrangement of a deflecting device 2 according to the invention for deflecting, accelerating and reducing the swirling of a leakage flow 6 when exiting a stator-side annular space 4 or a stator cavity of a low-pressure turbine of an aircraft engine into a main flow channel 8.
  • a deflecting device 2 for deflecting, accelerating and reducing the swirling of a leakage flow 6 when exiting a stator-side annular space 4 or a stator cavity of a low-pressure turbine of an aircraft engine into a main flow channel 8.
  • the deflection device 2 is stationary and non-rotating in the outlet 34 of the annular space 4 is arranged.
  • the stator cavity 4 is formed between shrouds 16 of a blade row and an opposite circumferential housing or stator section 18.
  • the shroud 16 of the blade 14 has two circumferentially extending and radially extending sealing strips 20, 22.
  • the sealing strips 20, 22 have a tapered head portion and divide the stator cavity 4 into a front chamber 24, a middle chamber 26 and a rear chamber 28.
  • the sealing strips 20, 22 respectively delimit a leakage gap 30, 32 which reduces the leakage loss.
  • the leakage flow 6 flows into the front chamber 24, over which If the sealing strips 20, 22 flow, enters into a main flow 36 at the outlet 34 of the rear chamber 28 and mixes therewith.
  • the stator section 18 is formed with an inlet-side and an outlet-side peripheral surface 84, 86 which extend substantially parallel to the rotor longitudinal axis, wherein the outlet-side peripheral surface 86 is arranged radially outwardly relative to the inlet-side peripheral surface 84.
  • the two peripheral surfaces 84, 86 extend at a height.
  • a deflection device 2 In the region of the outlet 34 of the stator cavity 4, a deflection device 2 according to the invention is arranged.
  • the deflection device 2 is fixedly attached to a platform of a subsequent vane, not shown, or integrated into such a platform.
  • the deflection device 2 has the deflection webs 46 and exit channels 48 described in FIGS. 2 to 6 and not shown here, so that repeated explanations are omitted.
  • an exemplary embodiment provides for the sealing strips 20, 22 of the shrouds 16 of the rotor blades 14 to be set obliquely opposite to the flow direction of the leakage flow 6, reduced by a constriction of the flow cross section above the sealing fin.
  • the deflection webs 46 of the deflection device 2 according to the invention described in FIGS. 1 to 8 can be produced by casting, milling, electrochemical machining or by means of generative methods such as, for example, selective laser beam melting (SLM).
  • SLM selective laser beam melting
  • the deflection device 2 is not limited to the application described here in the low-pressure turbine area.
  • a deflection device 2 for deflecting a leakage flow 6 at Exiting an annular space 4 in a gas turbine, wherein in the outlet 34 of the annular space 4 a plurality of individual outlet channels 48 defining deflecting webs 46 is provided, and a gas turbine with such a deflection device second

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Abstract

Offenbart ist eine Umlenkvorrichtung (2) zum Umlenken eines Leckagestroms (6) beim Austreten aus einem Ringraum (4) in einer Gasturbine, wobei im Austritt (34) des Ringraums (4) eine Vielzahl von einzelne Austrittskanäle (48) definierenden Umlenkstegen (46) vorgesehen ist, sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Umlenkvorrichtung (2).

Description

Beschreibung
Umlenkvorrichtung für einen Leckagestrom in einer Gasturbine und Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Umlenkvorrichtung zum Umlenken eines Leckagestroms in einer Gasturbine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Gasturbine mit einer derartigen Umlenkvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 004 743 AI der Anmelderin ist eine Umlenkvorrichtung bekannt, bei der im Ringraum eine Wirbelströmung erzeugt wird, die den Srömungsquerschnitt einengt. Diese Umlenkvorrichtung erlaubt zwar die wirkungsvolle Reduzierung der Mischungsverluste, jedoch ist die Herstellung der Umlenkvorrichtung verhältnismäßig aufwendig.
Der Übersicht halber wird auf die Patente US 7,189,055 B2, EP 1 582 697 Bl, US 7,244,104 B2 und US 7,189,056 B2 verwiesen, die jeweils eine Umlenkvorrichtung zur Veränderung der Richtungskomponente und darüber hinaus einer Geschwindigkeitskomponente eines Kühlluftstroms zeigen. Dieser Kühlluftstrom dient vorrangig zur Kühlung der Laufschaufelreihe der ersten Turbinenstufe und wird aus einer vorgelagerten Verdichterstufe abgezapft. Er tritt über einen Ringspalt im Wesentlichen parallel zur Richtung des Hauptstroms aus dem Zwischenraum aus. Die Umlenkvorrichtung ist gemäß der US 7,189,055 B2 als eine Führungsplatte vor einer die Laufschaufelreihe aufnehmenden Rotorscheibe oder gemäß der EP 1 582 697 Bl als nutenartige Vertiefungen in hinteren Plattformbereichen einer der zu kühlenden Laufschaufelreihe vorgelagerten Leitschaufelreihe ausgebildet. Die US 7,244,104 B2 schlägt nutenartige Vertiefungen im vorderen Plattformbereich der zu kühlenden Laufschaufelreihe vor. Gemäß der US 7,189,056 B2 ist die Umlenkvorrichtung als sich radial erstreckende schaufelartige Vorsprünge an Schaufelfußen der zu kühlenden Laufschaufelreihe ausgeführt. Eine Kavitätenströmung ist dem Stand der Technik nicht entnehmbar.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aufgabe der Erfindung ist es, eine Umlenkvorrichtung zum Umlenken eines Leckagestroms in einer Gasturbine, die die vorgenannten Nachteile beseitigt und zu einer Reduzierung der Mischungsverluste führt, sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Umlenkvorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Umlenkvorrichtung zum Umlenken eines Leckagestroms in einer Gasturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
Eine erfindungsgemäße Umlenkvorrichtung zum Umlenken eines Leckagestrom in einer Gasturbine beim Austreten aus einem zwischen einer Schaufelreihe und einem gegenüberliegenden umfangsseitigen Bauteilabschnitt ausgebildeten Ringraum in einen Hauptströmungskanal hat eine Vielzahl von Umlenkstegen, die im Austritt des Ringraums eine Vielzahl von einzelnen Austrittskanälen definiert.
Zumindest ein Teilstrom des Leckagestroms strömt aus dem Ringraum zwischen den Umlenkstegen durch die Austrittskanäle hindurch, wodurch Differenzen in Richtungskomponenten sowie Axial- und Umfangsgeschwindigkeitskomponenten zwischen dem Leckagestrom und einem Hauptstrom im Hauptströmungskanal reduziert werden, was in einer Verringerung der Mischungsverluste und somit in einer Steigerung des Wirkungsgrades der Gasturbine resultiert. Zudem wird durch die erfindungsgemäße Umlenkvorrichtung die Anströmung der nachfolgenden Schaufelreihe im Wandbereich verbessert.
Bei einem Ausführungsbeispiel zum Umlenken des Leckagestroms beim Ausströmen aus einer Rotorkavität sind die Umlenkstege an Schaufelfüßen der dem Austritt nachfolgenden Laufschaufelreihe und somit rotierend ausgebildet. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die Umlenkstege an einem Rotorring oder an Axialsicherungselementen der Laufschaufeln angeordnet. An den rotierenden Umlenkstegen ist insbesondere vorteilhaft, dass diese durch ihre Rotation einen Energieeintrag in den Leckagestrom leisten. Dies erleichtert die Anpassung der Geschwindigkeit des Leckagestroms an die Geschwindigkeit des Hauptstroms.
Zusätzlich können die Umlenkstege von plattenartigen Vorsprüngen der dem Austritt nachfolgenden Laufschaufelreihe abgedeckt sein, zwischen denen Aussparungen zum Durchtritt des Leckagekanals ausgebildet sind. Die Form der Aussparungen kann variieren von zum Beispiel einseitig endseitig geöffnet, geschlitzt oder langlochartig. Ebenso kann die Höhe bzw. radiale Erstreckung der Aussparungen konstant oder verschieden ausgeführt sein.
Bei Ausführungsbeispielen zum Umlenken des Leckagestroms beim Ausströmen aus einer Statorkavität sind die Umlenkstege feststehend an einem Gehäuseabschnitt oder an einer Plattform der dem Austritt nachfolgenden Leitschaüfelreihe ausgebildet.
Zusätzlich zu den feststehenden Umlenkstegen kann zur Bildung eines radialen Dichtspaltes und somit zur Reduzierung eines Leckageverlustes am Deckband der Laufschaufeln zumindest ein entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Leckagestroms angestellter Dichtstreifen ausgebildet sein. Hierdurch wird der Leckagestrom durch eine Einengung des Strömungsquerschnitts oberhalb der Dichtfins reduziert.
Die Austrittskanäle können jeweils einen konvergenten Querschnitt aufweisen, so dass der Leckagestrom in den Austrittskanälen beschleunigt wird. Die Anströmung der Austrittskanäle wird verbessert, wenn zumindest einige Umlenkstege einen Schaufelabschnitt haben, der in Umlaufrichtung gekrümmt ist. Hierdurch werden Führungskanäle gebildet und somit der Leckagestrom gerichtet auf die Austrittskanäle geführt. Die Schaufelabschnitte können die gleiche Geometrie wie zum Beispiel radiale Länge oder verschiedenartig ausgeführt sein. Darüber hinaus können die Führungskanäle eine konstante Querschnittsfläche aufweisen. Die Austrittskanäle bzw. die Führungskanäle können konstante oder verschiedene Austrittswinkel bzw. Eintrittswinkel haben. So können die Austrittswinkel zum Beispiel radial verlaufen oder in Axial- und in Umfangsrichtung des Rotors angestellt sein.
Eine erfindungsgemäße Gasturbine hat ein Gehäuse mit einer Vielzahl von Leitschaufeln und einen in dem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor mit einer Vielzahl von Laufschaufeln. Die Leitschaufeln und die Laufschaufeln einer Schaufelreihe begrenzen schaufelspitzseitig einen radial innenliegenden und einen radial außenliegenden Ringraum, in dem sich jeweils ein Leckagestrom ausbildet, der sich nach dem Durchströmen des jeweiligen Ringraums mit einem Hauptstrom vermischt. Erfindungsgemäß weist zumindest ein Ringraum im Bereich seines Austritts eine Umlenkvorrichtung auf, die eine Vielzahl von Umlenkstegen zur Bildung einer Vielzahl von Austrittskanälen aufweist.
Sonstige vorteilhafte Ausfuhrungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schemati- scher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung im Bereich einer Rotorkavität,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung,
Figur 3 eine perspektivische Draufsicht in Umfangsrichtung auf ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung,
Figur 4 eine perspektivische Draufsicht in Axialrichtung auf das zweite Ausführungsbeispiel aus Figur 3,
Figur 5 eine Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels aus Figur 3,
Figur 6 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung,
Figur 7 eine Seitenansicht eines vierten Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung, und
Figur 8 eine Seitenansicht eines fünften Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung.
In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit bei mehreren gleichen konstruktiven Elemente in einer Figur jeweils nur ein Element mit einem Bezugszeichen versehen ist.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze zur Anordnung einer erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung 2 zum Umlenken und Beschleunigen eines Leckagestroms 6 in einer Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks, der aus einem rotorseitigen Ringraum 4 bzw. einer Rotorkavität in einen Hauptströmungskanal 8 eintritt. Die Niederdruckturbine weist ein nicht gezeigtes Gehäuse bzw. einen nicht gezeigten Stator auf, der eine Vielzahl von in Schaufelreihen angeordneten Leitschaufeln 10 aufweist. In dem Gehäuse ist ein Rotor 12 drehbar gelagert, der eine Vielzahl von in Schaufelreihen angeordneten Laufschaufeln 14 trägt. Die Leitschaufeln 10 sind blattspitzenseitig mit einem Deckband 16 versehen, das mit einem gegenüberliegenden rotorseitigen Bauteilabschnitt 18 den Ringraum 4 einer Leitschaufelreihe definiert.
Der Ringraum 4 ist über zwei rotorseitige Dichtstreifen 20, 22 in eine vordere Kammer 24, eine mittlere Kammer 26 und in eine hintere Kammer 28 unterteilt. Die Dichtstreifen 20, 22 begrenzen jeweils einen Dichtspalt 30, 32 zur Reduzierung von Leckageverlusten, durch den der Leckagestrom 6 in die jeweils benachbarte Kammer 26, 28 eintritt.
Die erfindungsgemäße Umlenkvorrichtung 2 ist im Austritt 34 des Ringraums 4 bzw. der hinteren Kammer 28 angeordnet. Wie in den folgenden Figuren 2 bis 6 zu sehen ist, ist die Umlenkeinrichtung 2 drehbar an bzw. mit dem Rotor 12 gelagert.
Im Betrieb tritt aus einem durch den Hauptströmungskanal 8 strömenden Hauptstrom 36 ein Leckagestrom 6 in die vordere Kammer 24 ein, überströmt die Dichtstreifen 20, 22 und tritt wieder über die hintere Kammer 28 in den Hauptströmungskanal 8 ein. Dabei wird zumindest ein Teilstrom des Leckagestroms 6 von der Umlenkvorrichtung 2 umgelenkt und beschleunigt, so dass Differenzen in Axial- und Umfangsgeschwindigkeit zwischen dem Leckage- und dem Hauptstrom 6, 36 reduziert werden, was in reduzierten Mischungsverluste im Vergleich zu herkömmlichen Ringräumen ohne die erfindungsgemäße Umlenkvorrichtung 2 resultiert. Zusätzlich werden die Laufschaufeln 14 der nachfolgenden Laufschaufelreihe im Wandbereich besser angeströmt, so dass neben der Reduzierung der Mischungsverluste auch Anströmverluste minimiert werden.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung 2 im Bereich eines Austritts 34 einer nicht gezeigten Rotorkavität 4 (s. Figur 1), die jeweils am Schaufelfuß 38 einer Laufschaufel 14 angeordnet ist. Die Laufschaufeln 14 sind jeweils mit ihrem tannenbaumartigen Schaufelfuß 38 in einer entsprechend ausgebildeten Ausnehmung 40 einer Rotorscheibe 42 angeordnet und über jeweils ein Axialsicherungselement 44 im Bereich ihrer Schaufelfüße 38 in axialer Richtung an der Rotorscheibe 42 lagefixiert.
Die Umlenkvorrichtung 2 weist eine Vielzahl von etwa parallel zu einem nicht gezeigten Hauptstrom 36 verlaufende fingerartige Umlenkstege 46 auf, zwischen denen jeweils ein schlitzartiger Austrittskanal 48 zum Austreten des Leckagestroms 6 aus dem Ringraum 4 gebildet ist. Somit hat die Umlenkvorrichtung 2 eine kammerartige Gestalt. Die Umlenkstege 46 sind derart keilartig, dass gegenüberliegende Umlenkflächen 50, 52 benachbarter Umlenkstege 46 zueinander konvergierend verlaufen und somit die Austrittskanäle 48 mit konvergierenden bzw. sich verengenden Querschnittsflächen gebildet sind. Die Umfangsflächen 50, 52 sind eben ausgebildet. Sie können jedoch auch gekrümmt bzw. konvex und konkav geformt sein. Die Umlenkstege 46 bzw. Austrittskanäle 48 haben konstante Austrittswinkel und Eintritts winkel für den Leckagestrom 6.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder dritte Umlenksteg 46 einen Schaufel- abschnitt 54 auf, der sich in etwa radial entlang des entsprechenden Schaufelfußes 38 erstreckt. Die Schaufelabschnitte 54 haben eine konkave Führungsfläche 56 und eine entgegengesetzte konvexe Führungsfläche 58 und verjüngen sich in radialer Richtung. Dabei bilden sie eine Krümmung, die in Umlaufrichtung der Rotorscheibe 42 verläuft. Ein radial innenliegender freier Endabschnitt ist in axialer Richtung gegenüber dem Umlenksteg 46 verkürzt ausgebildet, so dass sich eine stufenförmige Stirnfläche 60 ergibt. Der jeweilige Verlauf der Schaufelabschnitte 54 und die Krümmung definieren einen Eintrittswinkel des Leckagestroms 6 in die Umlenkeinrichtung 2, der in dem hier gezeigten Ausfuhrungsbeispiel bei sämtlichen Schaufelabschnitten 54 konstant ausgeführt ist. Im Wesentlichen werden die Schaufelabschnitte 54 durch ihren Umlenkbzw. Krümmungswinkel, ihre Höhe bzw. radiale Erstreckung und ihr Höhen-Längenverhältnis definiert. Unter der Länge wird dabei ihre Ausdehnung entlang der Rotorlängsachse und somit ihre axiale Erstreckung verstanden.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung 2 im Bereich eines Austritts 34 einer Rotorkavität 4 (vgl. Figur 1), die an einem Rotorring 62, einem sogenannten Inner- Air- Seal-Ring ausgebildet ist. Der Rotorring 62 umgreift einen Rotorabschnitt und hat einen plattenartigen Grundkörper 64 mit zwei sich radial von dem
Grundkörper 64 weg erstreckenden Dichtstreifen 20, 22. Die Dichtstreifen 20, 22 haben einen verjüngenden Kopfabschnitt und unterteilen die Rotorkavität 4 in eine vordere Kammer 24, eine mittlere Kammer 26 und in eine hintere Kammer 28. Die hintere Kammer 28 wird von einem sich schräg vom Grundkörper 64 weg erstreckenden Körperabschnitt 66 begrenzt, an dessen der hinteren Kammer 28 zugewandten Seite und somit im Austritt 34 der Rotorkavität 4 die Umlenkvorrichtung 2 angeordnet ist. An einer rückwärtigen Seite des Körperabschnitts 66 sind dem Austritt 34 nachfolgende Laufschaufeln 14 mit ihren Schaufelfußen 38 angeordnet.
Gemäß Figur 4 weist die Umlenkvorrichtung 2 eine Vielzahl von Umlenkstegen 46 auf, die eine Vielzahl von schlitzartig und konvergierend ausgebildeten Austrittskanäle 48 zum Austreten des Leckagestroms 6 begrenzt. Die Austrittskanäle 48 werden von keilartigen Kopfabschnitten 68 der Umlenkstege 46 mit entgegengesetzt zueinander angestellten Umfangsflächen 50, 52 gebildet, wobei die Umfangsfläche 52 in radialer Richtung stärker angestellt ist als die Umfangsfläche 50. Der Kopfabschnitt 68 ist in Richtung des Grundkörpers 64 verlängert und geht in einen in Umlaufrichtung des nicht gezeigten Rotors 12 gekrümmten Schaufelabschnitt 54 mit einer konkaven Führungsfläche 56 und einer konvexen Führungsfläche 58 über. Die jeweils benachbarten Schaufelabschnitte 54 begrenzen einen Führungskanal 74 mit einem konstanten Querschnitt für den Leckagestrom 6, so dass dieser gerichtet auf die Austrittskanälen 48 gefuhrt wird. Sie sind wie bei dem vorbeschriebenen Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 2 durch ihren Umlenk- bzw. Krümmungswinkel, ihre Höhe bzw. radiale Erstreckung und ihre Höhen- Längenverhältnis definiert. Die jeweiligen Austrittswinkel aus den Austrittskanälen 48 und die Eintrittswinkel in die Führungskanäle 74 sind konstant ausgebildet.
Gemäß der Seitenansicht in Figur 5 haben die Kopfabschnitte 68 eine im Wesentlichen parallel zur Rotorlängsachse verlaufende Kopffläche 70 und eine schräg zur Rotorlängsachse angestellte Kopffläche 72. Die Schaufelabschnitte 54 sind gegenüber den Kopfabschnitten 68 zurückgestuft, so dass eine in radialer Richtung verlaufende stufenförmige Stirnfläche 60 der Umlenkstege 46 gebildet ist.
Figur 6 zeigt ein drittes Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung 2 im Bereich eines Austritts 34 einer Rotorkavität 4 (s. Figur 1). Die Umlenkvorrichtung 2 ist wie das in den vorhergehenden Figuren 3, 4 und 5 beschriebene Ausführungsbeispiel an einem schräg angestellten Körperabschnitt 66 eines Rotorrings 62 ausgebildet und weist Umlenk- stege 46 mit den gleichen körperlichen Merkmale auf, so dass auf wiederholende Erläuterungen verzichtet wird. Im Unterschied zum vorbeschriebenen Ausfuhrungsbeispiel ist jedoch an den Laufschaufeln 14 eine Plattform 76 mit einer Vielzahl von zinnenartigen Vorsprüngen 78 ausgebildet, die sich über die Umlenkstege 46 erstrecken und zwischen denen eine Vielzahl von Aussparungen 80 ausgebildet sind. Im Betrieb wird zumindest ein Teilstrom des Leckagestroms 6 zwischen den Umlenkstegen 46 hindurchgeführt, entsprechend beschleunigt und umgelenkt. Anschließend tritt er durch die Aussparungen 80 in der Plattform 76 in einen nicht gezeigten Hauptstrom 36 ein. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Vorsprünge 78 in Umfangs- richtung eine größere Erstreckung als die Kopfabschnitte 68 der Umlenkstege 46. Entsprechend haben die Aussparungen 80 in Umfangsrichtung eine geringere Ausdehnung als die Austrittskanäle 48.
Figur 7 zeigt eine Ansicht zur Anordnung einer erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung 2 zum Umlenken, Beschleunigen und zur Drallverringerung eines Leckagestroms 6 beim Austreten aus einem statorseitigen Ringraum 4 bzw. einer Statorkavität einer Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks in einen Hauptströmungskanal 8. Im Unterschied zur Prinzipskizze nach Figur 1 ist der Ringraum 4 zwischen einem blattspitzenseitigen Deckband 16 einer Laufschaufel 14 und einem gegenüberliegendem Stator- bzw. gehäuseseitigen Bauteilabschnitt 18 eines Gehäuses 82 ausgebildet. Ferner ist die Umlenkvorrichtung 2 feststehend und nicht rotierend im Austritt 34 des Ringraums 4 angeordnet. Da die Umfangskomponente der Geschwindigkeit eines zwischen den Laufschaufeln 14 durchströmenden Hauptstroms 36 ebenfalls verringert wird, werden durch die Umlenkvorrichtung 2 die Richtungen des Hauptstroms 36 und die des Leckagestroms 6 besser aneinander angepasst und die Mischungsverluste werden reduziert. Eine ausführlichere Betrachtung der Umlenkvorrichtung 2 und der Statorkavität 4 erfolgt in den Figuren 8 und 9.
Die Statorkavität 4 ist zwischen Deckbändern 16 einer Laufschaufelreihe und einem gegenüberliegenden umfangsseitigen Gehäuse- bzw. Statorabschnitt 18 gebildet. Das Deckband 16 der Laufschaufel 14 hat jeweils zwei in Umfangsrichtung umlaufende und sich radial erstreckende Dichtstreifen 20, 22. Die Dichtstreifen 20, 22 weisen einen verjüngten Kopfabschnitt auf und unterteilen die Statorkavität 4 in eine vordere Kammer 24, eine mittlere Kammer 26 und eine hintere Kammer 28. Die Dichtstreifen 20, 22 begrenzen jeweils einen den Leckageverlust reduzierenden Dichtspalt 30, 32. Der Leckagestrom 6 strömt in die vordere Kammer 24 ein, über- strömt die Dichtstreifen 20, 22, tritt am Austritt 34 der hinteren Kammer 28 in einen Hauptstrom 36 ein und vermischt sich mit diesem.
Der Statorabschnitt 18 ist mit einer eintrittsseitigen und einer austrittseitigen Umfangsfläche 84, 86 ausgebildet, die im Wesentlichen parallel zur Rotorlängsachse verlaufen, wobei die austrittseitige Umfangsfläche 86 gegenüber der eintrittsseitigen Umfangsfläche 84 radial außenliegend angeordnet ist.
Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere im Bereich einer hinteren Turbinenstufe, können die beiden Umfangsflächen 84, 86 auf einer Höhe verlaufen.
Im Bereich des Austritts 34 der Statorkavität 4 ist eine erfindungsgemäße Umlenkvorrichtung 2 angeordnet. Die Umlenkvorrichtung 2 ist feststehend an einer Plattform einer nicht gezeigten nachfolgenden Leitschaufel befestigt bzw. in eine derartige Plattform integriert. Die Umlenkvorrichtung 2 weist die in den Figuren 2 bis 6 beschriebenen und hier nicht gezeigten Umlenkstege 46 und Austrittskanäle 48 auf, so dass wiederholende Erläuterungen entfallen.
Gemäß der schematischen Seitenansicht in Figur 8 sieht ein Ausfuhrungsbeispiel vor, die Dichtstreifen 20, 22 der Deckbänder 16 der Laufschaufeln 14 schräg entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Leckagestroms 6 anzustellen, durch eine Einengung des Strömungsquerschnitts oberhalb des Dichtfins reduziert.
Die Umlenkstege 46 der in den Figuren 1 bis 8 beschriebenen erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung 2 können durch Gießen, Fräsen, elektrochemische Bearbeitung oder mittels generativer Verfahren wie zum Beispiel dem selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM) hergestellt werden.
Ferner sei erwähnt, dass die Umlenkvorrichtung 2 nicht auf die hier beschriebene Anwendung im Niederdruckturbinenbereich beschränkt ist.
Offenbart ist eine Umlenkvorrichtung 2 zum Umlenken eines Leckagestroms 6 beim Austreten aus einem Ringraum 4 in einer Gasturbine, wobei im Austritt 34 des Ringraums 4 eine Vielzahl von einzelne Austrittskanäle 48 definierenden Umlenkstegen 46 vorgesehen ist, sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Umlenkvorrichtung 2.

Claims

Patentansprüche
1. Umlenkvorrichtung (2) zum Umlenken eines Leckagestroms (6) in einer Gasturbine beim Austreten aus einem zwischen einer Schaufelreihe und einem gegenüberliegenden um- fangsseitigen Bauteilabschnitt (18) ausgebildeten Ringraum (4) in einen Hauptströmungskanal (8), dadurch gekennzeichnet, dass im Austritt (34) des Ringraums (4) eine Vielzahl von einzelne Austrittskanäle (48) definierenden Umlenkstegen (46) vorgesehen ist.
2. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umlenkstege (46) an Schaufelfüßen (38) der nachfolgenden Laufschaufelreihe angeordnet sind.
3. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umlenkstege (46) an einem Rotorring (62) angeordnet sind.
4. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umlenkstege (46) an einem Axialsi- cherungselement von Laufschaufeln (14) angeordnet sind.
5. Umlenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umlenkstege (46) von plattformartigen Vorsprüngen (78) einer dem Austritt (34) nachfolgenden Laufschaufelreihe abgedeckt sind, zwischen denen sich Aussparungen (80) zum Durchtritt des Leckagestroms (6) erstrecken.
6. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umlenkstege (46) an einem Gehäuseabschnitt (82) angeordnet sind.
7. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umlenkstege (46) in einer Plattform einer dem Austritt (34) nachfolgenden Leitschaufelreihe ausgebildet sind.
8. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei zumindest ein Dichtstreifen (20, 22) zur Bildung eines Dichtspaltes (30, 32) zur Reduzierung eines Leckageverlustes an Deckbändern (16) der Laufschaufeln (14) ausgebildet ist, der entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Leckagestroms (6) angestellt ist.
9. Umlenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Austrittskanäle (48) eine konvergierende Querschnittsfläche aufweisen.
10. Umlenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige Umlenkstege (46) einen Schaufelabschnitt (54) haben, der in Umlaufnchtung gekrümmt ist.
11. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 10, wobei jeweils die benachbarten Schaufelabschnitte (54) einen Führungskanal (74) mit einer konstanten Querschnittsfläche definieren.
12. Gasturbine mit einem Gehäuse (82), das eine Vielzahl von Leitschaufeln (10) aufweist und mit einem Rotor (12), der in dem Gehäuse drehbar gelagert ist und eine Vielzahl von Laufschaufel (14) trägt, wobei die Leitschaufeln (10) und die Laufschaufeln (14) jeweils einer Schaufelreihe schaufelspitzseitig radial innenliegende und radial außenliegende Ringräume (4) begrenzen, in der sich jeweils ein Leckagestrom (6) ausbildet, der sich nach dem Durchströmen des jeweiligen Ringraums (4) mit einem Hauptstrom (36) vermischt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ringraum (4) im Bereich seines Austritts (34) eine Umlenkvorrichtung (2) aufweist, die eine Vielzahl von Umlenkstegen (46) zur Bildung einer Vielzahl von Austrittskanälen (48) aufweist.
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