DD265444A1

DD265444A1 - Turbomaschine mit transsonisch durchstroemten stufen

Info

Publication number: DD265444A1
Application number: DD87307031A
Authority: DD
Inventors: Jean Hourmouziadis
Original assignee: Mtu Muenchen Gmbh
Priority date: 1986-09-20
Filing date: 1987-09-17
Publication date: 1989-03-01
Also published as: DE3632094A1; DE3779982D1; EP0261460B1; US4836745A; EP0261460A2; EP0261460A3

Abstract

Bei einer Turbomaschine mit transsonisch durchstroemten Stufen, insbesondere Gasturbine mit stationaerem Vorleitgitter ist eine Druckausgleichsvorrichtung zum Ausgleich der durch Verdichterungsstoesse entstehenden Druckgradienten ueber dem Umfang hinter dem Vorleitgitter an Nabe und/oder am Gehaeuse vorgesehen. Die Druckausgleichsvorrichtung umfasst insbesondere eine Beruhigungskammer in Nabennaehe des Vorleitgitters, die mit einem radial ausgerichteten Dichtungsflansch des Laufrades zusammenwirkt.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit transsonisch durchströmten Stufen, insbesondere eine Gasturbine mit stationärem Vorleitgitter.

Charakteristik des bekannten Standes der Tuchnlk

Bei transsonisch durchströmten Gasturbinen (Einströmgeschwindigkeit beim Leitrad im Unterschallbereich, mittlere Ausströmgeschwindigkeit en der Leitradhinterkante im transsonischen Bereich (M > 0,8) stellen sich bei Abströmung mit hohen Mach-Zahlen M an der Hinterkante des Leitrads ein oder mehrere Verdichtungsstöße ein. Diese Verdichtungsstöße erzeugen mit der Teilung der Schaufeln periodische Druckgradienten, die um «in Vielfaches größer sind als im Unterschallbereich (M < 0,8). Befinden sich außerhalb des Strömungskanals der Gasturbine Hohlräume, so erfolgt an Stellen hohen Drucks ein Einströmen des Gases in die Hohlräume; an Stellen niedrigen Drucks ein Herausströmen. Es stellt sich in jeder Toilung am radial äußeren und inneren Rand des Strömungskanals eine zirkulierende Strömung ein. Diese stört in nachhaltiger Weise die Hauptströmung, erhöht die Verluste und verschlechtert den Wirkungsgrad der Gasturbine. Von Nachteil ist fernor, daß bei einem Einströmen von Heißgas in Hohlräume die Temperatur der Bauteile erhöht wird, wodurch die Festigkeit und damit die Lebensdauer verringert wird.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, diese vorgenannten Mängel zu beheben. Darlegung des Wesens der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, die bei einer Turbomaschine der eingangs genannten Art auftretende zirkulierende Strömung

zwischen den Schaufeln in jeder Teilung an der Hinterkante des Vorleitgitters zu verhindern bzw. zu minimieren.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe daourch gelöst, daß eine Ausgleichsvorrichtung zum Druckausgleich von durch Verdichtungsstöße an der Austrittskante des Vorleitgitters entstehenden Druckgradienten über dem Umfang hinter dem Leitgitter an der Nabe und/oder Gehäuse vorgesehen ist. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dati die aufgrund der Verdichtungsstöße auftretenden zirkulierenden Strömungen

unterbunden werden, und auf diese Weis» sowohl Strömungsverluste verringert werden, als auch dio thermische

Beanspruchung von Bauteilen durch in die Hohlräume eindringendes Heißgas herabgesetzt wird. Die Ausgleichsvorrichtung wird vorzugsweise als zumindest eine über dem Umfang sich erstreckende nabenseitig angeordnete Beruhigungskammer ausgestaltet, die zum nachfolgenden Laufrad hin eine Umfangsöffnung aufweist, welche mit einem radial

wirkenden Dichtungsflansch des Laufrades abgedeckt ist.

Der Dichtungsflansch ist zweckmäßigorweise als doppelte Umfangsdichtung ausgeführt, wobei jede der beiden Umfangsdichtungen als Labyrinthdichtung ausgebildet ist. Diese Maßnahmen verhindern, daß durch den Spalt zwischen

rotierenden und stehenden Teilen Heißgas in die radial innen liegenden Hohlräume eindringt und eine dadurch entstehende zirkulierende Strömung die Hauptströmung behindert. Auch können zweckmäßige Maßnahmen an stehenden Teilen zwecks Verhinderung bzw. Minimierung der zirkulierenden Strömung vorgesehen werden. Insbesondere werden im Gehäuse angeordnete Ringräume mit einer Verbindung zur Hauptströmung hin mittels eines Sperrgliedes als Drosselstelle ausgebildet. Der Ringraum wird mit Füllmaterial wie Metall- oder Mineralwolle, -faser, -gewebe, -schaum, aufgefüllt. Der lose Verschluß ermöglicht zwar einen Druck- und einen Temperaturausgleich, verhindert jedoch eine nennenswerte Gasströmung.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit Erläuterung des Standes der Technik näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1: zwei benachbarte Leitschaufeln des Leitgitters einer Turbomaschine im Schnitt mit schematischer Darstellung von Verdichtungestößen an der Hinterkante;

Fig. 2: eine schematische Darstellung des durch die Verdichtungsstöße längs A-A der Fig. 1 erzeugten Druckgradienten; Fig. 3: einen Teilaxialschnitt einer Gasturbine mit zirkulierender Strömung C zwischen Vorleitgitter und Laufrad nach dem Stand der Technik;

Fig. 4: die zirkulierende Strömung C gemäß Fig. 3 innerhalb einer Schaufelteilung; Fig. 5: nabenseitige Beruhigungskammer zwischen stehenden und rotierenden Teilen, gesehen in einem schematischen

Teilaxialschnitt einer Gasturbine mit Vorleitgitter und Laufrad und Fig. 6: radial außen liegender Ringraum an stehenden Teilen im Bereich des Gehäuses einer Turbine, gesehen in einem

Teilaxialschnitt ähnlich der Fig. 6.

In don Fig. 1 bis 4 :»l der Effekt der zirkulierenden Strömung C innerhalb einer Teilung t der Schaufeln 19; 20 im Bereich der Schüufelhinterkante 18 nach dem Stand der Technik dargestellt.

Bei transsonisch durchströmten Gasturbinen 1 (Schaufeleintrittsgeschwindigkeit im Unterschallbereich; Schaufelabströmgeschwindigkeit im transsonischen Bereich) steilen sich bei Abströmung insbesondere bei hohen Mach-Zahlen M an der Hinterkante 18 ein oder mehrere Verdichtungsstöße 3 gemäß Fig. 1 ein. Diese Verdichtungsstöße 3 erzeugen mit der Teilung t periodische Druckgradienten 4, die um ein Vielfaches größer sind als im Unterschallbereich. Befinden eich beispielsweise gemäß Fig. 3 außerhalb des eigentlichen Strömungskanals Ringräume 14 im Bereich der Gehäusewand, so erfolgt an Stellen hohen Drucks ein Einströmen B in diese Ringräume 14 hinein, an Steller niedrigen Drucks ein Herausströmen D, wie dies insbesondere der Fig. 4 zu entnehmen ist. Es stellt sich mithin in jeder Teilung am radial äußeren und inneren Rand des Strömungskanals eine zirkulierende Strömung C ein. Dies hat zur Folge, daß das zirkulierende Gas am Rand des Kanals die Hauptströmung stört, die Verluste erhöht und den Wirkungsgrad der Gasturbine 1 verschlechtert. Darüber hinaus erhi ht das Einströmen von Heißgas in die Ringräume 14 die Temperatur der Bauteile, wodurch die Festigkeit und damit die Lebensdauer verringert werden.

Durch die Erfindung wird eine Druckausgleichsvorrichtung 2 zum Ausgleich der durch Verdichterstöße 3 entstehenden Druckgradienten 4 über dem Umfang hinter dem Laufrad 9 an Nabe und/oder Gehäuse β vorgeschlagen, wie dies insbesondere der Fig. 5 und Fig. β zu entnehmen ist.

Die Druckausgleichsvorrichtung 2 gemäß Fig. 5 besteht insbesondere aus einer Beruhigungskammer 8, welche sich In Umfangerichtung des Vorleitgitters 5 an radial innerer Stelle mit einer Umfangsöffnung nach hinten zum nachfolgenden Laufrad 9 erstreckt, wobei die Umfangsöffnung mit einem radia! ausgerichteten Dichtungsflansch 10 des Laufrades 9 abgedockt ist. Der Dichtungsflansch 10 ist am Laufrad 9 über einen Axialflansch 11 befestigt und sieht an radial innerer !!teile eine Labyrinthdichtung 13 und an radial äußerer Stelle der Umfangsöffnung eine Labyrinthdichtung 12 vor. Die zirkulierende Strömung C nach dem Stand der Technik erfolgt iiber die obere Labyrinthdichtung 12. In der Beruhigungskammer 8 erfolgt dann ein gewisser Druckausgleich in Umfangsrichtung, wodurch es wieder ermöglicht wird, mit einem nur geringfügig erhöhten Gegendruck im Innenraum 7 das Einströmen von Heißgas über die untere Labyrinthdichtung 13 zu verhindern. Vorgenannte Druckausgleichsvorrichtung findet sich zwischen stehendem und rotierendem Teil der Turbine. Um eine zirkulierende strömung C in stationären Ringräumen 14 des Gehäuses 6 der Gasturbine 1 zu verhindern, werden die Ringräume 14 zwischen stehenden Teilen, die aus anderen Gründen erforderlich sind, gegen die Hauptströme abgedichtet, und zwar mit Hilfe von Sperrgliedern 15, beispielsweise in Form von Winkelprofilen, welche die öffnung 16 als Drosselstelle ausbilden. Um den Widerstand für die zirkulierende Strömung Czu erhöhen, werden die Ringräume 14 mit Füllmaterial 17 gefüllt, wie z. B. Metall- oder Mineralwolle, -faser, -gewebe, -schaum. Füllmaterial 17 und Sperrglied 1S ermöglicher, gleichwohl einen Druckausgleich und einen Temperaturausgleich im Ringraum 14.

Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeichnung dargestellten neuen Merkmale für sich oder in sinnvoller Kombination sind erfindungswesentlich, auch so weit sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.

Claims

1. Turbomaschine mit transsonisch durchströmten Stufen, insbesondere Gasturbine mit stationärem Vorleitgitter, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgleichsvorrichtung (2) zum Druckausgleich von durch Verdichtungsstöße (3) an der Austrittskante des Vorleitgitters entstehenden Druckgradienten (4) über dem Umfang hinter dem Leitgitter (5) anNabe und/oder Gehäuse (6) vorgesehen ist.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsvorrichtung (2) zumindest eine über dem Umfang sich erstreckende nabenseitig angeordnete Beruhigungskammer (8) umfaßt, die zum nachfolgenden Laufrad (9) hin eine Urpfangsöffnung aufweist, welche mit einem radial ausgerichteten Dichtungsflansch (10) des Laufraues (9) abgedeckt ist.

3. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsflansch (10) als doppelte Umfangsdichtung ausgebildet ist.

4. Turbomaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Umfangsdichtungen als Labyrinthdichtung (12 bzw. 13) ausgebildet ist.

5. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsvorrichtung (2) einen im Gehäuse (6) angeordneten Ringraum (14) mit einer Verbindung zur Hauptströmung hin umfaßt, die mittels eines Sperrgliedes (15) als Drosselstelle ausgebildet ist.

6. Turbomaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (14) mit Füllmaterial (17) wie Metall- oder Mineralwolle, -faser, -gewebe, -schaum, gefüllt ist.