DE2847814A1

DE2847814A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE2847814A1
Application number: DE19782847814
Authority: DE
Inventors: Uelo Okapuu; Kiritkumar V Patel
Original assignee: Pratt and Whitney Aircraft of Canada Ltd
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1977-07-14
Filing date: 1978-11-03
Publication date: 1980-05-14
Also published as: GB2017228A; FR2440467A1; GB2017228B; FR2440467B1; US4466772A; DE2847814C2

Description

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Gasturbine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbine mit einem stationären Schirm, der einen Rotor mit einer Vielzahl radial wegstehender Schaufeln umgibt, deren Spitzen bis nahe an den Schirm reichen, und die im Verhältnis zur Fluidströmung eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite aufweisen.

Hotorschaufein einer Turbine, speziell einer kleineren Turbine, sind normalerweise ohne Versteifungsbänder montiert. Der Fuß der einzelnen Schaufel ist an einer Nabe befestigt, das äußere radiale Ende, die Spitze des Schaufelblatts ist hingegen frei. Die Turbine umfaßt gewöhnlich ein stationäres Gehäuse, das den Rotor umgibt und als Schirm für die Schaufeln wirkt. Da jedoch dieser Schirm stationär ist, muß ein Spalt zwischen den Schaufelspitzen und dem Schirm vorhanden sein, um die freie Drehbarkeit des Rotors zu erhalten. Dieser Spalt muß groß genug sein, um Längenausdehnungen aufgrund von Ausdehnungsunterschieden der verschiedenen Bauteile und ihrer Materialien Rechnung zu tragen» In der Praxis hat sich ein Luftspalt von 1 % der Schaufellänge als guter Wert erwiesen. Wenn solche Spalte vorhanden sind, besteht für Gase jedoch die Möglichkeit, an der Schaufelspitze vorbei von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der Schaufel mit einer Geschwindigkeit zu fließen, die größer ist als die Rotationsgeschwindigkeit des Schaufelblatts, so daß hierdurch unerwünschte Einflüsse auf das Strömungsbild auf der Niederdruckseite der Schaufel erzeugt werden, die beispielsweise die Ablösung der Gasströmung von der Schaufeloberfläche auf deren Niederdruckseite nachteilig stören« Außerdem ergibt sich durch die Spalte ein gewisser Gasnebenschluß zu den Rotortreibgasen, d.h. die an den Schaufelspitzen vorbeifließenden Gasmengen tragen nichts zur Arbeitsleistung bei.

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Es wurden die verschiedensten Versuche und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um den Spalt zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse zu verringern, siehe z.B. die US-PS 38 36 156. Dort ist eine Ablationsdichtung beschrieben,, die zwar dazu beiträgt, die Spaltbreite zu vermindern, den Spalt aber nicht völlig beseitigen kann. Eine übliche Lösung zur Herabsetzung dieser Nebenschlußströmung und deren negativen Einfluß auf das Strömungsbild auf der Niederdruckseite besteht darin, die Schaufelblätterspitzen mit einem Deckband zu versehen bzw. zu verbinden. Jede Schaufel weist dabei an ihrer Spitze ein Ringsegment auf, welches sich in zusammengebautem Zustand des Rotors mit den benachbarten Segmenten zu einem durchgehenden Ring schließt, der eine Strömung über die Schaufelspitzen verhindert. Aufgrund notwendigen Spiels ergibt sich zwar immer noch eine geringe Nebenschlußströmung am Rotor, diese beeinflußt jedoch nicht das Strömungsbild auf der Niederdruckseite der Rotorschaufeln.

Ein solcher Ring erfordert jedoch die Anbringung einer relativ großen Masse an den Schaufelspitzen_o Dies ist im Falle der ersten Turbinenstufe äußerst unerwünscht, weil hier das Antriebsgas aus der Brennkammer eine sehr hohe Temperatur aufweist. Die zusätzliche Masse an den Flügelspitzen steigert die Zentrifugalkräfte in den Rotorschaufeln beachtlich, was deren Lebensdauer herabsetzt. Obgleich es Wege gibt, dieses Problem zu vermindern, beispielsweise durch Herabsetzung der Gastemperatur oder durch Verwendung -von Schaufelfüßen mit sehr großem Metal!querschnitt, durch Verwendung dicker Rotorscheiben u.dgl., lassen doch Überlegungen hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades und des Gewichts der Turbine den Verzicht auf einen solchen Ring an den Schaufeln der ersten Turbinenstufe wünschenswert erscheinen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der Nebenschlußströmungen auf ein Minimum verringert sind, ohne daß dazu ein die Schaufelspitzen verbindender Ring erforderlich ist.

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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung" sind Gegenstand der Unteransprüche,

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig, 1 eine perspektivische Teildarstellung eines Turbinenrotors mit einem stationären, ihm zugeordneten Gehäuse;

Fig. 2 einen radialen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 einen radialen Schnitt ähnlich Fig. 2 einer anderen Ausführungsform des ehäuses;

Fig. 5 einen Radialschnitt ähnlich Fig. 2 einer dritten Ausführungsform;

Fig. 6 einen radialen Schnitt längs der Linie 6-6 von Fig. einer vierten Ausführungsformj

Fig. 7 eine Draufsicht in Richtung radial nach außen auf das Gehäuse nach Fig. 6;

Fig. 8 einen Radialschnitt durch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 9 einen Radialschnitt durch eine sechste Ausführungsform der Erfindung.

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Fig. 1 zeigt einen Turbinenrotor 10 mit einer Vielzahl von Schaufeln 12, die jeweils eine konkave Hochdruckseite ^k und eine konvexe Niederdruckseite 16 aufweisen,, Die einzelnen Schaufeln 12 sind an einer Nabe 18 befestigt und weisen jeweils ein als Spitze 20 bezeichnetes freies Ende auf. Ein zylindrisches Gehäuse in Form eines stationären Schirmes 22 umgibt den Rotor 10. Der Schirm 22 weist zu den Spitzen 20 der Schaufeln 16 einen Spalt "x" (s. Fig. 2) auf. Dieser Spalt "x" schafft die notwendige Freiheit zwischen Rotor und Schirm, damit sich die Teile, insbesondere die Schaufeln, frei ausdehnen können.

Der Schirm ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung mit einer Mehrzahl von parallelen Rillen Zk an seiner Innenseite versehen, die durch dünne Stege 26 voneinander getrennt sind. Am Fuß sind die Stege mit einer Verrundung 28 versehen. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel waren folgende Maß e ge geb en t

S chauf eis ehnenl änge 1317 nun

Schaufeldicke an der Hinterkante 0,46 mm Spalt "x" 0,355 bis 0,51 mm

Rillentiefe 3,8 mm

Stegdicke 0»51 n™

Mittlerer Winkel der Schaufel

gegen die Rotorachse ^5,3° ·

Die Rillenabmessungen hängen als Funktion von der Größe und der Form der Schaufeln sowie vom Spalt "x" ab. Durch geeignete Wahl der Dicke jedes Steges, des Abstandes zum benachbarten Steg und der Tiefe der Rillen zwischen den Stegen läßt sich erreichen, daß eine Umlenkung der Leckströmung zwischen den Schaufelenden und dem Schirm zustande kommt, die eine Art Stau hervorruft, der wie eine Gasdichtung wirkt.

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Es wurde gefunden, daß zusätzlich zu den erwähnten Vorteilen für die Schaufelspitzen weniger Reibungsfläche zur Verfügung steht und die Ausführungsart des Schirmes besser als Sicherheitsgehäuse für die Schaufeln für den Fall einer etwaigen Loslösung einer Schaufel von der Nabe geeignet ist.

Bei der Ausführungsform nach den Figuren 1,2 und 3 ist die Verrundung 28 der Rille 2k an den Füßen der Stege im Querschnitt halbkreisförmig und die Rillen 24 laufen kreisförmig in Ebenen, die rechtwinklig zur Turbinenachse gelegen sind·

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Rillen weniger tief als bei der in den Figuren 1 und 2. In diesem Falle beträgt die Rillentiefe zwischen 2_f5 und 1,25 mm. Im übrigen ist die Rillengestalt und Anordnung jedoch die gleiche,wie in Fig. 2 dargestellt.

In beiden Ausführungsarten ist der in Axialrichtung gesehene Bereich, der mit Rillen versehen ist, etwa so groß wie die Sehnenlänge der Schaufel, d.h. etwa 13,7 mm lang. Fig. 5 zeigt demgegenüber eine Ausführungsform, bei der der Schirm 222, der den Spitzen 220 der Schaufeln 212 gegenübersteht, Rillen 224 nur in einem axialen Teilbereich der Schaufelspitzen 220 aufweist. Die Abmessungen bezüglich Tiefe der Rillen, Dicke der Stege usw. sind die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2. Die axiale Gesamtlänge des Bereiches, der mit Rillen besetzt ist, ist hier jedoch selbstverständlich nur ein Bruchteil vom Normalwert bei den anderen Ausführungsformen.

Es wurde entdeckt, daß an den Rotorschaufeln einer Turbine ein Abreißen der Strömung von der Niederdruckfläche im allgemeinen nahe der Schaufelspitze auftritt. Dieses Abreißen tritt wegen der erwähnten Nebenschlußströmung über die Schaufelspitze auf· Die Spitzenbereich unterschiedlicher Turbinenschaufeln weisen

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unterschiedliche Oberflächendruckverteilungen auf, worauf auch unterschiedliche Stellen für den Strömungsabriß auftreten, wenn solche Nebenschlußströmungen vorhanden sind. Da die Rillen diese Nebenschlußströmung umleiten und verzögern, hängt der optimale Ort (und die Richtung) der Rillen von der jeweiligen Schaufelgestalt ab. Beispielsweise sind die Rillen im Falle von Turbinenschaufeln, deren Spitze einen großen negativen Druckgradienten nahe der Hinterkante aufweisen, am besten über dem Hinterkantenbereich der Schaufel angeordnet, um das Abreißen der Strömung zu verzögern. Dieses Beispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Wenn bei einer Schaufel ein negativer Druckgradient nahe der Vorderkante atiftritt, dann sollte der Rillenbereich des Schirmes am besten über dem Vorderabschnitt der Schaufeln liegen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 und 7 verlaufen die Rillen unter einem Winkel zur Radialebene der Turbine, Fig. 6 zeigt einen Schirm 322 mit Rillen 324 sowie eine Turbinenschaufel 312 mit ihrer Spitze 320. Die Maße sind ähnlich denen der Ausführungsform nach Fig. 2 mit dem Unterschied, daß die Stege etwa 0,76 nun dick sind und die Rillenbreite zwischen 2 und 3*6 mm liegt. Diese Maße sind im rechten Winkel zu den Stegen, d.h. nicht in Achsrichtung genommen. Der Winkel 0, d.h. der Winkel, unter dem die Rillen gegenüber der Achse verlaufen, läßt sich als Differenz aus 90 und dem EinlaufStrömungswinkel berechnen. Mit anderen Worten, das Maß des Winkels 9 ist der Komplementärwinkel zum mittleren Einlaßströmungswinkel, das ist der Winkel der einfließenden Strömung gemessen gegenüber den rotierenden Schaufeln.

Die Ausführungsform nach Fig. 8 zeigt ein bienenwabenartiges Bauteil 422, das den Schirm um die Spitzen 420 der Rotorschaufeln 4i2 bildet. Hinter den Bienenwaben sind feste Prallelemente 430 und 432 angeordnet, mit deren Hilfe der Strömungswiderstand be-

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einflußt werden kann. Die Wabenzellen 422 stellen einen Strömungswiderstand dar und zerstören Wirbel in der Strömung, die in die Zellen gelangen. Wenn die Zellen bodenseitig verschlossen sind, dann könnten jedoch Resonanzeffekte auftreten. Durch Belüftung der Zellen kann ein Durchfluß erreicht werden, der die Nebenschlußströmung in die Hauptgasströmung leitet. Die Bienenwabenstruktur des Schirmes bildet eine abschleifbare Dichtung, die einen engeren Spalt zwischen Schirm und Schaufelspitze zuläßt.

Die Abmessungen der Bienenwabenstruktur des Schirmes bei dieser Ausführungsform sind ähnlich denen der vorangehenden Ausführungsformen. Die Tiefe einer Wabe beträgt etwa 3»8 mm, die Stegbreite etwa 0,51 mm und der Zellendurchmesser etwa 1,27 mm.

Schließlich sind bei der Ausführungsform nach Pig. 9 die Rillen 524 in einem Winkel zur Radialebene angeordnet. Dieser Winkel 9 kann zwischen -40 und +40 gegen die Radialebene gemessen betragen. Die anderen Abmessungen sind ähnlich den schon beschriebenen Daten. Der Winkel der geneigten Rillen 524 oder Stege 526 stellt ein weiteres Mittel dar, um die Strömung in den Rillen zu beeinflussen, um beispielsweise den Strömungskoeffizienten zu ändern.

Um die aerodynamischen Wirkungen zu erläutern, wird auf die Figuren 1 und 3 bezug genommen. Dicht an dem stationären Schirm 22 bildet der einlaufende Strom heißer Gase eine Grenzschicht. Die sich bewegenden Schaufeln 12 schneiden kontinuierlich in " diese sich langsamer bewegende Grenzschicht ein, was den Effekt einer Umkehrung der Nebenschlußströmung an den Spitzen hat, wodurch sich eine partielle aerodynamische Dichtung ergibt. Dieses Phänomen tritt an allen frei endenden Schaufeln auf_o

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Die Rillen^ die von den Stegen 26 begrenzt werden, haben die Wirkung, daß diese Grenzschicht dicker wird. Die Wirksamkeit der vorerwähnten aerodynamischen Dichtung wird daher verbesserte Es steht eine größere Oberfläche zur Verfügung, die durch das Gas im Spitzenbereich der Schaufeln bespült wird.
Außerdem wird diese Grenzschicht besser in Richtung auf die
zu unterbindende Nebenschlußströmung gerichtet.

Diese Richtung ist jedoch nicht für alle möglichen Turbinenschaufeln gleich, sie hängt vielmehr von den Einlaß- und
Auslaßwinkeln ß der Schaufel ab.

Wie man sieht, lassen sich viele Modifikationen an den Rillen ergreifen, um zu dem gewünschten E_rfolg zu kommen.

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Claims

Ansprüche

.J Turbine mit einem stationären Schirm, der einen Rotor mit einer Vielzahl radial wegstehender Schaufeln umgibt, deren Spitzen bis nahe an den Schirm reichen und die im Verhältnis zur Fluidströmung eine Ilochdruckseite und eine Niederdruckseite aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (22,122,222,322,422,522) eine Vielzahl von im Abstand zueinander angeordneten Stegen (26,126,226,326,526) aufweist, die Vertiefungen (24,124,224,324,424,524) zwischen sich im Schirm erzeugen, durch welche Leckströmungen an den Schaufelspitzen (20,120,220,320,420,520) vorbei von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der Schaufel (12,112,212,312,412, 512) aerodynamisch vermindert werden.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Rillen (24,124,224,324,524), die durch parallel laufende Stege (26,126,226,326,526) voneinander getrenn sind, und daß Rillentiefe, Rillenbreite und Stegbreite als Funktion der Strömungseigenschaften der Turbine gewählt sind.

MÜNCHEN: TELEFON (080) 326080 KABEL: PROPINOUS · TELEX 09 24244

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BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88 KABEL: PROPINDUS -TELEX O1 84O67

ORIGINAL INSPECTED

3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (24,124,324,524) sich axial nur über die gesamte Schaufelsehnenlänge erstrecken.

4. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (224) sich axial nur über einen Teilbereich der Schaufelsehnenlänge erstrecken,,

5. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (224) nur im Bereich der Vorderkante der Schaufeln (212) verlaufen.

6. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (224) nur im Bereich der Hinterkante der Schaufeln (212) verlaufen.

7. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen Rillen (324) sind, die sich, untereinander parallel, in einem Winkel gegen die Achse des Rotors (1O) erstrecken, der von 90 verschieden ist.

0. Turbine nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel bestimmt ist aus
EinlaufStrömungswinkel.

Winkel bestimmt ist aus der Differenz von 90 und dem

9. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege voneinander getrennte, bienenwabenartig angeordnete Zellen (422) voneinander trennen, von denen einige am Boden geschlossen, andere offen sind und die im wesentlichen radial ausgerichtet sind.

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10. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (526) im wesentlichen in Umfangsrichtung, jedoch im Winkel (θ) gegen die Radialebene des Rotors
geneigte Rillen (52k) begrenzen.

11. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (326) im wesentlichen in Umfangsrichtung, jedoch im Winkel gegen die Achsrichtung des Rotors verlaufende Rillen (324) begrenzen.

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