DE1426336A1

DE1426336A1 - Statorschaufeleinheit fuer Stroemungsmaschinen

Info

Publication number: DE1426336A1
Application number: DE19641426336
Authority: DE
Inventors: Robert Hirschkron; Thenault George Spencer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-12-02
Filing date: 1964-12-02
Publication date: 1969-03-13
Also published as: BE656223A; GB1049080A

Description

8t«tereChattfeleinheit für Strömungsmaschinen

Die irfiÄdung betrifft eine Statorschaufeleinheit für

wie Turbinen und Verdichter, insbe

sondere aasturbinen-Aggregate mit einem ringförmigen StröeMngedurchlae und einer Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander getrennt angeordneten, sich in radialer Richtung erstreckenden, den Strömungedurchlaß durchragenden in ihrer Winkellage tu dieeem verstellbaren Schaufeln, wobei der Zwischenraum swisehen einander benachbarten Schaufeln in Omfangeriohtung geringer ist, ale die Sehnenlänge der Schaufeln«

Bekanntlich lassen sich bei Gasturbinen-Aggregaten höhere Ausgangswellenleistungen und bei Turbo-Strahltriebwerken eine größere Schubleistung dadurch erzielen, daß die Verbrennungsgase der Turbine mit höherer Temperatur zugeführt werden· Zwecks Erzielung einer maximalen Arbeitsleistung der Maschine ist diese im allgemeinen so konstruiert| daß die höchstmögliche zulässige Turbinentemperatur normalerweise bei voller Leistung erreicht wirdι was insbesondere für die Konstruktion von für Flugzeugantriebe verwendete Gasturbinen-Aggregate zutrifft, bei welchen ein hohes Leistungsgewichtsverhältnis verlangt wird. Die erzielbare Höchsttemperatur ist begrenzt durch die Festigkeit der verschiedenen Turbinen-Bauelemente bei entsprechend hohen Temperaturen, die in erster Linie von den für die Turbinenbestandteile verwendeten Werkstoffen abhängt und auch von dem in der Turbine verwendeten Kühlsystem bestimmt wird· Bei den typischen Turbo-Strahltriebwerken und Gasturbinen-Aggregaten, die bestimmungsgemäß unter Vollast-Bedingungen arbeiten, ist die Gaseintrittstemperatur erheblich niedriger als die bei Teillast maximal zulässige Höchsttemperatur« Der Temperaturrückgang bei Teillast-Betrieb wird durch das Energiegleichgewicht zwischen dem Verdichter und der Antriebsturbine für den Verdichter und außerdem durch das sich zwischen dem Verdichterantrieb und den Antriebsturbinen einstellende Druck-

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verhältnls bestimmt. Die erreichte Gleichgewichtstemperatur iet im allgemeinen niedriger als die Temperatur für den optimalen Wärmekreisprozeß-Wirkungsgrad bei dem Gleiohgewichtsdruckverhältnie des Verdichters* Diese Divergenz ist besondere für mit Regenerativ-Wärmetausch arbeitende Turboprop- und Turbogebläse-Maschinen von Bedeutung«

Bei Teillast lafit sich der Wirkungsgrad durch Erhöhen der Eintrittetemperatur der Oase in die Turbine steigern« Man hat festgestellt, daß sich dies durch Verändern der Stellung der die Turbinendüse bildenden Leitschaufeln zwecks Verändern« des Durchströmquerschnitts zwischen den Schaufeln bewerkstelligen läßt, indem bei Teillastbedingungen buh Erhöhen der Eintrittstemperatur der Verbrennungegase in die Turbine der Durchströmquerschnitt verringert wird« Zur Erzielung der gewünschten, vorteilhaften Ergebnisse sind die Leitschaufeln der Turbinendüsen im allgemeinen wie vorstehend beschrieben einstellbar« Eine gebräuchliche bauliche Anordnung besteht darin, an einem oder an beiden Enden der Schaufeln Achszapfen vorzusehen, um die sich die Schaufeln eohwenken lassen, um sie den Betriebserfordernissen entsprechend einstellen zu können« Bei einer solchen Anordnung 1st zwischen den Schaufeln und den Wänden des ringförmigen Durchlasses, in welchem die Schaufeln angeordnet

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•ind, nur ein geringer Spielraum vorhanden, der aber zur Erleichterung des Zusammenbau· und zur Aufnahme der Wärmedehnungen während des Betriebs der Maschine notwendig ist. Ee mußte jedoch festgestellt werden, daß diese Spielräume zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Schaufeln Spaltverluste und somit LeistungsVerluste zur Folge haben, die sowohl bei Vollast- als auch bei Teillastbetrieb eine unwirtschaftliche Arbeitsweise der Maschine bedingen«

Dieser Zustand wurde bisher dadurch gemildert, daß man an den Enden oder Stirnseiten der Schaufeln kreisförmige Scheiben befestigte, um dann die Schaufeln um die Achsen der Scheiben zu schwenken« Leider läßt sich diese Lösung des Problems jedoch nur bei Schaufeln mit einem Füllungsgrad, d.h. einer Sohaufeldichte von weniger als eins, der das Verhältnis zwischen der Schaufelsehne und dem Abstand oder dem Zwischenraum zwischen einander benachbarten Schaufeln ausdrückt, verwenden« Bei Schaufelkränzen, bei denen der Füllung «gr ad bzw. die Schaufeldichte eins oder mehr beträgt, sind Spaltverluste immer ein Problem geblieben«

Es ist mitunter auch zur Erzielung eines wirtschaftlichen Betriebes erforderlich oder erwünscht, die Stellung der Einlaßleitschaufeln und der weiteren Leitschaufeln eines Verdichters über einen weiten Bereich von Betriebssuständen

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und zum Verhindern eineβ Verdichteratillatandea bei Teillasttoetrierb oder bei anderen Belastungsstufen oder Betriebabedingnngan, wie beispielsweise beim Beschleunigen der Mas chin»_t au verändern· Zum Verhindern von Spaltverlusten swlaohen den Hochdruck- und Niederdruckseiten der Verdlch^erleitschaufeln hat man bisher, wie erwähnt, an den Snden der Schaufeln befestigte Scheiben verwendet«

Bine derartige Lösung des Problems der Verhinderung oder

" .-■" ' · ■■■· '■' ■■ »■ *· :^: -Verminderung der Läsaigkeitsverluste läßt sich aber nur dort anwenden, wo das Verhältnis zwischen der Schaufel-•ehne und dem Zwischenraum zwischen den Schaufeln kleiner mis eins ist·

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte regelbare Statoreinheit für Turbinen oder Verdichter mit einem Füllungegrad bzw« einer Schaufeldichte, d.h. einem Verhältnis zwischen der Schaufel sehne und dem Schaufel Zwischenraum, von mehr als eins zu schaffen, bei der die Spaltverluste beim Betrieb der Maschine auf einem MindestmaΠ gehalten werden·

Die LQsung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an jeder Sohaufel sowohl an ihrer inneren als auch.an ihrer äußeren radialen Stirnfläche zwischen Anatrum- und Abströmkante Je eine kreiaförmige Abdeckacheibe

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befestigt ist und daß die Abdeckecheiben im Bereich des größten Druckgefälle β zwischen der konkaven und der konvexen Wandflache der Schaufeln vorgesehen sind«

Bei der Statoreinheit für die Antriebsturbine eines Gasturbinen-Aggregats sind die kreisrunden Scheiben näher der Abströmkante der Schaufeln angeordnet, während bei dem Verdichter eines solchen Aggregats die Schwenkachse der Scheiben bei etwa kO bis 50 % der Sehnenlänge von der Anströmkante der Schaufeln gerechnet angeordnet sind.

Xn den Figuren 1 bis 6 der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung anhand einiger bevorzugter Aueführungsbeispiele dargestellt, welche nachstehend im einzelnen näher erläutert sind. Es zeigen:

Fig« 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Gasturbinen-Aggregats;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Schnittdarstellung des Aggregats nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, insbesondere die Turbinenelnlaßdüse mit verstellbaren Leitschaufelnj

Flg. 3 eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel der Turbineneinlaßdüse nach Fig. 2)

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ORIGINAL INSPECTe) Fig« k einen Schnitt durch di« Turbinen©inlaßdüse naoh

« 2 und 3 entlang der Radiusllnie k-k in Fig.2}

Fig* 5 ein Diagramm der Druckverteilung an den Wandflächen der Turbinpaeinlaßdüsensehaufeln und

Fig· 6 einen Sc*HÄ,*t eaiteprechend demjenigen nach Fig. k durch einen Tejrdlchterleitschaufelkranz.

In den Zeichnungen und inefeeeeatore in Fig. 1 ist ein Teil eine« Qaeturbinen-Aggregats 19 dargestellt, welches ein MuBeree «qrlindriechee Gehäuse 11 aufweist* Zwischen de» Gehäuse 11 und der feststehenden Innenwand 13 befindet sich ein alleiein ringfönaiger Hohlraun, in welchem der ringför- «ige BrennkstMMwreinsatz \k angeordnet ist, in dem die eigentliche Verbrennung stattfindet· Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegt in StrÖMungsrichtung hinter dem Brennkatnmereinsatz \h der ringfttrwige DUsenzwischenboden 15 mit feststehenden Leitschattfeln, welche die heißen Verbrennungeprodukte dem Turbinen·chaufelkranz 16 mit der richtigen Geschwindigkeit und im richtigen Winkel zuführen« Die Laufschaufeln 16 der Antrieb»turbine sind auf dem Auöenumfang eines Turbinenlaufrades 17 angebracht, welches auf der Welle 18 sitzt und «it eine« zweiten Turbinenlaufrad 19» auf dem die Laufschaufeln 20 angebracht sind, gekuppelt isti die Welle 18

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ist mit Hilfe geeigneter Lager in dem Turbinenaggregat 10 drehbar-gelagert. Die aus den Turbinenlaufrädern 17 und 19 sowie der Welle 18 bestehende Einheit wird allgemein als Gasgenerator-Turbinenrotor bezeichnet und treibt den Rotor des vorliegend nicht dargestellten Verdichterteile des Turbinenaggregats 10 an·

Das in Fig, 1 veranschaulichte Gasturbinen-Aggregat besitzt in Strömungsrichtung hinter dem Turbinenlaufrad 19 eine zweite Antriebsturbineneinheit, die aus den beiden Turbinenlaufrädern 30 und 31 besteht, die an der zu der Rotorwelle 18 konzentrischen Velle 32 befestigt sind. Die Welle 32 ist bei einem Turboprop-Antriebsaggregat mit einer Last, wie beispielsweise einem nicht dargestellten Propeller gekuppelt· Auf den Turbinenlaufrädern 30 und 31 sind am Umfang Schaufelkränze 33 bzw« 3k angebracht« Die ebenfalls erfindungsgemäß ausgebildete TurbineneinlaßdUse 35 mit verstell- bzw* einstellbaren Leitschaufeln führt die aus der Gasgeneratorturbine austretenden Verbrennungsprodukte der Antriebsturbine mit der richtigen Temperatur, der richtigen Geschwindigkeit und im richtigen Winkel zu.

Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich ist, kann die gemäß der Erfindung ausgebildete Turbinendüse mit verstellbaren Leitschaufeln gewünschtenfalls sowohl zum Zuführen von Verbrennungsgasen od. dgl. zu einer Gas-

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generatorturbine als auch zu einer Antrieb β turbine verwendet werden« Dementsprechend läßt sich die Lehre gemäß der Erfindung auch auf einstellbare bzw« verstellbare Ver-

£.. . dichterleitschaufeln anwenden«

Vie bereits dargelegt,wurden bisher Turbinendüsen mit regelbarem Durchströmquerechnitt zum Zwecke des Aufrechterhaltene eines guten Wirkungsgrades der Maschine unter Teillast-Bedingungeti verwendetr durch Verringerung des Durchströmquerschnitt· der Düse erreichte man so eine Erhöhung der Tempe-

Y ratur der Antri?ef»sgaee bei Teillastbetrieb. Bei solchen Einheiten, und insbesondere bei denjenigen mit einem Schaufelfttllungsgrad vOn mehr als eins, waren die Spaltverluste zwischen den Hochdruck- und den Niederdruckseiten der Düsen-

\ schaufeln ein Problem« Bekanntlich haben Dusenschaufeln ein

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gekrümmtes Stromlittienprofil, so daß sie eine konvexe und eine konkave Oberfläche aufweisen, wobei der Druck an der

I, konvexen Seite wesentlich niedriger ist als an der konkaven

'-.'' Sol te« Folglich wird die konvexe Seite oft die ¹BaUgSeI te * und die konkave Seite die »Druckseite·· genannt« Aus dem in Fig«5 dargestellten tiiagramm ist Jedoch ersichtlich, daß der Druck-

^r abfall zwischen del* Druckseite und der Saugseite über die gesamte Sehnenliänge Umv Oüsensohaufel nicht gleichmäßig, ins-

* besondere datt das Druokgefälle im Bereich der Abstrumkante der Sehavüt·! am grSßten ist. Diese Feststellung der Ungleich-

, Mattigkeit des Drückabfalle wird gemäß der Erfindung ausgenutzt, ff

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um die Spaltverluste zwischen der Druckseite und der Saugseite bei verstellbaren Schaufeln von Turbinendüsen od. dgl« mit einem mehr als eins betragenden Schaufel— füllungsgrad erheblich zu verringern·

Wie vor allem aus den Figuren 2 bis h hinsichtlich, der spezifischen Einzelheiten der veranschaulichten Ausführungeform hervorgeht, besteht die Turbinendüse 35 n*£* regelbarem Durchströmquerschnitt aus einer Vielzahl von in Umfangerichtung voneinander getrennt angeordneten, sich radial erstreckenden Schaufeln 36, die in dem zwischen dem Turbinengehäuse 11 und der zu ihm konzentrischen Innenwand 37 befindlichen ringförmigen Strömungsmitteldurchlaß angeordnet sind« Die Schaufeln 36 haben, in axialer Richtung voneinander getrennt, Je eine Anströmkante 38 und eine Abströmkante 39« Je eine konkave ¥andflache kO und eine konvexe Wandfläche 41 verbinden die AnstrSmkante nit der Abströmkante in der Weise, daß ein aerodynamisches Stromlinienprofil entsteht* Während des Betriebes der Turbine verändert sich die Druckverteilung auf den konkaven Wandflächen kO und den konvexen Wandflächen 41 der Schaufeln 36 wie vorstehend beschrieben und in FIg* 5 veran— schaulicht·

Der Zwischenraum S (vgl· Fig· k) zwischen einander benachbarten Schaufeln 36 in Umfangsrichtung ist geringer al« di·

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Sehneniflnge C, d.h» als der Abstand zwischen der An-

str3«kante 38 und der Abströmkante 39 der einzelnen Schaufeln 56· Da der Schaufelfüllungsgrad somit mehr als eins betragt, iet es nicht möglich, wie bisher üblich, die Stirnflächen der Schaufeln vollständig mit Endscheiben zu verbinden b*w„ abzudecken· An den Stirnflächen der Schaufeln •lad jedoch Deckscheiben 50 angebracht, die einen kleineren Ihirchve β ser, d haben als den Schaufelabstand S. Unter Auswertung der Druckverteilungekennlinien über die Schaufellangen eind die Deckscheiben 50 zwischen der Anströmend der ÄbstrQMkante der einzelnen Schaufeln jeweils in de« Bereich angeordnet, in welchem das Druckgefälle zwischen den⁷Vandf lachen kO und kl am größten ist. Bei den dargestellten Turbinenschaufeln liegt dieser Bereich, in der Nähe der Abstföekante 39.

Wie in Pig» 2 gezeigt, befinden sich zwischen den Stirnflatclhbn der Schaufeln 36 und dem Maschinengehäuse 11 sowie der Innenwand 37 kleine Spielräume 51, die aus Gründen der S'ert'tgungserleich.terung sowie zur Aufnahme von Värwedeiumtigen erforderlich sind. Da aber in diesem nicht von Scheiben 50 abgedeckten Bereich zwischen der Anström— kante 38 und den Scheiben 50 das Druckgefälle zwischen der konkaven oder Druckseite und der konvexen oder Saugseite nicht grofi let, sind auch die Spaltverluste infolge der Bpielrttame 51 entsprechend gering.

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In dem Maschinengehäuse 11 und in der Innenwand 37 sind kreisrunde' Vertiefungen 52 bzw. 53 zur Aufnahme der Abdeckscheiben 50 vorgesehen. Zum Schwenken der Scheiben 50 und somit der Schaufeln 36 sind an den äußeren Scheiben 50 je ein Schaft ^h befestigt, an welchen ein Hebelarm 35 befestigt ist; diese Hebelarme 55 sind mit ihrem freien Ende an einem das Maschinengehäuse 11 umgebenden Stellring 56 angekuppelt. Durch Verdrehen des Stellringes 56 lassen sich die Stellungen der die Turbinendüse 35 mit regelbarem Durchströmquerschnitt bildenden Schaufeln 36 verändern, um bei Teillast eine bestimmte gewünschte Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Die Stellung der Schaufeln 36 läßt sich zur Schaffung verlangter Betriebskenndaten auch bei Vollast der Turbine verändern.

Wie vorstehend dargelegt, ist es dem Fachmann möglich, die Lehren gemäß der Erfindung auch auf Verdichterschaufeln ohne weiteres anzuwenden. Bei diesen Schaufeln ist jedoch die größte Druckdifferenz zwischen den Wandflächen der Schaufeln in einem Bereich, dessen Mitte etwa bei 40 bis 50 $ der Sehnenlänge in Strömungsrichtung hinter der Anströmkante liegt. Xn diesem Falle sind die Drehachsen der Deckscheiben 30« bei kO bis 50 # der Sehnenlange hinter der Anströmkante 38· angeordnet, so daß der Bereich des stärksten Druckgefälles abgesichert ist. Fig. 6 veranschaulicht die erfindungegemäße Ausbildung in Anwendung auf verstellbar· Stator-

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schaufeln von Verdichtern.

Aue de» Vorstehenden ergibt sich, daß durch die Anwendung ..., . des Gegenstandes der Erfindung bei verstellbaren Stator-

schaufeln mit einem mehr als eins betragenden Schaufelftillungsgrad die Spaltverluste erheblich verringert werden _. können, ohne Verringerung des normalen notwendigen stirn-. _ «eitigern Spielraums unterhalb eines Wertes, der zum Br_r leichtern des Zusatmaenbaus und zur Aufnahme von Wärmedehnungen während des Betriebs der Maschine erforderlich ist.

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Claims

Patentansprüche

1« Statorschaufeleinheit für Strömungsmaschinen*wie Turbinen und Verdichter, insbesondere Gasturbinen-Aggregate mit einem ringförmigen Strömungsdurchlaß und einer Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander getrennt angeordneten, sich in radialer Richtung erstreckenden, den Strömungsdurchlaß durchragenden in ihrer Winkellage zu diesem verstellbaren Schaufeln, wobei der Zwischenraum zwischen einander benachbarten Schaufeln in Umfangsrichtung geringer ist, als die Sehnenlänge der Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß

i'.tfüö Unterlagen (Art. 7 § l Abs. 2 Nr. I Sitz 3 des Andcrungsges. v. 4. 9. I

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ÖAD OfMGINAL.

etV ättJetfei' Schaufel (36) sowohl an ihrer inneren als auch an ihrer äußeren radialen Stirnfläche zwischen AnetrÖM- (38) und Abströmkante (39) je eine kreis-Abdeckscheibe (50) befestigt ist land daß

b) die Abdeckscheiben im Bereich des größten Druckgefälle β awl sehen der konkaven (ko) und der konvexen Handfläche (M) der .Schaufeln (36) vorgesehen sind.
2. Statorechaufeleinheit für eine Gas- od. dgl. -turbine nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeck— scheiben (50) in der Nähe der Abströmkante (39) der Schaufeln (36) angeordnet sind«

3· Statorechaufeleinheit für einen Verdichter nach Anspruch 1 oder 2_# dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Abdeckscheiben (50·) bei kÖ bis 50 ^ der Sehnenlänge (C·) der Schaufeln (36*) in Strömungsrichtung hinter der An- β tropan te (38*) der Schaufeln liegt.

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