DE10053361C1 - Schaufelgitteranordnung für Turbomaschinen - Google Patents

Abstract

Schaufelgitteranordnung für Turbomaschinen in Axialbauweise mit zwei relativ zueinander fest positionierten, eine unterschiedliche Schaufelzahl bei jeweils konstanter Schaufelteilung aufweisenden Leitschaufelgittern sowie mit einem zwischen diesen angeordneten Laufschaufelgitter. DOLLAR A Die Schaufeln des ersten Leitschaufelgitters weisen in einem ersten Teilbereich T1 des Gitters aufeinanderfolgend einen gleichen Axialversatz DELTAm auf, DOLLAR A der Axialversatz DELTAm ist in Abhängigkeit vom Schaufelzahlverhältnis Z1/Z2 der beiden Leitschaufelgitter so gewählt, dass er den effektiven Abströmquerschnitt bei Z1 > Z2 vergrößert, bei Z1 < Z2 verkleinert, und DOLLAR A die Schaufeln des ersten Leitschaufelgitters weisen in einem zweiten Teilbereich T2 des Gitters aufeinanderfolgend einen in Rotation zu DELTAm entgegengesetzten, sich ggf. ändernden Axialversatz DELTAn auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufelgitteranordnung für Turbomaschinen in axial durchströmter, koaxialer Bauweise, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Hinblick auf eine Wirkungsgradoptimierung von Turbomaschinen durch strö­ mungstechnische Maßnahmen gibt es erfolgversprechende Ansätze in Form einer festen, definierten Zuordnung der Umfangspositionen aufeinanderfolgender Leit­ schaufelgitter bzw. aufeinanderfolgender, synchron rotierender Laufschaufelgitter. Dieses als "Clocking" oder konkreter als "Stator-" bzw. "Rotorclocking" in die Fach­ sprache eingegangene Prinzip zielt darauf ab, die von den einzelnen Schaufeln eines ersten Schaufelgitters ausgehenden Nachläufe in definierter, strömungstechnisch optimaler Umfangsposition einem stromabwärtig nächsten, gleichartigen Schaufel­ gitter zuzuführen. Falls es sich um zwei "geclockte" Leitschaufelgitter handelt, ist zu berücksichtigen, dass die Nachläufe von dem zwischen den Leitschaufelgittern rotie­ renden Laufschaufelgitter in erheblichem Maße beeinflusst und verändert werden, insbesondere durch Verschiebung, Verformung und Zerteilung. Die Komplexität die­ ser Strömungsvorgänge führt dazu, dass bis dato noch keine eindeutigen, zuverlässi­ ge Regeln für ein konstruktives "Clocking" existieren.

Die Patentschrift EP 0 756 667 B1 schützt ein "Clocking"-Verfahren, bei dem die Nachläufe eines ersten Schaufelgitters durch ein zweites Schaufelgitter mit Relativ­ bewegung auf die Schaufeleintrittskanten eines dritten, relativ zum ersten festste­ henden Schaufelgitters gelenkt werden, wobei eine maximale, umfängliche Abwei­ chung zwischen Nachlauf und Eintrittskante von plus/minus 12,5 Prozent der Schau­ felteilung zulässig sein soll.

In Versuchen hat sich nicht bestätigt, dass dieses Art "Clocking" generell zu einer Wirkungsgraderhöhung führen würde.

Unabhängig davon, wie die optimale, relative Umfangsposition der Schaufelgitter gewählt wird, gilt als Voraussetzung für "Clocking", dass die dem selben Relativsystem (Stator oder Rotor) zugehörigen, abgestimmten Schaufelgitter gleiche Schaufel­ zahlen - bei einer umfänglich konstanten Schaufelteilung - aufweisen.

Die Auslegeschrift DE-AS 10 33 677 betrifft einen Leitapparat mit im Betrieb ver­ stellbaren Schaufeln für Turbinen und Verdichter, dessen Schaufelkranz in mehrere Segmente mit jeweils mehreren Schaufeln unterteilt ist, wobei jedes Segment um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse schwenkbar gelagert ist. Dies führt zu einer konstruktiven Vereinfachung gegenüber Leitschaufelgittern, bei denen jede einzelne Schaufel um ihre eigene Achse schwenkbar gelagert ist. Nachteilig dabei ist, dass nur relativ kleine Schwenkwinkel möglich sind, und dass jede Schaufel eines Segmentes effektiv um einen etwas anderen Winkel ausgelenkt und anders axial verschoben wird. In gewünschter Weise werden praktisch nur die Schaufeln bewegt, deren Achsen zumindest noch etwa parallel zur Schwenkachse stehen. Dort, wo be­ nachbarte Segmentenden aneinandergrenzen, können relativ große axiale Schaufel­ versätze auftreten. All dies hat aber nichts mit "Clocking" zu tun.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaufelgitteranordnung mit zwei Leit­ schaufelgittern und einem zwischen diesen angeordneten Laufschaufelgitter vorzu­ schlagen, die trotz unterschiedlicher Schaufelzahlen der beiden Leitschaufelgitter eine strömungstechnisch vorteilhafte, relative Umfangspositionierung der Leitschau­ felgitter im Sinne eines "Clocking" ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

Erfindungsgemäß ist das stromaufwärtige Leitschaufelgitter - trotz konstantem Tei­ lungswinkel der Schaufeln über dem Umfang - mit zwei unterschiedlichen, in sich zusammenhängenden oder in mehreren getrennten Sektoren über den Gitterumfang verteilten Teilbereichen ausgeführt, wobei in beiden Bereichen jede Schaufel zu ihrer Nachbarschaufel in definierter Weise axial versetzt ist. Somit liegen die Stapelachsen der Schaufeln nicht mehr - wie üblich - in einer gemeinsamen Radialebene sondern auf Schraubenflächen mit konstanter bzw. sich ändernder Steigung, wobei konkrete Schaufelpunkte entsprechend auf Schraubenlinien liegen. Der erste Teilbereich mit Δ m beschreibt beispielsweise eine "Vorwärtsschraube" der zweite mit Δn eine die Enden des Δm-Bereiches verbindende "Rückwärtsschraube", oder umgekehrt. Im Sinne eines "Clocking" wirkt nur der erste Teilbereich mit konstantem, definiertem Axialversatz Δm von Schaufel zu Schaufel, der zweite Teilbereich dient nur der Rück­ führung des gesamten, aufsummierten Axialversatzes in linearer oder nicht-linearer Weise mittels Δn unter Vermeidung relevanter, strömungstechnischer Nachteile. Da die Leitschaufelgitter eine schräge Abströmung mit starker Umfangskomponente aufweisen, bewirkt ein Axialversatz zwischen benachbarten Schaufeln effektiv eine Vergrößerung oder Verkleinerung des austrittsseitigen Strömungsquerschnittes. Im ersten Teilbereich ist der Axialversatz Δm konstant und in Abhängigkeit vom Schau­ felzahlverhältnis der beiden Leitschaufelgitter gewählt. Ist die Schaufelzahl Z2 des zweiten Leitschaufelgitters kleiner als die des ersten (Z1), wird der effektive Ab­ strömquerschnitt des ersten Leitschaufelgitters mittels Δm vergrößert, ist Z2 größer als Z1, wird der Abströmquerschnitt des ersten Gitters mittels eines entgegengesetz­ ten Axialversatzes verkleinert. Im zweiten Teilbereich des Gitters mit Axialversatz Δn gilt entsprechend jeweils das umgekehrte, wobei hier kein gezielter "Clockingeffekt" am zweiten, stromabwärtigen Leitschaufelgitter auftritt.

Durch die Variation der effektiven Abströmquerschnitte des ersten Leitschaufelgit­ ters führt die Erfindung zu einer gewissen Asymmetrie der Strömungs- und somit der Massenverteilung im kreisringförmigen Strömungskanalquerschnitt. Dies hat u. a. den Vorteil, dass Instabilitäten und Störungen, die sich bei symmetrischen bzw. peri­ odischen Verhältnissen über den Umfang weiter ausbreiten könnten, verlagert und zum Teil unterbunden werden können. Weiterhin kann mit der Erfindung gezielt auf gewisse Asymmetrien in der Zuströmung reagiert werden.

Der mit der Erfindung primär angestrebte "Clockingeffekt" könnte aufgrund seiner Winkelbegrenzung beispielsweise auch als "Teilclocking" oder "Sektorclocking" be­ zeichnet werden.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen sowie eine Bemessungs­ regel für die Schaufelgitteranordnung nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Da­ bei zeigen in verdeutlichender, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 eine Schaufelgitteranordnung mit zwei Leitschaufelgittern und einem dazwi­ schen angeordneten Laufschaufelgitter,

Fig. 2 vier Schaufelprofile eines Leitschaufelgitters mit Axialversatz,

Fig. 3 ein Diagramm mit dem Verlauf des Axialversatzes über dem Leitschaufelgit­ terumfang, und

Fig. 4 ein mit Fig. 3 vergleichbares Diagramm, jedoch mit in vier Sektoren perio­ disch wechselndem Verlauf des Axialversatzes.

Zum besseren Verständnis sei zunächst darauf hingewiesen, dass die Fig. 1 und 2 die Schaufelgitter so zeigen, als ob es sich um ebene Gitter - ohne Krümmung mit parallelen Schaufeln - handelt würde, wobei je Schaufel nur ein konkretes Profil wie­ dergegeben ist. Diese Art der Darstellung ist wesentlich einfacher, übersichtlicher und leichter verständlich, als eine realistische, räumliche Darstellung mit radialen, dreidimensionalen Schaufeln etc..

Die Schaufelgitteranordnung 1 in Fig. 1 wird von links nach rechts durchströmt, wo­ bei stromaufwärts (links) ein Leitschaufelgitter 2, in der Mitte ein Laufschaufelgitter 5 und stromabwärts (rechts) wieder ein Leitschaufelgitter 3 vorhanden sind. Die Schaufeln der Gitter 2, 5 und 3 sind mit den Bezugszeichen 6, 9 und 7 versehen. Die Drehrichtung des Laufschaufelgitters 5 ist unter diesem mit einem nach oben wei­ senden, schwarzen Pfeil angedeutet. Oberhalb des Laufschaufelgitters 5 erkennt man einen gestrichelten, horizontalen Doppelpfeil, der darauf hinweist, dass das Git­ ter axial verschiebbar ausgeführt sein kann, um zusätzlich Einfluss auf den Strö­ mungsverlauf zu nehmen. In den Farben Grau und Schwarz sind die - sogenannten - Nachläufe 10 des Leitschaufelgitters 2, die Nachläufe 11 des Laufschaufelgitters 5 und die Veränderung der Nachläufe 10 auf Ihrem Weg durch die Gitter 2 und 5 dar­ gestellt, wobei die gepunkteten Kurven und Geraden die Wege der Nachläufe 10 in Relation zum unbewegten Statorsystem beschreiben. Der erfindungsgemäße Axial­ versatz der Schaufeln betrifft nur das stromaufwärtige Leitschaufelgitter 2 und ist in Fig. 1 nicht zu erkennen. Ebensowenig ist aus Fig. 1 ersichtlich, dass die Leit­ schaufelgitter 2 und 3 unterschiedliche Schaufelzahlen aufweisen.

Fig. 2 zeigt deshalb ein mit dem Gitter 2 in Fig. 1 vergleichbares Leitschaufelgitter 4 mit erfindungsgemäß axial versetzten Schaufeln 8. Der Teilungswinkel zwischen allen Schaufeln 8 ist konstant, so dass in der Figur der Höhenversatz jeweils kon­ stant ist. Siehe links die Angabe 2.π/Z1, welche dem durch den Radius r geteilten, d. h. radiusbezogenen Bogenmaß von Schaufel zu Schaufel entspricht. Die erste, zweite und dritte Schaufel von oben sind gegeneinander axial (hier horizontal) jeweils um eine Betrag Δm versetzt, wobei die Schaufeln von oben nach unten weiter nach rechts rücken, d. h. stromabwärts. Die Abströmung aus dem Leitschaufelgitter 4 ver­ läuft unter einem Winkel β von etwa 45° schräg nach rechts oben, d. h. mit ver­ gleichbar großer Axial- und Umfangskomponente. Diese schräge Abströmung hat zur Folge, dass ein Axialversatz zwischen zwei Schaufeln zwangsweise eine Veränderung des effektiven Abströmquerschnittes Aeff zur Folge hat. Bei der vorliegenden Geo­ metrie wird der Abströmquerschnitt gegenüber Schaufeln ohne Axialversatz Δm vergrößert. Siehe hierzu die gestrichelte Lage der zweiten Schaufel von oben ohne Axialversatz in Relation zur obersten Schaufel. Die Vergrößerung des Abströmquer­ schnittes ist auch daran erkennbar, dass der Vertikalabstand zwischen den von den Schaufelhinterkanten ausgehenden Stromlinien, hier das radiusbezogene Bogenmaß 2.π/Z2, größer ist, als das Maß 2.π/Z1, und zwar um den addierten Wert Δm/ (r.tanβ). Siehe hierzu die Gleichung rechts oben in der Figur. Dies entspricht einer effektiven Anpassung des Leitschaufelgitters 4 an ein stromabwärts liegendes, hier nicht dargestelltes Leitschaufelgitter mit größerer Schaufelteilung, das heißt kleine­ rer Schaufelzahl Z2 < Z1. Da die Schaufelzahlen Z1, Z2 im jeweiligen Gitter über die Kanalhöhe konstant, d. h. vom Radius r unabhängig sind, sollte tanβ zumindest über den Großteil der radialen Kanalhöhe umgekehrt proportional zum Radius r gewählt sein.

Zur Anpassung an ein stromabwärtiges Leitschaufelglitter mit größerer Schaufelzahl, d. h. Z2 < Z1, müssten die Abströmquerschnitte der Schaufeln 8 verkleinert werden in Relation zu einem Gitter ohne Axialversatz Δm. In der Figur müssten dann die oberen drei Schaufeln von oben nach unten weiter nach links rücken, jeweils um einen konstanten Axialversatz Δm nach links. Dieses Prinzip ist leicht verständlich und daher nicht gesondert dargestellt.

Es ist zu beachten, dass die unterste Schaufel in Fig. 2 relativ zur darüberliegenden nicht mehr um Δm nach rechts, sondern um einen Axialversatz Δn nach links ge­ rückt ist. In der Realität ist es strömungstechnisch nicht sinnvoll, alle Schaufeln ei­ nes Leitschaufelgitters im Sinne einer Schraubenlinie mit fortlaufendem Axialversatz anzuordnen, wobei zwischen der ersten und der letzten Schaufel eines solchen Git­ ters ein großer Axialsprung mit sehr negativen, strömungstechnischen Folgen vor­ handen wäre. Deshalb sieht die Erfindung vor, einen ersten Teilbereich T1 des Leit­ schaufelgitters mit einem fortlaufenden Axialversatz Δm zu versehen, und in einem zweiten Teilbereich T2 die Summe aller Δm wieder vollständig rückgängig zu ma­ chen mittels entgegengesetzter Axialversätze Δn.

Dieses Prinzip wird am besten aus Fig. 3 verständlich, welche den Verlauf des Axi­ alversatzes ΣΔm, Δn über dem Umfang U des Leitschaufelgitters zeigt, wobei die konkreten Schaufelpositionen mit kleinen Kreisen markiert sind. Man erkennt einen ersten, hier über 270° reichenden Teilbereich T1 mit linear steigendem Axialversatz, von Schaufel zu Schaufel jeweils um Δm. Daran schließt sich ein zweiter, hier über 90° reichender Teilbereich T2 an, in dem der Axialversatz wieder sukzessive ab­ nimmt, entweder linear (gestrichelt) oder nach einer S-Kurve, z. B. einer Cosinuskur­ ve. Bezüglich der S-Kurve sieht man, dass sich der Axialversatz Δn von Schaufel zu Schaufel ändern kann. Welche Art von Kurve hier günstiger ist, wird u. a. in Versu­ chen zu klären sein. Die Schaufel (kleiner Kreis) bei der Ordinate 0 ist identisch mit der Schaufel bei der Ordinate 2.π, da sich hier der Gitterumfang schließt. Im vorlie­ genden Diagramm sind somit 16 verschiedene Schaufelpositionen angedeutet. In der Realität werden die Schaufelzahlen in der Regel deutlich größer sein. Das Größen­ verhältnis der Teilbereiche T1 und T2 ist nur beispielhaft, wobei T1 < T2 anzustreben ist. Da die Schaufelzahlen Z1 und Z2 in der Praxis nur wenig unterschiedlich sind, genügen relativ kleine Axialversätze Δm zur Anwendung der Erfindung.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des Axialversatzes ΣΔm, Δn über dem Umfang U eines Leit­ schaufelgitters, dessen Teilbereiche T1, T2 im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 3 nicht in sich zusammenhängend angeordnet, sondern jeweils in vier getrennten Sektoren T1/4, T2/4 über den Gitterumfang verteilt sind, so dass sich ein vierfach periodischer Verlauf jeweils mit positivem und negativem Axialversatz Δm, Δn ergibt. Die Aufteilung in vier Sektoren ist beispielhaft, es könnten auch zwei, drei, fünf oder mehr Sektoren sein. Der Verlauf der Teilbereichssektoren T2/4 ist hier jeweils linear, es sind selbstverständlich statt dessen auch S-Kurven möglich, wie in Fig. 3. Durch die Aufteilung des "geclockten" Teilbereiches T1 und des Teilbereiches T2 in jeweils mehrere, getrennte Sektoren lassen sich Asymmetrien des Strömungsfeldes über den Kanalquerschnitt - wie bei einer Ausführung gemäß Fig. 3 - vermeiden, wobei diese aber auch gewollt sein können.

Claims (5)

1. Schaufelgitteranordnung für Turbomaschinen, insbesondere für Gasturbinen, in axial durchströmter, koaxialer Ausführung mit zwei relativ zueinander in fes­ ter Axial- und Umfangsposition stehenden, eine unterschiedliche Schaufelzahl und jeweils einen konstanten Teilungswinkel zwischen ihren Schaufeln aufwei­ senden Leitschaufelgittern sowie mit einem zwischen letzteren drehbar angeord­ neten Laufschaufelgitter, wobei das stromaufwärtige Leitschaufelgitter eine Ab­ strömrichtung mit größenmäßig vergleichbarer Axial- und Umfangskomponente besitzt, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaufeln (6, 8) des stromaufwärtigen, ersten Leitschaufelgitters (2, 4) in einem ersten, zusammenhängenden oder in mehreren getrennten Sektoren über den Gitterumfang verteilten Teilbereich T1 des Gitters aufeinanderfolgend einen gleich großen sowie gleich gerichteten Axialversatz Δm aufweisen,
dass der Axialversatz Δm in Abhängigkeit vom Schaufelzahlverhältnis Z1/Z2 des ersten und zweiten Leitschaufelgitters (2, 4/3) so gerichtet ist, dass er bei Z1 < Z2 den effektiven Abströmquerschnitt Aeff zwischen den Schaufeln (6, 8) vergrö­ ßert, bei Z1 < Z2 den Abströmquerschnitt verkleinert, und
dass die Schaufeln (6, 8) des ersten Leitschaufelgitters (2, 4) in einem zweiten, zusammenhängenden oder in mehreren getrennten Sektoren über den Gitterum­ fang verteilten Teilbereich T2 des Gitters aufeinanderfolgend einen gleich großen oder sich ändernden, in Relation zu Δm entgegengesetzt gerichteten Axialver­ satz Δn aufweisen.

2. Schaufelgitteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Teilbereich T1 der Zusammenhang zwischen den Schaufelzahlen Z1, Z2, dem örtlichen Schaufelgitterradius r, dem Abströmwinkel β des ersten Leit­ schaufelgitters, gemessen zur Umfangsrichtung an den Schaufelhinterkanten, und dem Axialversatz Δm über einen möglichst großen Bereich der radialen Schaufelhöhe der Gleichung
2.π/Z2 = 2.π/Z1 ± Δm/(r.tanβ)
entspricht, wobei mit stets positiv gerechnetem Δm das Pluszeichen für Z1 < Z2, das Minuszeichen für Z1 < Z2 gilt.

3. Schaufelgitteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem zweiten Teilbereich T2 die axialen Schaufelpositionen mit Axial­ versatz Δn bestimmende, auf einem Kreiszylinder darstellbare, schraubenlinien­ artige Kurve bei Abwicklung in eine Ebene eine Gerade oder eine S-förmig ge­ krümmte Kurve mit Krümmungswendepunkt, z. B. einen Cosinuskurvenabschnitt, bildet.

4. Schaufelgitteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass der Teilbereich T1 des Gitters mit Axialversatz Δm sich zusammenhängend oder in der Summe seiner Sektoren über einen größeren Winkel erstreckt, als der restliche Teilbereich T2 mit Axialversatz Δn, beispiels­ weise über einen Winkel von 270°.

5. Schaufelgitteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass das zwischen den beiden Leitschaufelgittern (2, 3) angeordnete Laufschaufelgitter (5) in seiner Axialposition verstellbar ausgeführt ist, insbesondere als rotorfestes Schaufelgitter auf einem axial verschiebbaren Rotor.