CH715415A2 - Turbinenleitapparat mit beschaufelter Leitvorrichtung. - Google Patents

Turbinenleitapparat mit beschaufelter Leitvorrichtung. Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinenleitapparat (1) für eine Turbine oder einen Verdichter ausgebildet mit einem Laufrad (2) mit einer Anzahl n an Leitschaufeln (L1, L2, ..., Li, Li + 1, ..., Ln), die am Laufrad (2) in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend in einem nicht äquidistanten, ungleichförmigen Abstand Δ i, i + 1 angeordnet sind, wobei Δ i, i + 1 jeweils den Abstand von zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln (Li, Li + 1) bestimmt.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Verdichter sowie einen Turbinenleitapparat mit einer Leitvorrichtung mit Leitschaufeln.
[0002] Ein Verdichter ist eine Maschine (Fluidenergiemaschine), die einem eingeschossenen Gas mechanische Arbeit zuführt, wobei Verdichter hierzu zum Komprimieren von Gasen verwendet werden. Sie erhöhen dabei den Druck und die Dichte des Arbeitsgases. Maschinen, bei denen eine geringe Verdichtung Nebeneffekt beim Transport von Gasen ist, werden Ventilatoren oder Gebläse genannt und im Allgemeinen nicht zu den Verdichtern gerechnet. Eine Turbine ist eine rotierende Strömungsmaschine, welche das Abfallen der inneren Energie eines strömenden Fluides in mechanische Leistung umwandelt, nämlich Drehmoment mal Drehzahl, die sie über ihre Welle wieder abgibt.
[0003] Dem Fluidstrom wird ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese Schaufeln wird dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung wird an einem Abtrieb verwendet. Die Turbinenlaufräder gelten wegen der hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen aufgrund der Fliehkraft und der thermischen Gradienten und Transienten im Betrieb als zentraler Punkt bei der Auslegung einer Turbine. Neben einer optimalen Gestaltung bezüglich des Wirkungsgrades stehen daher vor allem strukturmechanische Aspekte im Mittelpunkt der Auslegung, um die Betriebssicherheit der Turbinenlaufräder zu gewährleisten. Ein wichtiger zusätzlicher Punkt hierbei ist die Realisierung einer geringen Turbinenmasse, da die verwendeten Materialien typischerweise teuer sind und eine geringe Masse bzw. ein geringes Massenträgheitsmoment entscheidend für das Beschleunigungsverhalten ist. Für einen wirtschaftlichen Einsatz solcher Turbinen und Verdichter soll die Lebensdauer der Turbinenlaufräder möglichst verbessert und optimiert werden. Lebensdauer begrenzend für die Turbinen ist die Materialermüdung infolge zyklischer Belastungen. Dabei überlagern sich niederzyklische (LCF) und hochzyklische (HCF) Ermüdung. Aufgrund der hohen Temperaturen im Betrieb stellt die Kriechermüdung einen weiteren Schadensmechanismus für die Leitschaufeln des Turbinenrads dar.
[0004] Es ist dabei bekannt, dass schwingungsbedingte Brüche an Rotorschaufeln von z.B. Radialturbinen, die auf Resonanzschwingungen zurückzuführen sind, zu den häufigsten Ursachen für Ausfälle und Schäden zum Beispiel bei von Abgasturboladern für Grossdieselmotoren zählen.
[0005] Bei einer theoretisch angenommenen idealen Radgeometrie, bei der alle Leitschaufeln identisch geformt sind, haben die Knotenlinien der Schwingungen zunächst keine bevorzugte Lage bezüglich des Rades. Jedoch verhalten sich die Leitschaufeln zueinander wie gekoppelte Oszillatoren, die über dem Umfang des Laufrades verteilt sind. Die Kopplung der Rotorschaufeln ist dabei über die Verbindung zur Nabe gegeben. Bei geeigneter Schwingungsanregung kann es zu einer wellenartigen Ausbreitung der Schaufelschwingungen in Umfangsrichtung kommen. Das Ausmass dieses Effekts ist abhängig von der tatsächlichen Kopplung zwischen den Schaufeln.
[0006] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu vermeiden und eine Lösung bereit zu stellen, bei der insbesondere HFC-Schäden der Rotorschaufeln deutlich reduziert oder vermieden werden.
[0007] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäss Patentanspruch 1 gelöst.
[0008] Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Leitschaufeln nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt in Umfangsrichtung in einer Abfolge jeweils äquidistanter Abstände angeordnet sind, sondern in einem unregelmässigen Abstand, somit in einem Abstandsmuster, bei dem sich der Abstand unmittelbar benachbarter Leitschaufel unterscheidet. Dabei kann der Abstand in Umfangsrichtung jeweils von einer Leitschaufel zur nächsten Leitschaufel zunehmen oder abnehmen oder ggf. auch gleich bleiben, um danach wieder zuzunehmen oder abzunehmen.
[0009] Erfindungsgemäss ist hierzu ein Turbinenleitapparat für eine Turbine oder ein Verdichterleitapparat für einen Verdichter mit einem Laufrad mit einer Anzahl n an Leitschaufeln ausgebildet, die am Laufrad in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend in einem nicht äquidistanten, ungleichförmigen Abstand Δi, i + 1angeordnet sind, wobei Δi, i + 1jeweils den Abstand von zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln (nämlich der Leitschaufel an Position i und der darauffolgenden Leitschaufel an Position i + 1) bestimmt. Hierzu wird bevorzugt derjenige Abstand in Umfangsrichtung entlang einem festen Abstand (Radius) bezogen auf das Zentrum des Laufrades betrachtet.
[0010] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die n über den Umfang verteilt angeordneten Leitschaufeln in ihrer Form identisch ausgebildet sind. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, dass einzelne oder alle der Leitschaufeln in ihrer Form zu mindestens in einem Teilbereich unterschiedlich ausgebildet sind. So kann z.B. zur weiteren Anregung von Nebenordnungen und zur Unterbindung von Hauptmoden einer harmonischen Anregung auch eine Formänderung einzelner Leitschaufeln zu diesem Ergebnis beitragen.
[0011] Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass eine Mehrzahl der Abstände Δi, i + 1von jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln unterschiedlich ist. So können z.B. aber auch alle Leitschaufeln mit einem jeweils auf die unmittelbar benachbarte Leitschaufel bezogenen jeweils unterschiedlichen Abstand am Laufrad angeordnet sein. Erfindungsgemäss ist hierzu vorgesehen, dass alle Abstände Δi, i + 1von jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln unterschiedlich ist, wodurch sich ein Teilungsmuster in Umfangsrichtung mit n unterschiedlichen Winkelteilungsmassen (bezogen auf 360°) ergibt.
[0012] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Änderung des Abstands Δ i, i + 1von je zwei Leitschaufeln zu dem jeweils nachfolgenden oder vorausgehenden Abstand variiert. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Änderung des Abstands Δi, i + 1von je zwei Leitschaufeln zueinander zu dem Abstand Δ i, i + 1der jeweils vorausgehenden oder dem Abstand Δi, i + 1, i + 2zu der jeweils nachfolgenden Leitschaufel zunehmend oder abnehmend ist. Hierdurch unterscheidet sich der Abstand jeweils zweier aufeinanderfolgender Leitschaufeln über den gesamten Umfang voneinander, wodurch sich ein Teilungsmuster in Umfangsrichtung mit unterschiedlichen Winkelteilungsmassen (bezogen auf 360°) ergibt, so z.B. ein beispielhafter Winkelabstand von aufeinanderfolgend 20°, 30°, 27°, 18°, …, 33°.
[0013] Es ist weiter von Vorteil, wenn der jeweilige Abstand Δi, i + 1von je zwei Leitschaufeln in Umfangrichtung gemäss einem vorbestimmten Teilungsplan so bestimmt ist, dass es bei einer Schwingungsanregung im Betrieb des Turbinenleitapparats eine gezielte Aufteilung der periodisch harmonischen Schwingungsanregung in deren Nebenordnungen erfolgt.
[0014] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbine mit einem wie zuvor beschriebenen Turbinenleitapparat.
[0015] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt: <tb>Fig. 1<SEP>eine beispielhafte schematische Ausführungsform eines erfindungsgemässen Turbinenleitapparates.
[0016] Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Fig. 1 näher erläutert, wobei in der Fig. 1 eine lediglich beispielhafte Aufsicht auf ein Turbinenleitapparat 1 mit den Teilungspositionen T1 bis T15 gezeigt ist, welche die Montagepositionen der Leitschaufeln L1, L2, …, L15 repräsentieren.
[0017] Der Turbinenleitapparat 1 ist für eine Turbine oder einen Verdichter ausgebildet und besitzt ein Laufrad 2 mit einer nicht näher dargestellten Nabe im Zentrum Z des Laufrads 2. Die 15 Leitschaufeln L1, L2, ..., Li, Li + 1, ..., L15, sind am Laufrad 2 in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend in einem nicht äquidistanten, ungleichförmigen Abstand Δi, i + 1angeordnet.
[0018] Dabei bestimmt Δi, i + 1jeweils den relativen Abstand in Umfangsrichtung entlang einer Kreisbogenlinie von zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln Li, Li + 1.
[0019] Wie in der Fig. 1 weiter ersichtlich, sind alle Abstände Δi, i + 1von jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln Li, Li + 1 unterschiedlich, wodurch sich ein Teilungsmuster in Umfangsrichtung mit unterschiedlichen Winkelteilungsmassen ergibt. Dennoch können auch bestimmte Leitschaufelabstände mehrfach auftreten, vorzugsweise aber immer mit wenigstens einem dazwischen liegenden unterschiedlichen Leitschaufelabstand von zwei Leitschaufeln. So kann z.B. der Abstand zwischen der Position der Leitschaufel L3 und der Position der Leitschaufel L4 gleich dem Abstand zwischen der Position der Leitschaufel L9 und der Position der Leitschaufel L10 sein.
[0020] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Insofern ist der Turbinenleitapparat sowohl geeignet für eine Turbine oder auch als Verdichterleitapparat ausgeführt für einen Verdichter geeignet. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (9)

1. Turbinenleitapparat (1) für eine Turbine oder einen Verdichter ausgebildet mit einem Laufrad (2) mit einer Anzahl n an Leitschaufeln (L1, L2, ..., Li, Li + 1, …, Ln), die am Laufrad (2) in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend in einem nicht äquidistanten, ungleichförmigen Abstand Δi, i + 1angeordnet sind, wobei Δi, i + 1jeweils den Abstand von zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln (Li, Li + 1) bestimmt.
2. Turbinenleitapparat (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die n Leitschaufeln (L1, L2, ..., Li, Li + 1, ..., Ln) in ihrer Form identisch ausgebildet sind.
3. Turbinenleitapparat (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die n Leitschaufeln (L1, L2, …, Li, Li + 1, …, Ln) in ihrer Form zu mindestens in einem Teilbereich unterschiedlich ausgebildet sind.
4. Turbinenleitapparat (1 j nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Abstände Δ i, i + 1von jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln (Li, Li + 1) unterschiedlich ist.
5. Turbinenleitapparat (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Abstände Δ i, i + 1von jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitschaufeln (Li, Li + 1) unterschiedlich ist, wodurch sich ein Teilungsmuster in Umfangsrichtung mit unterschiedlichen Winkelteilungsmassen ergibt.
6. Turbinenleitapparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Änderung des Abstands Δ i, i + 1von je zwei Leitschaufeln (Li, Li + 1) zu dem jeweils nachfolgenden oder vorausgehenden Abstand unstetig ist.
7. Turbinenleitapparat (1) nach dem Anspruch 6, wobei die Änderung des Abstands Δ i, i + 1von je zwei Leitschaufeln (Li, Li + 1) zueinander zu dem Abstand Δ i, i + 1der jeweils vorausgehenden oder dem Abstand Δ i, i + 1, i + 2zu der jeweils nachfolgenden Leitschaufel zunehmend oder abnehmend ist.
8. Turbinenleitapparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Abstand Δ i, i + 1von je zwei Leitschaufeln (Li, Li + 1) in Umfangrichtung gemäss einem vorbestimmten Teilungsplan so bestimmt ist, dass es bei einer Schwingungsanregung im Betrieb des Turbinenleitapparats (1) eine gezielte Aufteilung der periodisch harmonischen Schwingungsanregung in deren Nebenordnungen erfolgt.
9. Turbine mit einem Turbinenleitapparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8.
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