DE102008014743A1 - Verdichterstator mit Teildeckband - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenaxialverdichter mit einem Gehäuse 3 und einer drehbaren Welle 5, welche einen Ringkanal bilden, in welchem zumindest ein Stator 2 und ein Rotor 4 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an einem freien Ende von Statorschaufeln des Stators 2 ein Deckband 21 angeordnet ist, welches sich über einen Teil der axialen Länge des Stators 2 erstreckt und dass ein weiterer Teil der axialen Länge des Stators 2, an welchem kein Deckband 21 angeordnet ist, radial angrenzend an eine von einer Rotornabe 8 gebildete Rotorplattform 28 angeordnet ist.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenaxialverdichter gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
- Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf einen Axialverdichter einer Gasturbine mit einem Gehäuse und einer Nabe, welche einen Ringkanal bilden, in welchem zumindest ein Stator und ein Rotor angeordnet sind. Der Stator umfasst, wie üblich, eine Reihe von Statorschaufeln, während der Rotor, wie üblich, jeweils eine Reihe von Rotorschaufeln umfasst.
- Axialverdichter bestehen aus ein oder mehreren Verdichterstufen, die aus einem Rotor
4 und einem Stator2 bestehen, darüber hinaus kann der Verdichter vor der ersten Stufe noch ein sogenanntes Vorleitrad1 aufweisen (1 ). - Die Statoren
2 zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht mit der Verdichterwelle6 verbunden sind und somit nicht rotieren, während die Rotoren4 mit der Verdichterwelle6 verbunden sind und daher rotieren. Dies bedeutet, dass sich rotierende und stehende Schaufelreihen in einem Verdichter abwechseln, und es muss eine geeignete Befestigung der Statoren2 erfolgen. Dazu gibt es im Stand der Technik zwei Möglichkeiten: - 1.
Stator
2 mit einem Nabenspalt10 , bei dem die Rotorwelle6 unter dem Stator2 weiterläuft (2 ). Bei dieser Anordnung ist der Stator2 lediglich mit dem Verdichtergehäuse7 verbunden. - 2. Stator
2 mit einem Deckband11 , bei dem der Stator2 an der Nabe5 mit einem Ring, dem sogenannten Deckband11 verbunden ist. Dieses Deckband11 erstreckt sich über die gesamte axiale Länge des Stators2 von der Vorderkante bis zur Hinterkante und sogar über beide Kanten hinaus. Das Deckband11 selbst hängt frei über der darunter liegenden Rotorwelle6 . Diese Anordnung führt dazu, dass zwischen Rotor4 und Statornabe5 ein Axialspalt vor und hinter dem Stator2 entsteht. Dieser Spalt führt zu Strömungsleckage, die durch Dichtungen12 gegenüber der Rotorwelle6 vermindert wird (3 ). - In zahlreichen Verdichtern sind einige der Statorschaufelreihen verstellbar ausgeführt. Die beiden oben genannten Befestigungsarten sind auch für solche Verstellstatoren Stand der Technik, siehe
4 und5 , verwendbar. Um die Drehbarkeit der Verstellstatoren zu gewährleisten, sind die Statoren2 mit Drehspindeln14 im Gehäuse (4 ) bzw. im Gehäuse und im Nabendeckband aufgehängt (5 ). Die Spindeln14 sind mit Tellern mit der Schaufel verbunden. Sie können dabei entweder an der Statorvorderkante angeordnet werden – dann entsteht lediglich hinter der Spindel14 ein radialer Spalt zwischen dem Schaufelende und der Gehäusewand bzw. dem Nabendeckband – oder sie können so angeordnet werden, dass sowohl vor als auch hinter der Spindel14 ein Radialspalt entsteht. - Beim Stand der Technik treten die in
6 gezeigten nachteiligen Effekte auf: - – Stator mit Nabenspalt (
2 ): Durch den Nabenspalt entsteht eine starke Spaltströmung18 , die zu großen Verlusten und Störungen in der Verdichterströmung führt (8a ). - – Stator
mit Nabendeckband
11 (3 ): Die Konstruktion mit Nabendeckband11 ist mechanisch aufwändig, schwer und teuer. Es entsteht eine starke Querkanalströmung19 auf dem stehenden Nabendeckband11 von der Stator-Druck- zur -Saugseite. Die Querkanalströmung19 tendiert dazu, auf die Schaufelsaugseite zu fließen. Das führt zu Strömungsablösung auf der Schaufel und damit zu großen Verlusten. Die Leckageströmung20 durch den Axialspalt, der sich vor und hinter dem Deckband11 befindet, wird durch einen großen Druckgradienten zwischen der Stator-Vorder- und -Hinterkante angetrieben und kann dadurch groß werden und große Verluste erzeugen, da er mit der Hauptströmung interagiert (8b ). - – Beim
Verstellstator mit Nabendeckband
11 kombinieren sich die Phänomene aus8a und8b , was zu noch größeren Verlusten führt (8c ). - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasturbinenaxialverdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellbarkeit einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalkombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
- Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Stator am jeweiligen freien Ende der Statorschaufeln ein Deckband umfasst. Dieses Deckband erstreckt sich jedoch nicht über die gesamte axiale Länge der Statorschaufeln, sondern nur über einen Teilbereich. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, das Deckband in einem mittleren Bereich der Statorschaufeln, mittig zu diesen oder in Strömungsrichtung am Einströmbereich des Stators oder am Abströmbereich, vorzusehen.
- Der erfindungsgemäße Stator weist somit über einen Teilbereich seiner axialen Länge ein Deckband auf, welches bevorzugterweise mittels einer üblichen Dichtung (Lippendichtung oder Ähnlichem) abgedichtet ist, um Leckageströmungen zu unterbinden oder zu verringern.
- Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein weiterer axialer Teilbereich des Stators angrenzend an eine Rotornabe oder Rotorplattform ausgebildet ist. Hier entsteht ein radialer Nabenspalt zwischen Rotornabe und Statorschaufel. Die Rotornabe oder Rotorplattform kann bevorzugterweise in Form einer Verlängerung oder eines Ansatzes einer Rotorscheibe ausgebildet sein.
- Die axiale Länge des Deckbandes und die axiale Länge der Rotorplattform oder der Rotornabe (axiale Länge des Nabenspaltes) können sich zu der Gesamtaxiallänge des Stators bzw. der Statorschaufel addieren. Es ist jedoch auch möglich, lediglich Teilmengen der gesamten Länge in der beschriebenen Weise abzudichten und auszubilden.
- Der mit einem Nabenspalt versehene axiale Teilbereich des Stators kann einseitig in Strömungsrichtung vor oder hinter dem mit dem Deckband versehenen Bereich angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, bei einem mittigen Deckband den Nabenspalt-Bereich mit der Rotornabe oder der Rotorplattform sowohl vor als auch hinter dem Deckband anzuordnen. Insofern sind erfindungsgemäß vielfältige Abwandlungen und Variationen möglich.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 : eine allgemeine Ansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinenaxialverdichters, -
2 : eine vergrößerte Detailansicht (schematisch) gemäß dem Stand der Technik, bei welcher der Stator mit einem Nabenspalt angeordnet ist, -
3 : eine vergrößerte Detailansicht (schematisch) gemäß dem Stand der Technik, bei welcher der Stator mit einem Nabendeckband angeordnet ist, -
4 : eine schematische Darstellung eines Verstellstators mit Nabenband gemäß dem Stand der Technik, -
5 : eine schematische Darstellung eines Verstellstators mit Nabenband gemäß dem Stand der Technik, -
6 : eine schematische Darstellung eines Verstellstators mit Nabendeckband gemäß dem Stand der Technik, -
7 : eine schematische Darstellung eines Verstellstators mit Nabendeckband gemäß dem Stand der Technik, -
8 : eine schematische Darstellung der Strömungsphänomene beim Stand der Technik, -
9 : eine schematische Darstellung, analog den4 –7 , eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Stators mit Teildeckband, -
10 : eine schematische Darstellung, analog9 , eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Stators mit Teildeckband, -
11 : eine schematische Darstellung, analog9 und10 , eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verstellstators mit Teildeckband, -
12 : eine schematische Darstellung, analog9 und10 , eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verstellstators mit Teildeckband, und -
13 : eine schematische Darstellung, analog8 , der Strömungsphänomene bei erfindungsgemäßen Ausgestaltungen. - Die
9 –12 zeigen erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele für einen Stator2 bzw. einen Verstellstator2 mit Teildeckband21 . Die Erfindung sieht somit vor, dass die Rotorplattform23 des stromab und/oder des stromauf befindlichen Rotors4 unter den Stator2 verlängert wird, so dass sich unter dem Stator2 ein rotierender Nabenkörper befindet. Der rotierende Nabenkörper (Rotorplattform23 ) unter der Statorschaufel ist jedoch nicht wie beim Stator2 mit Vollspalt durchgehend bis zum nächsten Rotor4 , sondern überdeckt lediglich einen Teil des Stators2 . Gleichzeitig hat der Stator2 jedoch weiterhin ein Deckband11 . Der Nabenspalt10 befindet sich entweder vor und hinter oder nur hinter dem Teildeckband21 , das zwischen den beiden rotierenden Rotornabenkörpern (Rotorplattform23 ) hängt. Der Axialspalt zwischen dem rotierenden Nabenkörper und dem Teildeckband21 befindet sich unter der Statorschaufel. - Bei Verstellstatoren (
9 –12 ) ist in dem Teildeckband21 der Fußpunkt, d. h. die Aufnahme der Spindelachse untergebracht, wie es auch bei einem Volldeckband der Fall ist. - Physikalisch hat die erfindungsgemäße Anordnung folgenden Effekt, der in
13 dargestellt ist:
Die Querkanalströmung19 ist schwächer als bei Volldeckband, die Spaltströmung18 ist schwächer als bei Vollspalt, die Querkanalströmung19 kann nicht auf die Saugseite gelangen und dort zu Ablösungen und Verlusten führen, da dies durch den Teilspalt22 verhindert wird. Da der Axialspalt nicht vor und hinter dem Stator2 liegt, sondern näher beieinander, ist die statische Druckdifferenz, die für die Leckageströmung20 verantwortlich ist, wesentlich geringer. Die Leckageströmung20 ist um ca. 40% geringer als bei Volldeckband, d. h., die durch sie erzeugten Verluste und Erwärmung der Strömung sind 40% kleiner. - Die erfindungsgemäße Konstruktion mit Teildeckband ist wesentlich leichter als die Konstruktion mit Deckband. Dies bringt eine Gewichtseinsparung und eine Kosteneinsparung. Desweiteren sind die aerodynamischen Eigenschaften des Teildeckbandes besser, als die des Standes der Technik, wie im Vergleich der
6 und13 beschrieben wurde. Das bedeutet geringere Verluste in der Strömung und damit einen gesteigerten Verdichterwirkungsgrad. -
- 1
- Vorleitrad
- 2
- Stator
- 3
- Gehäuse
- 4
- Rotor
- 5
- Nabe
- 6
- Verdichterwelle/Rotorwelle
- 7
- Verdichtergehäuse
- 8
- Rotornabe
- 9
- Rotorscheibe
- 10
- Nabenspalt
- 11
- Deckband
- 12
- Dichtlippe
- 13
- Teilspalt
- 14
- Spindel
- 15
- Spindelfuß
- 16
- Drehrichtung
- 17
- Spaltwirbel
- 18
- Spaltströmung
- 19
- Querkanalströmung
- 20
- Leckageströmung
- 21
- Teildeckband
- 22
- Teilspalt
- 23
- Rotorplattform
- 24
- Verstellarm
- 25
- Spaltwirbelbahn
Claims (8)
- Gasturbinenaxialverdichter mit einem Gehäuse (
3 ) und einer drehbaren Welle (5 ), welche einen Ringkanal bilden, in welchem zumindest ein Stator (2 ) und ein Rotor (4 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem freien Ende von Statorschaufeln des Stators (2 ) ein Deckband (21 ) angeordnet ist, welches sich über einen Teil der axialen Länge des Stators (2 ) erstreckt und dass ein weiterer Teil der axialen Länge des Stators (2 ), an welchem kein Deckband (21 ) angeordnet ist, radial angrenzend an eine von einer Rotornabe (8 ) gebildete Rotorplattform (28 ) angeordnet ist. - Gasturbinenaxialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorplattform (
28 ) einseitig zu dem Deckband (21 ) des Stators (2 ) angeordnet ist. - Gasturbinenaxialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorplattform (
28 ) beidseitig zu dem Deckband (21 ) des Stators (2 ) angeordnet ist. - Gasturbinenaxialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (
21 ) mittels einer Dichtung (12 ) abgedichtet ist. - Gasturbinenaxialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (
2 ) als Verstellstator ausgebildet ist. - Gasturbinenaxialverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spindelfuß (
15 ) des Verstellstators (2 ) das Deckband (21 ) lagert. - Gasturbinenaxialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorplattform (
28 ) an einer Rotorscheibe (9 ) ausgebildet ist. - Gasturbinenaxialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (
12 ) an einer Rotorscheibe (9 ) ausgebildet ist.
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Effective date: 20150319 |