EP0261460B1

EP0261460B1 - Turbomaschine mit transsonisch durchströmten Stufen

Info

Publication number: EP0261460B1
Application number: EP87112792A
Authority: EP
Inventors: Jean Dr. Hourmouziadis
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1986-09-20
Filing date: 1987-09-02
Publication date: 1992-06-24
Anticipated expiration: 2007-09-02
Also published as: DE3632094A1; DE3779982D1; DD265444A1; US4836745A; EP0261460A2; EP0261460A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit transsonisch durchströmten Stufen und mit einer Vorrichtung zum Druckausgleich von durch Verdichtungsstöße entstehenden Druckgradienten. Eine Turbomaschine dieser Gattung ist aus der DE-A 31 27 214 offenbart.
Bei transsonisch durchströmten Gasturbinen (Einströmgeschwindigkeit beim Leitrad im Unterschallbereich mittlere Ausströmgeschwindigkeit an der Leitradhinterkante im transsonischen Bereich (M 0.8) stellen sich bei Abströmung mit hohen Mach-Zahlen M an der Hinterkante des Leitrads ein oder mehrere Verdichtungsstöße ein. Diese Verdichtungsstöße erzeugen mit der Teilung der Schaufeln periodische Druckgradienten, die um ein Vielfaches größer sind als im Unterschallbereich (M 0.8).
Befinden sich außerhalb des Strömungskanals der Gasturbine Hohlräume, so erfolgt an Stellen hohen Drucks ein Einströmen des Gases in die Hohlräume; an Stellen niedrigen Drucks ein Herausströmen. Es stellt sich in jeder Teilung am radial äußeren und inneren Rand des Strömungskanals eine zirkulierende Strömung ein. Diese stört in nachhaltiger Weise die Hauptströmung, erhöht die Verluste und verschlechtert den Wirkungsgrad der Gasturbine. Von Nachteil ist ferner, daß bei einem Einströmen von Heißgas in Hohlräume die Temperatur der Bauteile erhöht wird, wodurch die Festigkeit und damit die Lebensdauer verringert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bei einer Turbomaschine der eingangs genannten Art auftretenden vorgenannten Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine zirkulierende Strömung zwischen den Schaufeln in jeder Teilung an der Hinterkante des Vorleitgitters zu verhindern bzw. zu minimieren.
Erfindungsgmäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung im Bereich eines stationären Vorleitgitters zumindest eine überdem Umfang sich erstreckende nabenseitig angeordnete Beruhigungskammer vorgesehen ist, die zum nachfolgenden Laufrad hin eine Umfangsöffnung aufweist, welche zusammen mit einem radial ausgerichteten Dichtungsflansch des Laufrades eine radial äußere und eine radial innere über den Umfang verlaufende Drosselstelle ausbildet. Durch die Anordnung einer Beruhigungskammer mit Drosselstellen zum Hauptströmungskanal im Bereich des Vorleitgitters können Verdichungsstöße, die sich stromabwärts des Vorleitgitters einstellen, in ihrer unerwünschten Wirkung eines Druckstoßes abgemildert werden.
Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß die aufgrund der Verdichtungsstöße auftretenden zirkulierenden Strömungen unterbunden werden, und auf diese Weise sowohl Strömungsverluste verringert werden, als auch die thermische Beanspruchung von Bauteilen durch ein die Hohlräume eindringendes Heißgas herabgesetzt wird.
Was die in der gattungsbildenden Druckschrift DE-A 3 127 214, insbesondere deren Fig. 10 - 12, offenbarte Anordnung anlangt, so handelt es sich zwar dort um Ausgleichsvorrichtungen, die eine Dämpfung über Sekundärvolumina vorsehen, weder ist jedoch in dieser Druckschrift die Positionierung der Beruhigungskammer im Bereich des Vorleitgitters offenbart, noch die Ausbildung der Verbindung zwischen Beruhigungskammer und Hauptströmungskanal.
Aus der FR-A 2 490 722 ist eine Turbomaschine bekannt, bei der zur Vermeidung des Einströmens von Heißgas in Hohlräume der Hauptströmungskanal abgedichtet ist. Die auf Seite 3, Zeilen 31 - 35 dieser Druckschrift angesprochenen Dichtungen können einen Hinweis darauf, wie ein im Hauptströmungskanal entstehender Verdichtungsstoß in seiner Wirkung abgemildert werden könnte, nicht geben, da sie sich lediglich auf die Abdichtung einer Kühlluftströmung gegenüber der Heißgasströmung in einem Hauptströmungskanal beziehen.
Zweckmäßigerweise ist jede der beiden Umfangsdichtungen als Labyrinthdichtung ausgebildet. Diese Maßnahmen verhindern, daß durch den Spalt zwischen rotierenden und stehenden Teilen Heißgas in die radial innen liegenden Hohlräume eindringt und eine dadurch entstehende zirkulierende Strömung die Hauptströmung behindert.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Turbomaschine die Vorrichtung zum Druckausgleich einen im Gehäuse im Bereich eines Leitgitters angeordneten Ringraum mit einer Verbindung zur Hauptströmung hin umfaßt, wobei die Verbindung mittels eines Sperrgliedes als Drosselstelle ausgebildet ist.
Der Ringraum wird vorzugsweise mit Füllmaterial wie Metall- oder Mineralwolle, -faser, -gewebe, -schaum, aufgefüllt. Der lose Verschluß ermöglicht zwar einen Druck- und einen Temperaturausgleich, verhindert jedoch eine nennenswerte Gasströmung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigeführten Zeichnungen mit Erläuterung des Standes der Technik näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1: zwei benachbarte Leitschaufeln des Leitgitters einer Turbomaschine im Schnitt mit schematischer Darstellung von Verdichtungsstößen an der Hinterkante,
Fig. 2: eine schematische Darstellung des durch die Verdichtungsstöße längs A-A der Fig. 1 erzeugten Druckgradienten,
Fig. 3: einen Teilaxialschnitt einer Gasturbine mit zirkulierender Strömung C zwischen Vorleitgitter und Laufrad nach dem Stand der Technik,
Fig. 4: die zirkulierende Strömung C gemäß Fig. 3 innerhalb einer Schaufelteilung,
Fig. 5: nabenseitige Beruhigungskammer zwischen stehenden und rotierenden Teilen, gesehen in einem schematischen Teilaxialschnitt einer Gasturbine mit Vorleitgitter und Laufrad und
Fig. 6: radial außen liegender Ringraum an stehenden Teilen im Bereich des Gehäuses einer Turbine, gesehen in einem Teilaxialschnitt ähnlich der Fig. 5.

In den Fig. 1 bis 4 ist der Effekt der zirkulierenden Strömung C innerhalb einer Teilung t der Schaufeln 19, 20 im Bereich der Schaufelhinterkante 18 nach dem Stand der Technik dargestellt.
Bei transsonisch durchströmten Gasturbinen 1 (Schaufeleintrittsgeschwindigkeit im Unterschallbereich; Schaufelabströmgeschwindigkeit im transsonischen Bereich) stellen sich bei Abströmung insbesondere bei hohen Mach-Zahlen M an der Hinterkante 18 eine oder mehrere Verdichtungsstöße 3 gemäß Fig. 1 ein. Diese Verdichtungsstöße 3 erzeugen mit der Teilung t periodische Druckgradienten 4, die um ein Vielfaches größer sind als im Unterschallbereich.
Befinden sich beispielsweise gemäß Fig. 3 außerhalb des eigentlichen Strömungskanals Ringräume 14 im Bereich der Gehäusewand, so erfolgt an Stellen hohen Drucks ein Einströmen B in diese Ringräume 14 hinein, an Stellen niedrigen Drucks ein Herausströmen D, wie dies insbesondere der Fig. 4 zu entnehmen ist. Es stellt sich mithin in jeder Teilung am radial äußeren und inneren Rand des Strömungskanals eine zirkulierende Strömung C ein. Dies hat zur Folge, daß das zirkulierende Gas am Rand des Kanals die Hauptströmung stört, die Verluste erhöht und den Wirkungsgrad der Gasturbine 1 verschlechtert. Darüber hinaus erhöht das Einströmen von Heißgas in die Ringräume 14 die Temperatur der Bauteile, wodurch die Festigkeit und damit die Lebensdauer verringert werden.
Durch die Erfindung wird eine Druckausgleichsvorrichtung 2 zum Ausgleich der durch Verdichterungsstöße 3 entstehenden Druckgradienten 4 über dem Umfang hinter dem Laufrad 9 an Nabe und/oder Gehäuse 6 vorgeschlagen, wie dies insbesondere den Fig. 5 und Fig. 6 zu entnehmen ist.
Die Druckausgleichsvorrichtung 2 gemäß Fig. 5 besteht insbesondere aus einer Beruhigungskammer 8, welche sich in Umfangsrichtung des Vorleitgitters 5 an radial innerer Stelle mit einer Umfangsöffnung nach hinten zum nachfolgenden Laufrad 9 erstreckt, wobei die Umfangsöffnung mit einem radial ausgerichteten Dichtungsflansch 10 des Laufrades 9 abgedeckt ist. Der Dichtungsflansch 10 ist am Laufrad 9 über einen Axialflansch 11 befestigt und sieht an radial innerer Stelle eine Labyrinthdichtung 13 und an radial äußerer Stelle der Umfangsöffnung eine Labyrinthdichtung 12 vor.
Die zirkulierende Strömung C nach dem Stand der Technik erfolgt über die radial äußere Labyrinthdichtung 12. In der Beruhigungskammer 8 erfolgt dann ein gewisser Druckausgleich in Umfangsrichtung, wodurch es wieder ermöglicht wird, mit einem nur geringfügig erhöhten Gegendruck im Innenraum 7 das Einströmen von Heißgas über die untere Labyrinthdichtung 13 zu verhindern. Vorgenannte Druckgleichsvorrichtung findet sich zwischen stehendem und rotierendem Teil der Turbine.
Un eine zurkulierende Strömung C in stationären Ringräumen 14 des Gehäuses 6 der Gasturbine 1 zu verhindern, werden die Ringräume 14 zwischen stehenden Teilen, die aus anderen Gründen erforderlich sind, gegen die Hauptströmung abgedichtet, und zwar mit Hilfe von Sperrgliedern 15, beispielsweise in Form von Winkelprofilen, welche die Öffnung 16 als Drosselstelle ausbilden. Um den Widerstand für die zirkulierende Strömung C zu erhöhen, werden die Ringräume 14 mit Füllmaterial 17 gefüllt, wie z. B. Metall- oder Mineralwolle, -faser, -gewebe, -schaum. Füllmaterial 17 und Sperrglied 15 ermöglichen gleichwohl einen Druckausgleich und einen Temperaturausgleich im Ringraum 14.

Claims

Turbomaschine mit transsonisch durchströmten Stufen und mit einer Vorrichtung zum Druckausgleich von durch Verdichtungsstöße entstehenden Druckgradienten, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich eines stationären Vorleitgitters (5) zumindest eine über dem Umfang sich erstreckende nabenseitig angeordnete Beruhigungskammer (8) vorgesehen ist, die zum nachfolgenden Laufrad (9) hin eine Umfangsöffnung aufweist, welche zusammen mit einem radial ausgerichteten Dichtungsflansch (10) des Laufrades (9) eine radial äußere und eine radial innere über den Umfang verlaufende Drosselstelle ausbildet.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Umfangsdrosselstellen als Labyrinth (12 bzw. 13) ausgebildet ist.
Turbomaschine mit transsonisch durchströmten Stufen und mit einer Vorrichtung zum Druckausgleich von durch Verdichtungsstöße entstehenden Druckgradienten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Druckausgleich einen im Gehäuse (6) im Bereich eines Leitgitters (5) angeordneten Ringraum (14) mit einer Verbindung zur Hauptströmung hin umfaßt, wobei die Verbindung mittels eines Sperrgliedes (15) als Drosselstelle ausgebildet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (14) mit Füllmaterial (17) wie Metall- oder Mineral- -wolle, -faser, -gewebe, oder -schaum, gefüllt ist.