DE10352787A1

DE10352787A1 - Leitschaufelgitter und Turbomaschine mit einem Leitschaufelgitter

Info

Publication number: DE10352787A1
Application number: DE10352787A
Authority: DE
Inventors: Berthold Burgmeier; Georg Zotz
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2005-06-23
Also published as: WO2005047656A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelgitter für eine Turbomaschine.
Das Leitschaufelgitter verfügt über mehrere in einem Ringraum (10) bzw. einem Hauptstrpmungskanal positionierte, feststehende Leitschaufeln (13), wobei die Leitschaufeln (13) um jeweils eine Schwenkachse (18) verstellbar ausgebildet sind und wobei die Leitschaufeln (13) mit radial innen liegenden Enden (14) an eine erste Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) und mit radial außen liegenden Enden (16) an eine zweite Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) angrenzen.
Erfindungsgemäß ist die erste Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) und/oder die zweite Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) derart ausgestaltet, dass in jeder Schwenkposition der Leitschaufeln (13) Spalte zwischen den radial innen liegenden Enden (14) der Leitschaufeln (13) und der ersten Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) und/oder Spalte zwischen den radial außen liegenden Enden (16) der Leitschaufeln (13) und der zweiten Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) minimiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelgitter für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Turbomaschine sowie ein Flugtriebwerk und eine stationäre Gasturbine.
Flugtriebwerke bestehen aus mehreren Baugruppen, so zum Beispiel unter anderem aus einem Lüfter (Fan), einer Brennkammer, vorzugsweise mehreren Verdichtern sowie mehreren Turbinen. Diese Baugruppen der Gasturbine sind von einem feststehenden Gehäuse umgegeben. Bei den vorzugsweise mehreren Turbinen handelt es sich insbesondere um eine Hochdruckturbine sowie eine Niederdruckturbine, bei den mehreren Verdichtern insbesondere um einen Hochendruckverdichter sowie Niederdruckverdichter.

In einer Turbine sowie in einem Verdichter einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, sind mehrere feststehende Leitschaufeln sowie mehrere rotierende Laufschaufeln angeordnet. Die Leitschaufeln sind gegenüber dem Gehäuse feststehend ausgebildet. Die Laufschaufeln sind mindestens einem Rotor zugeordnet und rotieren gegenüber den feststehenden Leitschaufeln sowie dem feststehenden Gehäuse. Verfügt die Turbine bzw. der Verdichter über mehrere Stufen, so sind in Durchströmungsrichtung der Turbomaschine, insbesondere der Gasturbine, hintereinander abwechselnd Leitschaufeln und Laufschaufeln angeordnet, wobei entlang des Umfangs des Rotors bzw. des Gehäuses ebenfalls mehrere Laufschaufeln bzw. Leitschaufeln angeordnet sind, die sogenannte Leitschaufelkränze oder Laufschaufelkränze bilden. Die Leitschaufelkränze werden auch als Leitschaufelgitter bezeichnet. Die Leitschaufeln eines Leitschaufelgitters sind dabei in einem Ringraum bzw. einem Hauptströmungskanal der Gasturbine positioniert, wobei die Leitschaufeln mit radial innenliegenden Enden an eine erste Begrenzungsfläche des Ringraums und mit radial außenliegenden Enden an eine zweite Begrenzungsfläche des Ringraums angrenzen.

Die feststehenden Leitschaufeln eines Leitschaufelgitters bzw. Leitschaufelkranzes können um eine Achse verstellbar bzw. schwenkbar ausgebildet sein. So offenbaren die DE 39 13 102 C1 und die DE 41 02 188 C2 Vorrichtungen zur Verstellung von Leitschaufeln.

Zur Optimierung des Wirkungsgrads sowie des Pumpgrenzabstands einer Gasturbine müssen Leckagen bzw. Leckageströmungen insbesondere im Bereich der Leitschaufelgitter minimiert werden. Bei verstellbar bzw. schwenkbar ausgebildeten Leitschaufeln eines Leitschaufelgitters besteht dabei das Problem, dass Spalte zwischen den radial innenliegenden Enden der Leitschaufeln und der ersten Begrenzungsfläche des Ringraums sowie Spalte zwischen den radial außenliegenden Enden der Leitschaufeln und der zweiten Begrenzungsfläche des Ringraums nach dem Stand der Technik abhängig von der Schwenkposition der jeweiligen Leitschaufeln sind. Die Abdichtung dieser Spalte und damit die Minimierung von Leckagen bzw. Leckageströmungen im Bereich dieser Spalte ist demnach bei aus dem Stand der Technik bekannten Leitschaufelgittern problematisch.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Leitschaufelgitter für eine Gasturbine sowie eine neuartige Gasturbine zu schaffen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Leitschaufelgitter durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist die erste Begrenzungsfläche des Ringraums und/oder die zweite Begrenzungsfläche des Ringraums derart ausgestaltet, dass in jeder Schwenkposition der Leitschaufeln Spalte zwischen den radial innenliegenden Enden der Leitschaufeln und der ersten Begrenzungsfläche des Ringraums und/oder Spalte zwischen den radial außenliegenden Enden der Leitschaufeln und der zweiten Begrenzungsfläche des Ringraums minimiert sind.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die erste, den radial innenliegenden Enden der Leitschaufeln benachbarte Begrenzungsfläche des Ringraums eine facettierte oder polygonzugartige Oberflächenstruktur auf, wobei vorzugsweise eine Teilung der facettierten oder polygonzugartigen Oberflächenstruktur der ersten Begrenzungsfläche des Ringraums einer Schaufelteilung des Leitschaufelgitters entspricht. Die zweite, den radial außenliegenden Enden der Leitschaufeln benachbarte Begrenzungsfläche des Ringraums weist vorzugsweise taschenartige Vertiefungen auf. Jeder Leitschaufel ist dabei vorzugsweise eine derartige taschenartige Vertiefung zugeordnet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verläuft die Schwenkachse jeder Leitschaufel senkrecht zu der ersten Begrenzungsfläche des Ringraums und/oder zu der zweiten Begrenzungsfläche des Ringraums.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1: eine schematisierte, perspektivische Teilseitenansicht von oben auf ein erfindungsgemäßes Leitschaufelgitter;
2: eine schematisierte, perspektivische Teilseitenansicht von unten auf das erfindungsgemäße Leitschaufelgitter der 1; und
3: einen schematisierten Teilquerschnitt durch das erfindungsgemäße Leitschaufelgitter der 1 und 2.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 in größerem Detail beschrieben, wobei 1 bis 3 unterschiedliche schematisierte Darstellungen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leitschaufelgitters zeigen.
So zeigen 1 bis 3 einen Ausschnitt aus einem Ringraum 10 bzw. einem Hauptströmungskanal einer Turbomaschine, wobei der Ringraum 10 von einer radial innenliegenden Begrenzungswand 11 und einer radial außenliegenden Begrenzungswand 12 begrenzt wird. Im Ausführungsbeispiel der 3 sind in dem Ausschnitt des Ringraums 10 drei Leitschaufeln 13 eines Leitschaufelgitters positioniert. Die Leitschaufeln 13 des Leitschaufelgitters grenzen mit radial innenliegenden Enden 14 an die Begrenzungswand 11 an, nämlich an eine von der ersten Begrenzungswand 11 definierte, erste Begrenzungsfläche 15. Mit radial außenliegenden Enden 16 grenzen die Leitschaufeln 13 des Leitschaufelgitters an die Begrenzungswand 12 an, nämlich an eine von der Begrenzungswand 12 bereitgestellte, zweite Begrenzungsfläche 17.
Die Leitschaufeln 13 des Leitschaufelgitters sind um jeweils eine Schwenkachse 18 verstellbar bzw. schwenkbar ausgebildet. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die erste Begrenzungsfläche 15 des Ringraums 10 sowie die zweite Begrenzungsfläche 17 des Ringraums 10 derart ausgestaltet, dass in jeder Schwenkposition der Leitschaufeln 13 Spalte zwischen dem radial innenliegenden Ende 14 der Leitschaufeln 13 und der ersten Begrenzungsfläche 15 des Ringraums 10 sowie Spalte zwischen den radial außenliegenden Enden 16 der Leitschaufeln 13 und der zweiten Begrenzungsfläche 17 des Ringraums 10 minimiert sind. Hierdurch werden Leckagen bzw. Leckageströmungen durch diese Spalte auf ein absolutes Minimum reduziert, was den Wirkungsgrad der Gasturbine und den Pumpgrenzabstand derselben optimiert.
Wie insbesondere 3 entnommen werden kann, ist die erste, den radial innenliegenden Enden 14 der Leitschaufeln 13 benachbarte Begrenzungsfläche 15 des Ringraums 10 mit einer Facettierung versehen. Die erste Begrenzungsfläche 15 des Ringraums 10 weicht demnach von der in 3 gestrichelt dargestellten, im Querschnitt kreisförmigen Kontur 19 derart ab, dass die erste Begrenzungsfläche 15 im Querschnitt einen diese kreisförmige Kontur 19 einschließenden Polygonzug bzw. ein die kreisförmige Kontur 19 einschließendes Vieleck beschreibt. Die erste Begrenzungsfläche 15 ist demnach aus mehreren Flächensegmenten 20 zusammengesetzt, wobei jedes Flächensegment 20 plattenförmig ausgebildet ist. Eine Teilung der facettierten, vieleckigen bzw. polygonzugartigen Oberflächenstruktur der ersten Begrenzungsfläche 15 entspricht dabei der Schaufelteilung α des Leitschaufelgitters, derart, dass jeder Leitschaufel 13 des Leitschaufelgitters ein derartig ausgestaltetes Flächensegment 20 zugeordnet ist. 3 kann entnommen werden, dass die Schwenkachsen 18 der Leitschaufeln 13 senkrecht zu den jeweiligen, den Leitschaufeln 13 zugeordneten Flächensegmenten 20 der ersten Begrenzungsfläche 15 verlaufen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung weist weiterhin die zweite, den radial außenliegenden Enden 16 der Leitschaufeln 13 benachbarte Begrenzungsfläche 17 des Ringraums 10 taschenartige Vertiefungen 21 auf. Die Teilung der taschenartigen Vertiefungen 21 entlang der zweiten Begrenzungsfläche 17 entspricht dabei wiederum der Schaufelteilung α des Leitschaufelgitters. Damit ist dem radial außenliegenden Ende 16 einer jeden Leitschaufel 13 jeweils eine derartige taschenartige Vertiefung 21 zugeordnet. Die taschenartigen Vertiefungen 21 tauchen gemäß 3 in radialer Richtung bzw. in Richtung der Schwenkachsen 18 der jeweiligen Leitschaufeln 13 gegenüber einer in 3 gestrichelt dargestellten, idealisierten Kreiskontur 22 in die zweite Begrenzungswand 12 des Ringraums 10 ein. Ausgehend von der Schwenkachse 18 einer jeden Leitschaufel 13 nimmt dabei die Eintauchtiefe der taschenartigen Vertiefung 21 in die radial außenliegende Begrenzungswand 12 zu.
Die radial außenliegende Begrenzungsfläche 23 einer jeden taschenartigen Vertiefung 21 steht dabei im Querschnitt wiederum senkrecht auf der Schwenkachse 18 einer jeden Leitschaufel 13. Dies kann wiederum 3 entnommen werden.
2 kann entnommen werden, dass die Kontur jeder taschenartigen Vertiefung 21 an den Schwenkbereich bzw. die Schwenkbewegung der jeweiligen Leitschaufel 13 angepasst ist. Die Kontur einer jeden taschenartigen Vertiefung 21 entspricht demnach der Schaufelbegrenzung. Die Kontur der taschenartigen Vertiefungen 21 wird demnach durch Kreisringsegmente beschrieben.
Durch die oben beschriebene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelgitters werden über den gesamten Schwenkbereich der Leitschaufeln 13 Spalte einerseits zwischen den radial innenliegenden Enden 14 der Leitschaufeln 13 und der ersten Begrenzungsfläche 15 des Ringraums 10 und andererseits Spalte zwischen den radial außenliegenden Enden 16 der Leitschaufeln 13 und der zweiten Begrenzungsfläche 17 des Ringraums 10 minimiert. Auch dies kann 3 entnommen werden, wobei in 3 der maximale Schwenkbereich der Leitschaufel 13 durch gestrichelte Linien 24 und 25 visualisiert ist. Die Linie 24 in 3 verdeutlicht die gegenüber der Nullposition der Leitschaufel maximale Linksverschwenkung, die Linie 25 verdeutlicht die gegenüber der Nullposition der Leitschaufel 13 maximale Rechtsverschwenkung derselben.
Durch die oben beschriebene, erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leitschaufelgitters kann ein sogenannter Summenspalt der obigen Spalte auf ein Minimum reduziert werden, was positive Auswirkungen auf den Pumpgrenzabstand und den Wirkungsgrad der Turbomaschine hat. Das erfindungsgemäße Leitschaufelgitter findet bevorzugt Verwendung bei Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen.

10: Ringraum
11: Begrenzungswand
12: Begrenzungswand
13: Leitschaufel
14: radial innenliegendes Ende
15: erste Begrenzungsfläche
16: radial außenliegendes Ende
17: zweite Begrenzungsfläche
18: Schwenkachse
19: Kontur
20: Flächensegment
21: Vertiefung
22: Kontur
23: Fläche
24: Linie
25: Linie

Claims

Leitschaufelgitter für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Gasturbine, mit mehreren in einem Ringraum (10) bzw. einem Hauptströmungskanal positionierten, feststehenden Leitschaufeln (13), wobei die Leitschaufeln (13) um jeweils eine Schwenkachse (18) verstellbar ausgebildet sind, und wobei die Leitschaufeln (13) mit radial innenliegenden Enden (14) an eine erste Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) und mit radial außenliegenden Enden (16) an eine zweite Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) angrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) und/oder die zweite Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) derart ausgestaltet ist, dass in jeder Schwenkposition der Leitschaufeln (13) Spalte zwischen den radial innenliegenden Enden (14) der Leitschaufeln (13) und der ersten Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) und/oder Spalte zwischen den radial außenliegenden Enden (16) der Leitschaufeln (13) und der zweiten Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) minimiert sind.
Leitschaufelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, den radial innenliegenden Enden (14) der Leitschaufeln (13) benachbarte Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) eine facettierte Oberflächenstruktur aufweist.
Leitschaufelgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, den radial innenliegenden Enden (14) der Leitschaufeln benachbarte Begrenzungsfläche (15) des Ringraums im Querschnitt eine vieleckige bzw. polygonzugartige Oberflächenstruktur aufweist.
Leitschaufelgitter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilung der facettierten oder polygonzugartigen Oberflächenstruktur der ersten Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) einer Schaufelteilung des Leitschaufelgitters entspricht.
Leitschaufelgitter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, den radial außenliegenden Enden (16) der Leitschaufeln (13) benachbarte Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) taschenartige Vertiefungen (21) aufweist.
Leitschaufelgitter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem radial außenliegenden Ende (16) einer jeden Leitschaufel (31) jeweils eine taschenartige Vertiefung (21) zugeordnet ist.
Leitschaufelgitter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur der taschenartigen Vertiefungen (21) an den Schwenkbereich bzw. die Schwenkbewegung der jeweiligen Leitschaufel (13) angepasst ist.
Leitschaufelgitter nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenartigen Vertiefungen (21) in radialer Richtung bzw. in Richtung der Schwenkachsen (18) der jeweiligen Leitschaufeln (13) in die zweite Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) eintauchen, wobei die Eintauchtiefe ausgehend von der Schwenkachse (18) der jeweiligen Leitschaufel (13) in Umfangsrichtung zunimmt.
Leitschaufelgitter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (18) jeder Leitschaufel (13) senkrecht zu der ersten Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) und/oder zu der zweiten Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) verläuft.
Leitschaufelgitter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (18) jeder Leitschaufel (13) senkrecht zu dem jeweiligen facettenartigen bzw. polygonzugartigen Oberflächenabschnitt der ersten Begrenzungsfläche (15) des Ringraums (10) verläuft.
Leitschaufelgitter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (18) jeder Leitschaufel (13) senkrecht zu der jeweiligen taschenartigen Vertiefungen (21) der zweiten Begrenzungsfläche (17) des Ringraums (10) verläuft.
Turbomaschine mit mindestens einem Leitschaufelgitter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.
Flugtriebwerk mit mindestens einem Leitschaufelgitter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.
Stationäre Gasturbine mit mindestens einem Leitschaufelgitter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.