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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft eine Laufradmaschinenanordnung, umfassend ein
Laufrad, ein Leitrad, wenigstens eine Leitschaufel, die an zwei
gegenüberliegenden
Enden von dem Leitrad gestützt
wird und an wenigstens einem Ende wenigstens in einer ersten Ebene
bezüglich
des Leitrads drehbar angeordnet ist, und wenigstens ein Zufuhrglied,
das so angeordnet ist, dass es ein Fluid in die Leitschaufel leitet,
um deren Temperatur zu beeinflussen.
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Solche
Anordnungen sind bei Gasturbinenanordnungen bekannt, bei denen das
Fluid Kompressorluft sein kann, die von einem Kompressor abgezogen
wurde, der von der Gasturbinenanordnung umfasst wird, wobei die
Laufradmaschinenanordnung, bei der die Leitschaufel vorgesehen ist,
eine Turbine ist. Die Kompressorluft wird zur Kühlung der Leitschaufel von
innen verwendet. Kleine Öffnungen
sind in der eigentlichen Schaufel der Leitschaufel angeordnet, so
dass die Kompressorluft daraus ausströmen und in den Gasströmungskanal
der Turbine einströmen
kann. Dank der Kühlung
der Leitschaufel können übergroße temperaturbedingte
Dimensionsveränderungen
und der Einfluss der Hitze auf das Material, die seine Nutzungszeit
verkürzt,
reduziert werden.
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Üblicherweise
wird die Kompressorluft/Kühlungsluft
durch Röhren
und/oder Bohrlöcher
in feststehenden Leitradteilen in Einlasskammern geleitet, die an
den beiden gegenüberliegenden
Enden der Leitschaufel angeordnet sind. Wenn die Leitschaufel an
ihren beiden Enden von dem Leitrad oder, genauer gesagt, von Leitschaufelträgern, die
an dem Leitrad befestigt sind, gestützt wird, muss wegen der unterschiedlichen
axialen Bewegungen zwischen dem inneren Leitradteil, das das eine
Ende der Leitschaufel stützt,
und dem äußeren Leitradteil,
das deren anderes Ende stützt,
die Leitschaufel bezüglich
der umgebenden Leitradteile kippbar sein. Mit axialen Bewegungen
sind Bewegungen in der axialen Richtung des Laufrads gemeint. Aufgrund
der Tatsache, dass der Druckabfall an der Leitschaufel groß ist, ist
es dabei schwierig, ein unerwünschtes
Austreten von Kühlluft
und Gas um solche kippbaren, drehbaren Leitschau feln zu vermeiden.
Ein Austreten von Kompressorluft, die nicht als Kühlungsluft
in dem Gasströmungskanal
der Turbine verwendet werden kann, und ein Austreten von Gas aus
dem Gasströmungskanal
verringern natürlich
die Effizienz der Gasturbinenanordnung.
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Die
US-A-4 522 557 offenbart eine Laufradmaschinenanordnung, die eine
Leitschaufel 16 umfasst. Diese Anordnung umfasst eine Spule 26,
die es ermöglicht,
dass Kühlluft
einen Hohlraumabschnitt 21 erreicht, um weiterhin durch Öffnungen 29 die
Vorderkante 30 des Deckbands 9 der bewegbaren Schaufeln 10 zu
erreichen. Die Spule 26 ist kugelzapfenbefestigt, um eine
eingeschränkte
Bewegung zwischen der Turbinendüse
selbst und dem Turbinendüsen-Stützgehäuse zu ermöglichen,
die durch die Ausdehnungsunterschiede, Summentoleranzen oder Verformungen
entsteht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laufradmaschinenanordnung der
eingangs definierten Art zu erzielen, die so angeordnet ist, dass
sie verhindert, dass ein Fluid, das in eine Leitschaufel zugeführt wird,
um deren Temperatur zu beeinflussen, zwischen dem Leitrad und der
Leitschaufel austritt, sogar bei unterschiedlichen eingestellten
Winkeln/Drehpositionen zwischen diesen in der ersten Ebene. Alternativ
kann ein begrenztes, aber geregeltes Austreten ermöglicht werden,
das im Wesentlichen unabhängig
von den eingestellten Winkeln ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine Laufradmaschinenanordnung
nach Anspruch 1 gelöst.
Die erste Ebene ist dabei bevorzugt eine der Ebenen, in denen sich
die Laufradachse der Laufradmaschinenanordnung erstreckt.
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Erfindungsgemäß ist das
Abdichtelement bezüglich
des Leitrads in wenigstens der ersten Ebene drehbar angeordnet.
Die Position des Abdichtelements kann dabei so auf ein Drehen der
Leitschaufel in wenigstens der ersten Ebene eingestellt werden, dass
die Bedingungen für
die Funktion des ersten Abdichtelements sogar bei relativ starkem
Kippen der Leitschaufel bezüglich
des Leitrads gut sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
das Abdichtelement ein erstes Abdichtglied, das so angeordnet ist,
dass es zwischen der Leitschaufel und dem Abdichtelement eine Abdichtung bildet,
wobei die Abdichtfunktion des ersten Abdichtglieds im Wesentlichen
unabhängig
von der Winkelposition zwischen der Leitschaufel und dem Abdichtelement
in der ersten Ebene ist. Da das Abdichtelement auf diese An eine
Abdichtung gegenüber
der Leitschaufel bildet, ist eine notwendige Bedingung zur Vermeidung
eines Austretens des Fluids erfüllt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Abdichtelement ein zweites Abdichtglied, das so angeordnet
ist, dass es zwischen dem Abdichtelement und dem Leitrad eine Abdichtung
bildet, wobei die Abdichtfunktion des zweiten Abdichtglieds im Wesentlichen
unabhängig
von der Winkelposition zwischen dem Abdichtelement und dem Leitrad
in der ersten Ebene ist. Die Wahrscheinlichkeit eines Gasaustritts
oder eines Luftaustritts durch mögliche
Lücken
zwischen den umgebenden Leitradteilen und dem beweglichen Bauteil,
das das Abdichtelement bildet, wird dadurch verringert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst das erste Abdichtglied eine Ausbuchtung, die sich um den
Außenumfang
des Abdichtelements erstreckt. Das Abdichtelement kann dadurch leicht
als ein Röhrenstück konstruiert
sein, das dafür
vorgesehen ist, in eine Vertiefung der Leitschaufel geschoben zu
werden, wobei die Ausbuchtung, die vorzugsweise einen leicht gerundeten
Außenumfang
hat, leicht so ausgebildet werden kann, dass sie ein bestimmtes
relatives Drehen/Kippen zwischen der Leitschaufel und dem Abdichtelement ermöglicht,
während
sie gleichzeitig abdichtend an ihnen anliegt. Die Ausbuchtung ist
vorzugsweise an dem Abdichtelement befestigt und bildet einen Teil des
Abdichtelements selbst.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst das zweite Abdichtglied eine Ausbuchtung, die sich um den
Außenumfang
des Abdichtelements erstreckt. Sie ist vorzugsweise an dem Abdichtelement
befestigt und bildet einen Teil von ihm. Dadurch wird es ermöglicht,
das Abdichtelement in einer Vertiefung des Leitrads, vorzugsweise
von tragenden Gliedern des Leitrads, die so angeordnet sind, dass
sie die Leitschaufel stützen,
zu positionieren. Das Abdichtelement hat vorzugsweise in dem Bereich
der Ausbuchtung die Form einer im Wesentlichen kreisförmigen Röhre, an deren
Außenseite
die Ausbuchtung vorgesehen ist. Diese Konstruktion schafft gute
Bedingungen sowohl für
ein gutes Abdichten als auch für
eine relative Beweglichkeit zwischen dem Abdichtelement und einer
Vertiefung in dem Leitrad, in der das Abdichtelement vorgesehen ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Abdichtelement einen Zylinderkörper mit ringförmigem Querschnitt
und mit zwei ringförmigen
Ausbuchtungen, von denen sich jede um den Außenumfang des Abdichtelements
erstreckt und ein entsprechendes Abdichtglied bildet. Ein Abdichtelement
mit dieser Konstruktion kann leicht an Leitschaufelträgern und
Vertiefungen an Endräumen der
Leitschaufel anliegen. Z.B. kann Kühlmittel/Kompressorluft durch
eine Kammer in das Abdichtelement und durch dieses Element in die
Leitschaufel zugeführt
werden, ohne dass eine wesentliche Menge des Mittels zwischen dem
Abdichtelement und dem Leitschaufelträger in den Strömungskanal
der Laufradmaschine austritt, und ohne dass Gas in größerem Umfang
in entgegengesetzter Richtung austritt. Weiterhin wird verhindert,
dass das Kühlmittel, da
in das Abdichtelement zugeführt
wurde, durch einen Spalt zwischen dem Abdichtelement und einer Vertiefung
der Leitschaufel, in die das Abdichtelement eingeführt wird,
austritt.
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Erfindungsgemäß ist die
Leitschaufel bezüglich
des Leitrads an beiden Enden drehbar angeordnet, und ein Abdichtelement
ist an jedem der Enden der Leitschaufel angeordnet, und gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist ein weiteres Zufuhrglied so angeordnet, dass es das Fluid, das
die Temperatur beeinflusst, dem zweiten Ende der Leitschaufel zuführt, wobei
die Abdichtelemente mit dem ersten und/oder dem zweiten Abdichtglied
versehen sind. Dadurch wird eine sehr gute Zufuhr z.B. von Kühlluft von
einem Kompressor, den die Laufradmaschinenanordnung umfasst oder
der mit dieser verbunden ist, zu der Leitschaufel erreicht, während gleichzeitig
ein mögliches
Austreten von Kühlluft
aus den Abdichtelementen und in den Gasströmungskanal der Turbine reduziert
gehalten wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Laufradmaschinenanordnung eine Vielzahl von Leitschaufeln,
die in einem Ring angeordnet sind und von denen jede mit dem Zufuhrglied
verbunden ist, und wobei an jeder der Leitschaufeln erste und/oder
zweite Abdichtglieder angeordnet sind. Diese Anordnung ist be sonders
vorteilhaft, wenn die Laufradmaschinenanordnung eine Turbine umfasst,
bei der der Ring von Leitschaufeln in der Strömungsrichtung der Turbine gesehen
der erste einer Vielzahl von Ringen ist und der Ring in dem Bereich
eines Einlasses in die Turbine angeordnet ist, wo das einströmende Gas
sehr heiß ist
und einen hohen Druck hat, und bei der die einzelnen Leitschaufeln
an zwei gegenüberliegenden
Enden an einem radial äußeren und
einem radial inneren Leitradteil befestigt sind.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Laufradmaschinenanordnung
werden aus der folgenden Beschreibung und aus den beigefügten Patentansprüchen deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Laufradmaschinenanordnung
wird im Folgenden durch ein nicht einschränkendes Beispiel und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht von der Seite ist, die eine erfindungsgemäße Laufradmaschinenanordnung
zeigt, und
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2 eine
Querschnittsansicht von der Seite eines Teils der Laufradmaschinenanordnung
ist, und
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3 eine
Seitenansicht eines Abdichtelements ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
erfindungsgemäße Laufradmaschinenanordnung
bildet eine Gasturbinenanordnung 1, was aus 1 ersichtlich
ist. Die Gasturbinenanordnung 1 umfasst einen Kompressor 2 und
eine Turbine 3. Weiterhin umfasst sie eine Brennkammer 4 eines ringförmigen Typs.
An der Brennkammer 4 ist eine Vielzahl von Brennergliedern 5 angeordnet.
Diese sind so angeordnet, dass sie in der Brennkammer 4 eine
Verbrennung verursachen, um darin ein heißes Gas zu erzeugen. Die Brennkammer 4 ist
an einem ihrer Enden mit einer Auslassöffnung versehen, durch die
das erzeugte Gas in die Turbine 3 strömen und diese antreiben kann.
Der Kompressor 2 soll hauptsächlich ein Kompressormittel,
in diesem Fall komprimierte Luft, zu den Brennergliedern 5 zuführen, die
das Kompressormittel/die Kompressorluft für ihre Verbrennungsfunktion
nutzen.
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Der
Kompressor 2, die Brennkammer 4 und die Turbine 3 sind
koaxial angeordnet und in dieser Reihenfolge miteinander verbunden.
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Der
Kompressor 2 umfasst ein Leitrad 6 und ein Laufrad 7.
Das Leitrad 6 umfasst eine Vielzahl von Leitschaufelringen 8,
die auf bekannte Art eine Vielzahl von Leitschaufeln aufweisen.
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Das
Laufrad 7 wird von einer Vielzahl von Läufern 9 gebildet,
die vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verschweißt sind. Radial
außerhalb
der Turbinenläufer 9 sind
Laufschaufeln 10 an dem entsprechenden Turbinenläufer 9 angeordnet.
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Die
Turbine 3 umfasst ein Leitrad 11 und ein Laufrad 12.
Das Laufrad 12 kann wie hier eine Vielzahl, in diesem Fall 3,
Turbinenläufer 13 aufweisen, an
denen Ringe von Laufschaufeln 14 auf an sich bekannte Art
angeordnet sind. Das Leitrad 11 umfasst Gruppen von Leitschaufeln 15,
die auf an sich bekannte Art in Reihen angeordnet sind. Die Leitschaufeln 15 in
der Reihe, die am nächsten
an der Einlassöffnung 16 der
Turbine 3 angeordnet ist, d.h. in der Leitschaufelreihe,
die am weitesten stromaufwärts liegt,
werden an gegenüberliegenden
Enden in einem radial äußeren Leitradteil 17 und
einem radial inneren Leitradteil 18 getragen. Die Leitschaufeln 15 sind
dadurch drehbar mit Zwischen-Leitschaufelstützgliedern 19, 20 verbunden,
die an dem äußeren Leitradteil 17 bzw.
dem inneren Leitradteil 18 angebracht sind.
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Zwischen
den Leitschaufelstützgliedern 19, 20 und
den entsprechenden Leitradteilen 17, 18 sind ringförmige Kammern 21, 22 angeordnet.
Die ringförmigen
Kammern 21, 22 bilden dabei einen Teil der Zufuhrglieder 23, 24,
durch die Kühlluft
in die Leitschaufeln 15 zugeführt wird. Abdichtelemente 25, 26, die
Endabschnitte der Zufuhrglieder 23, 24 bilden, sind
dabei so angeordnet, dass sie die Kühlluft von den Kammern 21, 22 den
Enden der Leitschaufeln 15 zuführen. Die Abdichtelemente 25, 26 weisen
kurze radiale Röhren
auf, die so angeordnet sind, dass sie abdichtend an den Leitschaufelstützgliedern 19, 20 und
dem Innenumfang einer entsprechenden Buchse 27, 28 anliegen,
wobei die Buchsen 27, 28 in Vertiefungen in den
entsprechenden Enden der Leitschaufeln 15 angeordnet und
an den Leitschaufeln 15 befestigt sind. Die röhrenförmigen Abdichtelemente 25, 26 weisen
in einem ihrer Enden eine ringförmige
Ausbuchtung auf, die sich um den Außenumfang des Abdichtelements 25, 26 erstreckt,
das eine gerundete, vorzugsweise kugelförmige Außenkontur hat und das so angeordnet
ist, dass es an dem Innenumfang eines Leitschaufelstützgliedes 18, 19 anliegt,
das mit dem Leitrad 11 verbunden ist und Teil von diesem
ist. An seinem gegenüberliegenden
Ende weist das Abdichtelement 25, 26 eine weitere
Ausbuchtung 31, 32 auf, die sich ebenfalls um
den Außenumfang
des Abdichtelements 25, 26 erstreckt und die eine
gerundete, vorzugweise kugelförmige
Außenkontur
aufweist und die so angeordnet ist, dass sie abdichtend an dem Innenumfang
einer Vertiefung in dem Leitschaufelende, oder genauer gesagt an
einer darin angeordneten Buchse 27, 28 anliegt.
Dank der Ausbuchtungen 29-32 kann das Abdichtelement 25, 26 bezüglich des
Leitschaufelstützglieds 19, 20 und
der Buchse 27, 28, an der es mit aufrechterhaltener
Abdichtfähigkeit
anliegt, gekippt werden. Eine solche Situation entsteht normalerweise
im Zusammenhang mit dem Temperatureinfluss der Gase auf die entsprechenden Leitradteile 17, 18 des
Leitrads 11. Dieser Temperatureinfluss verursacht eine
Verschiebung der Leitradteile 17, 18 zueinander
in axialer Richtung der Turbine 3 und daher ein Kippen
der Leitschaufeln 15, die mit den entsprechenden Leitradteilen 17, 18 verbunden
sind, in Ebenen, in denen sich die Laufradachse (x) der Laufradmaschinenanordnung,
oder genauer gesagt des Laufrads 3 erstreckt.
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Das
Kühlmittel,
das wie oben beschrieben verwendet wird, um die Leitschaufeln 15 zu
kühlen, ist
vorzugsweise Luft, die von dem Kompressor 2 abgezogen wurde
und die durch ein getrenntes, nicht genauer dargestelltes Abzugssystem
zu den Zufuhrgliedern 23, 24 und durch diese in
das Innere der Leitschaufeln 15 zugeführt wird. Die Leitschaufeln 15 sind
zu diesem Zweck hohl ausgebildet und weisen kleine Öffnungen
auf, die so angeordnet sind, dass sie das Kühlmittel weiter in den Gasströmungskanal hinaus
leiten, wenn es seinen Zweck erfüllt
hat.
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Insbesondere
findet das Kippen der Leitschaufeln 15 in einer Ebene statt,
die sich im Wesentlichen parallel zu der axialen Richtung der Turbine 3 erstreckt.
Dank der Tat sache, dass die Kontaktflächen der Abdichtelemente 25, 26 mit
dem Leitrad 11 bzw. den Leitschaufeln 15 wie oben
beschrieben im Wesentlichen tonnenförmig sind, können die
Abdichtelemente 25, 26 jedoch in alle Richtungen
gekippt werden, ohne dass verstärkt
Luft aus den Ringkammern 21, 22 in den Gasströmungskanal 33 austritt.
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Aus 3 wird
im Einzelnen deutlich, wie die kurzen röhrenförmigen Abdichtelemente 25, 26 an
ihren gegenüberliegenden
Enden mit sanft gerundeten Ausbuchtungen versehen sind. Dadurch
haben die Abdichtelemente 25, 26 ein Mittelstück 34 mit
einem etwas kleineren Außenumfang
als die sie umgebenden Ausbuchtungen 29-32.
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Es
ist hervorzuheben, dass dem Fachmann eine Reihe von Abwandlungen
und alternativen Ausführungsformen
gegenüber
der obigen, als Beispiel gezeigten Ausführungsform klar sein werden,
ohne dass der Fachmann dadurch über
den Schutzbereich der Erfindung hinausgeht, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert
ist.
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Das
Konzept der „Unabhängigkeit
von der Winkelposition" in
dieser Anmeldung bezieht sich hauptsächlich auf die Winkelpositionen,
deren Auftreten zwischen den Bauteilen einer Laufradmaschinenanordung
der beschriebenen Art zu erwarten ist, d.h. ein relativ geringes
Kippen von Leitschaufeln und Abdichtelementen.
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Mit
der bezüglich
des Leitrads drehbar angeordneten Leitschaufel ist hauptsächlich ein
Drehen als Folge der Verschiebung der äußeren und inneren Leitradteile 17, 18 zueinander,
mit denen die Leitschaufel 15 an ihren gegenüberliegenden
Enden verbunden ist, gemeint. Das Drehen der Leitschaufel sollte
deshalb nicht mit der Art herkömmlicher
Rotationsbewegung verwechselt werden, die bei einer solchen Leitschaufel
natürlich
auftreten kann. Die Verschiebung des Leitradteils 17, 18 geschieht
durch den Temperatureinfluss und vorzugsweise in der Laufradachsenrichtung
x der Turbine 3 und verursacht dabei ein Kippen der Enden
der Leitschaufel 15 bezüglich
der Leitschaufelstützglieder 19, 20,
in denen sie drehbar, d.h. kippbar angeordnet sind.