DE2417801A1

DE2417801A1 - Verbesserte struktur zur eindaemmung von leckage

Info

Publication number: DE2417801A1
Application number: DE2417801A
Authority: DE
Inventors: Jackson Estes Fowler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-04-19
Filing date: 1974-04-11
Publication date: 1974-10-31
Also published as: FR2226555A1; GB1465282A; JPS551970U; CH571152A5; JPS5029905A; FR2226555B1; US3897169A; CA1006819A; JPS581601Y2

Description

Patentanwalt
6 Frankfurt/Main 1

Niddastr. 52

10. April WK/Cs

2649-17TU-2199

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Verbesserte Struktur zur Eindämmung von Leckage

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Struktur zur Eindämmung der Leckage zur Verminderung des Strömungsmittelstroms zwischen der Laufschaufelabdeckung und dem umgebenden Diaphragma einer Turbine. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf eine Verbesserung der vorhandenen Strukturen zur Eindämmung der Leckage gerichtet, wobei diese Verbesserung mit einem Mindestmaß an Umstrukturierung in derzeit vorhandene Turbinenstrukturen eingefügt werden kann.

Grundsätzlich leistet der Strom des Strömungsmittels in einer Turbine nur dann nutzbare Arbeit, wenn er durch die sich bewegenden Laufschaufeln einer Turbine strömt, wobei diese Laufschaufeln allgemein auf dem Rotor einer Turbine befestigt sind. Dabei

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ist die Strömung des Strömungsmittels durch die Laufschaufeln zu unterscheiden von der Leckage um die radialen Enden der Laufschaufeln herum, wobei diese letztere keine nutzbare Arbeit leistet. Bei den modernen Turbinenstrukturen wurden ständig Möglichkeiten gesucht, um die Leckage der Strömung um die radialen Enden der Laufschaufeln einer Turbine herum auf ein Mindestmaß zu reduzieren, um auf diese Weise den Wirkungsgrad der Turbine zu erhöhen.

Gegenwärtig wird allgemein an den radialen Endteilen der verschiedenen Laufschaufeln, die um irgendeinen axialen Teil der Turbine herum angeordnet sind, eine Laufschaufelabdeckung kreisförmig umschließend befestigt. Die Laufschaufelabdeckung enthält Öffnungen, welche über Zapfen passen, die an den Endspitzen der Laufschaufeln vorhanden sind. Die Zapfen werden dann vernietet (verstemmt), um die Laufschaufelabdeckung sicher in ihrer Lage zu halten. Daher wirkt die Laufschaufelabdeckung als eine Hülle, wodurch der Strom des Arbeitsmittels, welcher in den durch die Vielzahl von Laufschaufeln gebildeten Strömungsweg eintritt, zu einer Strömung axial durch die Laufschaufeln gezwungen wird im Gegensatz zu einer Strömung gemäß dem Weg des geringsten Widerstandes radial nach außen, durch welche der Wirkungsgrad der Struktur vermindert wird.

Die vorstehend angeführte Leckage des Arbeitsmittels und die Erscheinung, mit der sich die vorliegende Erfindung befaßt, besteht darin, daß ein Teil des aus einer Düse oder Stator einer Turbine austretenden Arbeitsmittelstroms anschließend nicht in den Arbeitsströmungsweg eintritt, welcher durch die Laufschaufeln und die Laufschaufelabdeckung begrenzt ist, sondern radial nach außen verläuft und anschließend um die Laufschaufelabdeckung herum und axial aber die radial äußeren

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Oberflächen der Laufschaufelabdeckung strömt. Im Stand der Technik wurde diese Leckage dadurch vermindert, daß eine umkreisförmige Finne oder Fahne vorgesehen wurde, welche sich von dem Diaphragma aus radial einwärts in Richtung der Lauf schaufelabdeckung erstreckt. Diese Finne oder das Spillband (spillbr wie diese Finne auch in der Technik bezeichnet wird, erstreckt sich bis zu einem Punkt benachbart zur radial äußeren Oberfläche der Laufschaufelabdeckung. Notwendigerweise ist jedoch ein Spalt zwischen der Endspitze der sich nach innen erstreckenden Finne und der radial äußeren Oberfläche der Laufschaufelabdeckung vorhanden, um einen Spielraum für die Drehung zwischen diesen Teilen zu erhalten. Die Leckage bei gegenwärtig vorhandenen Turbinenstrukturen erfolgt durch diesen Spalt.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Verbesserung gegenüber den Strukturen des Standes der Technik, wodurch die Leckage des Arbeitsmittelstroms zwischen der Finne und der Laufschaufelabdeckung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Strukturen weiter vermindert oder auf ein Mindestmaß gebracht wird. In dieser Weise werden die von der Turbine geleistete nutzbare Arbeit und ihr Wirkungsgrad gesteigert, da ein größerer Teil des Arbeitsmittelstromes gegen die Arbeitsflächen der Laufschaufeln gerichtet wird. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, da sie mit lediglich geringen Kosten in vorhandene Turbinenstrukturen eingefügt werden kann.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Struktur zur weiteren Verminderung der Leckage des Arbeitsmittelstroms zwischen dem Diaphragma und der Laufschaufelabdeckung von Turbinenstrukturen zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Struktur für Turbinen zu schaffen, welche in vorhandene Turbinenstrukturen mit einem Mindestmaß von Neukonstruktion oder zusätzlichen Kosten eingefügt werden kann.

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Bei der Lösung der Aufgaben der Erfindung wird in einer Ausführungsform eine Struktur zur weiteren Verminderung der Leckage des Arbeitsmittelstroms.vorgesehen, welche bei einer Turbine nach dem Stand der Technik zwischen dem Diaphragma und der äußeren radialen Oberfläche einer Laufschaufelabdeckung erfolgt. Insbesondere wird eine Laufschaufelabdeckung vorgesehen, welche eine Vielzahl von umkreisförmig abgestuften Teilen enthält, die sich radial nach außen erstrecken und stromabwärts von der vorhandenen oder ersten Finne einer Turbine angeordnet sind. Ein erster abgestufter Teil der Vielzahl von umkreisförmigen abgestuften Teilen ist so angeordnet, daß er die kinetische Energie des Arbeitsmittelstroms aufzehrt, welcher durch den Spalt zwischen der ersten Finne und der radial äußeren Oberfläche des ersten abgestuften Teils der Laufschaufelabdeckung durchtritt. In Kombination mit den abgestuften Teilen auf der Laufschaufelabdeckung ist eine zweite Finne vorgesehen, welche sich ebenfalls von dem Diaphragma der Turbine aus radial einwärts erstreckt und diese umschließt. Das Ende oder die Spitze der zweiten Finne befindet sich stromabwärts von der stromaufwärts gelegenen Kante eines zweiten abgestuften Teiles. Daher vermindert die zweite Finne jegliche Leckage des Arbeitsmittelstromes noch weiter, welcher durch die erste Finne durchtritt, nachdem dieser Arbeitsmittelstrom in Wechselwirkung mit dem zweiten abgestuften Teil kommt.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 ist eine Schnittansicht eines Längsteils einer Laufschaufel, Laufschaufelabdeckung und des umgebenden Diaphragmas einer Turbine in einer Ausführungsform der Erfindung.

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Figur la ist eine Schnittansicht eines Längsteils einer Laufschaufel, der Laufschaufelabdeckung und des umschließenden Diaphragmas einer Turbine in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 der Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Schnittansicht der Düsen und Laufschaufeln entlang der Linie 3-3 der Figur 2.

Figur 1 zeigt ein festes Diaphragma in Form eines äußeren Ringes IO einer Turbine im Längsschnitt, welches eine Vielzahl von stationären Düsen 12 enthält und um einen axialen Teil der Turbine angeordnet ist. Die Düsen 12 oder Statorleitschaufeln, wie sie auch in der Technik bezeichnet werden, sind in Längsrichtung und umkreisförmig so angeordnet, daß sie einen unter Druck stehenden Arbeitsmittelstrom gegen eine Vielzahl von rotierbaren Laufschaufeln 14 richten. In Figur 1 würde daher ein Arbeitsmittelstrom, beispielsweise Dampf unter Druck, von rechts nach links strömen und in jeder der aufeinander folgenden Stufen von entsprechenden Düsen und rotierbaren Laufschaufeln Druck abgeben und sich ausdehnen, wie dies en sich bekannt ist.

Die Laufschaufeln 14 sind umkreisförmig auf einem Rotor 21 um die Achse der Turbine gemäß Figur 2 angeordnet. Wie aus Figur ersichtlich, besitzen die rotierbaren Laufschaufeln 14 einen Querschnitt mit gekrümmten Umrandungslinien und reagieren auf einen Arbeitsmittelstrom, welcher, in der Richtung nach Figur 3 auftrifft, mit einer Drehung in der angezeigten Richtung.

Es wird erneut Bezug genommen auf die Figur 1. Die radial äußeren Enden 16 einer Gruppe von Laufschaufeln 14 sind am Umkreis durch eine Laufschaufelabdeckung 18 verbunden.

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Wie aus der Ausführungsform nach Figur 1 ersichtlich, kann die Laufschaufelabdeckung 18 eine Vielzahl von Öffnungen enthalten, durch welche sich vorstehende Zapfen 20 von den freien Enden der Laufschaufel 14 aus radial nach außen erstrecken. Eine dem Stand der Technik bekannte strukturelle Form zur Befestigung der Laufschaufelabdeckung 18 in ihrer Lage bestand daher darin, die Zapfen 20 so zu verstemmen, daß sie die Laufschaufelabdekbung 18 fest in ihrer Lage halten.

Die Laufschaufelabdeckung 18 wirkt als eine Hülle bezüglich eines Arbeitsmittelstroms, welcher über die Arbeitsoberflächen der Laufschaufeln 14 strömt. Der unter Druck stehende Arbeits-Kiittelstrom wird dabei gezwungen, mit den Arbeitsflächen der Laufschaufeln 14 zu reagieren, im Gegensatz zu einer lediglich radial nach außen erfolgenden Strömung um die radialen Enden oder freien Enden 16 der Laufschaufeln herum.

Wie aus der Figur 1 ersichtlich, ist es notwendig, eine Leckage des Arbeitsmittelstroms durch den Leckströmungsweg 22 auf ein Mindestmaß zu bringen, welcher zwischen der radial inneren Oberfläche des äußeren Ringes IO des Diaphragmas und der äußeren radialen Oberfläche der Laufschaufelabdeckung 18 gebildet ist. Da irgendein Arbeitsmittelstrom, welcher sich entlang dieses Leckströmungsweges bewegt, nicht über die Arbeitsoberfläche der Laufschaufel 14 verläuft, tritt hierbei ein Energieverlust auf und der Wirkungsgrad der Turbine wird verringert. Die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Verbesserung liegt in einer Struktur zur weiteren Reduzierung der Leckage des Arbeitsmittelstromes entlang des Leckströmungsweges 22 und damit zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades einer Turbine im Vergleich zu Strukturen nach dem Stand der Technik.

Zur Ausführung der Erfindung gemäß der Ausführungsform nach Figur 1 ist ein erster Spalt 24 zwischen einem ersten abgestuften

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Teil 26 der Laufschaufelabdeckung 18 und einer ersten Finne 28 gebildet, welche sich von dem Außenring 10 des Diaphragmas radial nach innen erstreckt. Die erste Finne 28 ist im Stand der Technik bekannt und verläuft umkreisförmig um die innere Oberfläche des Außenringes des Diaphragmas. Sie ist vorgesehen, um eine Leckage des Arbeitsmittelstroms durch den Spalt 24 soweit möglich auf ein Mindestmaß zu bringen. Die Ausführungsform nach Figur 1 enthält weiterhin einen zweiten abgestuften Teil 30 einschließlich einer konkaven Seitenfläche 31, welcher auf der Laufschaufelabdeckung 18 gebildet ist. Das zweite gestufte Teil 30 ist bezüglich der äußeren Oberfläche des ersten abgestuften Teiles 26 der Laufschaufelabdeckung radial nach außen versetzt oder angehoben und ragt über das innerste Ende der ersten Finne 28 hinaus.

Auf der Figur 1 ist die Seitenfläche 31 mit einer konkaven Oberfläche dargestellt zur Erleichterung der formgebenden Bearbeitung.. Die Seitenfläche 31 könnte jedoch auch eben sein oder andere in angemessener Weise maschinell bearbeitete Umrißformen besitzen und trotzdem richtig arbeiten. Es wurde jedoch gefunden, daß die konkave Oberfläche eine bessere Eindämmung der Leckage ergibt. Da der zweite abgestufte Teil 30 benachbart und beabstandet zur Finne 28 ist, wird daher die kinetische Energie des durch den Spalt 24 strömenden Arbeitsmittelstroms durch die Reaktion dieser Leckage gegen die Seitenfläche 31 aufgezehrt.

In Kombination mit dem zweiten abgestuften Teil 30 erstreckt sich eine zweite Finne 32 von dem Außenring 10 des Diaphragmas aus radial einwärts in Richtung des zweiten abgestuften Teils bis zu einem Punkt benachbart und beabstandet von der Oberfläche desselben.

Beim Betrieb wird ein Staudruck-Dichtungseffekt im Inneren des kreisringförmigen Hohlraums 34 bezüglich des Spaltes 24 dadurch

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erzeugt, daß die kinetische Energie der Arbeitsmittelleckage durch den Spalt 24 praktisch durch die Seitenfläche 31 aufgezehrt wird und durch die Einfügung der zweiten Finne 32. Der Abdichtungseffekt, welcher durch die erfindungsgemäß verbesserte Struktur erhalten wird, vermindert in beträchtlichem Maße die Leckage des Arbeitsmittelstroms durch den Spalt 24, wie sie bei vorbekannten Turbinenstrukturen vorhanden war.

Obwohl im Stand der Technik zweite Finnen gezeigt sind, die sich von dem Außenring des Diaphragmas aus radial einwärts erstrekken,· waren solche zweite Finnen an der stromabwärts gelegenen Kante einer Laufschaufelabdeckung angeordnet und es war nicht ein abgestufter oder erhabener Teil wie der Teil 30 vorhanden. In der vorliegenden Erfindung ist die Seitenfläche 31 in einem maximalen Abstand stromabwärts von der Finne 28 angeordnet, welcher etwa das Zehnfache der Breite des Spaltes 24 beträgt. Die zweite Finne 32 ist um eine kurze Entfernung stromabwärts von der Seitenfläche 31 angeordnet. Im wesentlichen ähnliche Ergebnisse können erhalten werden, wenn die zweite Finne in axialer Richtung irgendwo zwischen der Seitenfläche 31 und dem ersten Zapfen 20 angeordnet ist, der sich stromabwärts von der Seitenfläche 31 befindet. Der durch die Finne 32 und den zweiten abgestuften Teil 30 definierte Spalt 36 besitzt im wesentlichen die gleiche Breite wie der Spalt 24. Die Anordnung der Lage des zweiten abgestuften Teils 30 und der zweiten Finne 32 in Figur 1 ist ein Hauptfaktor für den Abdichtungseffekt, welcher durch die Aufzehrung der kinetischen Energie der durch den Spalt 24 strömenden Leckage geschaffen wird.

Die Figur la zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform enthält abgestufte Teile 26a und 30a in einem Außenring 10a des Diaphragmas, die mit Finnen 28a bzw. 32a zusammenwirken, die auf der radial äußeren Oberfläche

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einer L?ufschaufeinbdeckung IRp angebracht sind. Diese alternative Ausführungsform ist daher bezüglich der Konstruktion nach Figur 1 im wesentlichen umgekehrt. Alle räumlichen Beziehungen der Elemente und bezüglich der Ausführungsform nach Figur 1 offenbarten erfindungsgemäßen Konzeptionen sind jedoch auf die Form nach Figur la entsprechend anwendbar.

Eine weitere alternative Ausführungsform im Rahmen der vorliegenden Erfindung besteht in der Anbringung einer Struktur zur Eindämmung der Leckage nach Figur 1 am Auslaßende oder stromabwärts gelegenen Ende der Laufschaufelabdeckung 18.

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Claims

Patentansprüche

1.) Struktur zur Eindämmung der Leckage in einer Turbine zur Verwendung in dem Strömungsweg des Strömungsmittels der Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

ein Diaphragma mit einer Vielzahl von Düsen (12) zur Leitung eines Strömungsmittelstroms durch eine entsprechende Vielzahl von rotierbaren Laufschaufeln (14), wobei die Turbine noch eine Laufschaufelabdeckung (18, 18a) besitzt, welche die freien Enden (16) der Laufschaufeln (14), die an irgend einem axialen Teil der Turbine angeordnet sind, umkreisförmig miteinander verbindet,

einen Leckageweg für das Strömungsmittel, wobei dieser Leckageweg des Strömungsmittels Begrenzungen besitzt, die durch die radial äußere Oberfläche der Laufschaufelabdekkung (18) und die radial innere Oberfläche des Außenringes (10) des Diaphragmas gebildet sind,

einen ersten abgestuften Teil (26, 26a) auf einer der Begrenzungen,

eine erste umkreisförmige Finne (28, 28a), wobei diese erste umkreisförmige Finne (28, 28a) sich von der zweiten Begrenzung aus in radialer Richtung auf den ersten abgestuften Teil (26, 26a) erstreckt und einen Spalt (24, 24a) zwischen dem Ende der ersten Finne (28, 28a) und dem ersten abgestuften Teil (26, 26a) bildet,

einen zweiten abgestuften Teil (30, 3Oa) auf einer der Begrenzungen, wobei dieser zweite abgestufte Teil (30, 30a)

von einer der Begrenzungen aus radial und umkreisförmig um die Begrenzung verläuft,

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eine Seitenfläche (31, 31a) auf dem zweiten abgestuften Teil (30, 3Oa), wobei die Seitenfläche benachbart und beabstandet von der ersten Finne (28, 2Ba) angeordnet ist, wodurch die kinetischen Energie eines Teiles des Arbeitsmittelstroms, welcher durch den Spalt (24, 24a) durchtritt, durch die Seitenfläche (31, 31a) aufzehrbar ist.

2. Struktur zur Eindämmung der Leckage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin enthält:

eine zweite umkreisförmige Finne (32, 32a). die sich von der zweiten Begrenzung aus radial benachbart zu und beabstandet von dem zweiten abgestuften Teil (30, 30a) und stromabwärts von der Seitenfläche (31, 31a) erstreckt. '

3. Struktur zur Eindämmung der Leckage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche (31, 31a) an dem zweiten abgestuften Teil (30, 30a) eine konkave Umrißgestalt besitzt.

4. Struktur zur Eindämmung der Leckage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umkreisförmigen Finnen (2R, 32) von dem Außenring (10) des Diaphragmas aus radial einwärts in Richtung der Laufschaufelabdeckung (IR) verlaufen.

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5.. Struktur zur Eindämmung der Leckage nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daßdie umkreisförmigen Finnen (28a, 32a) von der Laufschaufelebdekkung (18a) aus radial nach außen in Richtung des Außenringes (10a) des Diaphragmas verlaufen.

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