DE19524984A1

DE19524984A1 - Leitschaufelreihe für eine Turbine

Info

Publication number: DE19524984A1
Application number: DE1995124984
Authority: DE
Inventors: Said Dr Havakechian; Rainer Gut
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1995-07-08
Filing date: 1995-07-08
Publication date: 1997-01-09
Also published as: JPH0925802A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufelreihe für eine Turbine, wie sie im Oberbegriff des ersten Anspruchs beschrieben ist.

STAND DER TECHNIK

An Leitschaufelreihen von Turbinen treten Verluste durch Sekundärströmungen auf, die den Wirkungsgrad einer Turbinen stufe, im wesentlichen bestehend aus einer Leitschaufelreihe und einer Laufschaufelreihe, herabsetzen.

Dabei wird die Sekundärströmung besonders durch Seitenwand grenzschichten angeströmter Schaufelreihen begünstigt. Mit der Bezeichnung Seitenwand sind hier die einem Leitschaufel blatt zugewandten Seiten einer Deckplatte und einer Fußplatte benannt. Die Sekundärströmung bildet sich an diesen Seitenwänden vor der Vorderkante der Leitschaufelreihe als kleiner Wirbel aus. Anschließend legt sich dieser Wirbel an Druck- und Saugseite der Leitschaufel als sogenannter Huf eisenwirbel an. Während der saugseitige Hufeisenwirbel in Strömungsrichtung nur wenig an Größe und Intensität zunimmt, wächst der druckseitige Hufeisenwirbel weiter an. Hierfür ist der Druckunterschied zwischen Druck- und Saugseite verant wortlich, welcher Arbeitsfluid aus der Seitenwandgrenzschicht von der Druck- zur Saugseite treibt. Dieses Arbeitsfluid wird vom druckseitigen Hufeisenwirbel aufgenommen. Er vergrößert sich dadurch, wandert selbst zur Saugseite und wird durch die Anreicherung auch Kanalwirbel bezeichnet. Dabei verursacht der Kanalwirbel Strömungsverluste innerhalb der Leitschaufel strömung und ist gleichzeitig Ursache für weitere Verluste in einer abströmseitig folgenden Laufschaufelreihe.

Um diese Verluste durch Sekundärströmungen zu reduzieren, sind Abhilfemaßnahmen in der US 5 249 922 und in der EP 0 570 106 A1 vorgeschlagen worden, die den Druckgradienten des Arbeitsfluids in den Seitenwandgrenzschichten vermindern.

Aus der US 5 249 922 sind Leitschaufelreihen für Turbinen bekannt, deren Leitschaufeln senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsfluids gewölbt sind. Zusätzlich sind die Schaufel blätter dieser Leitschaufeln an ihren Deck- und Fußplatten unter einem Neigungswinkel zur Richtung der radialen Turbinenebene angeordnet.

Die EP 0 570 106 A1 zeigt gerade Leitschaufeln einer Leit schaufelreihe, die mit einem negativen Neigungswinkel von 5° bis 12° zur radialen Turbinenebene angeordnet sind. Das bedeutet, daß die Rückenseite einer Schaufel zur Hohlseite ihrer Nachbarschaufel geneigt ist.

Beide beschriebenen Anwendungen erzielen einen reduzierten Druckgradienten des Arbeitsfluids in den Seitenwandgrenz schichten der Schaufeln, wodurch die Verluste durch Sekundär strömungen reduziert werden und somit der Wirkungsgrad einer Turbinenstufe erhöht wird. Die Abweichung von herkömmlichen Schaufelblattformen und Schaufelanordnungen bedeutet aller dings einen großen Aufwand für Design und Fertigung einer neuen Schaufelanordnung und ist damit kostenintensiv.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verluste durch Sekundärströmungen an Turbinenleitschaufelreihen unter Beibe haltung bekannter Schaufelblattformen zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Durch die spezielle Anordnung der Absaugkanäle in den Fuß- und Deckplatten einer Leitschaufelreihe wird die Druck differenz in Strömungsrichtung einer regulären Reaktionsbe schaufelung ausgenutzt, Seitenwandgrenzschichten des Arbeits fluids, bzw. Hufeisenwirbel selbst abzusaugen. Dadurch werden die Ausbildung von Kanalwirbeln und die damit verbundenen Verluste reduziert, ohne dabei Änderungen am Schaufelblatt design vorzunehmen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Absaugkanäle zeichnet sich dadurch aus, daß für verwirbeltes Arbeitsfluid an den Fuß- und Deckplatten Einströmhilfen angeordnet sind, die den Absaugeffekt begünstigen. Als Ein strömhilfen sind besonders die konisch sich verengende Kanal konturierung des Strömungskanals mittels Neigung der Fuß- und Deckplatte vorteilhalft oder eine Profilierung derselben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von axial durchströmten Turbinenstufen dar gestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Turbinenstufe, bestehend aus einer Leit- und einer Laufschaufel reihe;

Fig. 2 eine Teilansicht der Abwicklung der Leitschaufel reihe mit einer Einlaßöffnung zu einem Absaug kanal;

Fig. 3-7 weitere Ausführungsvarianten der in Fig. 2 gezeigten Einlaßöffnung für Absaugkanäle;

Fig. 8-9 zwei Teillängsschnitte einer Turbinenstufe mit Einströmhilfen für Absaugkanäle.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung des Arbeits fluids ist mit Pfeilen dargestellt.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist eine Turbinenstufe dargestellt, die im wesent lichen aus einer Anzahl von Leitschaufeln 1 und Laufschaufeln 2 aufgebaut ist, von denen je eine dargestellt ist. Eine Leitschaufel 1 weist hier zwischen einer Fußplatte 4 und einer Deckplatte 7 ein Schaufelblatt 3 auf und ist mit einem Schaufelfuß 5 in einem Strömungsgehäuse 6 verankert. Eine Labyrinthdichtung 8 zwischen der Deckplatte 7 und einem Turbinenrotor 9 unterbindet hier das unerwünschte Abströmen eines Arbeitsfluids 15.

An einem Schaufelfuß 12 ist abströmseitig der Leitschaufel 1 eine Laufschaufel 2 im Turbinenrotor 9 angeordnet. Diese Laufschaufel 2 ist aus einem Schaufelblatt 10 mit einer Fußplatte 13 und einer Deckplatte 11 aufgebaut. Zwischen dem Strömungsgehäuse 6 und der Deckplatte 11 verhindert eine Labyrinthdichtung 14 das unerwünschte Abströmen des Arbeits fluids 15.

Bei der beschriebenen Turbinenstufe mit Leitschaufeln 1 und Laufschaufeln 2 handelt es sich um eine Entspannungsstufe, bei der das Arbeitsfluid anströmseitig einen höheren Druck auf weist als abströmseitig.

An einer Fläche der Deckplatte 7, die dem Schaufelblatt 3 der Leitschaufel 1 zugewandt ist, führt eine Einlaßöffnung 17 zu einem Absaugkanal 16. Dabei ist die Einlaßöffnung 17, von der Anströmseite der Leitschaufel 1 aus betrachtet, im Bereich von 10% bis 50% der axialen Längsausdehnung der Deck platte 7 angeordnet.

Der Absaugkanal 16 verläuft schräg durch die Deckplatte 7 in Richtung Turbinenrotor 9 und endet abströmseitig der Leit schaufel 1 in einer Auslaßöffnung 18 der Deckplatte 7.

Ähnlich dieser Anordnung des Absaugkanals 16 verläuft ein weiterer Absaugkanal 19 durch den Schaufelfuß 5 der Leit schaufel 1. Dieser Absaugkanal 19 hat eine Einlaßöffnung 20 in der Fußplatte 4, die ebenfalls, von der Anströmseite aus betrachtet, im Bereich von 10% bis 50% der axialen Längsaus dehnung der Fußplatte 4 angeordnet ist. Der Absaugkanal 19 verläuft schräg durch den Schaufelfuß 5 in Richtung Turbinengehäuse 6 und endet abströmseitig der Leitschaufel 1 in einer Auslaßöffnung 21. Die Absaugkanäle 16 und 19 haben die Aufgabe, den reibungsbehafteten Anteil der Arbeits fluidströmung 15 an der Fußplatte 5 und der Deckplatte 7 insoweit abzusaugen, daß Sekundärströmungen wirkungsvoll unterdrückt und/oder beseitigt werden. Dieser Vorgang wird im folgenden näher erläutert.

Grundsätzlich sei hier festgehalten, daß die Strömung eines Arbeitsfluids 15 in einer Turbine in zwei Anteile aufgeteilt wird,

- ein Anteil, der als reibungslose Potentialströmung ange nommen wird und
- ein weiterer Anteil, der als reibungsbehaftete Seitenwand grenzschicht entlang aller vom Arbeitsfluid 15 ange strömten Turbinenbauteile angenommen wird.

Die reibungsbehaftete Seitenwandgrenzschicht ist gleichzeitig Ursache und Ursprung für Sekundärströmungen, die in Turbinen stufen zu Verlusten führen. Besonders die Seitenwandgrenz schichten an der Fußplatte 4 und der Deckplatte 7 einer Leitschaufel 1 führen unter anderem zur Ausbildung von ver wirbelten Strömungen, die sich der Hauptströmung als soge nannte Hufeisenwirbel, bzw. Kanalwirbel überlagern. Auf diese Weise verursachen die Kanalwirbel Verluste in der ansonsten reibungsfrei und damit verlustfrei angenommenen Potential strömung. Hinzukommt, daß diese Kanalwirbel auch abström seitig einer Leitschaufelreihe 22 zu Verlusten führen.

Die Absaugkanäle 16 und 19 sind so angeordnet, daß ihre Aus laßöffnungen 18, 21 in Bereichen niedrigster Drücke abström seitig einer Leitschaufel 1 liegen. Somit ist der Druck innerhalb der Absaugkanäle 16 und 19 niedriger als der Druck in den Seitenwandgrenzschichten entlang der Fußplatte 4 und der Deckplatte 7. Durch dieses niedrigere Druckpotential werden an den Einlaßöffnungen 17, 20 die Seitenwandgrenz schichten abgesaugt, bevor sich verlustverursachende Sekun därströmungen einstellen.

Verschiedene Ausführungsvarianten der Einlaßöffnungen 17, 20 für Absaugkanäle 16, 19 werden nun anhand der Fig. 2 bis 7 erläutert. Dabei zeigen diese Fig. 2 bis 7 jeweils eine teil weise Abwicklung einer Leitschaufelreihe 22. Hierbei ist es unwesentlich, ob die Ansicht auf eine Fußplatte 4 oder eine Deckplatte 7 betrachtet wird, da die Anordnung der Ein laßöffnungen 17, 20 für beide Absaugkanäle 16 und 19 zutrifft.

Fig. 2 zeigt eine schlitzförmige Einlaßöffnung 17, 20 eines Absaugkanals 16, 19, die senkrecht zur Strömungsrichtung 15 des Arbeitsfluids zwischen einer Hohlseite 26 eines Leit schaufelblattes 3 und einer Rückenseite 27 eines benachbarten Leitschaufelblattes 3 angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt eine Anzahl von schlitzförmigen Einlaßöffnungen 17, 20, die nebeneinander angeordnet sind und ebenfalls senk recht zur Strömungsrichtung 15 des Arbeitsfluids ausgerichtet sind.

In Fig. 4 ist die schlitzförmige Einlaßöffnung 17, 20 wie in Fig. 2 angeordnet, erstreckt sich aber nicht über den gesamten Abstand zwischen der Hohlseite 26 eines Leit schaufelblattes 3 und der Rückenseite 27 eines benachbarten Leitschaufelblattes 3.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Anordnung mehrerer Einlaßöff nungen 17, 20 wie in Fig. 3, wobei sich die Einlaßöffnungen 17, 20 ebenfalls nicht über den gesamten Abstand zwischen der Hohlseite 26 eines Leitschaufelblattes 3 und der Rückenseite 27 eines benachbarten Leitschaufelblattes 3 erstrecken. Die Fig. 6 und Fig. 7 zeigen Einlaßöffnungen 17, 20 die nicht senkrecht zur Strömungsrichtung 15 des Arbeitsfluids angeordnet sind. Die Ausrichtung der Einlaßöffnungen 17, 20 erfolgt hier im Bereich von 60° bis 120° zur Strömungs richtung.

Entsprechend der unterschiedlichen Anzahl der Einlaß öffnungen 17, 20 in den Fig. 2 bis 7 und der damit ebenfalls unterschiedlichen Anzahl von Absaugkanälen 16, 19 variiert auch die Anzahl der Auslaßöffnungen 18, 21 in Fig. 1, wobei ihre Anordnung abströmseitig der Leitschaufel 1 unverändert bleibt.

Die verschiedenen Ausführungsvarianten der Absaugkanäle mit ihren Einlaß- und Auslaßöffnungen dienen alle dem Zweck der Reduzierung von Strömungsverlusten, wobei die einzelnen Varianten gemäß den Charakteristiken der zugehörigen Leit schaufelstufe ausgewählt und angepaßt werden.

Fig. 8 zeigt eine besondere Anordnung der Fußplatte 4 und der Deckplatte 7 einer Leitschaufel 1. Hier sind die dem Schaufelblatt 3 zugewandten Seiten der Fußplatte 4 und der Deckplatte 7 schräg angeordnet, so daß sich in Strömungs richtung 15 eine konisch verengende Kanalkontur ausbildet. Hierfür ist die Fußplatte 4 bis zu einem Winkel von 20° zur Strömungsrichtung im Uhrzeigersinn geneigt angeordnet und die Deckplatte 7 bis zu einem Winkel von 20° zur Strömungs richtung gegen den Uhrzeigersinn.

Diese Kanalkontur stellt eine Einströmhilfe dar, die das Absaugen der Seitenwandgrenzschichten an der Fußplatte 4 und der Deckplatte 7 begünstigt. Die Seitenwandgrenzschichten strömen aufgrund der sich verengenden Kanalkontur direkt in die Absaugkanäle 16 und 19.

Fig. 9 zeigt eine Profilierung der Fuß- und Deckplatten 4, 7 als weitere Form einer Einströmhilfe für Seitenwandgrenz schichten an Leitschaufeln 1. Die Fußplatte 4 ist hier so profiliert, daß anströmseitig vor der Einlaßöffnung 20 eine Ausnehmung 23 das Einströmen von Seitenwandgrenzschichten begünstigt. Dabei durchströmt die Seitenwandgrenzschicht die Ausnehmung 23 in Strömungsrichtung und wird dann direkt der Einlaßöffnung 20 zugeführt.

An der Deckplatte 7 verbessert abströmseitig der Einlaß öffnung 17 eine Erhöhung 24 das Absaugverhalten für Seiten wandgrenzschichten. Diese Erhöhung 24 wirkt auf die Seiten wandgrenzschicht ähnlich wie die bereits oben erläuterte konisch sich verengende Kanalkontur. Die Seitenwandgrenz schicht strömt auch hier direkt in den Absaugkanal 16.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist auch eine Anordnung mehrerer Einlaßöffnungen 17, 20 in Strömungs richtung 15 hintereinander denkbar im Sinn der Erfindung, die senkrecht oder abgewinkelt zur Strömungrichtung 15 ausge richtet sind.

Bezugszeichenliste

1 Leitschaufel
2 Laufschaufel
3 Schaufelblatt
4 Fußplatte
5 Schaufelfuß
6 Strömungsgehäuse
7 Deckplatte
8 Labyrinthdichtung
9 Turbinenrotor
10 Schaufelblatt
11 Deckplatte
12 Schaufelfuß
13 Fußplatte
14 Labyrinthdichtung
15 Strömungsrichtung
16 Absaugkanal
17 Einlaßöffnung
18 Auslaßöffnung
19 Absaugkanal
20 Einlaßöffnung
21 Auslaßöffnung
22 Leitschaufelreihe
23 Ausnehmung
24 Erhöhung
25 Laufschaufelreihe
26 Hohl-/bzw. Druckseite
27 Rücken-/bzw. Saugseite

Claims

1. Leitschaufelreihe (22) einer axial durchströmten Turbine, wobei jede Leitschaufel (1) im wesentlichen aus einem Schaufelblatt (3) besteht, das in einem Strömungsgehäuse (6) mit einem Schaufelfuß (5) fixiert ist und an der Spitze mit einer Deckplatte (7) abschließt, die gegen einen Turbinenrotor (9) dichtet, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (5) und/oder die Deckplatte (7) auf ihrer, dem Schaufelblatt (3) zugewandten Seite, von der Anströmseite aus betrachtet, im Bereich von 10% bis 50% ihrer axialen Längsausdehnung jeweils eine oder mehrere Einlaßöffnungen (17, 20) für Absaugkanäle (16, 19) auf weisen, die schräg durch den Schaufelfuß (5) und/oder die Deckplatte (7) verlaufen, und daß diese Absaugkanäle (16, 19) in einer oder mehreren Auslaßöffnungen (18, 21) auf der Abströmseite der Leitschaufel (1) enden.

2. Leitschaufelreihe (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugkanäle (16, 19) schlitzförmige Einlaß öffnungen (17, 20) aufweisen, die senkrecht oder schräg in einem Winkel von 60° bis 120° zur Strömungsrichtung (15) eines Arbeitsfluids angeordnet sind.

3. Leitschaufelreihe (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schaufelblatt (3) zugewandten Seiten des Schaufelfußes (5) und/oder der Deckplatte (7) Einström hilfen (23, 24) für die Absaugkanäle (16, 19) aufweisen.

4. Leitschaufelreihe (22) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schaufelblatt (3) zugewandten Seiten des Schaufelfußes (5) und der Deckplatte (7) schräg ver laufen, wobei die Fußplatte (4) bis zu 20° zur Strömungs richtung (15) in Richtung Turbinenrotor (9) geneigt ver läuft, und die Deckplatte (7) bis zu 20° zur Strömungs richtung (15) in Richtung Strömungsgehäuse (6) ausge richtet ist, so daß der Strömungskanal des Arbeitsfluids eine konisch sich verengende Kanalkontur aufweist.

5. Leitschaufelreihe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schaufelblatt (3) zugewandten Seiten des Schaufelfußes (5) und der Deckplatte (7) profiliert sind.

6. Leitschaufelreihe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (5) anströmseitig seiner Einlaß öffnung (20) eine Ausnehmung (23) aufweist, und daß die Deckplatte (7) abströmseitig ihrer Einlaßöffnung (17) eine Erhöhung (24) aufweist.