EP1515000A1 - Beschaufelung einer Turbomaschine mit konturierten Deckbändern - Google Patents

Beschaufelung einer Turbomaschine mit konturierten Deckbändern Download PDF

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EP1515000A1
EP1515000A1 EP03103323A EP03103323A EP1515000A1 EP 1515000 A1 EP1515000 A1 EP 1515000A1 EP 03103323 A EP03103323 A EP 03103323A EP 03103323 A EP03103323 A EP 03103323A EP 1515000 A1 EP1515000 A1 EP 1515000A1
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EP
European Patent Office
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recess
contouring
blades
shrouds
shroud
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EP03103323A
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English (en)
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Ralf Dr. Greim
Said Dr. Havakechian
Axel Dr. Pfau
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Technology AG
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    • F05D2250/70—Shape

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine whose blading shrouds has, and in particular cavities, in which protrude the shrouds.
  • the blading is for the purpose of containment of Vibrations with shrouds that ring all Connect blade tips of a row of blades. They will both at Blades as well as used on vanes.
  • To one Leakage flow, which flows past the shrouds as small as possible are in the machine inner housing as well as in the shaft recesses or Cavities formed into which the shrouds of the blades or the Protrude vanes.
  • the leakage flow will continue through Labyrinth seals in the cavities limited.
  • Such labyrinth seals are For example, in Figure 1 of this application is shown. She shows you one Detail of a turbomachine, in particular of a blade 1 and her adjacent vanes 2a, 2b.
  • the blade 1 is covered with a shroud. 3 provided in a recess or cavity 4 of the inner housing 5 of the Machine protrudes.
  • a corresponding shroud of a vane protrudes into a similar recess in the shaft.
  • a labyrinth seal arranged for the purpose of curbing Leakage flows, which are indicated by an arrow 6 and outside the Main or working flow 7 between shroud 3 of the blade 1 and Inner housing flows through, is in the cavity 4, a labyrinth seal arranged.
  • This seal consists primarily of a plurality of sealing strips 8, extending from the wall of the inner housing radially inward toward the shroud extend.
  • the shroud 3 with steps in radial Direction designed, the shroud over its circumference a constant Form has.
  • the leakage flow 6 flows through an inlet region into the Cavity 4, between the sealing strip and the shroud through and over a Exit area back to the main flow 7 of the turbomachine.
  • Entry and exit areas result in mixing operations between Leakage flow and main flow, which among other things the main and Disturb working flow and cause power losses.
  • US 4,662,820 to Sasada et al. discloses a labyrinth seal with a gradually designed shroud and several sealing strips.
  • the cavity, in which the shroud protrudes is through inserts 12, 12a or shapes 15,15b formed the inner housing wall.
  • the cavity has thereby in axial and / or radial direction of a changing shape, wherein their shape is constant in the circumferential direction.
  • the stakes serve to close the room reduce, through which a leakage current can flow and thereby the performance to increase the machine.
  • a turbomachine includes blades and vanes each secured in a row of blades to a shaft or inner casing, at least one blade row and at least one row of guide blades each being provided with a shroud.
  • the inner housing and the shaft have cavities into which the shrouds protrude.
  • the cavities, the shrouds or both the cavities and the shrouds have a contouring or a changing profile in the circumferential direction.
  • the contouring consists of periodically repeating elevations and depressions, which are thus uniformly distributed over the circumference and each of the same extent.
  • the contouring has a wavelength, that is a profile section, which repeats itself in the circumferential direction several times.
  • this wavelength is equal to a fraction of the circumferential length of the cavity wall, that is to say the circumferential length either along the inner housing wall or the shaft.
  • the wavelength is equal to a fraction of the circumferential length of this shroud. More specifically, the wavelength corresponds to the circumferential length of the cavity wall or the shroud divided by the simple number of blades or by an integer multiple of the number of blades in the blade row, which is adjacent to the cavity or which is associated with the shroud.
  • a erfingundsgem contouring causes a pressure field, which counteracts stationary and unsteady pressure fields, which would otherwise generate the losses.
  • These are pressure fields created by the presence of the blades together with the absence of vanes between the rows of blades by creating stagnation points at the leading blade edges and blade trailing edges.
  • These pressure fields not only act in the main flow field, but also in the region of the labyrinth in the case of the blade cover strip and in particular in the area of the leakage flow entry in the cavity and the leakage flow exit from the cavity.
  • the mixing operations between the main and leakage flow are reduced and thus also reduces the friction and mixing losses caused by the mixing operations.
  • the elevations or depressions of the respective cavity wall and / or the shroud are positioned such that the maxima of those pressure fields which are produced by the adjacent rows of blades are attenuated and the pressure minima between the rows of blades are compensated by increased pressure ,
  • the cavities are both cavities on the inner housing, in which protrude the shrouds of the vanes, as well as to cavities the shaft into which the shrouds of the blades protrude.
  • the Pressure ratios are comparable in both cases.
  • the wavelengths of the contours are matched to the pressure fields, which they compensate. More concretely are their wavelengths according to the Number of blades in a row of blades determined.
  • a contouring a cavity wall has a wavelength equal to the circumferential length of the Cavity divided by the number of blades or by an integer Many times the number of blades in the row of blades, the contouring Upstream or downstream is closest.
  • a contouring of a Deckbands it has a wavelength equal to the circumferential length of the cavity divided by the number of blades or by an integer multiple of the Number of blades in the row of blades that belongs to the shroud.
  • a first preferred embodiment of the invention is the Contouring on the axially extending walls of a cavity, wherein the Elevations and depressions of the contouring extend in the radial direction, that means radially inward or radially outward.
  • the contouring In the case of a shroud cavity in the Area of a blade is the contouring as elevations and depressions to understand the inner casing wall; in the case of a shroud cavity in Area of a vane is as elevations and depressions on the shaft to understand.
  • the contouring extends over the entrance area or over the exit area of the cavity or over both areas. Of the Entry area is the area of the recess in the flow direction up to first sealing strip, the exit area is the area of the recess the last sealing strip in the flow direction.
  • a contouring in the Entry area and / or the exit area is preferred, wherein in others Parting the cavity or in the entire cavity contouring as well is feasible.
  • a contouring in the inlet region of the cavity has a Wavelength, which is adjacent to the number of blades in the upstream lying blade row is tuned.
  • a contouring in the exit area of the Cavity has a wavelength that depends on the number of blades in the downstream is matched adjacent blade row.
  • a second preferred embodiment of the invention is the Contouring on the radially extending walls of a cavity, wherein the Elevations and depressions of the contour extend in the axial direction, the means in direction or opposite direction of the mainstream.
  • the wavelengths are determined analogously to the first embodiment of the invention. This means that the contour in the entrance area has a wavelength that corresponds to the Number of blades in the upstream row of blades is tuned, and a contour in the exit region of the cavity has a Wavelength, which is adjacent to the number of blades in the downstream lying blade row is tuned.
  • the shrouds are contoured, with the Elevations and depressions in the radial direction in and out extend.
  • the shrouds are both stationary and rotating parts with a provided according to the invention contour.
  • This contouring of the shroud additionally compensates for those pressure fields caused by the Blade row are generated, which belongs to the shroud. Accordingly, the Wavelength of such contouring on the number of blades in this Vane row matched.
  • the shroud side walls or - contoured front walls wherein the elevations and depressions in axial Extending direction, that is in the direction of the mainstream or in the Opposite direction.
  • both stationary and rotating parts are with provided a contour according to the invention.
  • the wavelengths of Contours are in turn tuned to the pressure fields that they balance, and are tuned to the number of blades of that row that the Heard coverband.
  • Variants of the invention have any combinations of the four mentioned Versions on, by which the effect of the pressure equalization is further increased.
  • a contour has an arbitrary, periodically repeating shape, the generates a pressure gradient.
  • a preferred shape is a waveform, such as for example, a sinusoidal shape.
  • Other possible shapes are step shapes like Box shapes, triangular shapes, sawtooth or sawtooth-like shapes.
  • the amplitude of the contouring ie the maximum extent of the Elevations and depressions starting from a midline between the Extreme points of the contour, is chosen so that the curvature of the contour is sufficiently pronounced to produce correspondingly high pressure gradients, which can balance the pressure fields.
  • FIG. 2 a shows the same section of a turbomachine as in FIG. 1.
  • the cavity 4 has contouring 10 and 11 here Cavity walls according to the first embodiment of the invention. They are located in this embodiment in the inlet region 12 and outlet region 13 the cavity 4.
  • the view shows a section through the contouring at the height their surveys.
  • the contouring is in the version shown here in Entry area equal to the contouring in the exit area of the cavity.
  • In further Designs can be the contouring in the entry area of those in the Differ exit area. This can be for example inclined Canal walls will be the case.
  • contours 10 and 11 are made of solid parts that differ from the original inner housing wall radially inwardly toward the shroud 3 out extend. They are by appropriate shaping of the inner housing as integral part of the inner housing wall or by post-processing of the cavity feasible by mounting insert rings. The use of insert rings also allows retrofitting an existing machine.
  • the shroud 3 has a contour with elevations 14 and 15 which extend in the radial direction to the contouring 10, 11 out.
  • the contouring 10 in the inlet region 12 compensates in the circumferential direction for the pressure fields of the blade row with blades 2a.
  • the contouring 11 in the exit region 13 compensates for the pressure fields of the blade row with blades 2b.
  • Figure 2b shows a view of the machine along its shaft axis in the direction of the main flow.
  • the blades 2a and the contouring 10 in the inlet region of the cavity in the circumferential direction are shown. They have a waveform with a wavelength L 1 equal to the total circumferential length divided by the number of blades 2a of the upstream blade row or the distance between two adjacent stator blades 2a.
  • the wavelength L 1 may also be equal to the circumferential length divided by an integer multiple of the mentioned number of blades, that is to say only half or a quarter of this size.
  • the contouring 11 in the exit region of the cavity has a wavelength corresponding to the number of blades 2b of the downstream blade row. Therefore, the wavelengths of contouring 10 and 11 may be different.
  • the wavelengths of the shroud contour 14 in the inlet region 12 and the shroud contour 15 in the exit region 13 are determined (analogously to the wavelengths of the contours 10 and 11) in accordance with the number of rotor blades 1.
  • the maxima of the elevations of the contouring 10 are in With respect to the upstream vanes 2a positioned to the Optimize pressure compensation as much as possible. Accordingly, in the exit area 13 the maxima of the elevations of the contour 11 with respect to the downstream lying guide vanes 2b positioned. (The positioning of the maxima and their amplitudes are described in more detail below using the example according to FIG. 3b shown.)
  • FIG. 3a shows a section of a Turbomachine according to Figures 1 and 2a, wherein like reference numerals are used for the same machine parts.
  • the second embodiment of Invention is a contouring on the radially extending wall of the Cavity 4 in the form of elevations and depressions 20 in the inlet region 12th and elevations and depressions 21 in the exit area 13
  • Contours 20 and 21 are in this example as an insert ring with realized wave-shaped contour, which is attached to the inner housing wall. Alternatively, they can also be an integral part of the cavity.
  • the end faces of the shroud 3 are also provided with a contouring 22 in the inlet region 12 and a contouring 23 in the outlet region 13. Again, these can be realized by integral shaping of the shroud or by mounting a correspondingly shaped and attached to the shroud ring.
  • FIG. 3b shows the waveform of the contouring 20-23 of FIG. 3a in the circumferential direction by projection of the cavity 4 onto a surface.
  • the wavelength L1 of the contour 20 at the radially extending cavity wall in the inlet region here is equal to the distance between two adjacent blades 2a of the upstream blade row or equal to the total circumference of the cavity divided by the number of blades.
  • the wavelength L2 of the contour 21 in the exit region of the cavity is equal to the distance between two adjacent blades 2b of the downstream row of blades. Accordingly, the wavelength L3 of the contours 22 and 23 at the shroud end faces is equal to the distance between two adjacent blades 1, to which the shroud belongs.
  • the largest survey of the waveforms of all contours are at the height of the blades, to which the contour is tuned.
  • the contours each have an amplitude A equal to the extent an elevation or depression is starting from a midline between Elevation and center line.
  • the amplitude is in a predetermined ratio to the original cavity height of the inlet region 12.
  • the amplitudes A of the Elevations and depressions on the shrouds are also in one predetermined ratio to the original axial distance between shroud and cavity wall.
  • Figure 4 shows another possible shape of the contour applied to the Cavity contour of Figure 3a.
  • a waveform owns the contour here a rounded sawtooth 20 ', 21', 22 ', 23', wherein the position of the Maxima of the sawtooth shape 20 'to the position of the blades 2a of the upstream adjacent blade row, those of the contour 21 'on the position of the blades 2b of the downstream row of blades, and those of the contour 22 'and 23' the position of the blades 1 are tuned.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Eine Turbomaschine weist an ihrem Innengehäuse (5) sowie an ihrer Welle Aussparungen auf, in welche Deckbänder von Laufschaufeln bzw. von Leitschaufeln (2a) hineinragen. Die Aussparungen sind mit wellenförmigen Konturierungen (10) ausgebildet, die sich über ihren Umfang erstreckt. Die Konturierung (10) erstreckt sich über axial verlaufende Bereiche der Aussparung und besteht aus periodischen Erhebungen und Vertiefungen (14,15) in radialer Richtung. Sie sind auch an den radial verlaufenden Bereichen der Aussparung sowie an den Deckbändern realisierbar. Die wellenförmigen Konturierungen dienen dazu, bestehenden Druckfeldern entgegenzuwirken und Leistungsverluste aufgrund von Mischvorgängen zwischen Leckage- und Hauptströmung zu verringern. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, deren Beschaufelung Deckbänder aufweist, und insbesondere Kavitäten, in welche die Deckbänder hineinragen.
Stand der Technik
In Turbomaschinen ist die Beschaufelung zwecks Eindämmung von Schwingungen mit Deckbändern versehen, die ringförmig sämtliche Schaufelspitzen einer Schaufelreihe verbinden. Sie werden sowohl bei Laufschaufeln als auch bei Leitschaufeln angewendet. Um eine Leckageströmung, die an den Deckbändern vorbeiströmt möglichst klein zu halten, sind im Maschinen-Innengehäuse sowie in der Welle Aussparungen oder Kavitäten gebildet, in welche die Deckbänder der Laufschaufeln bzw. der Leitschaufeln hineinragen. Die Leckageströmung wird weiter durch Labyrinthdichtungen in den Kavitäten begrenzt. Solche Labyrinthdichtungen sind zum Beispiel in Figur 1 dieser Anmeldung dargestellt ist. Sie zeigt einen Ausschnitt einer Turbomaschine, insbesondere von einer Laufschaufel 1 und ihr benachbarten Leitschaufeln 2a, 2b. Die Laufschaufel 1 ist mit einem Deckband 3 versehen, das in eine Aussparung oder Kavität 4 des Innengehäuses 5 der Maschine hineinragt. Ein entsprechendes Deckband einer Leitschaufel ragt in eine ähnliche Aussparung in der Welle. Zwecks Eindämmung von Leckageströmungen, die mit einem Pfeil 6 angedeutet sind und ausserhalb der Haupt- oder Arbeitsströmung 7 zwischen Deckband 3 der Laufschaufel 1 und Innengehäuse hindurchströmt, ist in der Kavität 4 eine Labyrinthdichtung angeordnet. Diese Dichtung besteht in erster Linie aus mehreren Dichtstreifen 8, die sich von der Wand des Innengehäuses radial einwärts zum Deckband hin erstrecken. Zusätzlich ist beispielsweise das Deckband 3 mit Stufen in radialer Richtung ausgestaltet, wobei das Deckband über seinen Umfang eine konstante Form aufweist. Die Leckageströmung 6 strömt über einen Eintrittsbereich in die Kavität 4, zwischen den Dichtstreifen und dem Deckband hindurch und über einen Austrittsbereich zurück zur Hauptströmung 7 der Turbomaschine. In den Ein- sowie Austrittsbereichen ergeben sich Mischungsvorgänge zwischen Leckageströmung und Hauptströmung, welche unter anderem die Haupt- und Arbeitsströmung stören und Leistungsverluste verursachen.
US 4,662,820 von Sasada et al. offenbart eine Labyrinthdichtung mit einem stufenweisen ausgestalteten Deckband und mehreren Dichtstreifen. Die Kavität, in die das Deckband hineinragt, ist durch Einsätze 12, 12a oder Formgebungen 15,15b der Innengehäusewand ausgebildet. Die Kavität besitzt dadurch in axialer und/oder radialer Richtung eine sich verändernde Form, wobei ihre Formgebung in Umfangsrichtung konstant ist. Die Einsätze dienen dazu, den Raum zu verkleinern, durch den ein Leckagestrom strömen kann und dabei die Leistung der Maschine zu steigern.
Darstellung der Erfindung
Es ist der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Turbomaschine zu schaffen, bei der die Leistungsverluste aufgrund von Mischungsvorgängen zwischen Leckage- und Hauptströmung verringert sind.
Eine Turbomaschine weist Laufschaufeln und Leitschaufeln auf, die jeweils in Schaufelreihen an einer Welle bzw. einem Innengehäuse befestigt sind, wobei mindestens eine Laufschaufelreihe sowie mindestens eine Leitschaufelreihe jeweils mit einem Deckband versehen ist. Das Innengehäuse und die Welle weisen Kavitäten auf, in welche die Deckbänder hineinragen. Erfindungsgemäss weisen die Kavitäten, die Deckbänder oder sowohl die Kavitäten als auch die Deckbänder eine Konturierung oder ein sich veränderndes Profil in der Umfangsrichtung auf.
Die Konturierung besteht aus sich periodisch wiederholenden Erhebungen und Vertiefungen, die also über den Umfang gleichmässig verteilt und jeweils von gleichem Ausmass sind. Die Konturierung besitzt dabei eine Wellenlänge, das heisst einen Profilabsschnitt, der sich in Umfangsrichtung mehrfach wiederholt. Diese Wellenlänge ist im Fall der Konturierung der Kavität gleich einem Bruchteil der Umfangslänge der Kavitätswand, das heisst der Umfangslänge entweder entlang der Innengehäusewand oder der Welle. Im Fall der Konturierung eines Deckbandes ist die Wellenlänge gleich einem Bruchteil der Umfangslänge dieses Deckbandes. Genauer entspricht die Wellenlänge jeweils der Umfangslänge der Kavitätswand bzw. des Deckbands dividiert durch die einfache Schaufelanzahl oder durch ein ganzzahliges Vielfaches der Schaufelanzahl in der Schaufelreihe, welche der Kavität benachbart ist bzw. die dem Deckband zugehörig ist.
Eine erfingundsgemässe Konturierung bewirkt ein Druckfeld, das stationären und instationären Druckfeldern entgegenwirkt, welche sonst die Verluste generieren würden. Es handelt sich hier um Druckfelder, die durch die Präsenz der Schaufeln zusammen mit dem Fehlen von Schaufeln zwischen den Schaufelreihen entstehen, indem an den Schaufelvorderkanten und Schaufelhinterkanten Staupunkte erzeugt werden. Diese Druckfelder wirken nicht nur im Hauptströmungsfeld, sondern auch im Bereich des Labyrinths beim Schaufeldeckband und insbesondere im Bereich des Leckageströmungseintritts in der Kavität und des Leckageströmungsaustritts aus der Kavität. Durch die Wechselwirkung dieser Druckfelder entsteht ein Austausch zwischen der Haupt- und Leckageströmung, wobei in den Labyrinthkavitäten in Umfangsrichtung Strömungen in Richtung des Labyrinths sowie Strömungen in Richtung der Hauptströmung bewirkt werden. Diese Strömungen führen zu Mischungsvorgängen, welche Leistungsverluste generieren.
Das neue, durch die Konturierung einer Kavitätswand oder eines Deckbandes bewirkte Druckfeld gleicht in Umfangsrichtung die Druckfelder jener Schaufelreihe aus, die der Kavität stromauf oder stromab am nächsten benachbart ist. Das Druckfeld, das durch die Konturierung eines Deckbands erzeugt wird, gleicht in Umfangsrichtung die Druckfelder jener Schaufelreihe aus, die dem Deckband zugehört. Dadurch werden die Mischvorgänge zwischen der Haupt- und Leckageströmung verringert und somit auch die durch die Mischvorgänge bedingten Reibungs- und Mischungsverluste vermindert.
Um diese Wirkung optimal zu erzielen sind die Erhebungen bzw. die Vertiefungen der jeweiligen Kavitätswand und /oder des Deckbands so positioniert, dass die Maxima jener Druckfelder, die durch die benachbarten Schaufelreihen erzeugt werden, abgeschwächt und die Druckminima zwischen den Schaufelreihen durch erhöhten Druck ausgeglichen werden.
Bei den Kavitäten handelt es sich sowohl um Kavitäten am Innengehäuse, in welche die Deckbänder der Leitschaufeln hineinragen, als auch um Kavitäten an der Welle, in welche die Deckbänder der Laufschaufeln hineinragen. Die Druckverhältnisse sind in beiden Fällen vergleichbar.
Die Wellenlängen der Konturierungen sind auf die Druckfelder abgestimmt, welche sie ausgleichen. Konkreter sind ihre Wellenlängen entsprechend der Anzahl Schaufeln in einer Schaufel reihe bestimmt. Im Fall einer Konturierung einer Kavitätswand besitzt diese eine Wellenlänge gleich der Umfangslänge der Kavität dividiert durch die Anzahl Schaufeln oder durch ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl Schaufeln in der Schaufelreihe, die der Konturierung stromauf oder stromab am nächsten ist. Im Fall einer Konturierung eines Deckbands besitzt sie eine Wellenlänge gleich der Umfangslänge der Kavität dividiert durch die Anzahl Schaufeln oder durch ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl Schaufeln in der Schaufelreihe, die dem Deckband zugehört.
In einer ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung befindet sich die Konturierung an den axial verlaufenden Wänden einer Kavität, wobei sich die Erhebungen und Vertiefungen der Konturierung in radialer Richtung erstrecken, das heisst radial einwärts oder radial auswärts. Im Fall einer Deckbandkavität im Bereich einer Laufschaufel ist die Konturierung als Erhebungen und Vertiefungen an der Innengehäusewand zu verstehen; im Fall einer Deckbandkavität im Bereich einer Leitschaufel ist sie als Erhebungen und Vertiefungen an der Welle zu verstehen. Die Konturierung erstreckt sich über den Eintrittsbereich oder über den Austrittsbereich der Kavität oder auch über beide Bereiche. Der Eintrittsbereich ist der Bereich der Aussparung in Strömungsrichtung bis zum ersten Dichtungsstreifen, der Austrittsbereich ist der Bereich der Aussparung ab dem letzten Dichtstreifen in Strömungsrichtung. Eine Konturierung im Eintrittsbereich und/oder dem Austrittsbereich ist bevorzugt, wobei in anderen Teilen der Kavität oder in der gesamten Kavität eine Konturierung auch realisierbar ist. Eine Konturierung im Eintrittsbereich der Kavität besitzt eine Wellenlänge, die auf die Anzahl der Schaufeln in der stromauf benachbart liegenden Schaufelreihe abgestimmt ist. Eine Konturierung im Austrittsbereich der Kavität besitzt eine Wellenlänge, die auf die Anzahl der Schaufeln in der stromab benachbart liegenden Schaufelreihe abgestimmt ist.
In einer zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung befindet sich die Konturierung an den radial verlaufenden Wände einer Kavität, wobei sich die Erhebungen und Vertiefungen der Kontur in axialer Richtung erstrecken, das heisst in Richtung oder Gegenrichtung der Hauptströmung. Die Wellenlängen dieser Konturierungen sind analog der ersten Ausführung der Erfindung bestimmt. Das heisst, die Kontur im Eintrittsbereich besitzt eine Wellenlänge, die auf die Anzahl der Schaufeln in der stromauf benachbart liegenden Schaufelreihe abgestimmt ist, und eine Kontur im Austrittsbereich der Kavität besitzt eine Wellenlänge, die auf die Anzahl der Schaufeln in der stromab benachbart liegenden Schaufelreihe abgestimmt ist.
In einer dritten Ausführung sind die Deckbänder konturiert, wobei sich die Erhebungen und Vertiefungen in radialer Richtung ein- und auswärts erstrecken. Hier sind sowohl stationäre als auch rotierende Teile mit einer erfindungsgemässen Kontur versehen. Diese Konturierung des Deckbands bewirkt einen Ausgleich zusätzlich auch jener Druckfelder, die durch die Schaufelreihe erzeugt werden, der das Deckband zugehört. Entsprechend ist die Wellenlänge einer solchen Konturierung auf die Anzahl Schaufeln in dieser Schaufelreihe abgestimmt.
In einer vierten Ausführung der Erfindung sind die Deckbandseitenwände oder - stirnwände konturiert, wobei die Erhebungen und Vertiefungen sich in axialer Richtung erstrecken, das heisst in Richtung der Hauptströmung oder in der Gegenrichtung. Wiederum sind sowohl stationäre als auch rotierende Teile mit einer erfindungsgemässen Kontur versehen. Die Wellenlängen der Konturierungen sind wiederum auf die Druckfelder abgestimmt, welche sie ausgleichen, und sind auf die Anzahl Schaufeln jener Reihe abgestimmt, der das Deckband zugehört.
Varianten der Erfindung weisen beliebige Kombinationen der erwähnten vier Ausführungen auf, durch die der Effekt des Druckausgleichs weiter erhöht wird.
Eine Konturierung besitzt eine beliebige, sich periodisch wiederholende Form, die einen Druckgradienten generiert. Eine bevorzugte Form ist eine Wellenform, wie zum Beispiel einer Sinusform. Weitere mögliche Formen sind Stufenformen wie Kastenformen, Dreiecksformen, Sägezahn oder sägezahn-ähnliche Formen.
Die Amplitude der Konturierung, das heisst das maximale Ausmass der Erhebungen und Vertiefungen ausgehend von einer Mittellinie zwischen den Extrempunkten der Kontur, ist so gewählt, dass die Krümmung der Kontur genügend ausgeprägt ist, um entsprechend starke Druckgradienten zu erzeugen, welche die Druckfelder auszugleichen vermögen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
  • Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Turbomaschine entlang ihrer Welle gemäss dem Stand der Technik, insbesondere einer Kavität für das Deckband einer Laufschaufel,
  • Figur 2a einen Längsschnitt einer Turbomaschine entlang ihrer Welle, insbesondere einer Kavität für das Deckband einer Laufschaufel gemäss der ersten Ausführung der Erfindung mit einer Konturierung in Umfangrichtung der Kavitätswände sowie des Deckbands mit Erhebungen in radialer Richtung,
  • Figur 2b eine axiale Querschnittsansicht der Kavität von Figur 2a, welche eine wellenförmige Kontur mit Erhebungen und Vertiefungen in radialer Richtung darstellt sowie auch die Positionierung der Erhebungen bezüglich der Schaufelposition
  • Figur 3a einen Längsschnitt einer Turbomaschine entlang ihrer Welle , insbesondere einer Kavität für das Deckband einer Laufschaufel gemäss der zweiten Ausführung der Erfindung mit einer Konturierung der Kavitätswände und des Deckbands in Umfangsrichtung mit Erhebungen in axialer Richtung,
  • Figur 3b eine Ansicht der Deckbandkavität von Figur 3a von oben und auf eine Fläche projiziert mit Erhebungen und Vertiefungen in axialer Richtung,
  • Figur 4 eine Ansicht einer Deckbandkavität von oben und auf eine Fläche projiziert mit Erhebungen und Vertiefungen in axialer Richtung und mit einem abgerundeten Sägezahnprofil.
    • Ausführung der Erfindung
    Figur 2a zeigt den gleichen Ausschnitt einer Turbomaschine wie in Figur 1. Erfindungsgemäss weist hier die Kavität 4 Konturierungen 10 und 11 and den Kavitätswänden gemäss der ersten Ausführung der Erfindung auf. Sie befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel im Eintrittsbereich 12 und Austrittsbereich 13 der Kavität 4. Die Ansicht zeigt einen Schnitt durch die Konturierung auf der Höhe ihrer Erhebungen. Die Konturierung ist in der hier gezeigten Ausführung im Eintrittsbereich gleich der Konturierung im Austrittsbereich der Kavität. In weiteren Ausführungen können sich die Konturierungen im Eintrittsbereich von denen im Austrittsbereich unterscheiden. Dies kann zum Beispiel bei geneigten Kanalwänden der Fall sein.
    Die Konturierungen 10 und 11 bestehen aus soliden Teilen, die sich von der ursprünglichen Innengehäusewand radial einwärts zum Deckband 3 hin erstrecken. Sie sind durch entsprechende Formgebung des Innengehäuses als integraler Teil der Innengehäusewand oder durch Nachbearbeitung der Kavität durch Montage von Einsatzringen realisierbar. Die Verwendung von Einsatzringen ermöglicht auch eine Nachrüstung einer bestehenden Maschine.
    Gemäss der dritten Ausführung der Erfindung besitzt das Deckband 3 eine Kontur mit Erhebungen 14 und 15, die sich in radialer Richtung zu den Konturierungen 10, 11 hin erstrecken.
    Die Konturierung 10 im Eintrittsbereich 12 gleicht in Umfangsrichtung die Druckfelder der Schaufelreihe mit Schaufeln 2a aus. Entsprechend gleicht die Konturierung 11 im Austrittsbereich 13 die Druckfelder der Schaufelreihe mit Schaufeln 2b aus. Die Konturierungen 14 und 15 in den Ein- bzw. Austrittsbereichen gleichen in Umfnagsrichtung die Druckfelder der Schaufelreihe mit Schaufeln 1 aus.
    Figur 2b zeigt eine Ansicht der Maschine entlang ihrer Wellenachse in Richtung der Hauptströmung. Es sind die Schaufeln 2a sowie die Konturierungen 10 im Eintrittsbereich der Kavität in Umfangsrichtung dargestellt. Sie weisen eine Wellenform auf mit einer Wellenlänge L1, die gleich der gesamten Umfangslänge dividiert durch die Anzahl Schaufeln 2a der stromauf liegenden Schaufelreihe oder der Distanz zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 2a. Die Wellenlänge L1 kann beispielsweise auch gleich der Umfangslänge dividiert durch ein ganzzahliges Vielfaches der erwähnten Schaufelanzahl sein, also nur halb oder ein viertel so gross sein.
    Die Konturierung 11 im Austrittsbereich der Kavität besitzt eine Wellenlänge entsprechend der Anzahl Schaufeln 2b der stromab liegenden Schaufelreihe. Deshalb sind die Wellenlängen der Konturierung 10 und 11 gegebenenfalls unterschiedlich.
    Die Wellenlängen der Deckbandkontur 14 im Eintrittsbereich 12 und der Deckbandkontur 15 im Austrittsbereich 13, sind (in analoger Weise zu den Wellenlängen der Konturen 10 und 11) entsprechend der Anzahl der Laufschaufeln 1 bestimmt.
    Im Eintrittsbereich 12 sind die Maxima der Erhebungen der Konturierung 10 in Bezug auf die stromauf liegenden Leitschaufeln 2a positioniert, um den Druckausgleich möglichst zu optimieren. Entsprechend sind im Austrittsbereich 13 die Maxima der Erhebungen der Konturierung 11 in Bezug auf die stromab liegenden Leitschaufeln 2b positioniert. (Die Positionierung der Maxima und deren Amplitude sind nachfolgend am Beispiel gemäss Figur 3b näher dargestellt.)
    Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Kombination der zweiten und vierten Ausführungsform der Erfindung. Figur 3a stellt einen Ausschnitt einer Turbomaschine gemäss den Figuren 1 und 2a dar, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche Maschinenteile eingesetzt sind. Gemäss der zweiten Ausführung der Erfindung befindet sich eine Konturierung an der radial verlaufenden Wand der Kavität 4 in der Form von Erhebungen und Vertiefungen 20 im Eintrittsbereich 12 und von Erhebungen und Vertiefungen 21 im Austrittsbereich 13. Die Konturierungen 20 und 21 sind in diesem Beispiel als Einsatzring mit wellenförmiger Kontur realisiert, der an der Innengehäusewand befestigt ist. Alternativ können sie auch ein integraler Bestandteil der Kavität sein.
    Gemäss der vierten Ausführung der Erfindung sind auch die Stirnseiten des Deckbands 3 mit einer Konturierung 22 im Eintrittsbereich 12 und einer Konturierung 23 im Austrittsbereich 13 versehen. Auch hier sind diese durch integrale Formgebung des Deckbands oder durch Montage eines entsprechend geformten und am Deckband befestigten Ringes realisierbar.
    Figur 3b zeigt die Wellenform der Konturierungen 20-23 von Figur 3a in Umfangsrichtung durch Projektion der Kavität 4 auf eine Fläche. Die Wellenlänge L1 der Kontur 20 an der radial verlaufenden Kavitätswand im Eintrittsbereich ist hier gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Schaufeln 2a der stromauf liegenden Schaufelreihe oder gleich dem Gesamtumfang der Kavität dividiert durch die Anzahl Schaufeln. Die Wellenlänge L2 der Kontur 21 im Austrittsbereich der Kavität ist gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Schaufeln 2b der stromab liegenden Schaufelreihe. Entsprechend ist auch die Wellenlänge L3 der Konturen 22 und 23 an den Deckbandstirnseiten gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Schaufeln 1, denen das Deckband zugehört. Die grössten Erhebung der Wellenformen aller Konturen liegen dabei auf der Höhe der Schaufeln, auf die die Kontur abgestimmt ist.
    Die Konturierungen besitzen jeweils eine Amplitude A, die gleich dem Ausmass einer Erhebung oder Vertiefung ist ausgehend von einer Mittellinie zwischen Erhebung und Mittellinie. Die Amplitude steht in einem vorbestimmten Verhältnis zur ursprünglichen Kavitätshöhe des Eintrittsbereiches 12. Die Amplituden A der Erhebungen und Vertiefungen an den Deckbändern sind auch in einem vorbestimmten Verhältnis zum ursprünglichen Axialabstands zwischen Deckband und Kavitätswand.
    Figur 4 zeigt eine weitere mögliche Form der Kontur angewandt auf die Kavitätskonturierung von Figur 3a. Anstelle einer Wellenform besitzt die Kontur hier eine gerundete Sägezahnform 20', 21', 22', 23', wobei die Position der Maxima der Sägezahnform 20' auf die Position der Schaufeln 2a der stromauf benachbarten Schaufelreihe, jene der Kontur 21' auf die Position der Schaufeln 2b der stromab benachbarten Schaufelreihe, und jene der Kontur 22' und 23' auf die Position der Schaufeln 1 abgestimmt sind.
    Bezugszeichenliste
    1
    Laufschaufel
    2a
    Leitschaufel
    2b
    Leitschaufel
    3
    Deckband
    4
    Kavität
    5
    Innengehäuse
    6
    Strömungsrichtung Leckagestrom
    7
    Strömungsrichtung Arbeitsstrom
    8
    Dichtstreifen
    10
    Konturierung der Kavität in Umfangsrichtung
    11
    Konturierung der Kavität in Umfangsrichtung
    12
    Eintrittsbereich
    13
    Austrittsbereich
    14
    Konturierung des Deckbands
    15
    Konturierung des Deckbands
    20-23
    Bauteile für Konturierung
    20'-23'
    Bauteile für Konturierung
    L1, L2, L3
    Wellenlänge
    A
    Amplitude

    Claims (11)

    1. Turbomaschine mit in Reihen angeordneten und an einem Innengehäuse befestigten Leitschaufeln (2a,2b) und in Reihen angeordneten und an einer Welle befestigten Laufschaufeln (1), wobei zumindest ein Teil der Schaufelreihen mit Deckbändern (3) versehen ist, und Aussparungen (4) am Innengehäuse (5) und der Welle angeordnet sind, in welche die Deckbänder (3) hineinragen
      dadurch gekennzeichnet, dass
      mindestens eine Aussparung (4) und/oder mindestens ein Deckband (3) eine in Umfangsrichtung der Aussparung (4) sich verändernde Konturierung (10,11,14,15,20-23, 20'-23') aufweist.
    2. Turbomaschine nach Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Konturierung (10,11,14,15,20-23, 20'-23') periodische Erhebungen und Vertiefungen aufweist, die über den Umfang der Aussparung (4) gleichmässig verteilt sind.
    3. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die sich verändernde Konturierung (10,11,20,21,20',21') in der Aussparung (4) eine Wellenlänge (L1, L2) zwischen aufeinanderfolgenden Erhebungen aufweist, die gleich der Umfangslänge der Aussparung (4) dividiert durch die Anzahl der Schaufeln (2a,2b) in der Schaufelreihe oder dividiert durch ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl Schaufeln (2a,2b) in der Schaufelreihe ist, die der Konturierung am nächsten benachbart ist.
    4. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die sich verändernde Konturierung (14,15,22,23,22',23') an den Deckbändern (3) eine Wellenlänge (L3) zwischen aufeinanderfolgenden Erhebungen aufweist, die gleich der Umfangslänge des Deckbands (3) dividiert durch die Anzahl der Schaufeln (1) in der Schaufelreihe oder dividiert durch ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl Schaufeln (1) in der Schaufelreihe ist, dem das Deckband zugehörig ist.
    5. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die sich verändernde Konturierung eine sich periodisch wiederholende Wellenform, Stufenform, Kastenform, Dreiecksform oder Sägezahnform aufweist.
    6. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Aussparung (4) einen Eintrittsbereich (12), in den eine Leckageströmung hineinströmt, und einen Austrittsbereich (13) aufweist, durch den die Leckageströmung aus der Aussparung (4) herausströmt, und die Konturierung (10,11) sich über den Umfang der axial verlaufenden Seitenwände des Eintrittsbereich (12) der Aussparung (4) und/oder über den den Umfang der axial verlaufenden Seitenwände des Austrittsbereichs (13) der Aussparung (4) erstreckt, und die Erhebungen und Vertiefungen sich in radialer Richtung erstrecken.
    7. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Aussparung (4) einen Eintrittsbereich (12), in den eine Leckageströmung hineinströmt, und einen Austrittsbereich (13) aufweist, durch den die Leckageströmung aus der Aussparung (4) herausströmt, und die Konturierung (20, 21,20',21') sich über den Umfang der radial verlaufenden Seitenwand des Eintrittsbereichs (12) der Aussparung (4) und/oder über den Umfang der radial verlaufenden Seitenwand des Austrittsbereichs (13) erstreckt, und die Erhebungen und Vertiefungen sich in axialer Richtung erstrecken.
    8. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Konturierung sich über den Umfang der Stirnseiten (22,23,22',23') der Deckbänder (3) erstreckt, und die Erhebungen und Vertiefungen sich in axialer Richtung erstrecken.
    9. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Konturierung sich über den Umfang der Deckbänder (3) im Eintrittsbereich (12) und/oder im Austrittsbereich (13) der Aussparung (4) erstreckt, und die Erhebungen und Vertiefungen (14,15) sich in radialer Richtung erstrecken.
    10. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Konturierung (10,11,20-23, 20',23') durch Einsatzringe gebildet ist, die an den Wänden der Aussparung (4) oder an den Deckbändern (3) befestigt sind.
    11. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Konturierung (10,11,20-23,20'-23') durch eine integrale Formgebung der Seitenwände der Aussparung (4) oder der Deckbänder (3) gebildet ist.
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