DE69105418T2

DE69105418T2 - Schaufelgitter für Turbomaschinen mit Saugschlitzen.

Info

Publication number: DE69105418T2
Application number: DE69105418T
Authority: DE
Inventors: Francois Detanne; De Paul Michel Vincent
Original assignee: GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Holdings SA
Priority date: 1990-09-13
Filing date: 1991-09-09
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2011-09-10
Also published as: CN1060891A; CS281991A3; FR2666846B1; ZA917326B; ATE114780T1; MX9101073A; US5232338A; EP0475329B1; EP0475329A2; EP0475329A3; FR2666846A1; JPH04279701A; DE69105418D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelgitter für eine Turbomaschine, das Schaufeln zwischen einem Boden und einer Decke aufweist und bei dem der Boden und/oder die Decke mit einem Saugschlitz in der Nähe mindestens bestimmter Schaufeln versehen ist, wobei ein erstes Ende des Schlitzes sich entlang der Außenseite in einem Bereich der Schaufel befindet, der von der maximalen Krümmungszone bis zum Sattel des Kanals zwischen dieser Schaufel und der benachbarten Schaufel verläuft.
Bei solchen Schaufelgittern wurden die Saugschlitze in dem Boden und/oder der Decke angeordnet, um die Grenzschichten entlang des Bodens und der Decke anzusaugen. Tatsächlich verursachen diese Schichten Störungen (siehe z.B. den Artikel "Sur les pertes l'extrémité des aubes de turbine", Zeitschrift Brown Boveri in französischer Sprache, November 1941, Seiten 356 bis 461, insbesondere Figuren 2 und 3).
Diese Störungen werden aber von großen Verlusten begleitet, die unter dem Namen Sekundärverluste bekannt sind und die den Wirkungsgrad eines Schaufelgitters umso mehr beeinträchtigen, je kleiner das Verhältnis zwischen der Höhe der Schaufeln und ihrer Sehne ist.
Ein Beispiel eines Schaufelgitters mit Saugschlitzen ist aus der japanischen Druckschrift JP-A-52-54807 bekannt, die am 4. Mai 1977 veröffentlicht wurde.
Die bekannten Schlitze durchqueren den Kanal und gehen von der Außenseite einer Schaufel aus, um zur Innenseite der benachbarten Schaufel zu gelangen.
Es wurde festgestellt, daß solche Schlitze keine Verbesserung mit sich bringen und daß sie sogar die Verluste vergrößerten.
Bei den erfindungsgemäßen Gittern ist der eine Wirkungsgradsteigerung ermöglichende Schlitz entlang einer Linie gleichen Drucks ausgerichtet und hat eine solche Länge, daß das zweite Ende von der Außenseite der Schaufel einen Abstand besitzt, der zwischen einem Viertel und der Hälfte der Breite des Sattels des Kanals liegt.
Der Druck entlang dem Schlitz ist konstant, so daß das angesaugte Fluid nicht an einer anderen Stelle des Schlitzes ausgestoßen wird, wie bei den bekannten Gittern.
Die Erfindung betrifft weiter eine Turbomaschine mit mehreren Stufen, die je aus einem festen Schaufelgitter gefolgt von einem beweglichen Schaufelgitter bestehen, wobei die Schaufeln eines Gitters sich zwischen einem Boden und einer Decke erstrecken, wobei die Decke der Gitter mit einer Dichtung versehen ist, die mit dem vor ihr liegenden Bereich des Rotors mehrere Kammern definiert, wobei die Decke des festen Schaufelgitters zumindest in der Nähe bestimmter Schaufeln einen Saugschlitz aufweist, dessen erstes Ende sich entlang der Außenseite in einem Bereich befindet, der von der maximalen Krümmungszone zum Sattel des Kanals zwischen dieser Schaufel und der benachbarten Schaufel verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schlitz entlang einer Linie gleichen Drucks ausgerichtet ist und eine solche Länge hat, daß das zweite Ende von der Außenseite einen Abstand aufweist, der zwischen einem Viertel und der Hälfte der Breite des Sattels des Kanals liegt, wobei dieser Schlitz mit einem Punkt niedrigeren Drucks der Turbomaschine verbunden ist.
Wenn die Erfindung auf das feste Gitter einer Stufe angewendet wird, ist der Schlitz über einen Kanal mit einer der Dichtkammern verbunden, die sich im stromabwärts liegenden Bereich der Dichtung des beweglichen Gitters der folgenden Stufe befindet.
Wenn die Erfindung auf das bewegliche Gitter einer Stufe angewandt wird, ist der Boden des beweglichen Schaufelgitters in der Nähe zumindest bestimmter Schaufeln mit einem Saugschlitz versehen, dessen erstes Ende sich entlang der Außenseite in einem Bereich befindet, der von der maximalen Krümmungszone zum Sattel des Kanals zwischen dieser Schaufel und der benachbarten Schaufel verläuft, wobei dieser Schlitz entlang einer Linie gleichen Drucks ausgerichtet ist und eine solche Länge hat, daß das zweite Ende von der Außenseite um einen Abstand entfernt ist, der zwischen einem Viertel und der Hälfte der Breite des Sattels des Kanals liegt, wobei dieser Schlitz mit einer Leitung verbunden ist, die die Schaufel von unten nach oben durchquert und hinter der Dichtung oder in einer der letzten Kammern dieser Dichtung mündet.
Vorzugsweise ist das zweite Ende des Schlitzes von der Außenseite der entsprechenden Schaufel um einen Abstand entfernt, der etwa einem Drittel der Breite des Sattels des entsprechenden Kanals entspricht.
Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden anhand der nachfolgenden Beschreibung.
Figur 1 zeigt einen axialen Schnitt durch eine übliche Turbine.
Figur 2 zeigt einen Saugschlitz in einer bekannten Turbine.
Figur 3 zeigt die Entwicklung der Verluste abhängig vom Abstand von der Wand in der Turbine der Figur 2.
Figur 4 zeigt die Lage des Saugschlitzes gemäß der Erfindung in einem festen Schaufelgitter.
Figur 5 zeigt die Entwicklung der Verluste in der Anordnung der Figur 4.
Figur 6 zeigt die Lage des erfindungsgemäßen Schlitzes für ein bewegliches Schaufelgitter.
Figur 7 zeigt einen axialen Schnitt durch eine Turbine mit den erfindungsgemäßen Schaufelgittern.
Figur 8 zeigt einen waagrechten Teilschnitt durch die Turbine der Figur 7.
In Figur 1 sind zwei Schaufeln A und B dargestellt, die Teil eines Rings sind und deren Fuß auf einem Boden 1 und der Kopf an einer Decke 2 befestigt sind. Der Boden 1 und die Decke 2 sind normalerweise zylindrische oder kegelstumpfförmige Flächen.
Die Innenseite der Schaufel B, die Außenseite der Schaufel A, der Boden 1 und die Decke 2 definieren einen Kanal 3, dessen Sattel 8 durch die Auslaßkante der Schaufel B verläuft, wobei dieser Sattel der minimalen Breite des Kanals entspricht.
In diesem Kanal verläuft der Fluß weit von den Wänden entfernt entlang ungestörten Flußfäden wie (h). Dagegen verlaufen im Kontakt mit der Decke und dem Boden die Flußfäden orthogonal zu den Isobaren und folgen den gezeigten Richtungen (l), (m), und fangen dann an zu wirbeln, sobald sie die Außenseite der Schaufel (A) berühren.
Figur 2 zeigt eine Schlitzanordnung 4 gemäß dem japanischen Patent 52-54807.
Dieser im Boden und/oder der Decke angebrachte Schlitz 4 soll einen Teil der Grenzschicht absaugen.
Figur 3 zeigt Messungen des örtlichen Verlusts P gemäß dem Abstand (y) zum Boden 1 oder der Decke 2 des Schaufelgitters. Die durchgezogen gezeichnete Kurve (a) zeigt die Entwicklung des Verlusts für ein Gitter, das keine Ansaugung im Kanal aufweist. Nahe der Wand ist der Verlust groß aufgrund der Grenzschicht, die sich auf dieser Wand ausbildet. Er verringert sich, wenn man sich von der Wand entfernt, und wächst dann von neuem an: dies sind die im Durchgangswirbel verteilten Verluste; dann verringert sich der Verlust von neuem, wenn man sich weiter von der Wand entfernt; ziemlich weit von den Wänden entfernt wird der Verlust einfach von den Grenzschichten verursacht, die sich auf den Schaufeln entwickeln.
Die Kurven (b) und (c) zeigen diese gleichen Verlustentwicklungen im Fall eines Schaufelgitters mit einem wie in Figur 2 gezeigten Saugschlitz. Wenn die abgesaugte Menge gering ist, etwa 0,5% des das Schaufelgitter durchströmendenden Gesamtdurchsatzes, wird der Verlust (Kurve b) stark erhöht. Wenn die abgesaugte Menge anwächst, verringert sich der Verlust (Kurve c), aber für einen Anteil der angesaugten Menge von 3% am Gesamtdurchsatz, was sehr wichtig wird, ist der globale Verlust noch höher als der Verlust bei den Schaufelgittern ohne Absaugung.
Der Grund für diese schlechte Leistungen muß im Fluß im Saugschlitz gesucht werden. Der Druck ist entlang des Saugschlitzes nicht konstant; daher wird an bestimmten Stellen des Schlitzes, wo der Druck am höchsten ist, Fluid tatsächlich angesaugt, aber es kann in den Kanal an einer anderen Stelle des Schlitzes wieder eingespeist werden, wo der Druck geringer ist, wobei diese Wiedereinspeisung natürlich von großen Verlusten begleitet wird.
Figur 4 zeigt zwei Endstellungen des erfindungsgemäßen Schlitzes. In dem von den beiden Schaufeln A und B geformten Kanal 3 sind die Linien 5 gleichen Drucks eingezeichnet, die aus einer zweidimensionalen Berechnung eines Schaufelgitters abgeleitet werden. Eine solche Berechnung (die für jeden Fachmann auf dem Gebiet der Turbomaschinen zugänglich ist) ermöglicht es, die Merkmale des Flusses in ausreichendem Abstand von den Wänden entfernt zu kennen. In der Nähe der Wände sind die Merkmale des Flusses jedoch ganz anders, was den Absolutwert und die Richtung der Geschwindigkeiten des Fluids angeht, aber man weiß, daß die statischen Drücke nur sehr wenig verändert werden im Verhältnis zu den statischen Drücken in einem von den Wänden entfernten Abschnitt. Figur 4 zeigt zwei Endstellungen des Schlitzes 4, 4'.
Der Saugschlitz 4, 4' befindet sich in der Nähe der Schaufel A. Sein erstes Ende 6 befindet sich entlang der Außenseite in einem Bereich, der von der Zone maximaler Krümmung 7 zum Sattel des Kanals 3 verläuft.
Der Schlitz 4, 4' ist geradlinig und entlang einer Linie gleichen Drucks ausgerichtet. Sein zweites Ende 9 ist um ein Drittel der minimalen Breite des Kanals 3 entfernt, was der Breite des Sattels 8 entspricht. Der Schlitz ist in der Länge an seinem Nutzbereich nahe der Außenseite begrenzt, um die abgesaugte Fluidmenge so klein wie möglich zu halten.
Figur 5 zeigt (Kurve d) die gemessenen Verluste P mit einer Absaugung durch einen Schlitz 4 gemäß der Erfindung. Man stellt einen großen Gewinn im Vergleich zu den in Abwesenheit einer Saugvorrichtung gemessenen Verlusten (Kurve a) fest.
Figur 6 zeigt einen weiteren Anwendungsfall der Erfindung auf ein bewegliches Schaufelgitter, bei dem die Linien gleichen Drucks eine von denen der Figur 4 deutlich unterschiedliche Form haben.
Figur 7 zeigt zwei Turbinenstufen 10, die je aus einem festen Schaufelgitter 11 und einem beweglichen Schaufelgitter 12 bestehen. Diese Figur zeigt, wie die Ansaugung durchgeführt wird. Bei den festen Gittern 11 ist der Saugschlitz 4 an einen Kanal 13 angeschlossen, der mit einer Öffnung 14 in eine Kammer der Dichtung 15 mündet, die sich an der Decke des beweglichen Gitters 12 der folgenden Stufe befindet. Die starke Entspannung in den festen Schaufeln ermöglicht es, den zur Absaugung notwendigen Druckunterschied zu erhalten.
Bei dem Gitter 12 kann dieses Verfahren natürlich nicht angewendet werden. Am Ende dieser Beschaufelung ist ein Absaugen kaum möglich. An der Basis ist es dagegen möglich, die Absaugung durchzuführen, indem man die Zentrifugalwirkung nutzt. Man bohrt einen radialen (oder schrägen) Kanal 16 in die Dicke der Schaufel, der den Schlitz 4, der in dem Boden des Kanals (Radius R1) angebracht ist, mit der Dichtungskammer 17 in Verbindung setzt, die am weitesten stromabwärts am Ende der Beschaufelung (Radius R2) liegt. Die Verbindung zwischen dem Schlitz 4 und dem radialen Kanal 16 geschieht über eine Verbindung 18 (siehe Figur 8).
Die Wirkung der Zentrifugalkraft 1/2 ω²(R&sub2;² - R&sub1;²), wobei ω die Winkelgeschwindigkeit ist, erzeugt den Druckunterschied, der das Fluid von der Basis zum Schaufelende in Bewegung versetzt.
Wenn der so erzeugte Druckunterschied zu groß ist in Bezug auf den erwünschten Durchsatz, kann man das radiale Loch 16 in der vorletzten Kammer 17' der Dichtung 15 des beweglichen Gitters 12 öffnen, was es erlaubt, den durch diese Dichtung verlaufenden Leckfluß 19 zu begrenzen, Durchsatz, der dem aus den festen Schaufeln austretenden Fluid entnommen wird und der natürlich keine Arbeit erzeugt.
Die Gesamtmenge, die in der Dichtung über die Öffnung 14 oder über den Kanal 16 ankommt, ist geringer oder gleich dem Leckfluß, der normalerweise durch diese Dichtungen verlaufen würde in Abwesenheit dieser Absaugkanäle: fast die Gesamtheit des Gewinns aufgrund der Verminderung der Sekundärverluste wird so gerettet.

Claims

1. Schaufelgitter für eine Turbomaschine, das Schaufeln (A, B) zwischen einem Boden (1) und einer Decke (2) aufweist und bei dem der Boden (1) und/oder die Decke (2) mit einem Saugschlitz (4, 4') in der Nähe mindestens bestimmter Schaufeln (A) versehen ist, wobei ein erstes Ende (6) des Schlitzes (4, 4') sich entlang der Außenseite in einem Bereich der Schaufel (A) befindet, der von der maximalen Krümmungszone (7) bis zum Sattel (8) des Kanals (3) zwischen dieser Schaufel (A) und der benachbarten Schaufel (B) verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schlitz (4, 4') entlang einer Linie gleichen Drucks ausgerichtet ist und eine solche Länge hat, daß das zweite Ende (9) von der Außenseite der Schaufel (A) einen Abstand besitzt, der zwischen einem Viertel und der Hälfte der Breite des Sattels (8) des Kanals (3) liegt.

2. Turbomaschine mit mehreren Stufen (10), die je aus einem festen Schaufelgitter (11) gefolgt von einem beweglichen Schaufelgitter (12) bestehen, wobei die Schaufeln eines Gitters (11, 12) sich zwischen einem Boden (1) und einer Decke (2) erstrecken, wobei die Decke (2) der beweglichen Gitter (12) mit einer Dichtung (15) versehen ist, die mit dem vor ihr liegenden Bereich des Rotors mehrere Kammern (17, 17') definiert, wobei die Decke (2) des festen Schaufelgitters (11) zumindest in der Nähe bestimmter Schaufeln einen Saugschlitz (4) aufweist, dessen erstes Ende (6) sich entlang der Außenseite in einem Bereich befindet, der von der maximalen Krümmungszone (7) zum Sattel (8) des Kanals (3) zwischen dieser Schaufel (A) und der benachbarten Schaufel (B) verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schlitz (4) entlang einer Linie gleichen Drucks ausgerichtet ist und eine solche Länge hat, daß das zweite Ende (9) von der Außenseite einen Abstand aufweist, der zwischen einem Viertel und der Hälfte der Breite des Sattels (8) des Kanals (3) liegt, wobei dieser Schlitz (4) mit einem Punkt (14) niedrigeren Drucks der Turbomaschine verbunden ist.

3. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (4) über einen Kanal mit einer der stromabwärtsliegenden Kammern (17) der Dichtung (15) des beweglichen Gitters (12) der folgenden Stufe (10) verbunden ist.

4. Turbomaschine mit mehreren Stufen (10), die je aus einem festen Schaufelgitter (11) gefolgt von einem beweglichen Schaufelgitter (12) bestehen, wobei sich die Schaufeln eines Gitters (11, 12) zwischen einem Boden (1) und einer Decke (2) erstrecken und wobei die Decke (2) der beweglichen Gitter (12) mit einer Dichtung (15) versehen ist, die mit dem vor ihr liegenden Bereich des Rotors mehrere Kammern (17, 17') definiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (1) der beweglichen Schaufelgitter (12) in der Nähe zumindest bestimmter Schaufeln (A) mit einem Saugschlitz (4) verbunden ist, dessen erstes Ende (6) sich entlang der Außenseite in einem Bereich befindet, der von der maximalen Krümmungszone (7) bis zum Sattel (8) des Kanals (3) zwischen dieser Schaufel (A) und der benachbarten Schaufel (B) verläuft, wobei dieser Schlitz (4) entlang einer Linie gleichen Drucks ausgerichtet ist und eine solche Länge hat, daß das zweite Ende (9) von der Außenseite einen Abstand hat, der zwischen einem Viertel und der Hälfte der Breite des Sattels (8) des Kanals (3) liegt, und daß dieser Schlitz (4) mit einem Kanal (16) verbunden ist, der die Schaufel von unten nach oben durchquert und hinter der Dichtung oder in eine der letzten Kammern (17, 17') dieser Dichtung (15) mündet.

5. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (9) des Schlitzes (4) zur Außenseite der entsprechenden Schaufel einen Abstand besitzt, der etwa einem Drittel der Breite des Sattels (8) des entsprechenden Kanals (3) entspricht.