DE69718229T2

DE69718229T2 - Spitzendichtung für Turbinenlaufschaufeln

Info

Publication number: DE69718229T2
Application number: DE69718229T
Authority: DE
Inventors: Neil William Harvey
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2017-03-20
Also published as: DE69718229D1; EP0801209B1; EP0801209A2; GB9607578D0; US6142739A; EP0801209A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenlaufschaufeln und insbesondere auf Laufschaufeln zur Benutzung bei Gasturbinentriebwerken.
Die Arbeitsweise der Turbine eines Gasturbinentriebwerks hängt von der Übertragung der Energie zwischen den Verbrennungsgasen und der Turbine ab. Die Verluste, die die Turbine an einer vollständigen Ausnutzung hindern, sind wengistens zum Teil durch Gasleckströme über die Turbinenlaufschaufelspitzen bedingt.
Demgemäß ist der Wirkungsgrad einer jeden Rotorstufe in einem Gasturbinentriebwerk abhängig von der Energiemenge, die in die Rotorstufe übertragen wird, und diese Energiemenge wird teilweise bei Laufschaufeln ohne Mantelring durch Leckströme des Arbeitsmittels, d. h. Luft oder Gas, über die Laufschaufelspitzen des Rotors begrenzt.
Bei Turbinen mit Turbinenlaufschaufeln ohne Mantelring besteht die Tendenz, daß ein Teil des die Turbine durchströmenden Arbeitsmittels von der konkaven Druckseite nach der konvexen Saugseite des stromlinienförmigen Arbeitsabschnitts der Laufschaufel über den Spalt zwischen der Laufschaufelspitze und dem stationären Mantelring oder dem Gehäuse abwandert. Dieser Leckstrom bildet sich, weil eine Druckdifferenz zwischen der Druckseite und der Saugseite des stromlinienförmigen Arbeitsteils der Laufschaufel besteht. Die Leckströmung bewirkt außerdem, daß über einen großen Teil der Höhe des stromlinienförmigen Arbeitsabschnitts Strömungsstörungen aufgebaut werden, die zu Wirkungsgradverlusten der Turbine führen.
Durch Steuerung des Leckstroms der Luft oder der Gase über die Laufschaufelspitzen ist es möglich, den Wirkungsgrad einer jeden Rotorstufe zu erhöhen.
In der GB-A-2155558 ist ein Rotor ohne Mantelring beschrieben, der an seinem radial äußeren Ende eine Ausnehmung besitzt. Diese Ausnehmung wird durch eine Umfangswand und eine Anzahl von Querwänden definiert, die sich über die Ausnehmung erstrecken, wodurch das Profil in eine Anzahl von Kammern unterteilt wird. Diese Wände bilden eine Labyrinthdichtung, und in jeder dieser Kammern bauen sich Wirbel auf. Diese eingefangenen Wirbel bewirken eine Verminderung des Leckstromes zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Mantelring oder dem Gehäuse.
Bei der erwähnten Anordnung wird die Leckströmung in den Ausnehmungen aufgefangen, wodurch die Leckströmung über die Schaufelspitze vermindert wird. Die kinetische Energie dieser Strömung geht jedoch weiterhin verloren, da die Strömung innerhalb der Kammern eingefangen bleibt. Diese Strömung bildet immer noch einen Wirbel im Hauptkanal, wenn auch von verminderter Stärke, was weitere Verluste erzeugt. Außerdem hat die bekannte Anordnung den Nachteil, daß der größte Teil der Leckströmung über die Laufschaufelspitze über den hinteren Teil des Profils verläuft, wo der Leckstrom im typischen Fall zu dünn ist, um sich innerhalb eines Hohlraumes zu formen.
Es ist außerdem, beispielsweise aus der US-A-5 503 527, der EP-A-0 684 364, der DE-B-22 02 857, der FR-A-2 074 130; der GB-A-2 111 131 und der EP-A-0 317 432 bekannt, eine ohne Mantelring ausgestattete Turbinenlaufschaufel mit einem radial äußeren Ende auszustatten, das einen Kanal bildet. Der so definierte Kanal ist mit einer Öffnung in der Nähe des Hinterrandes des Profilabschnitts der Schaufel versehen. Die Leckströmungen über die Laufschaufelspitze werden in den definierten Kanal geleitet, und dadurch werden Strömungsstörungen vermieden, die durch die Leckströmungen erzeugt sind. Außerdem werden die Strömungen über den Kanal zurückgeleitet, um vom Vorderrand des Schaufelprofils nach dem Hinterrand abzuströmen, so daß Arbeit wiedergewonnen wird, die sonst durch die Strömung verlorengehen würde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotorlaufschaufel zu schaffen, bei der eine derartige Anordnung mit hohem Wirkungsgrad funktioniert.
Die Erfindung geht aus von einer Rotorschaufel ohne Ringsegment und weist einen Profilteil mit einem Vorderrand und einem Hinterrand auf, wobei das radial äußere Ende des Profilteils einen Kanal aufweist, der durch die Umfangswand einer Rinne definiert ist und sich von der Vorderkante nach der Hinterkante erstreckt, und wobei eine Öffnung innerhalb der Wand in der Nähe der Hinterkante des Profilabschnitts ausgebildet ist. Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, daß an jeder der Mehrheit von Stellen zwischen Vorderkante und Hinterkante der Rotorlaufschaufel in einer Ebene normal zur Radialerstreckung der Rotorlaufschaufel die Breite des Kanals größer ist als die Breite des radial äußeren Profilabschnitts benachbart hierzu.
Eine derartige Ausbildung gewährleistet, daß wenigstens der Hauptteil der in der Rinne enthaltenen Strömung, d. h. die Strömung, die sich zwischen dem Gehäuse und der Saugseite der Rinne und/oder der bestehende Sekundärströmungswirbel (der zwischen dem Gehäuse und der Druckseite der Rinne hindurchtritt) durch die Rinne und nach der Austrittsöffnung der Rinne abfließt.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks, welche teilweise aufgeschnitten ist, um den Turbinenabschnitt zu zeigen;
Fig. 2 ist eine Darstellung der Leckströmung über die Laufschaufelspitzen bei einer bekannten Turbinenlaufschaufel;
Fig. 3 ist eine andere Darstellung der Leckströmung über die Laufschaufelspitzen bei einem bekannten Stand der Technik;
Fig. 4 zeigt eine Ansicht des Profilteils einer Rotorlaufschaufel mit einem Wandabschnitt;
Fig. 5 ist ein Schnitt durch die Spitze des Profilteils einer Schaufel, geschnitten nach der Linie I-I gemäß Fig. 3; und zwar einschließlich der Rinne;
Fig. 6 ist ein anderer Schnitt durch die Laufschaufelspitze, wobei der Schnitt durch II angedeutet ist.
Ein Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen Fan 12, einen Kompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 16, einen Turbinenteil 18 und eine Düse 20 auf. Der Turbinenteil 18 weist mehrere Rotorstufen 22 und Statorstufen 26 auf, und jeder Rotor 22 trägt eine Anzahl von Turbinenlaufschaufeln 24, die sich in Radialrichtung von dem Rotor erstrecken.
Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen den Leckstrom von heißer Luft oder heißem Gas über die Spitze des Stromlinienteils 30. Der Stromlinienteil 30 hat eine Vorderkante 32 und eine Hinterkante 34. Bei Turbinen mit Turbinenlaufschaufeln ohne Schaufelringsegmenten, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wandert ein Teil der Gasströmung von der konkaven Druckfläche 36 nach der konvexen Saugseite 38 über die Spitze des Profilteils der Laufschaufel 24. Dieser Leckstrom tritt infolge der Druckdifferenz zwischen Druckfläche 36 und Saugfläche 38 auf. Die Strömung über die Spitze des Profilteils erzeugt einen Wirbel, der mit dem Pfeil A gekennzeichnet ist.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen die Spitze eines Profilabschnitts einschließlich Rinne. In Fig. 4 ist der Profilabschnitt mit C bezeichnet. Eine Rinne 40 liegt über der Spitze des Profilteils. Die Rinne 40 kann zwei Wände aufweisen, die an der Hinterkante und der Vorderkante nicht verbunden sind (nicht dargestellt). Die Rinne 40 bildet einen Kanal 42, der durch eine Umfangswand 44 definiert ist. In der Wand 44 ist am Hinterrand 34 des Profils ein Austritt 46 vorgesehen. Die Richtung des Leckstroms über die Spitze des Schaufelprofils ist durch den Pfeil D gekennzeichnet. Das Turbinengehäuse 48 liegt dicht benachbart zur Rinne 40, und der Leckstrom über die Spitze wird in Richtung des Pfeiles E in die Rinne geleitet. Die Rinne 40 liegt dicht benachbart zum Turbinengehäuse 48 und die Strömung wird zwischen Gehäuse und in der Rinne in Richtung des Pfeiles C und nach der Austrittsöffnung 46 gerichtet. Die Austrittsöffnung ist am breitesten am "Hinterrand" der Rinne.
Im Betrieb tritt Luft in das Gasturbinentriebwerk 10 ein und strömt durch den Fan 12 und den Kompressor 14, wo die Luft komprimiert wird. Der Brennstoff wird mit der komprimierten Luft in der Verbrennungseinrichtung 16 verbrannt, und die durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Heißgase und die Luft strömen durch den Turbinenteil 18 und durch die Düse 20 in die Atmosphäre ab. Die Heißgase treiben die Turbinen an, die ihrerseits den Fan 12 und die Kompressoren 14 über Wellen antreiben.
Der Turbinenteil 18 umfaßt Statorleitschaufeln 26 und Rotorlaufschaufeln 24, die abwechselnd angeordnet sind. Jede Statorleitschaufel 26 richtet die heißen Gase auf das Profil 30 der Rotorlaufschaufel 24 unter einem optimalen Winkel. Jede Rotorschaufel 24 nimmt kinetische Energie aus den Heißgasen auf, wenn diese durch den Turbinenteil 18 strömt, um den Fan 12 und die Kompressoren 14 anzutreiben.
Der Wirkungsgrad, mit dem die Rotorschaufeln 24 kinetische Energie aus den Heißgasen aufnehmen, bestimmt den Wirkungsgrad der Turbine, und dies hängt teilweise von der Leckströmung der heißen Gase zwischen der Spitze des Schaufelprofils 30 und dem Turbinengehäuse 48 ab.
Die Leckströmung über die Spitze des Schaufelprofils 30 wird in den Kanal abgezapft, der durch die Rinne 40 über der Schaufelspitze gebildet wird. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet diese abgezapfte Strömung einen Wirbel A innerhalb der Rinne. Dann wird die Strömung über den Kanal zurückgeführt und schließlich an der Hinterkante der Rinne durch eine Austrittsöffnung 46 abgegeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Austrittsöffnung 46 aus einem Bereich oder einer Breite, die groß genug ist, damit die gesamte zwischen Gehäuse 48 und Druckseite der Rinnen-Umfangswand 44 auftretende Strömung stromab austreten kann. Da die Fläche der Austrittsöffnung 46 genügend groß ist, damit die gesamte Spitzenleckströmung D als Wirbel A hindurchtreten kann, vermindert dies die Gefahr, daß ein Teil des Spitzenleckstroms weiter über die Saugseite 50 der Rinnen-Umfangswand 44 in den Hauptkanal abströmt, wie dies der Fall ist bei einem Rotor mit einer glatten Rotorspitze.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Fig. 6 dargestellt ist, bildet die Leckströmung D über die Schaufelspitze wiederum einen Wirbel A innerhalb der Rinne 40. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch die Rinne groß genug derart, daß der Kanalwirbel B sich auch in der Rinne selbst bildet. Der Kanalwirbel B wird aus der Gehäusegrenzschicht-Strömung gebildet, die bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Gehäuse 48 und dem Saugseitenteil 50 der Rinnen-Umfangswand 44 verläuft. Die Fläche der Austrittsöffnung ist breit genug, damit beide Wirbelströmungen A und B hindurchtreten können. Demgemäß ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Austrittsöffnung genügend groß, damit beide Strömungen A und B hindurchtreten können.
Die Zielgeschwindigkeits-Verteilung der Strömung in unmittelbarer Nähe der Rinne 40 bedeutet eine kontinuierliche Beschleunigung der Strömung nach der Hinterkante sowohl auf der Druckseiten-Oberfläche als auch auf der Saugseiten-Oberfläche, und demgemäß wird eine Spitzen-Mach-Zahl (minimaler statischer Druck) an der Hinterkante erreicht. Das Ziel besteht darin, daß der statische Druck in der Rinne 40 dem auf der äußeren Saugseite 38 des Schaufelprofils angepaßt wird, und hierdurch wird mit verhindert, daß die in der Rinne eingefangene Strömung über die Seiten der Rinne abfließt.
Es kann sich ein Wirbel innerhalb des von der Rinne 40 gebildeten Kanals bilden. Der Wirbel kann jedoch schwächer sein als jener, der gebildet wird, wenn die Leckströmung über die Spitze in die Hauptströmung eintreten könnte. Eine Wechselwirkung des innerhalb der Rinne 40 erzeugten Wirbels wird verhindert, solange die Strömung aus der Hinterkante der Rinne ausgegeben wird.
Die Strömung F entlang der Rinne 40 wird in der Nähe der Vorderkante 32 erzeugt und strömt nach der Hinterkante 34. Die Strömung, die sich bereits in der Rinne gebildet hat, kann die Strömung über die Umfangswand 44 in der Nähe des Hinterrandes 34 vermindern, d. h. sie wirkt als jeweils vergrößerte Querströmung zu letzterem Leckstrom. Demgemäß ist die Rinne 40 ebenso wirksam im Bereich der Hinterkante, wie sie es weiter stromauf ist.

Claims

1. Turbinenlaufschaufel (24) ohne Schaufelringsegment mit einem Schaufelprofil (30), das eine Vorderkante (32) und eine Hinterkante (34) aufweist, wobei das radial äußere Ende des Schaufelprofils einen durch die Umfangswand (44, 50) einer Rinne (40) definierten Kanal (42) aufweist, der sich von der Vorderkante (32) nach der Hinterkante (34) erstreckt und wobei eine Öffnung (46) in der Wand (44, 50) in der Nähe der Hinterkante (34) des Schaufelprofils (30) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Stelle der Mehrzahl von Stellen zwischen der Vorderkante (32) und der Hinterkante (34) der Rotorschaufel (24) in einer Ebene normal zur radialen Erstreckung der Rotorschaufel (24) die Breite des Kanals (42) größer ist als die Breite des radial äußeren Schaufelprofilabschnitts (30) benachbart hierzu.

2. Turbinenlaufschaufel (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Kanals (42) von der Vorderkante (32) der Laufschaufel (24) nach ihrer Hinterkante (34) progressiv breiter wird als die Breite des radial äußeren Schaufelprofils (30) benachbart hierzu.