CH704001A1 - Leitschaufelanordnung einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Axialkompressors. - Google Patents

Abstract

Bei einer Leitschaufelanordnung zwischen zwei einen Strömungsweg begrenzenden stationären Wänden (4, 5) einer Strömungsmaschine, insbesondere Axialkompressor, sind die Leitschaufeln (7) in Leitschaufellängsrichtung federbar angeordnet, so dass zerstörerische Kräfte vermieden werden, wenn die Spitzen der Leitschaufeln während instationärer Betriebszustände gegen die benachbarte Wand (5) des Strömungsweges stossen.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelanordnung zwischen zwei einen Strömungsweg eines Fluides begrenzenden, relativ stationären Wänden einer Strömungsmaschine, insbesondere Axialkompressor, mit bei instationären Betriebszuständen veränderlichem Abstand der Wände voneinander.

Stand der Technik

[0002] Die Leitschaufeln einer Strömungsmaschine sind regelmässig an ihrem fussseitigen Ende an einem Gehäuseteil bzw. einem stationären Teil der Strömungsmaschine verankert oder befestigt. Das fussferne Ende der Leitschaufeln erstreckt sich bis in die unmittelbare Nähe einer der fussseitigen Wand gegenüberliegenden Wand, wobei ein möglichst schmaler Spalt zwischen dieser Wand und dem zugewandten Ende der Leitschaufel gegeben sein soll, um unerwünschte Bypassströme des Fluides zu vermeiden. Soweit die Leitschaufeln mit ihren freien Enden einem rotierenden Teil der Strömungsmaschine, insbesondere der Rotorachse, benachbart sind, soll durch den genannten Spalt auch zerstörerische Reibung zwischen der Leitschaufelspitze und dem rotierenden Teil vermieden werden.

[0003] Bei Axialkompressoren sind die eingangsseitigen und die ausgangsseitigen Leitschaufeln jeweils zwischen zueinander stationären Teilen, beispielsweise dem Gehäuse des Kompressors und einer Rotorabdeckung, vorgesehen. Hier können Probleme durch thermische Effekte auftreten. Während an der Eingangsseite regelmässig geringe und weitestgehend überall gleiche Temperaturen vorliegen, können an der Ausgangsseite zwischen den den Strömungsweg begrenzenden Wänden am Leitschaufelfuss und den Wänden an der Leitschaufelspitze während instationärer Betriebsphasen erhebliche Temperaturdifferenzen auftreten. Die damit verbundenen Abstandsänderungen zwischen den den Strömungsweg begrenzenden Wänden liegen im Millimeterbereich. Deshalb wurden bislang an den Spitzen der Leitschaufeln an der Ausgangsseite von Axialkompressoren unerwünscht grosse Spalte zwischen Leitschaufelspitze und benachbarter Wand vorgesehen, mit der Folge, dass die Strömungsdynamik durch unerwünscht grosse Bypassströmungen beeinträchtigt wurde.

Darstellung der Erfindung

[0004] Hier setzt nun die Erfindung an, das heisst die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine möglichst optimale Strömungsdynamik zu gewährleisten.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Leitschaufeln jeweils mit ihrem Fuss in der fussseitigen Wand des Strömungsweges in Schaufellängsrichtung federbar angeordnet sind.

[0006] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest vorübergehend einen mechanischen Kontakt zwischen den Leitschaufelspitzen und der benachbarten stationären Wand zuzulassen. Hier wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass bei einer Leitschaufelanordnung zwischen relativ stationären Wänden zwischen den Leitschaufelspitzen und der benachbarten Wand im Falle einer Berührung keine zerstörerische Reibung auftreten kann. Damit kann, abweichend von bisherigen Konstruktionsprinzipien, langfristig oder zumindest vorübergehend zugelassen werden, dass die Leitschaufelspitzen und die benachbarte Wand einander berühren.

[0007] Ein solcher Zustand wird gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nur kurzfristig bei instationären Betriebszuständen der Strömungsmaschine, etwa in der Anlaufphase oder der Auslaufphase, auftreten.

[0008] Die Erfindung bietet des Weiteren den Vorteil, dass gegenüber bisherigen Leitschaufelanordnungen zwischen stationären Wänden nur geringfügige konstruktive Abänderungen vorgenommen werden müssen.

[0009] So kann die fussseitige Wand des Strömungsweges in herkömmlicher Weise segmentiert aufgebaut sein, derart, dass der Leitschaufelfuss jeweils mit Formschluss zwischen Nachbarsegmenten der fussseitigen Wand angeordnet ist. Beispielsweise können die Flanken des Leitschaufelfusses in herkömmlicher Weise hinterschnittene Flanken aufweisen, in die die vorgenannten Segmente mit entsprechend profilierten Flanken eingreifen. Indem nun dieser Eingriff mit einem Spiel in Leitschaufellängsrichtung ausgebildet wird, wird eine Beweglichkeit der Leitschaufel in ihrer Längsrichtung ermöglicht. Durch eine den Leitschaufelfuss beaufschlagende Federanordnung wird dann der Leitschaufelfuss in eine Endlage gespannt, die einerseits durch die Bemessung des vorgenannten Bewegungsspiels des Leitschaufelfusses zwischen den Wandsegmenten und andererseits dadurch vorgegeben werden kann, dass die Leitschaufelspitze gegen die benachbarte Wand des Strömungsweges stösst.

[0010] Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird.

[0011] Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0012] In der Zeichnung zeigt <tb>Fig. 1<sep>einen schematisierten Längsschnitt eines auslassseitigen Bereiches eines Axialkompressors, und <tb>Fig. 2<sep>einen ausschnittsweisen Längsschnitt des Strömungsweges im Bereich der auslassseitig letzten Leitschaufeln.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0013] Gemäss Fig. 1 besitzt ein Axialkompressor in grundsätzlich bekannter Weise einen Rotor 1 mit daran angeordneten Laufschaufeln 2, die jeweils zwischen stationären Leitschaufeln 3 umlaufen, welche ihrerseits am Innenumfang eines zum Rotor 1 konzentrischen Gehäuses bzw. Zylinders 4 angeordnet sind.

[0014] Am ausgangsseitigen Ende des Axialkompressors ist der Rotor 1 innerhalb einer stationären Ummantelung 5 angeordnet, deren Aussenumfang dem Innenumfang des Gehäuses 4 zugewandt ist und gemeinsam mit dem Gehäuse 4 den im Querschnitt ringförmigen Ausgangskanal 6 des Kompressors begrenzt. Die in Strömungsrichtung axial letzte Leitschaufelreihe 7 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, zwischen dem Gehäuse 4 und der Ummantelung 5 vorgesehen.

[0015] Alle Leitschaufeln 3 und 7 sind mit ihrem fussseitigen Ende am Gehäuse 4 befestigt bzw. verankert, und die fussfernen Leitschaufelspitzen sind vom Rotor 1 bzw. von der Rotorummantelung 5 jeweils durch schmale Spalte beabstandet. Die Spaltbreite sollte möglichst minimal bemessen sein, um eine unerwünschte Bypassströmung des den Kompressor durchsetzenden Fluides innerhalb der Spalte zu vermeiden. Andererseits muss gewährleistet, dass die Spitzen der Leitschaufeln 3 keinerlei Berührung mit dem schnell rotierenden Rotor 1 haben. Ein ähnlich schmaler Spalt ist auch zwischen den Spitzen der ausgangsseitigen Leitschaufeln 7 und der Rotorummantelung 5 vorgesehen.

[0016] Bei instationären Betriebsphasen des Axialkompressors, insbesondere in der Startphase und bei Beendigung des Kompressorbetriebes treten am Kompressorausgang hohe Temperaturdifferenzen auf, mit der Folge, dass sich die Abstände zwischen der Innenumfangswand des Gehäuses 4 und der Aussenumfangswand der Rotorummantelung 5 vorübergehend deutlich verändern können, wobei diese Veränderungen im Millimeterbereich liegen. Hier ist nun erfindungsgemäss vorgesehen, zumindest während der instationären Betriebsphasen einen Kontakt zwischen den Spitzen der Leitschaufeln 7 und der benachbarten Rotorummantelung 5 zuzulassen. Da die Rotorummantelung 5 relativ zum Gehäuse bzw. Zylinder 4 stationär angeordnet ist, braucht bei einem derartigen Kontakt keine zerstörerische Reibung zwischen den Spitzen der Leitschaufeln 7 und der Rotorummantelung 5 befürchtet zu werden. Um andererseits die bei einem derartigen Kontakt in Schaufellängsrichtung auftretenden Schubkräfte zu begrenzen und damit einhergehende Beschädigungen der Leitschaufeln 7 bzw. der Rotorummantelung 5 zu verhindern, ist erfindungsgemäss vorgesehen, die Leitschaufeln 7 mit federbar in der fussseitigen Wand des Strömungsweges angeordnetem Leitschaufelfuss anzuordnen.

[0017] Gemäss Fig. 2 besitzt jede Leitschaufel 7 einen Fuss 8, der formschlüssig in einem quer zur Strömungsrichtung des Strömungsweges erstreckten Kanal 9 angeordnet ist. Dieser Kanal 9 besitzt Flanken mit in Kanallängsrichtung erstreckten Stegen, die in seitliche Nuten an den zugewandten Flanken des Leitschaufelfusses 8 eingreifen. Dabei ist die Breite der genannten Nuten grösser bemessen als die Breite der vorgenannten Stege, so dass der Leitschaufelfuss 8 in Längsrichtung der Leitschaufel 7 ein mehr oder weniger grosses Bewegungsspiel aufweist. Durch Federelemente 10, die zwischen dem Boden des Kanals 9 und der dem Boden zugewandten Seite des Leitschaufelfusses 8 angeordnet sind, werden der Fuss 8 und damit die Leitschaufel 7 in Fig. 2 nach abwärts in Richtung der Ummantelung 5 des Rotors 1 gespannt.

[0018] Wenn nun in ausgeprägt instationären Betriebsphasen, etwa der Startphase des Axialkompressors, starke Temperaturdifferenzen zwischen Gehäuse 4 und Ummantelung 5 auftreten, mit der Folge, dass sich der Abstand zwischen Gehäuse 4 und Ummantelung 5 im Vergleich zur Längsabmessung der Leitschaufel 7 deutlich vermindert, kann der Fall auftreten, dass die der Ummantelung 5 zugewandte Spitze der Leitschaufel 7 gegen die Ummantelung 5 stösst. Aufgrund der vorgenannten Federelemente 10 können dann auf die Leitschaufel 7 zerstörerisch einwirkende Schubkräfte vermieden werden, denn ggf. kann die Leitschaufel 7 gegen die Kraft der Federelemente 10 mit ihrem Fuss 8 in den Kanal 9 einsinken. Bei thermisch stationären Betriebszuständen stellt sich zwischen der Leitschaufelspitze und der Ummantelung 5 des Rotors 1 ein geringer Spalt ein, und der Leitschaufelfuss 8 wird durch die Federelemente 10 in eine Endlage gespannt, die durch anschlagartiges Zusammenwirken zwischen den Stegen an den Flanken des Kanals und den die Stege aufnehmenden Nuten des Leitschaufelfusses 8 vorgegeben wird.

[0019] Das Federelement 10 kann nach Art einer Tellerfeder ausgebildet sein. Gegebenenfalls können die Federelemente 10 auch mit C-förmigem Profil ausgebildet sein, wobei sich das C-Profil federnd zu spreizen sucht, so dass Spreizfedern gebildet werden.

Bezugszeichenliste

[0020] <tb>1<sep>Rotor <tb>2<sep>Laufschaufeln <tb>3<sep>Leitschaufeln <tb>4<sep>Gehäuse/Zylinder <tb>5<sep>Ummantelung <tb>6<sep>Ausgangskanal <tb>7<sep>letzte Leitschaufeln <tb>8<sep>Fuss <tb>9<sep>Kanal <tb>10<sep>Federelemente

Claims (5)

1. Leitschaufelanordnung zwischen zwei einen Strömungsweg eines Fluides begrenzenden, relativ stationären Wänden einer Strömungsmaschine, insbesondere Axialkompressor, mit bei instationären Betriebszuständen veränderlichem Abstand der Wände voneinander, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (7) mit ihren Füssen (8) an der zugeordneten Wand (4) in Leitschaufellängsrichtung federbar angeordnet sind.

2. Leitschaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelfüsse (8) in einem in der zugeordneten Wand (4) angeordneten Kanal (9) angeordnet sind, dessen Flanken Hinterschneidungen aufweisen, die mit analogen Hinterschneidungen an den zugewandten Flanken der Füsse (8) zusammenwirken, wobei der durch die miteinander zusammenwirkenden Hinterschneidungen gebildete Formschluss mit Spiel in Leitschaufellängsrichtung ausgebildet ist.

3. Leitschaufelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Boden des Kanals (9) und der zugewandten Seite der Füsse (8) Federelemente (10) angeordnet sind, die die Füsse (8) aus dem Kanal (9) hinauszudrängen suchen.

4. Leitschaufelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente mit elastisch aufspreizbarem C-Profil ausgebildet sind.

5. Leitschaufelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente nach Art von Tellerfedern ausgebildet sind.