CH704935B1 - Stator-Rotor-Anordnung, Strömungsmaschine und Verfahren zum Herstellen einer Struktur aus umgekehrten Turbulatoren - Google Patents

Abstract

Eine Stator-Rotor-Anordnung (21) wird beschreiben, die mindestens einen Verbindungsbereich (92) zwischen dem Stator (18) und dem Rotor (22) umfasst. Mindestens eine Stator- oder Rotoroberfläche im Verbindungsbereich umfasst eine Struktur aus umgekehrten Turbulatoren. Die umgekehrten Turbulatoren drosseln den Gasstrom durch einen Spalt (76) zwischen dem Stator (18) und dem Rotor (22). Verschiedene Strömungsmaschinen, die solch eine Stator-Rotor-Anordnung (21) umfassen, werden ebenfalls beschrieben. Die Offenbarung erläutert ausserdem ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur aus umgekehrten Turbulatoren zum Drosseln des Gasstromes durch einen Spalt in einer Stator-Rotor-Anordnung mit Hilfe der umgekehrten Turbulatoren.

Description

Allgemeiner Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft allgemein eine Stator-Rotor-Anordnung, eine Strömungsmaschine und ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur aus umgekehrten Turbulatoren.

[0002] Der übliche Aufbau der meisten Turbinenmotoren ist auf dem Fachgebiet allgemein bekannt. Sie umfassen einen Verdichter zum Komprimieren der mit Kraftstoff gemischten Luft. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird in einer angeschlossenen Brennkammer entzündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen. Den heissen, verdichteten Gasen, die in modernen Motoren Temperaturen im Bereich von etwa 1100 °C bis 2000 °C aufweisen können, wird die Ausdehnung durch eine Turbinendüse hindurch ermöglicht, die den Strom derart leitet, dass eine angeschlossene Hochdruckturbine gedreht wird. Die Turbine ist gewöhnlich mit einer Rotorwelle gekoppelt, um den Verdichter anzutreiben. Die Kerngase verlassen dann die Hochdruckturbine und stellen im weiteren Strömungsweg Energie bereit. Die Energie liegt in Form zusätzlicher Rotationsenergie vor, die durch angeschlossene Niederdruckturbinenstufen gewonnen wird, oder in Form von Schubkraft durch eine Abgasdüse auf.

[0003] Insbesondere wird die in der Brennkammer produzierte thermische Energie in der Turbine in mechanische Energie umgewandelt, indem die heissen Verbrennungsgase auf eine oder mehrere Rotoranordnungen mit Laufschaufeln auftrifft. (Der Fachmann versteht, dass der Ausdruck «Laufschaufel» («blade») gewöhnlich Teil des Wortschatzes für Flugzeugturbinen ist, während der Ausdruck «Turbinenschaufel» («bucket») üblicherweise verwendet wird, wenn die gleiche Art von Komponente für landbasierte Turbinen beschrieben wird). Die Rotoranordnung umfasst gewöhnlich mindestens eine Reihe von umlaufend beabstandeten Laufschaufeln. Jede Laufschaufel umfasst einen Flügel, der eine Druckseite und eine Saugseite umfasst. Jeder Flügel verläuft von einer Laufschaufelplattform radial auswärts. Jede Laufschaufel umfasst ausserdem einen Schwalbenschwanz, der von einem Schaft, der zwischen der Plattform und dem Schwalbenschwanz verläuft, radial einwärts verläuft. Der Schwalbenschwanz wird verwendet, um die Laufschaufel in der Rotoranordnung an eine Rotorscheibe oder Rotorwelle zu montieren.

[0004] Wie auf dem Fachgebiet bekannt, kann die Rotoranordnung eigentlich als ein Abschnitt einer Stator-Rotor-Anordnung betrachtet werden. Die Reihen von Laufschaufeln der Rotoranordnung und die Reihen der Leitschaufeln der Statoranordnung verlaufen abwechselnd über einen axial ausgerichteten Strömungsweg zum «Betätigen» der Verbrennungsgase. Die Strahlen des heissen Verbrennungsgases, die die Schaufeln des Statorelements verlassen, wirken auf die Turbinenschaufeln ein und bewirken die Drehung des Turbinenrades in einem Drehzahlbereich von 3000–15 000 rpm, je nach Maschinentyp. (Wiederum kann hinsichtlich paralleler Terminologie das Statorelement, d.h. das Element, das feststehend bleibt, während die Turbine mit Hochgeschwindigkeit rotiert, auf dem Fachgebiet auch als «Düsenanordnung» bezeichnet werden).

[0005] Wie in den nachfolgend beschriebenen Figuren dargestellt, kann es die Öffnung an der Verbindungsstelle zwischen dem Statorelement und den Laufschaufeln oder Turbinenschaufeln ermöglichen, dass heisses Kerngas den Heissgasweg verlässt und in den Radraum des Turbinenmotors eintritt. Um diesen Einbruch von Heissgasen zu begrenzen, umfasst die Schaufelstruktur üblicherweise axial hervorstehende Dichtfinnen («Angel Wings»). Gemäss einer üblichen Konstruktion wirken die Finnen mit hervorstehenden Segmenten oder «Konturen» zusammen, die ausgehend vom benachbarten Statorelement, das heisst von der Düse, verlaufen. Die Finnen und die Konturen überlappen einander (oder überlappen einander fast), berühren einander aber nicht, und drosseln somit den Gasstrom. Die Wirksamkeit der Labyrinthdichtung, die aus diesen zusammenwirkenden Merkmalen gebildet wird, ist entscheidend für die Begrenzung der Leckage von Heissgas in unerwünschte Bereiche der Maschine. Die Finnen können verschiedene Formen aufweisen und weitere Merkmale wie etwa Radialzähne umfassen. Darüber hinaus verwenden einige Maschinenkonstruktionen mehrfache, überlappende Dichtungen aus Finnen und Konturen.

[0006] An der Verbindungsstelle zwischen den benachbarten Bereichen der Düse und der Turbinenschaufel bleibt ein Spalt bestehen, zum Beispiel zwischen den benachbarten Vorsprüngen der Finnen und Konturen, wenn solch eine Dichtung verwendet wird. Das Vorhandensein des Spaltes ist nachvollziehbar, das heisst, er ist der notwendige Abstand an der Nahtstelle zwischen feststehenden und rotierenden Komponenten. Doch stellt der Spalt auch einen Weg bereit, der es dem heissen Kerngas ermöglicht, den Heissgasweg in den Radraumbereich der Turbine hinein zu verlassen.

[0007] Wie oben angedeutet, ist der Einbruch des Heissgases auf diesem Weg aus einer Anzahl von Gründen unvorteilhaft. Erstens führt der Verlust von Heissgas aus dem Arbeitsgasstrom zu einem Verlust an Energie, die von der Turbine verfügbar ist. Zweitens kann die Leckage von Heissgas in Turbinenradräume und andere Hohlräume solche Komponenten beschädigen, die nicht dafür ausgelegt sind, derartigen Temperaturen lange ausgesetzt zu sein, wie etwa der Düsenstrukturträger und das Laufrad.

[0008] Eine allgemein bekannte Technik zum weiteren Minimieren des Einbruchs von Heissgas aus dem Arbeitsgasstrom umfasst die Verwendung von Kühlluft, das heisst «Spülluft». In einer üblichen Konstruktion kann die Luft aus dem Verdichter abgeleitet oder «gezapft» und als Hochdruckkühlluft für den Turbinenkühlkreislauf verwendet werden. Somit ist die Kühlluft Teil eines sekundären Strömungskreislaufs, der allgemein durch den Hohlraum des Radraumes und andere innere Bereiche geleitet werden kann. In einem spezifischen Beispiel kann die Kühlluft zur Rotor-Stator-Verbindungsstelle geleitet werden.

[0009] Somit kann die Kühlluft dazu dienen, die Temperatur bestimmter Maschinenkomponenten unter einer zulässigen Grenze zu halten. Die Kühlluft kann jedoch auch einer zusätzlichen spezifischen Funktion dienen, wenn sie vom Radraumbereich in einen der bereits beschriebenen Spalte geleitet wird. Dieser Gegenstrom von Kühlluft in den Spalt stellt eine zusätzliche Sperre gegen den unerwünschten Heissgasstrom aus dem Spalt und in den Radraumbereich bereit.

[0010] Obwohl die Kühlluft des sekundären Strömungskreislaufs aus den oben beschriebenen Gründen sehr nützlich ist, sind mit ihrer Verwendung aber auch Nachteile verbunden. Zum Beispiel verbraucht das Abzapfen von Luft aus dem Verdichter als Luft für die Hochdruckkühlung und die Hohlraumspülung Arbeit der Turbine und kann hinsichtlich der Maschinenleistung recht kostspielig sein. Darüber hinaus ist in einigen Maschinenbauformen das Verdichtersystem möglicherweise nicht in der Lage, während mindestens einiger Maschinenleistungseinstellungen Spülluft mit ausreichendem Druck bereitzustellen. Somit können dennoch Heissgase in den Hohlraum des Radraumes lecken.

[0011] Aus dieser Erläuterung sollte offensichtlich sein, dass auf dem Fachgebiet neue Techniken zum Verringern des Einbruchs von Heissgas aus einem Heissgasströmungsweg in unerwünschte Bereiche in einer Turbine oder in anderen Arten von Strömungsmaschinen willkommen wären. Darüber hinaus hat die Verringerung des Kühlluft- und des Hohlraumspülluftstromes, der zur Verringerung des Heissgaseinbruchs üblicherweise erforderlich ist, an sich weitere bedeutende Vorteile. Zum Beispiel wäre ein höherer Kerngasstrom möglich, wodurch die im Heissgasströmungsweg verfügbare Energie zunähme.

[0012] Neue Techniken zur Erreichung dieser Ziele müssen jedoch die grundlegenden Konstruktionsanforderungen für Gasturbinen oder andere Arten von Strömungsmaschinen beachten. Im Allgemeinen müssen der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Maschine insgesamt erhalten bleiben. Keine an der Maschine oder an spezifischen Maschinenmerkmalen vorgenommene Veränderung darf die Bereiche des Heissgas- und des Kühlluftstroms insgesamt stören oder beeinträchtigen. Darüber hinaus sollten die in Erwägung gezogenen Verbesserungen nicht zu zeitaufwendigen und unwirtschaftlichen Herstellungsschritten oder Änderungen an Herstellungsschritten führen. Ferner sollten die Verbesserungen für unterschiedliche Maschinenkonstruktionen, zum Beispiel für verschiedene Arten von Stator-Rotor-Anordnungen, angepasst werden können. Ausserdem wäre es sehr vorteilhaft, wenn die Verbesserungen für die Eindämmung von Niedertemperaturgasen (zum Beispiel Gase mit Raumtemperatur) wie auch von Heissgasen angepasst werden könnte.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0013] Die vorliegende Erfindung ist auf eine Stator-Rotor-Anordnung gerichtet, die mindestens einen Verbindungsbereich zwischen einer Oberfläche des Stators und einer Oberfläche des Rotors umfasst. Die Oberflächen sind durch mindestens einen Spalt getrennt. Mindestens eine Stator- oder Rotoroberfläche im Verbindungsbereich umfasst eine Struktur umgekehrter Turbulatoren. Die Erfindung betrifft ferner eine Strömungsmaschine, die solch eine Stator-Rotor-Anordnung enthält.

[0014] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur aus umgekehrten Turbulatoren zum Drosseln des Gasstromes durch einen Spalt zwischen einem Stator und einem Rotor in einer Stator-Rotor-Anordnung. Das Verfahren umfasst den Schritt des Bildens der Struktur umgekehrter Turbulatoren auf mindestens einer Oberfläche des Stators oder Rotors, die an den Spalt angrenzt, wobei die umgekehrten Turbulatoren eine Grösse und eine Form aufweisen, die ausreicht, um den Gasstrom zu hemmen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0015] <tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Darstellung eines Querschnittes eines Abschnittes einer Gasturbine. <tb>Fig. 2<sep>ist eine vergrösserte Ansicht des Querschnittes des Turbinenabschnittes von Fig. 1. <tb>Fig. 3<sep>ist eine Teilseitenansicht einer Oberfläche eines Gegenstandes, die einen umgekehrten Turbulator umfasst. <tb>Fig. 4<sep>ist eine Teilseitenansicht einer weiteren Oberfläche eines Gegenstandes, die einen umgekehrten Turbulator umfasst. <tb>Fig. 5<sep>ist eine weitere Teilseitenansicht einer Oberfläche eines Gegenstandes, die eine Art eines umgekehrten Turbulators umfasst. <tb>Fig. 6<sep>ist eine Teilvorderansicht einer Oberfläche eines Gegenstandes, die eine Art eines umgekehrten Turbulators umfasst. <tb>Fig. 7<sep>ist eine vergrösserte Ansicht der Oberfläche des Gegenstandes von Fig. 6. <tb>Fig. 8<sep>ist eine vereinfachte Darstellung eines Vergleichsfluidstromes durch einen beispielhaften Stator-Rotor-Spalt ohne umgekehrte Turbulatoren. <tb>Fig. 9<sep>ist eine vereinfachte Darstellung eines Vergleichsfluidstromes durch einen beispielhaften Stator-Rotor-Spalt mit umgekehrten Turbulatoren. <tb>Fig. 10<sep>ist eine andere vergrösserte Ansicht des Querschnittes des Turbinenabschnittes von Fig. 1, die die Anordnung der umgekehrten Turbulatoren zeigt. <tb>Fig. 11<sep>ist eine weitere vergrösserte Ansicht des Querschnittes des Turbinenabschnittes von Fig. 1, die eine weitere Anordnung der umgekehrten Turbulatoren zeigt.

[0016] Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes einer Gasturbine, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Maschine umfasst axial beabstandete Laufräder 12 und Abstandshalter 14, die durch mehrere umlaufend beabstandete, axial verlaufende Bolzen 16 miteinander verbunden sind. Die Turbine umfasst verschiedene Stufen mit Düsen, zum Beispiel die Düse der ersten Stufe 18 und die Düse der zweiten Stufe 20, die aus mehreren umlaufend beabstandeten Leitschaufeln bestehen. Zwischen den Düsen und rotierend mit dem Rotor befinden sich mehrere Laufschaufeln oder Turbinenschaufeln, wobei die Laufschaufeln der ersten beziehungsweise der zweiten Stufe 22 und 24 dargestellt sind.

[0017] Jede Laufschaufel, zum Beispiel Schaufel 22, umfasst einen Flügel 23, der an einen Schaft 25 montiert ist, welcher eine Plattform 26 umfasst. Einige der anderen einzelnen Merkmale der Laufschaufeln sind hier nicht spezifisch dargestellt. Der Schaft 25 umfasst einen Schwalbenschwanz 27 zur Verbindung mit entsprechenden Schwalbenschwanznuten, die auf dem Laufrad 12 gebildet sind.

[0018] Die Lauf- oder Turbinenschaufel 22 umfasst axial hervorstehende Finnen 33, 34, 50 und 90 (manchmal auch als «Dichtfinnen» bezeichnet), wie in Fig. 1dargestellt. Die Finnen sind üblicherweise einstückig mit der Schaufel gegossen. Wie bereits beschrieben, befinden sie sich allgemein in gegenüberliegender Position zu «Anschlussflächen» oder Konturen 26 und 64, welche aus den benachbarten Düsen 20 beziehungsweise 18 hervorstehen. Als ein Beispiel ist die Kontur 64 im Verhältnis zur Finne 90 in einer gegenüberliegenden, überlappenden Position gezeigt. Der Heissgasweg in einer Turbine dieser Art ist allgemein durch den Pfeil 38 angezeigt. Wie oben angedeutet, überlappen in einigen Beispielen die Finne und die Kontur einander nicht vollständig, sondern sie können einander gegenüberliegend und annähernd bündig zueinander angeordnet sein, zum Beispiel Spitze an Spitze. Gewöhnlich wären in diesem Fall die Spitzen direkt bündig, obwohl ihre relative vertikale Position, wie sie in der Figur gezeigt ist, etwas variieren kann, sofern eine ausreichende Strömungsdrosselung beibehalten wird.

[0019] Fig. 2 ist eine vergrösserte Ansicht eines Abschnittes der in Fig. 1 dargestellten Maschine, mit Fokus auf den allgemeinen Bereich, der die Düse (Stator) der ersten Stufe 18 und die Laufschaufel der ersten Stufe 22 beinhaltet. (Dieser Bereich kann als die «Stator-Rotor-Anordnung» bezeichnet werden, die in Fig. 2als Element 21 gekennzeichnet ist). Die Düse 18 umfasst die Kontur 58, das heisst einen hervorstehenden Abschnitt (Endwandung) der Düsenstruktur, der derart geformt ist, dass er als Teil eines Gasstromdrosselungsschemas fungiert, wie bereits erwähnt. Die Kontur weist üblicherweise verschiedene Oberflächen auf, die für die vorliegende Offenbarung von besonderem Interesse sind. Sie umfassen eine Radialfläche 60 zusammen mit einer unteren Konturfläche 62. Die Düse 18 umfasst auch eine Kontur 64, die in dieser Konstruktion nahe des unteren Endpunktes der Statorradialfläche 66 angeordnet ist. Die Kontur 64 umfasst eine Oberseite 67 und eine Unterseite 69.

[0020] Des Weiteren verläuft in Fig. 2von einem Schaft 25 der Laufschaufel 22 ausgehend eine Finne 50. Die Finne umfasst eine Dichtungsoberseite 70 und eine Dichtungsunterseite 72. Obwohl die Finne in diesem Fall mit einem «Aufschwung» oder einer Spitze 74 endet, wird solch ein Merkmal nicht immer verwendet. Vielmehr können Form und Grösse der Finne (oder jeder beliebigen anderen Art eines an der Schaufel 22 befestigten Kontursegments) sehr stark variieren. All diese Varianten liegen im Anwendungsbereich der Elemente der vorliegenden Erfindung. Wie oben erwähnt, zeigt Fig. 2 auch die untere Finne 90, die ebenfalls vom Schaft 25 aus verläuft.

[0021] Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass sich einige Abschnitte der Düse 18 und der Schaufel 22 in einem Verbindungsbereich 92 gegenüberliegen. Die sich gegenüberliegenden Oberflächen sind durch mindestens einen Spalt getrennt (hier sind, wie nachfolgend beschrieben, zwei Spalte gezeigt). Somit liegt der obere Spalt 76 allgemein zwischen der unteren Konturfläche 62 und der Finnenspitze 74. Der untere Spalt 77 liegt allgemein zwischen der Unterseite 69 der Kontur 64 und der Spitze 91 der Finne 90. In diesem Fall bilden die Spalte 76 und 77 allgemein einen Pufferhohlraum 80 und stellen zwischen dem axialen Spalt 78 und den «inneren» Bereichen der Turbine, zum Beispiel dem Radraumbereich 82, eine Passage bereit.

[0022] Der Begriff «Verbindungsbereich» wird hierin verwendet, um den allgemeinen Bereich mit begrenzter Abmessung zu beschreiben, der die Spalte 76 und 77 zusammen mit den umliegenden Abschnitten der Düse 18 und der Schaufel 22 umfasst. Zum Zweck der allgemeinen Darstellung ist der Verbindungsbereich 92 in Fig. 2 als durch die gestrichelten Grenzlinien 94 und 96 begrenzt dargestellt. Die genaue Grenze des Verbindungsbereiches variiert teilweise mit der konkreten Konstruktion der Stator-Rotor-Anordnung. Eine beispielhafte Art und Weise, wie ein üblicher Verbindungsbereich definiert wird, hängt von der Länge (in Fig. 2 als «Höhe» zu sehen) der Laufschaufel 22 ab. Wenn also die Höhe der Schaufel 22 im Heissgasweg 38 als «H» gekennzeichnet ist, verläuft der Verbindungsbereich (obere Grenzlinie 94) schätzungsweise von der Plattform 26 bis zu 10 % der Höhe H. In Hinsicht auf den «inneren» Bereich der Stator-Rotor-Anordnung (das heisst auf die untere Grenzlinie 96) verläuft der Verbindungsbereich schätzungsweise um die gleiche Länge (etwa 10 % von H) unterhalb des untersten Abschnitts der innersten Kontur, das heisst der unteren Finne 90. (Die Grenzlinie 96 wird folglich auch immer derart über den Radraumbereich 82 verlaufen, dass die unterste Kontur am Stator, das heisst die Kontur 64 in Fig. 2, mit erfasst wird). Der Verbindungsbereich kann oft als ein «Stromdrosselungs»-Bereich bezeichnet werden.

[0023] Bei normalem Maschinenbetrieb strömt Verbrennungsgas, das entlang des Heissgasweges 38 in die Maschine geleitet wird, durch die Stator-Rotor-Anordnung 21 nach hinten, und weiter durch weitere Stator-Rotor-Anordnungen in der Maschine. (Technisch sollte das Verbrennungsgas in dieser Phase als «Nachverbrennungsgas» bezeichnet werden. Darüber hinaus sollte sich verstehen, dass das Heissgas oft ein Gemisch aus Gasen ist. Obwohl im Gemisch gewöhnlich Nachverbrennungsgase vorherrschen, kann es auch verschiedene Kühlmitteleinblasungen und einen Kühlmittelstrom umfassen, zum Beispiel von der Düse 18 und/oder vom Kühlluftstrom 98, wie nachfolgend beschrieben). Wenn der Heissgasstrom in den axialen Spalt 78 eintritt, kann ein Teil des Gasstromes (gestrichelter Pfeil 37) durch den oberen Spalt 76 entweichen und in den Pufferhohlraum 80 strömen. (In einigen Extremsituationen, die sehr ungewöhnlich wären, könnte sich das Heissgas weiter durch den unteren Spalt 77 bewegen und in den Radraumbereich 82 eindringen). Wie oben erwähnt, wird gewöhnlich Kühlluft, die mit Pfeil 98 bezeichnet ist, vom Verdichter (nicht dargestellt) gezapft und vom inneren Bereich der Maschine (zum Beispiel dem Radraum 82) in den Pufferhohlraum 80 geleitet, um dem Einbruch von Heissgas entgegenzuwirken. Die in solch einem Gasströmungswegsystem mitunter vorkommenden Defizite wurden bereits beschrieben.

[0024] Gemäss einer Ausführungsform ist mindestens entweder die Stator- oder die Rotoroberfläche im Verbindungsbereich 92 mit einer Struktur umgekehrter Turbulatoren ausgestattet. Strömt Heissgas (zum Beispiel die Nachverbrennungsgase) über die umgekehrten Turbulatoren, so wird der Gasstrom gehemmt. Ohne an eine konkrete Theorie für dieses Phänomen gebunden sein zu wollen, scheint es, dass jeder umgekehrte Turbulator einen örtlichen Strömungswirbel erzeugt, wenn sich der Fluidstrom darüber hinweg bewegt. Darüber hinaus werden bei sich kreuzenden umgekehrten Turbulatoren durch die Wechselwirkung der Ströme der einzelnen umgekehrten Turbulatoren zusätzliche Strömungswirbel erzeugt. Werden die Wirbel in den Fluidstrom ausgestossen, drosseln sie den Gasstrom. Auf diese Weise wird der Einbruch von Heissgas aus dem Primärströmungsweg in den Radraumbereich – der bereits teilweise durch die Kontur-Finnen-Strukturen behindert wird – weiter gedrosselt.

[0025] In der vorliegenden Verwendung soll der Begriff «umgekehrter Turbulator» eine sehr breite Vielfalt von kurzen oder langen durchgehenden Merkmalen umfassen. Zum Beispiel kann der «umgekehrte Turbulator» ein gerades oder nicht gerades (oder bogenförmiges) durchgehend ausgebildetes Merkmal sein, wie etwa eine Nut, eine Senke, eine Einkerbung, eine Vertiefung, eine Mulde oder dergleichen. In einem Beispiel eines nicht geraden umgekehrten Turbulators kann der umgekehrte Turbulator eine durchgehend ausgebildete, halbkugelförmige Kerbe mit einer Zickzack-Form sein.

[0026] Fig. 3 und 4 sind nicht einschränkende Querschnittsdarstellungen verschiedener Halbkugelformen, die für umgekehrte Turbulatoren 99 beziehungsweise 101 möglich sind. In Fig. 3 ist eine ganze Halbkugel dargestellt, das heisst mit einer Tiefe, die dem vollen Radius R entspricht. Fig. 4zeigt einen viel flacheren umgekehrten Turbulator. Darüber hinaus kann auch die Oberflächenkante des umgekehrten Turbulators variieren. In Fig. 3 sind die Oberflächenkanten 100 und 102 etwas gerundet dargestellt, während in Fig. 4 die Oberflächenkanten 104 und 106 verhältnismässig scharf dargestellt sind. (Ferner können verschiedene Abschnitte der Oberflächenkanten eines gegebenen umgekehrten Turbulators auch in der Form variieren, zum Beispiel in Abhängigkeit davon, wie sie zu einer konkreten Gasströmung angeordnet sind).

[0027] Wie aus den beispielhaften Fig. 3und 4 ersichtlich ist, kann die Tiefe der umgekehrten Turbulatoren beträchtlich variieren. Zu den Faktoren, die für die Auswahl der optimalen Tiefe relevant sind, gehören die Art und Geschwindigkeit des Gasstromes über den umgekehrten Turbulator (in einem oder mehreren Strömen), der Grad, zu dem der Gasstrom gedrosselt werden soll, die Form und Grösse der Stator- und/oder Rotoroberfläche, auf der sich die umgekehrten Turbulatoren befinden, die Art und Weise, in der die umgekehrten Turbulatoren ausgebildet werden sollen, und die Grösse des örtlichen Stator-Rotor-Spaltbereiches. Allgemein variiert die Tiefe der umgekehrten Turbulatoren für eine übliche Stator-Rotor-Anordnung in einer konventionellen Strömungsmaschine zwischen etwa 0,5 mm und etwa 6 mm. Im Fall halbkugel-oder teilweise halbkugelförmiger umgekehrter Turbulatoren liegt die Tiefe üblicherweise im Bereich zwischen etwa 0,5 mm und etwa 6 mm und häufiger im Bereich zwischen etwa 0,5 mm und etwa 2,5 mm. Der Fachmann wird auf der Grundlage der oben erwähnten Faktoren sowie von Fluidströmungsstudien, Ausstosskoeffiziententests, rechnerischen Prognosen der Fluiddynamik und dergleichen in der Lage sein, die am besten geeignete Tiefe der umgekehrten Turbulatoren für eine gegebene Situation auszuwählen.

[0028] Wie oben erwähnt, sind auch umgekehrte Turbulatoren mit anderen Formen möglich. Als eine nicht einschränkende Veranschaulichung kann der umgekehrte Turbulator 108 (Fig. 5) zusammen mit geneigten Seitenwandungen 112 eine verhältnismässig glatte Grundfläche 110 aufweisen, so dass die Öffnung des umgekehrten Turbulators eine grössere Fläche einnimmt als sein Boden 110. Der Neigungsgrad der Seitenwandungen kann in Abhängigkeit von vielen der anderen Faktoren, die hierin genannt wurden, beträchtlich variieren.

[0029] Die umgekehrten Turbulatoren können in vielen verschiedenen Strukturen angeordnet sein. Die Auswahl der konkreten Struktur hängt teilweise von vielen der Faktoren ab, die oben in Hinsicht auf die Form der umgekehrten Turbulatoren aufgelistet wurden. Gewöhnlich, allerdings nicht immer, sind sie gleichmässig voneinander beabstandet.

[0030] In einem in Fig. 6 und 7 gezeigten Beispiel sind die umgekehrten Turbulatoren 114 winklig in einer Richtung entlang der Länge der Oberfläche angeordnet, während ähnliche umgekehrte Turbulatoren 116 winklig in gegenläufiger Richtung angeordnet sind, was eine Kreuzstruktur oder ein Feld von voneinander beabstandeten umgekehrten Turbulatoren bildet, um den Einbruch von Heissgas 134 in den inneren Bereich 132 zu drosseln (Fig. 8). Die gekreuzten umgekehrten Turbulatoren 114, 116 können einen einheitlichen Querschnitt aufweisen (wie dargestellt) oder einen nicht einheitlichen Querschnitt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Kreuzstruktur durch mehrere parallel verlaufende Reihen umgekehrter Turbulatoren mit einem Winkel 118 von weniger als 90 Grad zueinander und einen im Wesentlichen gleichen Abstand zwischen den Reihen gebildet. Der Abstand zwischen den Reihen umgekehrter Turbulatoren muss jedoch nicht gleich sein. Des Weiteren kann der Winkel 118 zwischen benachbarten Reihen variieren und im Bereich zwischen etwa 0 Grad (das heisst mehrere, sich im Wesentlichen nicht kreuzende, parallele, horizontale Reihen) und etwa 90 Grad (das heisst mehrere, sich im Wesentlichen senkrecht kreuzende Reihen) liegen.

[0031] Der Abstand zwischen den umgekehrten Turbulatoren 114, 116 kann ebenfalls in gewissem Umfang variieren. (Der Abstand ist hierin als das Verhältnis des Abstandes von Mittelpunkt zu Mittelpunkt, dividiert durch die Oberflächenbreite des umgekehrten Turbulators, ausgedrückt). Im Fall einer üblichen Stator-Rotor-Anordnung einer Turbine kann der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen benachbarten Reihen das etwa Ein- bis etwa Sechsfache der Oberflächenbreite des umgekehrten Turbulators und bevorzugter das etwa Zwei- bis etwa Vierfache der Oberflächenbreite des umgekehrten Turbulators betragen.

[0032] Fluidstromstudien wie die oben erwähnten können verwendet werden, um ohne weiteres die am besten geeignete Struktur umgekehrter Turbulatoren für eine gegebene Situation zu bestimmen. Es sollte auch beachtet werden, dass die Struktur an sich über verschiedene Oberflächenabschnitte des Stators und/oder Rotors variiert werden kann.

[0033] Die umgekehrten Turbulatoren können mit verschiedenen Verfahren gebildet werden. Nicht einschränkende Bespiele umfassen maschinelle Verfahren wie etwa verschiedene Frästechniken. Weitere mögliche maschinelle Prozesse umfassen das Funkenerodieren (Electro-Discharge Machining, EDM) und die elektrochemische Bearbeitung (Electro-Chemical Machining, ECM). In einigen Fällen können die umgekehrten Turbulatoren während des Giessens der konkreten Komponente gebildet werden, zum Beispiel während des Präzisionsgiessens eines Turbinenrotors oder einer Turbinendüse. Beispielsweise kann eine Oberfläche einer Präzisionsgiessform mit einer ausgewählten Struktur positiver Merkmale ausgestattet werden, zum Beispiel mit abgerundeten Streifen, Streifen mit abgeschrägten Kanten oder mit jeder beliebigen anderen Art von Vorwölbungen oder Turbulatoren. Die Form der positiven Merkmale wird durch die gewünschte Form der umgekehrten Turbulatoren bestimmt, die die Umkehrung des positiven Merkmals ist. Somit umfasst das Bauteil nach dem Entfernen der Giessform die ausgewählte Struktur aus umgekehrten Turbulatoren. Der Fachmann wird in der Lage sein, ohne weiteres die am besten geeignete Technik (oder Kombination aus Techniken) zum Ausbilden der umgekehrten Turbulatoren auf einer gegebenen Oberfläche zu bestimmen.

[0034] Fig. 8 und 9 sind vereinfachte Darstellungen gemäss einiger Ausführungsformen, die die Vorteile des Bereitstellens umgekehrter Turbulatoren in der Stator-Rotor-Anordnung einer Strömungsmaschine veranschaulichen. In den Anordnungen 120 und 122 sind Abschnitte des Stators und Rotors als monolithische Platten 124 beziehungsweise 126 dargestellt. Der Heissgasstrom im Heissgasströmungsbereich 128 ist durch den Pfeil 130 angezeigt. Der Strom des Heissgases vom Strömungsbereich 128 in den inneren Bereich 132 (zum Beispiel einen Radraumbereich) ist durch den Strömungspfeil 134 angezeigt. Der Strom des Kühlmittels, der dem Heissgasstrom entgegenwirkt, ist durch den Strömungspfeil 136 angezeigt. Im Fall der in Fig. 8 gezeigten Anordnung 120 sind keine umgekehrten Turbulatoren auf einer der Stator- oder Rotoroberflächen vorhanden. Der Heissgasstrom 134 verläuft im Wesentlichen bis in den Innenbereich 132 der Strömungsmaschine, wo er mitunter Räder, Scheiben und andere temperaturempfindliche Komponenten beschädigen kann.

[0035] In Fig. 9 umfasst eine Stator-Rotor-Anordnung 122 an einer Unterseite 138 des Stators 124 und an einer Oberseite 140 des Rotors 126 umgekehrte Turbulatoren 137. Die eigentliche Form und Grösse der umgekehrten Turbulatoren ist in dieser Ansicht nicht zu erkennen. Stattdessen sind sie durch die Verwirbelungsformen dargestellt. (Wie oben erwähnt, umfasst eine Theorie die Annahme, dass in jedem umgekehrten Turbulator ein Wirbel gebildet wird, wenn ein Gas darüberströmt). Wie in der Anordnung 122 gezeigt, kann das Vorhandensein von umgekehrten Turbulatoren den Einbruch von Heissgas 134 in den inneren Bereich 132 stark drosseln. Somit kann das Heissgas wirksam in den Heissgasbereich 128 «zurückgeschickt» werden, ohne in empfindliche Bereiche der Turbine zu lecken. Als weitere Folge muss der Kühlmittelstrom 236 nicht so stark sein wie im Fall der Anordnung 120, was zu weiteren, hierin beschriebenen Vorteilen führt.

[0036] Die umgekehrten Turbulatoren können an verschiedenen Oberflächen des Stators, des Rotors oder beiden ausgebildet sein. (In einigen Fällen müssen die umgekehrten Turbulatoren nur an Abschnitten dieser Oberflächen ausgebildet sein). Beispielsweise können sie an verschiedenen Oberflächen einer oder mehrerer Konturdichtungen des Stators angeordnet sein, die in einen der Spalte im Verbindungsbereich hinein verlaufen. Wie bereits beschrieben, können sie auch an verschiedenen Oberflächen einer oder mehrerer Finnen (am Rotor) ausgebildet sein, die in einen der Spalte hinein verlaufen.

[0037] In einigen Arten von Stator-Rotor-Anordnungen wird ein beträchtlicher Vorteil aus dem Einbau der umgekehrten Turbulatoren in eine Oberfläche der Kontur erzielt, wohingegen kein wesentlicher Vorteil aus dem Einbau der umgekehrten Turbulatoren in Oberflächen der Laufschaufel erzielt wird. Jedoch hängt der Grad der Wirksamkeit der umgekehrten Turbulatoren von vielen hierin beschriebenen Faktoren ab, einschliesslich der Grösse, Form und genauen Anordnung der Merkmale, in Verbindung mit der konkreten Konstruktion der Stator-Rotor-Anordnung. Folglich ist bei einigen Arten von Stator-Rotor-Anordnungen zu erwarten, dass das Vorhandensein umgekehrter Tabulatoren an verschiedenen Abschnitten des Rotors ebenfalls den hierin beschrieben wesentlichen Vorteil bereitstellt.

[0038] Die beigefügten Figuren sind allgemein in einer zweidimensionalen Ansicht gezeichnet, um das Studium der vorliegenden Offenbarung zu vereinfachen. Es sollte sich jedoch verstehen, dass der hierin beschriebene Verbindungsbereich üblicherweise Teil einer drehbaren Anordnung ist. Folglich ist es gewöhnlich wichtig, dass die umgekehrten Turbulatoren in Strukturen angebracht werden, die allgemein den gesamten Umfang der konkreten Komponente, das heisst den Stator oder den Rotor, umgeben.

[0039] Fig. 10 ist eine weitere, stärker vergrösserte Ansicht des Turbinenabschnittes der Fig. 1 und 2. In Fig. 10 sind nicht einschränkende Beispiele der spezifischen Anordnung umgekehrter Turbulatoren an verschiedenen Abschnitten des Stators (Düse) 18 und/oder der Laufschaufel (Turbinenschaufel) 22 bereitgestellt. Die möglichen Positionen der umgekehrten Turbulatoren sind durch die verschiedenen Pfeilsymbole angezeigt. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, dass die umgekehrten Turbulatoren in verschiedenen radialen Innenabschnitten des Stators enthalten sein können, zum Beispiel in der Radialfläche 60 (die zum Kanalhohlraum 54 zeigt), in der Konturunterseite 62 (die zum oberen Spalt 76 zeigt) und in der Statorfläche 66. Die umgekehrten Turbulatoren können auch in verschiedenen Statorbereichen, die mit dem unteren Spalt 77 verbunden sind, enthalten sein, wie etwa in den verschiedenen Oberflächen der Kontur 64. Fig. 10stellt ausserdem die Anordnung umgekehrter Turbulatoren an den Finnen 50 und 90 dar. Viele verschiedene Bereiche jeder Finne 50, 90 können die umgekehrten Turbulatoren umfassen, zum Beispiel die Dichtungsoberseite 70 der Finne 50 einschliesslich ihrer Spitze 74. Die Verwendung umgekehrter Turbulatoren in diesem Bereich kann sogar in gewissem Umfang Vergrösserungen des unteren und oberen Spalts 76, 77 und des Pufferhohlraums 80 ermöglichen, während der wirksame Strömungswiderstand dennoch erhalten bleibt. Eine vergrösserte Abmessung des physischen Spaltes kann andere Beschränkungen hinsichtlich der Fertigungstoleranzen und Passgenauigkeit der Anordnungsteile abbauen, wodurch zusätzliche Herstellungsvorteile bereitgestellt werden. (Dies ist auch im Fall der Bereiche des oberen Spaltes ein Nutzen).

[0040] Als Beispiel ist in Fig. 11eine mögliche Position umgekehrter Turbulatoren im Verbindungsbereich 92 der Stator-Rotor-Anordnung gezeigt. In Fig. 11 ist ein nicht einschränkendes Beispiel der spezifischen Anordnung umgekehrter Turbulatoren an verschiedenen Abschnitten des Stators (Düse) 18 und/oder der Laufschaufel (Turbinenschaufel) 22 bereitgestellt. Die mögliche Position der umgekehrten Turbulatoren sind durch die verschiedenen Pfeilsymbole angezeigt. Ähnlich wie bei der Anordnung in Fig. 10sind die umgekehrten Turbulatoren an den radialen Innenabschnitten des Stators platziert, zum Beispiel an der Radialfläche 60 (die zum Kanalhohlraum 54 zeigt), an der Konturunterseite 62 (die zum oberen Spalt 76 zeigt) und an der Statorfläche 66. Die umgekehrten Turbulatoren können auch in verschiedenen Statorbereichen, die mit dem unteren Spalt 77 verbunden sind, enthalten sein, wie etwa in der Ober- und Unterseite 67, 69 der Kontur 64. Im Gegensatz zur in Fig. 10 gezeigten Anordnung werden die umgekehrten Turbulatoren in Fig. 11 nicht an den Finnen 50, 90 verwendet. In Fig. 11sind die umgekehrten Turbulatoren an jeder Seite des unteren und des oberen Spaltes 76, 77 angeordnet, die von den Finnen 50, 90 beziehungsweise von den Konturen 58, 64 gebildet werden. Insbesondere verlaufen die umgekehrten Turbulatoren an den Oberflächen auf jeder Seite der Spalte 76, 77 über eine spezifische Länge, die etwa der Oberflächenlänge der Kontur 58, 64 selbst entspricht. Mit anderen Worten verlaufen die umgekehrten Turbulatoren auf jeder Seite der Spalte 76, 77 nur über die Länge der Oberfläche der Kontur 58, 64. Die Verwendung der umgekehrten Turbulatoren nur in diesen Bereichen kann sogar in gewissem Umfang Vergrösserungen im unteren und im oberen Spalt 76, 77 und im Pufferhohlraum 80 ermöglichen, während der wirksame Strömungswiderstand dennoch erhalten bleibt.

[0041] Die vorliegende Offenbarung hat beispielhaft Stator-Rotor-Anordnungen im Turbinenabschnitt einer Strömungsmaschine erläutert. Es soll jedoch betont werden, dass auch Stator-Rotor-Anordnungen in anderen Abschnitten solch einer Maschine von der Erfindung profitieren können. Als nicht einschränkende Veranschaulichung umfassen die Verdichterabschnitte in vielen Strömungsmaschinen ebenfalls Stator-Rotor-Anordnungen, in denen Finnen-Kontur-Anordnungen enthalten sein können. Wie im Fall der Turbine ist diese Konstruktion ein Dichtungsmechanismus (zum Beispiel über drei verschiedene Verdichterstufen), obwohl das Gas gewöhnlich eine geringere Temperatur aufweist. Somit kann die Verwendung umgekehrter Turbulatoren in Stator-Rotor-Anordnungen im Verdichter zum Drosseln von Gasstrom ebenfalls sehr nützlich sein. (Allgemein sollte offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung für die Eindämmung von Gas mit jeder Temperatur, zum Beispiel Raumtemperatur oder darüber, geeignet ist).

[0042] Eine Strömungsmaschine umfasst mindestens eine Stator-Rotor-Anordnung, wie die oben beschriebene. Gasturbinen (zum Beispiel Turbojets, Turboprops, landbasierte, Energie erzeugende Turbinen und Schiffsantriebsturbinen) stellen Beispiele für eine Strömungsmaschine dar. Auf dem Fachgebiet sind auch weitere Arten bekannt. Nicht einschränkende Beispiele sind u. a. eine breite Vielfalt von Pumpen und Verdichtern, die eben auch eine Stator-Rotor-Anordnung umfassen, durch die Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) strömen. Für viele dieser weiteren Strömungsmaschinenkonstruktionen wären neue Techniken zum Verringern des Einbruchs von Fluid aus einem Strömungsweg in andere Bereiche der Maschine von beträchtlichem Interesse. So könnten die Stator-Rotor-Anordnungen in jeder dieser Strömungsmaschinen Strukturen umgekehrter Turbulatoren wie in dieser Offenbarung beschrieben umfassen.

[0043] Es ist ein Verfahren zum Drosseln des Gasstromes (zum Beispiel von Heissgas) durch einen Spalt zwischen einem Stator und einem Rotor in einer Strömungsmaschine beschrieben. Wie bereits beschrieben, umfasst das Verfahren den Schritt des Bildens einer Struktur aus umgekehrten Turbulatoren an mindestens einer Oberfläche des Stators oder des Rotors, die an den Spalt angrenzen. Die umgekehrten Turbulatoren weisen eine ausreichende Grösse und eine Form auf, um den Gasstrom zu hemmen, wie ebenfalls oben beschrieben. Beispielhafte Verfahren zum Bilden der umgekehrten Turbulatoren wurden ebenfalls in der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt.

[0044] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen und Beispiele beschrieben wurde, sollte es sich verstehen, dass sich dem Fachmann im Rahmen der unabhängigen Patentansprüche verschiedene Modifikationen, Anpassungen und Alternativen erschliessen können.

Claims (9)

1. Stator-Rotor-Anordnung (21), mindestens einen Verbindungsbereich (92) zwischen einer Oberfläche des Stators (18) und einer Oberfläche des Rotors (22) umfassend, wobei die Oberflächen durch mindestens einen Spalt (76) getrennt sind, wobei mindestens entweder die Stator- oder die Rotoroberfläche im Verbindungsbereich (92) eine Struktur aus umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) umfasst, und wobei die umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) eine Grösse und eine Form aufweisen, die einen Gasstrom durch den Spalt (76) drosseln.

2. Anordnung (21) nach Anspruch 1, wobei der Stator (18) eine Düse ist, die mindestens eine Konturdichtung (64) mit einem Segment umfasst, das in den Spalt (76) hinein verläuft, und die Struktur aus umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) an mindestens einer Oberfläche des Segments angeordnet ist.

3. Anordnung (21) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rotor (22) eine Laufschaufel oder Turbinenschaufel ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Laufschaufel oder Turbinenschaufel (22) mindestens eine Finne (50, 90) umfasst, die sich in den Spalt (76) hinein erstreckt, und auf mindestens einer Oberfläche der Finnen (50, 90) die Struktur aus umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) angeordnet ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur ein Feld gleichmässig beabstandeter umgekehrter Turbulatoren (99, 101, 108) umfasst.

6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Struktur ein Kreuzmuster umfasst.

7. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsbereich (92) zwischen der Stator- und der Rotoroberfläche ein Strömungsdrosselungsbereich ist, der den Strom von Gas aus einem Heissgasweg (38) einer Turbine durch den Spalt (76) in einen Radraumbereich (82) der Stator-Rotor-Anordnung (21) hinein begrenzt.

8. Strömungsmaschine, mindestens eine Stator-Rotor-Anordnung (21) umfassend, wobei die Stator-Rotor-Anordnung (21) mindestens einen Verbindungsbereich (92) zwischen einer Oberfläche des Stators (18) und einer Oberfläche des Rotors (22) umfasst, wobei die Oberflächen durch mindestens einen Spalt (76) getrennt sind, wobei mindestens entweder die Stator- oder die Rotoroberfläche im Verbindungsbereich (92) eine Struktur aus umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) umfasst, und wobei die umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) eine Grösse und eine Form aufweisen, die einen Gasstrom durch den Spalt (76) drosseln.

9. Verfahren zum Herstellen einer Struktur aus umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) zum Drosseln eines Gasstroms durch einen Spalt (76) zwischen einem Stator (18) und einem Rotor (22) in einer Stator-Rotor-Anordnung einer Strömungsmaschine, den Schritt des Bildens der Struktur aus umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) auf mindestens einer Oberfläche des Stators (18) oder Rotors (22), die an den Spalt (76) angrenzt, umfassend, wobei die umgekehrten Turbulatoren (99, 101, 108) eine Grösse und eine Form aufweisen, die den Gasstrom drosseln.