EP0118769B1 - Mehrstufige Deckbandturbine - Google Patents

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EP0118769B1
EP0118769B1 EP84101311A EP84101311A EP0118769B1 EP 0118769 B1 EP0118769 B1 EP 0118769B1 EP 84101311 A EP84101311 A EP 84101311A EP 84101311 A EP84101311 A EP 84101311A EP 0118769 B1 EP0118769 B1 EP 0118769B1
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EP
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turbine
band
shroud band
shroud
rotor
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EP84101311A
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EP0118769A3 (en
Inventor
Martin Dr.-Ing. Albers
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MTU Aero Engines GmbH
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator

Definitions

  • the invention relates to a multi-stage shroud turbine with rotor blades, which are enclosed by a shroud.
  • Multi-stage turbines are usually designed in such a way that the flow leaves the individual turbine stages with only a small swirl or without swirl.
  • the subsequent turbine stage is designed for the corresponding low-swirl flow.
  • the leakage air via the cover band seal and, if applicable, the cooling air emerging from the rotor blades have this high swirl.
  • This air mixes behind the turbine stage with the lower-swirl main flow and causes an incorrect flow against the following stator in the housing area.
  • the unused swirl of the cooling / leakage air and because of the incorrect inflow of the subsequent turbine stage there is a noticeable loss of performance.
  • Labyrinth seals for the gap between the hub and rotor of an axial flow machine are described both in German laid-open specification 20 00 314 and in US Pat. No. 35 75 523, which generate a pumping effect from the low-pressure side to the high-pressure side in order to reinforce the sealing effect.
  • the object on which the invention is based is achieved in that the leakage air flow from the gap and the cooling air flow from the rotor blades are brought together and offset in a housing (4) in the axial direction of the turbine (1) to the low-pressure side and deflected fixed grille (5) and be adapted to the main flow of the turbine before they enter a downstream stationary turbine stage (6).
  • the deflection grid is expediently a closed round belt with inner blade stubs.
  • the rear end of the shroud is advantageously designed such that it forms a contact-free seal with the closed round belt.
  • the deflection grid is preferably releasably attached to the housing.
  • the closed round belt can be composed of several segments to facilitate installation or replacement.
  • the deflection grid is arranged offset in the axial direction of the turbine with respect to the blade rotor to the low pressure side, so that the low pressure side peripheral edge of the cover band lies approximately in the axial center of the deflection grid.
  • the blade stubs can be arranged so as to be adjustable with regard to the flow.
  • the invention therefore allows the leakage air to be adapted through the shroud seal and the cooling air flow radially emerging from the rotor blades to the less swirling main flow behind the rotor blades in the area in front of a downstream turbine stage, thereby preventing an incorrect flow against the subsequent turbine stage and thereby practically no performance losses occurring.
  • the deflection grating can be dimensioned or designed to be smaller in terms of strength and weight than in the case of rotating "tip fences" according to the prior art.
  • the deflection grid causes a drop in pressure between the cover band and the housing. A larger pressure drop is available for blade cooling and the cooling efficiency is increased. It is therefore possible to reduce the cooling air quantity and / or the cooling air delivery pressure or to simplify the cooling concept of the blades.
  • the multi-stage shroud turbine 1 shown schematically in FIG. 1 is essentially designed in a known manner. In the high-pressure section, it has a blade rotor 2 with an outer shroud 3. The subsequent turbine stage (stator) is designated by reference number 6. A stationary deflection grating 5 is arranged between the shroud 3 of the blade rotor 2 and the peripheral housing 4, which is illustrated in detail in FIG. 2 in a partial section.
  • the Deflection grid has inner blade stub 7 and therefore has a stator function.
  • the deflection grid 5 - based on the axial arrangement of the turbine 1 - is arranged such that the low-pressure, radially outer peripheral edge 8 of the shroud 3 lies approximately in the axial center of the deflection grid 5 and is tightly but non-contact adjacent to the cover 10 of the blade stub 7.
  • the blade tunnels 7 according to FIG. 2 are adjusted or arranged so that the cooling air emerging radially from the blade rotor 2 and the leakage air passing through the shroud seal 9 are adapted to the less swirling main flow downstream of the blade rotor 2, so that there is no incorrect flow to the subsequent turbine stage 6 occurs.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Deckbandturbine mit Rotorschaufeln, die durch ein Deckband umschlossen sind.
  • Die Auslegung mehrstufiger Turbinen erfolgt üblicherweise derart, daß die Strömung die einzelnen Turbinenstufen jeweils mit nur geringem Drall bzw. ohne Drall verläßt. Die nachfolgende Turbinenstufe wird für entsprechende drallarme Anströmung ausgelegt. Die Leckluft über die Deckbanddichtung sowie gegebenenfalls die aus den Rotorschaufeln austretende Kühlluft besitzen dagenen hohen Drall. Diese Luft vermischt sich hinter der Turbinenstufe mit der drallarmeren Hauptströmung und verursacht im Gehäusebereich eine Fehlanströmung des nachfolgenden Leitrades. Infolge des nicht genutzten Dralls der Kühl-/Leckluft sowie wegen der Fehlanströmung der nachfolgenden Turbinenstufe treten merkliche Leistungsverluste auf.
  • Es wurde bereits versucht, dieses Problem durch sogenannte "Tip Fences" zu lösen. Dies sind kurze Schaufelstummel auf der Deckbandaußenseite, die aus der Kühl-/Leckluft einen Teil des Dralls herausnehmen und dadurch gleichzeitig zur Leistungsverbesserung nutzen. Solche Schaufelstummel am Rotor haben jedoch zur Folge, daß der Druck am Austritt der Kühlluft aus den Rotorschaufeln erhöht ist, die Schaufelkühlung also beeinträchtigt wird. Eine höhere Kühlluftmenge und/oder erhöhter Kühlluftlieferdruck wird dadurch erforderlich. Im übrigen führen die Schaufelstummel am Deckband des Rotors zu einem höheren Schaufelgewicht und damit zu erhöhten Scheibenrandlasten, verursachen also auch Festigkeitsprobleme, insbesondere deshalb, weil die Schaufelstummel sich im Betrieb zusammen mit den Rotorschaufeln hochtourig drehen.
  • Sowohl in der deutschen Offenlegungsschrift 20 00 314 als auch in der US Patentschrift 35 75 523 sind Labyrinth-Dichtungen für den Spalt zwischen Nabe und Rotor einer Axial-Strömungsmaschine beschrieben, die zwecks Verstärkung des Abdichtungseffektes eine Pumpwirkung von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite erzeugen.
  • Aufbauend auf dem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine mehrstufige Deckbandturbine mit Rotorschaufeln der eingangs genannten art zu schaffen, bei der im Betrieb praktisch keine Leistungsverluste durch Fehlanströmung der nachfolgenden Turbinenstufe auftreten, und zwar mit Hilfe einfacher Mittel, die das dynamische Laufverhalten des Rotors nicht beeeinträchtigen.
  • Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch, daß der Leckluftstrom aus dem Spalt und der Kühlluftstrom aus den Laufschaufeln zusammengeführt und in einem am Gehäuse (4) in Axialrichtung der Turbine (1) zur Niederdruckseite versetzt und fest angeordneten Gitter (5) umgelenkt und an die Hauptströmung der Turbine angepaßt werden, bevor sie in eine nachgeordnete stationäre Turbinenstufe (6) eintreten.
  • Das Umlenkgitter ist zweckmäßigerweise ein geschlossenes Rundband mit inneren Schaufelstummeln. Vorteilhafterweise ist das rückwärtige Ende des Deckbandes so ausgebildet, daß es mit dem geschlossenen Rundband eine berührungsfreie Dichtung bildet. Das Umlenkgitter ist vorzugsweise am Gehäuse lösbar befestigt. Zur Erleichterung des Einbaus bzw. des Auswechselns kann das geschlossene Rundband aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein.
  • Des weiteren kann in erfindundsgemäßer Weiterbildung vorgesehen sein, daß das Umlenkgitter in Axialrichtung der Turbine bezüglich des Schaufelrotors zur Niederdruckseite hin versetzt angeordnet ist, so daß die niederdruckseitice Umfangskante des Deckbands etwa in der Axialmitte des Umlenkgitters liegt.
  • Die Schaufelstummel können hinsichtlich der Anströmung verstellbar angeordnet sein.
  • Durch die Erfindung kann mithin die Leckluft durch die Deckbanddichtung und die aus den Rotorscnaufein radial austretende Kühlluftströmung an die drallärmere Hauptströmung hinter den Rotorschaufeln im Bereich vor einer nachgeordneten Turbinenstufe angepaßt werden, wodurch eine Fehlanströmung der nachfolgenden Turbinenstufe verhindert wird und dadurch praktisch keine Leistungsverluste auftreten. Das Umlenkgitter kann hinsichtlich Festigkeit und Gewicht geringer dimensioniert bzw. ausgestaltet werden als bei rotierenden "Tip Fences" nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus verursacht das Umlenkgitter ein Absinken des Druckes zwischen Deckband und Gehäuse. Für die Schaufelkühlung steht somit ein größeres Drückgefälle zur Verfügung, die Kühleffektivität wird erhöht. Es ist daher möglich, die Kühlluftmenge und/oder den Kühlluftlieferdruck abzusenken bzw. das Kühlkonzept der Schaufeln zu vereinfachen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt
    • Fig. 1 einen axialen schematischen Teilschnitt durch eine mehrstufige Deckbandturbine, und
    • Fig. 2 einen schematischen Schnitt längs der Linie A-A der Fig 1.
  • Die schematisch in Fig. 1 dargestellte mehrstufige Deckbandturbine 1 ist im wesentlichen in bekannter weise konzipiert. Sie besitzt im Hochdruckabschnitt einen Schaufelrotor 2 mit äußerem Deckband 3. Die nachfolgende Turbinenstufe (Leitrad) ist mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet. Zwischen dem Deckband 3 des Schaufelrotors 2 und dem Umfangsgehäuse 4 ist ein stationäres Umlenkgitter 5 angeordnet, das im Teilschnitt im einzelnen in Fig. 2 veranschaulicht ist. Das Umlenkgitter besitzt innere Schaufelstummel 7 und hat mithin Leitradfunktion. Insbesondere ist das Umlenkgitter 5 - bezogen auf die Axialanordnung der Turbine 1 - so angeordnet, daß die niederdruckseitige radial äußere Umfangskante 8 des Deckbands 3 in etwa in axialer Mitte des Umlenkgitters 5 liegt und dicht, jedoch berührungsfrei an die Abdeckung 10 der Schaufelstummel 7 angrenzt. Die Schaufelstunmel 7 gemäß Fig. 2 sind so angestellt bzw. angeordnet, daß die aus dem Schaufelrotor 2 radial außen austretende Kühlluft und die durch die Deckbanddichtung 9 durchtretende Leckluft an die drallärmere Hauptströmung nach dem Schaufelrotor 2 angepaßt wird, so daß keine Fehlanströmung der nachfolgenden Turbinenstufe 6 eintritt.

Claims (7)

1. Mehrstufige Turbine, insbesondere Gasturbine, Gehäuse und einem darin umlaufenden Rotor der beschaufelte Rotorscheiben (2) aufweist, die von einem Deckband(3) umschlossen und stationären Stufen (6) mit Leitschaufeln im Gehäuse (4) benachbart sind, wobei wenigstens in der ersten Stufe die Laufschaufeln einer Rotorscheibe von Kühlluft radial nach außen durchströmt werden und die Kühlluft über das Deckband (3) in den Spalt zwischen Rotor (2) und Gehäuse (4) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Leckluftstrom aus dem Spalt und der Kühlluftstrom aus den Laufschaufeln zusammengeführt und in einem am Gehäuse (4) in Axialrichtung der Turbine (1) zur Niederdruckseite versetzt und fest angeordneten Gitter (5) umgelenkt und an die Hauptströmung der Turbine angepaßt werden, bevor sie in eine nachgeordnete stationäre Turbinenstufe (6) eintreten.
2. Deckbandturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkgitter (5) ein geschlossenes Rundband mit inneren Schaufelstummeln (7) ist.
3. Deckbandturbine nach anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende des Deckbandes (3) so ausgebildet ist, daß es mit dem geschlossenen Rundband eine berührungsfreie Dichtung bildet.
4. Deckbandturbine nach den ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkgitter (5) am Gehäuse(4) lösbar befestigt ist.
5. Deckbandturbine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Rundband aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist.
6. Deckbandturbine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkgitter (5) in Axialrichtung der Turbine (1) bezüglich des Schaufelrotors (2) zur Niederdruckseite hin soweit versetzt angeordnet ist, daß die niederdruckseitige Umfangskante (8) des Deckbands (3) etwa in der Axialmitte des Umlenkgitters (5) liegt.
7. Deckbandturbine nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelstummel (7) hinsichtlich der Anströmung verstellbar angeordnet sind.
EP84101311A 1983-03-08 1984-02-09 Mehrstufige Deckbandturbine Expired EP0118769B1 (de)

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EP0118769A2 EP0118769A2 (de) 1984-09-19
EP0118769A3 EP0118769A3 (en) 1985-04-24
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