DE10256008B3

DE10256008B3 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE10256008B3
Application number: DE10256008A
Authority: DE
Inventors: Tobias Müller; Martin Dr. Lawarenz
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2002-11-30
Filing date: 2002-11-30
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2022-12-01

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Turbomaschine, insbesondere Verdichter oder Wasserturbine mit Vorleitgitter, Laufradgitter und Leitradgitter, wobei das Leitgitter Schaufeln aufweist, wobei durch die Stellung der Schaufeln der Anströmwinkel des Strömungsmediums auf das Laufradgitter und der Massenstrom veränderbar sind, wobei bei Ausrichtung der Vorderkante (4) der einzelnen Schaufeln (1) in Strömungsrichtung, die Hinterkante (5) der einzelnen Schaufeln (1) relativ zur Vorderkante (4) beweglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere einen Verdichter oder auch eine Wasserturbine mit Rotor und Leitgitter, wobei das Leitgitter Schaufeln aufweist, wobei durch die Stellung der Schaufeln der Anströmwinkel des Strömungsmediums und der Massenstrom auf den Rotor veränderbar ist, wobei bei Ausrichtung der Vorderkante der einzelnen Schaufeln in Strömungsrichtung die Hinterkante der einzelnen Schaufeln relativ zur Vorderkante beweglich ist.
Durch Änderung des Anströmwinkels kann der Betriebspunkt, der durch das Druckverhältnis und den Massenstrom bestimmt ist, eingestellt werden.
Eine Turbomaschine, insbesondere auch in der Form eines Verdichters, ist hinreichend bekannt; ein solcher Verdichter zeigt in Strömungsrichtung gesehen üblicherweise zunächst ein sogenanntes Vorleitgitter, dem das erste Laufradgitter nachgeordnet ist, wobei ein weiteres Leitradgitter dem Laufradgitter folgt. Lauf- und Leitradgitter bilden die erste Verdichterstufe. Gegebenenfalls schließen sich an diese erste Verdichterstufe weitere Verdichterstufen an, mit jeweils einem Lauf- und Leitradgitter.
Gegenstand der Erfindung ist nunmehr die Ausbildung der Schaufeln des Vorleitrades bzw. auch der Leitradgitters. In diesem Zusammenhang ist bekannt, die Schaufeln eines derartigen Leitradgitters zur Veränderung der Zuströmbedingungen für das nachfolgenden Laufradgitter um eine Achse verschwenkbar auszugestalten, um so den Betriebspunkt der Turbomaschine zu verändern. Durch ein derartiges Umstaffeln der Vorleit- bzw. Leitradschaufeln um eine Schwenkachse verändert sich die Stellung der Vorderkante der Leitradschaufel zur Anströmung. Bei einer Ausrichtung der Schaufelvorderkante etwa parallel zur Strömungsrichtung, so dass die Anströmung inzidenzfrei erfolgt, ist die Umströmung der Schaufel durch geringe Verluste gekennzeichnet. Beim Umstaffeln der Schaufel und unveränderter Zuströmrichtung wächst der Inzidenzwinkel und das Druckfeld zeigt insbesondere im Bereich der Vorderkante große örtliche Schwankungen, die mit einer deutlichen Zunahme der Verluste verbunden sind. Bei entsprechend großen Fehlanströmungen entstehen Grenzschichtablösungen, die ein starkes Ansteigen der Verluste zur Folge haben und die Strömungsumlenkung beeinträchtigen. Dabei entwickeln sich auch in der Abströmung in Umfangsrichtung große periodische Schwankungen der Strömungsgrößen, die ihrerseits zur Schwingungsanregung der nachfolgenden Laufradschaufeln führen und diese Gitter mechanisch belasten.
Zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Verluste und auch zur Vermeidung der Belastung der Gitter ist bereits gemäß der DE 961 742 eine Einrichtung zur Verstellung der Beschaufelung von Strömungsmaschinen bekannt, bei denen bei Ausrichtung der Vorderkante der einzelnen Schaufeln in Strömungsrichtung die Hinterkante einer solchen Schaufel relativ zur Vorderkante stufenlos beweglich ist. Eine ähnliche Ausbildung ergibt sich aus der DE 19 89 104 , wobei die Schaufeln elastisch ausgebildet sind. Eine vergleichbare Gestaltung in Form eines verstellbaren Leitschaufelkranzes zeigt ebenfalls die DE 42 12 878 insofern, als dort bei einem feststehenden Vorderteil das Hinterteil der Schaufel relativ zum feststehenden Vorderteil verschwenkbar ist. Aus der DE AS 1 946 086 ist eine Schaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk bekannt, umfassend einen starren Schaufelteil und einen flexiblen Schaufelteil, wobei eine Betätigungsvorrichtung aus hydraulischen Bälgen vorgesehen ist, die das flexible Ende der Schaufel bewegbar gestaltet. Aus der DE 43 08 892 A1 ist ein Strömungskörper bekannt, bei dem eine Veränderung der Schaufelform mit Hilfe eines Kniehebels vorgenommen wird.
Ein Tragflügel mit veränderbarem Profil ist ebenfalls aus der DE 40 02 972 C2 bekannt; ein solcher Tragflügel besteht aus mehreren Segmenten, welche jeweils einzeln um Schwenkachsen schwenkbar miteinander verbunden sind, wobei die Außenhaut eines solchen Tragflügels aus einem flexiblen, aber formbeständigen Material ausgebildet ist. Aus dem Aufsatz Musolff, A: Adaptiver Tragflügel mit Formgedächtnisaktuatoren in: Konstruktion Mai 5-2001, Seite 72 bis 77 ist ein formadaptiver Flügel beschrieben. Zur Änderung der Form des Flügels sind sogenannte Aktorpakete aus Formgedächtnisdrähten vorgesehen, die der Verstellung der Struktur des Flügels dienen. Die DE 35 40 401 A1 wiederum zeigt einen Leitschaufelkranz für Turbomaschinen, insbesondere für Gasturbinen, wobei die Schaufeln einen feststehenden und einen schwenkbaren Teil aufweisen. Zur Überbrückung des Spaltes zwischen dem feststehenden und dem schwenkbaren Teil ist ein elastisches Abdeckband vorgesehen, das an beiden Teilen befestigt ist. Zur Verschwenkung des verschwenkbaren Teils gegenüber dem feststehenden Teil ist ein Stellring vorgesehen. Der Aufbau einer Schaufel eines Gasturbinenstrahltriebwerkes ergibt sich ebenfalls aus der US 5,314,301 insofern, als dort die Schaufel in Form einer Gliederkette umfassend einzelne Glieder ausgebildet ist. Auch hiermit ist eine im Wesentlichen kontinuierliche Verstellung der Schaufel über ihre Länge möglich.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine Schaufel der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der die Veränderung der Schaufelgeometrie feinfühlig, aber dennoch einfach und preiswert bewerkstelligt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe weist die Schaufel quer zur Längsachse verlaufend Rippen auf, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarter Rippen veränderbar ist. Hierbei ist die Anordnung der Rippen derart getroffen, dass diese wechselweise an der einen und an der anderen Seitenfläche der Schaufel angeordnet sind, wobei zur Veränderung des Abstandes zwischen den Rippen ausdehnbare Kammern vorgesehen sind. Durch Dehnung der Kammern, beispielsweise durch Beaufschlagung mit Überdruck, kann die Schaufel entsprechend der Anordnung der Rippen zur einen Seite bzw. auch zur anderen Seite hin verschwenkt werden.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.

1 zeigt schematisch zwei Schaufeln eines Leit- oder Vorleitgitters, wobei erkennbar ist, wie nach dem Stand der Technik zur Massenstromregelung bzw. zur Veränderung der Zuströmbedingungen für das nachfolgende Laufradgitter die Stellung der Schaufeln zur Strömungsrichtung veränderlich ist;

2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Formänderung der Schaufel zur Variation des Massenstromes bzw. der Zuströmbedingungen;

3 zeigt eine Schaufel, bei der in den Seitenflächen der Schaufel nach innen gerichtete Rippen vorgesehen sind, wobei zwischen den Rippen Kammern angeordnet sind.

1 zeigt den Stand der Technik; hierbei sind zwei Schaufeln 1 dargestellt, wobei die strichpunktierte Darstellung die Ausrichtung der Schaufel 1 parallel zur Strömungsrichtung, gekennzeichnet durch die Pfeile 10, zeigt. Bei winkliger Stellung der Schaufeln 1 zur Strömungsrichtung treten örtliche hohe Druckschwankungen auf, die zur Grenzschichtablösung führen können. Dieser Ablösepunkt 3 wandert umso weiter auf die Vorderkante 4 der Schaufel zu, je größer der Winkel der Schaufel zur Strömungsrichtung (Pfeil 10) ist. Das heißt, die Inzidenz nimmt hierbei mit wachsendem Winkel zu, was größere Grenzschichtablösungen bedeutet, mithin steigende Verluste im Verdichter bewirkt.

2 zeigt schematisch die integrale Verformung der Schaufel, wobei die Vorderkante 4 und ein Längenbereich hinter der Vorderkante 4 parallel zur Strömungsrichtung (Pfeil 10) ausgerichtet verbleiben, wohingegen sich die Hinterkante 5 der Schaufel relativ zur Vorderkante verformt, um so eine Veränderung des Massenstromes bzw. auch eine Änderung des Anströmwinkels des Strömungsmediums auf das Laufradgitter zu erreichen. Wesentlich hierbei ist, dass etwa ein Fünftel der Gesamtlänge der Schaufel unverformt ist, d. h. nach wie vor in Richtung parallel zur Strömungsrichtung (Pfeil 10) ausgerichtet ist, wobei lediglich die hinteren vier Fünftel der Schaufellänge integral verformt werden. Durch eine angepasste Druckverteilung werden Grenzschichtablösungen vermieden und die Verluste bleiben gering.

Gemäß 3 zeigt die mit 1 bezeichnete Schaufel auf ihrer Innenseite wechselweise an der einen Seitenfläche bzw. an der gegenüberliegenden Seitenfläche angeordnete Rippen 30, wobei sich zwischen zwei jeweils benachbarten Rippen eine Kammer 35 befindet, die dehnbar ausgebildet ist. Wird im vorliegenden Fall eine Dehnung der Kammern 35 zwischen den einzelnen Rippen 30 vorgenommen, dann verschwenkt sich die Hinterkante 5 relativ zur Vorderkante 4 in Richtung des Pfeiles 34.

Claims

Turbomaschine, insbesondere Verdichter oder auch Wasserturbine mit Vorleitgitter, Laufradgitter und Leitradgitter, wobei durch die Stellung der Schaufeln der Anströmwinkel des Strömungsmediums und der Massenstrom auf das Laufradgitter veränderbar ist, wobei bei Ausrichtung der Vorderkante (4) der einzelnen Schaufeln (1) in Strömungsrichtung, die Hinterkante (5) der einzelnen Schaufeln (1) relativ zur Vorderkante (4) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (1) quer zur Längsachse verlaufend Rippen (30) aufweist, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Rippen (30) veränderbar ist, wobei die Rippen (30) wechselweise an der einen und an der anderen Seitenfläche der Schaufel (1) angeordnet sind und wobei zur Veränderung des Abstandes zwischen den Rippen (30) ausdehnbare Kammern (35) angeordnet sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (5) einer Schaufel (1) relativ zur Vorderkante (4) zu einer Seite verschwenkbar ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschwenkung der Hinterkante (5) relativ zur Vorderkante (4) der Schaufelkörper (1) in sich stetig einer Kurvenlinie folgend verformbar ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (1) im Bereich der Vorderkante (4) feststehend ausgebildet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (1) im Bereich der Vorderkante (4) im Wesentlichen starr ausgebildet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (1) aus einem elastischen Material ausgebildet ist.