DE3413304A1

DE3413304A1 - Verstellbare leitbeschaufelung fuer eine turbomaschine

Info

Publication number: DE3413304A1
Application number: DE19843413304
Authority: DE
Inventors: Josef Fislisbach Bättig
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1984-04-09
Filing date: 1984-04-09
Publication date: 1985-10-17

Description

Verstellbare Leitbeschaufelunq für eine Turbomaschine
Die Erfindung betrifft eine verstellbare Leitbeschaufelung für eine Turbomaschine.
Verstellbare Leitvorrichtungen finden insbesondere bei Gasturbinen von Abgasturboladern Anwendung. Durch die heute verlangten höheren Aufladegrade von Brennkraftmaschinen, namentlich Dieselmotoren, wird es schwierig, die erforderliche Luftmenge bei Teillastbetrieb bereitzustellen. Unter anderem wird dies dadurch erreicht, dass die Schluckfähigkeit der Gasturbine dem variablen Durchsatz des Motors angepasst wird. Hierzu ist es bekannt, die Schaufeln des Leitapparates einzeln verstellbar zu gestalten. Derartige Konstruktionen sind indessen relativ aufwendig, da jede Schaufel einzeln gelagert werden muss. Ueberdies sind sie im Betrieb störungsanfällig aufgrund der hohen Gastemperaturen und der unvermeidlichen Verschmutzung, weshalb sie bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen ohne besondere Massnahmen kaum anwendbar sind. Funktionsbedingte Spiele am Schaufel- fuss und an der Schaufelspitze von drehbaren Schaufeln beeinträchtigen zudem den Stufenwirkungsgrad. Dies wirkt sich insbesonders ungünstig aus bei Axialturbinen mit konischen Naben- und Spitzenkonturen, da beim Aufdrehen der Schaufeln sowohl an deren Fuss als auch an deren Blattende zusätzliche Spalten entstehen.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Der in den Patentansprüchen definierten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stufenlos verstellbare, betriebssichere Leitbeschaufelung zu schaffen, mit der bei gegebenen Schaufelprofil insbesondere grösstmögliche Teillastwirkungsgrade erzielbar sind.
Gegenüber einzeln verstellbaren Leitschaufeln werden mit der Erfindung folgende Vorteile erzielt: - Die Konstruktion ist relativ einfach; wird nur einer der Ringe verstellbar ausgebildet, so wird auch nur ein Lager hierzu benötigt; - die Betriebsspiele können minimal gehalten werden, zumal nur an einer Stelle entlang des Schaufelblattes ein Spiel vorgesehen werden muss; es sind somit beliebige Naben- und Spitzenkonturen realisierbar; - die Betriebssicherheit ist gesteigert, da das oder die Lager mit den heissen Motorabgasen nicht beaufschlagt werden; da die Lagerung ausserhalb der Strömung angeordnet ist, ist die Konstruktion schweröltauglich; - die stufenlose Verstellung kann mit einfachen Steuermitteln, die über Betriebsgrössen betätigbar sind, vorgenommen werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Turbomaschine, Fig. 2 einen Teilquerschnitt einer Leitvorrichtung gemäss Linie A-A in Fig. 1, Fig. 3a und 3b einen Ausschnitt von Schaufelplänen als Abwicklung eines Zylinderschnittes durch die Beschaufelung nach Fig. 2, Fig. 4 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 5a und Sb Teilquerschnitte einer Leitvorrichtung nach Fig. 4.
Erfindungsunwesentliche Teile sind in der Zeichnung fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums ist mit Pfeilen dargestellt.
Bei der in den Figuren dargestellten Turbomaschine handelt es sich jeweils um die einstufige Axialturbine eines Abgasturboladers. Gemäss Fig. 1 ist die obere Hälfte einer derartigen Gasturbine gezeigt, deren Gaseintrittsgehäuse 1 an eine nicht gezeigte Abgassammelleitung eines Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Die Abgase dieses Motors beaufschlagen zunächst den Leitapparat 2, welcher mit Leitschaufeln 3 bestückt ist. Deren Befestigung an den Schaufelträgern ist nicht dargestellt. In der Ebene der Leitschaufeln ist der Strömungskanal wellen- seitig durch einen Innenring 4 mit konischem Verlauf und gehäuseseitig durch einen Aussenring 5 mit zylindrischem Verlauf begrenzt. Aus dem Leitapparat gelangen die Abgase in die Laufschaufeln 6, von wo sie nach Energieabgabe in ein Austrittsgehäuse abströmen. In der Ebene der Laufschaufeln weist der Strömungskanal an den Schaufelenden ebenfalls zylindrischen Verlauf auf und an den Schaufelfüssen einen konischen Verlauf in Fortsetzung der Innenringkonfiguration. Die Aussenbegrenzung ist hierbei durch den Aussenring 5 vorgenommen, der in seiner axialen Erstreckung entsprechend verlängert ist und über die Laufschaufeln hinaus noch die Funktion des Austrittsdiffusors 7 übernimmt. Die Innenbegrenzung bildet eine Nabe 8, in der die Laufschaufelfüsse befestigt sind.
Die beiden koaxialen, beschaufelten Ringe 5 und 6 bilden hier die wesentlichen Elemente. Abweichend von der üblichen Konfiguration ist nämlich aus Fig. 2 zu erkennen, dass ein Teil der Leitschaufeln, und zwar die Hälfte, am Aussenring 5 angeordnet ist, während die andere Hälfte am Innenring 4 auf geeignete Weise befestigt ist. In Umfangsrichtung folgt somit abwechselnd auf eine Schaufel 3a des Aussenringes jeweils eine Schaufel 3b des Innenringes. Ein entsprechendes Schaufelspiel 12a, 12b stellt sich am Innenring resp. am Aussenring ein. Es versteht sich, dass die Schaufeln beider Ringe, sofern sie gleiche Sehne und gleichen Staffelungswinkel aufweisen, sowohl mit ihrem Eintritts- als auch Austrittskanten in einer gleichen Ebene liegen.
Gemäss Fig. 1 ist nun im vorliegenden Beispiel nur der Aussenring 5 in Umfangsrichtung verstellbar ausgebildet.
Der Innenring 4 ist wie angedeutet mit dem Gaseintrittsgehäuse 1 verschraubt. Der Aussenring 5 ist an seinem zuströmseitigen Ende mit einem Flansch 9 versehen, welcher zur Aufnahme von Kugeln 10 eine entsprechende Laufpartie aufweist. Eine analoge Laufpartie ist in einem Lagerring 11 eingearbeitet, der aus Montagegründen zweiteilig ausgebildet ist und ebenfalls wie angedeutet mit dem Gaseintrittsgehäuse 1 verschraubt ist.
Der Verdrehantrieb besteht im wesentlichen aus einem auf der Aussenseite des Aussenrings 5 angeordneten Nocken 13, der mit einem Gestänge 14 verbunden ist. Für die Betätigung des Gestänges 14 können diverse Betriebsgrössen herangezogen werden, beispielsweise Druck, Differenzdrücke, Temperatur, Drehzahl, Last usw. Es versteht sich, dass hierzu eine selbsttätige Steuerung vorgesehen werden kann.
Die eigentliche Regulierung des Abgasstromes erfolgt nunmehr durch Verdrehen des Aussenringes mit der Folge, dass sich in Umfangsrichtung der Abstand von einer ersten feststehenden Leitschaufel 3b zur benachbarten mobilen Schaufel 3a vergrössert und von dieser zur nächsten feststehenden Schaufel 3b verringert. Dieser Vorgang ist in den Figuren 3a und 3b illustriert. Massgebend für die durchströmte Flache ist jeweils der engste querschnitt S zwischen zwei Schaufeln, in der Regel also der Abstand zwischen druckseitiger Hinterkante einer Schaufel zur Saugseite der benachbarten Schaufel. Es ist unschwer zu erkennen, dass die Summe aller engsten Querschnitte (25) bei der gleichmässigen Teilung nach Fig. 3a kleiner ist als jene (S' + S") bei der ungleichmässigen, also verstellten Teilung nach Fig. 3b. Selbstverständlich ist die erzielbare Querschnittsveränderung, in diesem Falle Vergösserung, einer Funktion u.a. der Schaufelzahl, des Schaufelprofils, der Schaufelstellung.
In den Fig. 4, 5a und 5b ist eine Lösung gezeigt, wie sie sich besonders günstig bei Strömungskanälen mit doppelter Konizität präsentiert. Hierbei sind die Schau- felspitzen jeweils vom eigentlichen Schaufelblatt 3b getrennt und am andern Ring 5 angebracht. Die Trennflächen 15 liegen auf einer Zylinderfläche 16, ohne die die beiden Ringe sich anlässlich einer axialen Montage ineinander verkeilen würden.
Da es für den Fachmann auf der Hand liegt, dass von der Energieumsetzung her die gleichmässige Teilug vorteilhafter ist, kann die Erfindung eine interessante Anwendung bei Turbomaschinen finden, die vorwiegend im Teillastbereich arbeiten. Dort wird man die gleichmässige Teilung mit kleiner Leitschaufelfläche und besserem Schaufelwirkungsgrad wählen, während im Vollastbetrieb die benötigte Turbinenfläche durch Ansteuern einer unregelmässigen Teilung eingestellt wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das Gezeigte und Beschriebene beschränkt: - so kann der verstellbare Leitapparat durchaus auch bei Radialturbinen und in Diffusoren von Radialverdichtern Anwendung finden; - statt geraden Schaufeln können ebenfalls verwundene Schaufeln den Leitapparat bilden; - in Abweichung zur gezeigten Schaufelanordnung sind beliebige Varianten möglich, beispielsweise, dass der Innenring oder der Aussenring nur jeweils ein Drittel aller Leitschaufeln aufweist, so dass in Umfangsrichtung jeweils auf zwei Schaufeln des einen Ringes eine Schaufel des anderen Ringes folgt; - denkbar sind auch Lösungen, bei denen die Leitschaufeln der zwei Ringe unterschiedliche Staffelungswinkel aufweisen; desgleichen sind auch verschiedene Profilformen möglich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE Verstellbare Leitbeschaufelung für eine Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil Leitschaufeln (3b) an einem Innenring (4) und ein anderer Teil in der gleichen Ebene liegenden Leitschaufeln (3a) an einem koaxial zum Innenring (4) angeordneten Aussenring (5) befestigt sind und dass die Ringe relativ zueinander verdrehbar sind.
2. Verstellbare Leitbeschaufelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung der Leitbeschaufelung abwechselnd jeweils eine am Innenring (4) befestigte Schaufel (3b) auf eine am Aussenring (5) befestigte Schaufel (3a) folgt.