EP1557536A1 - Strömungsmaschine mit einem axial verschiebbaren Rotor - Google Patents

Strömungsmaschine mit einem axial verschiebbaren Rotor Download PDF

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EP1557536A1
EP1557536A1 EP04001335A EP04001335A EP1557536A1 EP 1557536 A1 EP1557536 A1 EP 1557536A1 EP 04001335 A EP04001335 A EP 04001335A EP 04001335 A EP04001335 A EP 04001335A EP 1557536 A1 EP1557536 A1 EP 1557536A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
guide
radial gap
platforms
turbomachine according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04001335A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arnd Dr. Reichert
Bernd Dr. Stöcker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2005/000498 priority patent/WO2005071229A1/de
Priority to EP05701049A priority patent/EP1706597B1/de
Priority to DE502005006804T priority patent/DE502005006804D1/de
Priority to US10/586,795 priority patent/US7559741B2/en
Publication of EP1557536A1 publication Critical patent/EP1557536A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • 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
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/052—Axially shiftable rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/161—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/164—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps of an axial flow wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
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    • F05D2250/312—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being parallel to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/314—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being inclined in relation to each other

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular an axial flow compressor for a gas turbine, according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbines coupled to generators become converters used by fossil energy in electrical energy.
  • a Gas turbine has to along its rotor shaft a compressor, a combustion chamber and a turbine unit. During operation the gas turbine sucks in the compressor ambient air and compacts them. Subsequently, the compressed air mixed with a fuel and fed to the combustion chamber. There, the mixture burns to a hot working medium and then flows into the turbine unit, in the blades are provided.
  • the attached to the housing of the turbine unit Guide vanes direct the working fluid onto the Rotor attached blades so that these are the rotor in make a rotary motion. The thus recorded rotational energy is then through the generator coupled to the rotor converted into electrical energy. Furthermore, it becomes the drive used the compressor.
  • WO 00/28190 is a gas turbine with a compressor known whose rotor for adjusting the radial gap, which between the tips of the turbine blades and the Inner housing is formed, against the flow direction of the Work medium is moved. This will be the radial column the turbine unit reduced, resulting in a significant Reduction of flow losses in the turbine unit and thus to an increase in efficiency of the gas turbine leads. At the same time, however, the radial gaps in the compressor increases what the flow losses in the compressor elevated. Despite the losses in the compressor, the shift leads of the rotor to a power increase of the gas turbine.
  • the object of the present invention is a turbomachine specify with an axially displaceable rotor whose Flow losses at an axial displacement of the rotor at least not be enlarged.
  • the solution of the task provides that the measure of each radial gap between the end of each blade or vane and the opposite axial portion of the boundary surface constant at least over the displacement of the rotor is and the radial gap parallel to the axis of rotation of the rotor runs.
  • the solution is based on the knowledge that the flow losses are not increased when the radial gap between fixed and rotating components remains constant over the displacement of the rotor.
  • the radial gap forming components such as the end of a Runner or vane and the opposite Limiting or guide surface, parallel to the rotor axis of rotation educated. With a displacement of the rotor in the axial direction Thus, the dimension of each radial gap remains constant.
  • the blade is a freestanding blade educated.
  • the end of the blade be designed as squeal, which a guide surface the ring channel opposite, the same time the boundary surface of the annular channel is formed.
  • the vane is a freestanding vane educated.
  • the rotor-facing end of the vane forms the radial gap with the boundary surface.
  • a parallel radial gap is formed when the Vanes of a wreath each at their end more Having platforms which, adjacent one another in the circumferential direction, an outer peripheral surface having the guide surface forms and when facing away from the guide surface Back of the platforms extending in the axial direction Section of the inner boundary surface opposite.
  • the Radial gap is then outside of the tapered flow channel shaped. In this radial gap can then labyrinth seals be arranged, the further pressure losses prevent in the flow medium. A flow around the platforms can thus be avoided.
  • turbomachine as an axial flowed through compressor of a gas turbine.
  • the Axial displacement of the rotor against the flow direction the flow medium leads in the turbine unit to itself decreasing and efficiency-increasing radial gaps, whereas the radial gaps in the compressor remain constant. Flow losses in the compressor are thus despite the shift kept constant of the rotor. Generally this leads to a further increased power output compared to that of the prior art.
  • Fig. 1 shows a gas turbine 1 in a longitudinal partial section. It has a rotatably mounted about an axis of rotation 2 inside Rotor 3 on, also called turbine rotor or rotor shaft referred to as. Along the rotor 3 follow one another Intake housing 4, a compressor 5, a toroidal annular combustion chamber 6 with a plurality of coaxially arranged burners 7, a turbine unit 8 and the exhaust housing 9.
  • annular compressor passage 10 is present Seen in the direction of the annular combustion chamber 6 in cross section rejuvenated.
  • a diffuser 11 is arranged, which communicates with the annular combustion chamber 6 is in fluid communication.
  • the annular combustion chamber 6 forms a combustion chamber 12 for a mixture of a Fuel and compressed air.
  • One in the turbine unit 8 arranged hot gas duct 13 is connected to the combustion chamber 12 in flow communication, the hot gas duct 13, the exhaust housing 9 is subordinate.
  • vanes 14 formed Leitschaufelkranz 15 each one out Blades 16 formed blade ring 17.
  • the fixed Guide vanes 14 are one or more Guide vanes 18 connected, whereas the blades 16 are fixed by means of a disc 19 on the rotor 3.
  • the turbine unit 8 has a conically widening Hot gas duct 13, whose outer guide surface 21 itself extended concentrically in the flow direction of the working fluid 20.
  • the inner guide surface 22, however, is substantially aligned parallel to the axis of rotation 2 of the rotor 3.
  • the Blades 16 have at their free ends squint edges 29 on, with the opposite outer guide surfaces 21 forms a radial gap 23.
  • An inlet-side compressor bearing 32 is used in addition to the Axial and radial bearing as adjusting for a Displacement of the rotor. This is to increase performance the gas turbine 1, the rotor 2 in the stationary state of a Starting position in a stationary operating position against the Flow direction of the working fluid 20, in Fig. 1 to the left, postponed. As a result, in the turbine unit 8 of Blades 16 and the outer guide surface 21 formed Radial gap 23 reduced. This leads to a reduction the flow losses in the turbine unit 8 and thus to an increase in efficiency of the gas turbine 1.
  • Fig. 2 is a portion of the annular channel of the compressor fifth with two blade rings 17 and with an intermediate one Guide vane 15 shown.
  • the ring channel is as air flow channel 24 for the flow medium 26 air educated.
  • the outer guide surface 21 is in Fig. 2 and Fig. 3 with the outer boundary surface 37 and the inner Guide surface 22 with the inner boundary surface 36 identical.
  • each blade 16 has at its fixed end respectively a platform 25, the surfaces of which the compressor channel Limit 10 to the inside.
  • each vane 14 indicates their fixed end a platform 25, which the compressor duct 10 limit to the outside.
  • From the platform 25 of the Blade 16 (or the vane 14) extends from a running profile 27 (or a guide profile 28) in the compressor passage 10 in which, during operation of the compressor 5, the Compressed air L.
  • the free ends of the running or guide profiles 27, 28 which are opposite the platform-side ends, are designed as squashing edges 29 and are below Forming the radial gap 23 each guide rings 30 opposite.
  • Seen in the axial direction of the radial gap 23 is parallel aligned with axis of rotation 2, i. the guide ring 30 and the squealer 29 are cylindrical to the rotation axis. 2
  • the platforms 25, however, are each to the axis of rotation 2 of the Rotor 3 inclined so that viewed in the axial direction a taper of the flow channel 24 results. It turns out a cylindrical contour of the flow channel 24 in the areas the radially opposite fixed and rotating components, viewed in axial direction in sections and radial direction inside or outside of the Guiding or running profiles lie.
  • Fig. 4 shows a section of the flow channel 26 of the Compressor 3, in which each vane 14 at its the Rotor 3 each end facing a second platform 31st having.
  • the further platforms 31 of the guide vanes 14 of the vane ring 15 form a rotor 3 encompassing Ring.
  • the guide profile 28 facing surfaces the other platforms 31 form for the flow medium 26th the inner guide surface 22.
  • One of the guide surfaces 22 facing away Rear side 34 of the platform 31, 34 is located on a boundary surface 36 opposite. Between the back 34 of Platform 31 and the boundary surface 36 is the axis of rotation 2 parallel radial gap 23 formed.
  • the blades 16 are attached to the discs 19 of the rotor 3.
  • Each profile 27 has other platforms 31 at their free ends, whose run profile 27th facing surface as inner guide surfaces 22 the flow channel 24 shapes.
  • the other platforms 31 indicate their the guide surface 21, 22 opposite back 34 each have a peripheral surface, the boundary surface 36 of the annular channel 10 is opposite. This will between here the inner boundary surface 36 and the inner guide surface 22 of the radial gap 23 formed in the axial direction seen parallel to the axis of rotation 2 of the rotor 3 extends.
  • a labyrinth seal 38 is arranged, prevents the flow losses in the flow medium 26.
  • a flow channel 24 is conceivable, in the guide vanes 16 with other platforms 31 a vane ring Form 15, which is a blade ring 17 with freestanding Blades 16 follows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen axial durchströmten Verdichter (5) für eine Gasturbine (1) mit einem axial verschiebbaren Rotor (3). Zwischen einer drehfesten äußeren Begrenzungsfläche (37) und einer am Rotor (3) angeordneten inneren Begrenzungsfläche (36) formt sich ein ringförmiger in Axialrichtung verjüngender Strömungskanal (24), in dem mindestens ein feststehender Kranz (15) aus Leitprofilen (28) und in dem mindestens ein Kranz (17) aus am Rotor befestigten Laufprofilen (27) angeordnet ist. Das Ende jeder Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) liegt jeweils einem axialen Abschnitt (A) einer der beiden Begrenzungsflächen (36, 37) unter Bildung eines Radialspaltes (23) gegenüber. Um eine Strömungsmaschine mit einem axial verschiebbaren Rotor anzugeben, deren Strömungsverluste bei einer axialen Verschiebung des Rotors zumindest nicht vergrößert werden, wird vorgeschlagen, dass das Maß jedes Radialspaltes (23) zwischen dem Ende einer jeden Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) und dem gegenüberliegenden axialen Abschnitt (A) der Begrenzungsfläche (36, 37) mindestens über den Verschiebeweg des Rotors (3) konstant ist und der Radialspalt (23) parallel zur Drehachse (2) des Rotors (3) verläuft. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen axial durchströmten Verdichter für eine Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
An Generatoren angekoppelte Gasturbinen werden zur Umwandlung von fossiler Energie in elektrische Energie eingesetzt. Eine Gasturbine weist dazu entlang ihrer Rotorwelle einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbineneinheit auf. Beim Betrieb der Gasturbine saugt der Verdichter Umgebungsluft an und verdichtet diese. Anschließend wird die verdichtete Luft mit einem Brennmittel vermischt und der Brennkammer zugeführt. Dort verbrennt das Gemisch zu einem heißen Arbeitsmedium und strömt dann in die Turbineneinheit, in der Schaufeln vorgesehen sind. Die am Gehäuse der Turbineneinheit befestigten Leitschaufeln lenken dabei das Arbeitsmedium auf die am Rotor befestigten Laufschaufeln, so dass diese den Rotor in eine Drehbewegung versetzen. Die so aufgenommene Rotationsenergie wird dann durch den am Rotor angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt. Ferner wird sie zum Antrieb des Verdichters benutzt.
Aus der WO 00/28190 ist eine Gasturbine mit einem Verdichter bekannt, dessen Rotor zur Einstellung des Radialspaltes, welcher zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und dem Innengehäuse gebildet ist, entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums verschoben wird. Dabei werden die Radialspalte der Turbineneinheit verkleinert, was zu einer wesentlichen Verringerung von Strömungsverlusten in der Turbineneinheit und somit zu einer Wirkungsgradsteigerung der Gasturbine führt. Gleichzeitig werden jedoch die Radialspalte im Verdichter vergrößert, was die Strömungsverluste im Verdichter erhöht. Trotz der Verluste im Verdichter führt die Verschiebung des Rotors zu einer Leistungssteigerung der Gasturbine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine mit einem axial verschiebbaren Rotor anzugeben, deren Strömungsverluste bei einer axialen Verschiebung des Rotors zumindest nicht vergrößert werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Lösung der Aufgabe sieht vor, dass das Maß jedes Radialspaltes zwischen dem Ende einer jeden Lauf- bzw. Leitschaufel und dem gegenüberliegenden axialen Abschnitt der Begrenzungsfläche mindestens über den Verschiebeweg des Rotors konstant ist und der Radialspalt parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Die Lösung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Strömungsverluste nicht vergrößert werden, wenn der Radialspalt zwischen feststehenden und rotierenden Komponenten über den Verschiebeweg des Rotors konstant bleibt. Dazu sind die den Radialspalt formenden Komponenten, wie das Ende einer Lauf- bzw. Leitschaufel und der ihr gegenüberliegenden Begrenzungs- bzw. Führungsfläche, parallel zur Rotordrehachse ausgebildet. Bei einer Verschiebung des Rotors in Axialrichtung bleibt somit das Maß jedes Radialspaltes konstant.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest teilweise die äußere Führungsfläche für das Strömungsmedium durch die Oberseite der Plattformen der Leitschaufeln gebildet, die dem Leitprofil zugewandt ist. Hierdurch wird erreicht, dass das Strömungsmedium von den Plattformen der Leitschaufeln geführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest teilweise die innere Führungsfläche durch die Oberseite der Plattformen der Laufschaufeln gebildet, die den Laufprofil zugewandt ist.
Somit wird das Strömungsmedium von der inneren Führungsfläche geführt.
Wenn die Oberseiten der Plattformen der Lauf- bzw. Leitschaufeln in Axialrichtung gegenüber der Verschieberichtung geneigt sind, so erfolgt die nötige Verjüngung des Strömungskanals in Axialrichtung an den festen Enden der Lauf- bzw. Leitschaufeln. An dieser Stelle ist kein Radialspalt vorhanden, dessen Maß sich aufgrund der Verschiebung des Rotors ändern würde.
Zweckmäßigerweise ist die Laufschaufel als freistehende Laufschaufel ausgebildet. Somit kann das Ende der Laufschaufel als Anstreifkante ausgebildet sein, welche einer Führungsfläche des Ringkanals gegenüberliegt, die gleichzeitig durch die Begrenzungsfläche des Ringkanals geformt wird.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei der die äußere Führungsfläche und der sich in Axialrichtung erstreckende Abschnitt der Begrenzungsfläche, der den freien Enden der Laufschaufel eines Laufschaufelkranzes gegenüberliegt, mittels eines Führungsringes gebildet wird. Somit ist eine einfache und kostengünstige Ausgestaltung möglich.
Zweckmäßigerweise ist die Leitschaufel als freistehende Leitschaufel ausgebildet. Das dem Rotor zugewandte Ende der Leitschaufel bildet mit der Begrenzungsfläche den Radialspalt.
Ebenfalls wird ein paralleler Radialspalt gebildet, wenn die Leitschaufeln eines Kranzes jeweils an ihrem Ende weitere Plattformen aufweisen, die, in Umfangsrichtung aneinanderliegend, eine äußere Umfangsfläche aufweisen, welche die Führungsfläche bildet und wenn die der Führungsfläche abgewandte Rückseite der Plattformen den in Axialrichtung erstreckenden Abschnitt der inneren Begrenzungsfläche gegenüberliegt. Der Radialspalt ist dann außerhalb des sich verjüngenden Strömungskanals geformt. In diesem Radialspalt können dann Labyrinthdichtungen angeordnet werden, die weitere Druckverluste im Strömungsmedium verhindern. Ein Umströmen der Plattformen kann somit vermieden werden.
Besonders vorteilhaft ist die Strömungsmaschine als ein axial durchströmter Verdichter einer Gasturbine ausgebildet. Die Axialverschiebung des Rotors entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums führt in der Turbineneinheit zu sich verkleinernden und wirkungsgradsteigernden Radialspalten, wohingegen die Radialspalte im Verdichter konstant bleiben. Strömungsverluste im Verdichter werden somit trotz der Verschiebung des Rotors konstant gehalten. Generell führt dies zu einer weiter gesteigerten Leistungsabgabe, verglichen mit der des Standes der Technik.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen die Figuren:
Fig. 1
Eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,
Fig. 2
eine abschnittsweise zylindrische Kontur eines Strömungskanals eines Verdichters,
Fig. 3
die Kontur des Strömungskanals gemäß Fig. 2 mit einem axial verschobenen Rotor,
Fig. 4
die Kontur eines Strömungskanals des weiteren Verdichters.
Die Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Drehachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer oder Rotorwelle bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und das Abgasgehäuse 9.
Im Verdichter 5 ist ein ringförmiger Verdichterkanal 10 vor gesehen, der sich in Richtung der Ringbrennkammer 6 im Querschnitt verjüngt. Am brennkammerseitigen Ausgang des Verdichters 5 ist ein Diffusor 11 angeordnet, der mit der Ringbrennkammer 6 in Strömungsverbindung steht. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 12 für ein Gemisch aus einem Brennmittel und verdichteter Luft. Ein in der Turbineneinheit 8 angeordneter Heißgaskanal 13 ist mit dem Verbrennungsraum 12 in Strömungsverbindung, wobei dem Heißgaskanal 13 das Abgasgehäuse 9 nachgeordnet ist.
Im Verdichterkanal 10 und im Heißgaskanal 13 sind jeweils Schaufelkränze angeordnet. Abwechselnd folgt einem aus Leitschaufeln 14 gebildeten Leitschaufelkranz 15 jeweils ein aus Laufschaufeln 16 gebildeter Laufschaufelkranz 17. Die feststehenden Leitschaufeln 14 sind dabei mit einem oder mehreren Leitschaufelträgern 18 verbunden, wohingegen die Laufschaufeln 16 mittels einer Scheibe 19 am Rotor 3 befestigt sind.
Die Turbineneinheit 8 weist einen sich konisch erweiternden Heißgaskanal 13 auf, dessen äußere Führungsfläche 21 sich konzentrisch in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids 20 erweitert. Die innere Führungsfläche 22 ist dagegen im wesentlichen parallel zur Drehachse 2 des Rotors 3 ausgerichtet. Die Laufschaufeln 16 weisen an ihren freien Enden Anstreifkanten 29 auf, die mit den ihr gegenüberliegenden äußeren Führungsflächen 21 einen Radialspalt 23 bildet.
Während des Betriebs der Gasturbine 1 wird vom Verdichter 5 durch das Ansauggehäuse 4 Luft angesaugt und im Verdichterkanal 10 verdichtet. Die am brennerseitigen Ende des Verdichters 5 bereitgestellt Luft L wird durch den Diffusor 11 zu den Brennern 7 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsfluids 20 im Verbrennungsraum 10 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsfluid 20 in den Heißgaskanal 13. An den in der Turbineneinheit 8 angeordneten Laufschaufeln 16 entspannt sich das Arbeitsfluid 20 impulsübertragend, so dass der Rotor 3 angetrieben wird und mit ihm eine an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
Ein eintrittsseitiges Verdichterlager 32 dient neben der Axial- und Radiallagerung als Verstelleinrichtung für eine Verschiebung des Rotors. Dabei wird zur Leistungssteigerung der Gasturbine 1 der Rotor 2 im stationären Zustand von einer Ausgangslage in eine stationäre Betriebslage entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids 20, in Fig. 1 nach links, verschoben. Dadurch wird der in der Turbineneinheit 8 von Laufschaufeln 16 und der äußeren Führungsfläche 21 gebildete Radialspalt 23 verkleinert. Dies führt zu einer Verminderung der Strömungsverluste in der Turbineneinheit 8 und somit zu einer Wirkungsgradsteigerung der Gasturbine 1.
In Fig. 2 ist ein Abschnitt des Ringkanals des Verdichters 5 mit zwei Laufschaufelkränzen 17 und mit einem dazwischenliegenden Leitschaufelkranz 15 dargestellt. Der Ringkanal ist dabei als Strömungskanal 24 für das Strömungsmedium 26 Luft ausgebildet. Die äußere Führungsfläche 21 ist in Fig. 2 und Fig. 3 mit der äußeren Begrenzungsfläche 37 und die innere Führungsfläche 22 mit der inneren Begrenzungsfläche 36 identisch.
In Fig. 2 befindet sich der Rotor 3 in seiner Ausgangslage. Die Leitschaufeln 14 des Leitschaufelkranzes 15 sind an einer außenliegenden Wand drehfest befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 16 an dem Rotor 3 des Verdichters 3 angeordnet sind. Jede Laufschaufel 16 weist an ihrem festen Ende jeweils eine Plattform 25 auf, deren Oberflächen den Verdichterkanal 10 nach innen begrenzen. Ebenso weist jede Leitschaufel 14 an ihrem festen Ende eine Plattform 25 auf, die den Verdichterkanal 10 nach außen hin begrenzen. Von der Plattform 25 der Laufschaufel 16 (bzw. der Leitschaufel 14) aus erstreckt sich ein Laufprofil 27 (bzw. ein Leitprofil 28) in den Verdichterkanal 10 hinein, welches beim Betrieb des Verdichters 5 die Luft L verdichtet. Die freien Enden der Lauf- bzw. Leitprofile 27, 28, welche den plattformseitigen Enden gegenüberliegen, sind als Anstreifkanten 29 ausgebildet und liegen unter Bildung des Radialspaltes 23 jeweils Führungsringen 30 gegenüber.
In Axialrichtung gesehen ist der Radialspalt 23 jeweils parallel zu Drehachse 2 ausgerichtet, d.h. der Führungsring 30 und die Anstreifkante 29 sind zylindrisch zur Drehachse 2. Die Plattformen 25 hingegen sind jeweils zur Drehachse 2 des Rotors 3 geneigt, so dass in Axialrichtung betrachtet sich eine Verjüngung des Strömungskanals 24 ergibt. Es ergibt sich eine zylindrische Kontur des Strömungskanals 24 in den Bereichen der sich radial gegenüberliegenden feststehenden und rotierenden Komponenten, die in Axialrichtung gesehen abschnittsweise und Radialrichtung innerhalb bzw. außerhalb der Leit- bzw. Laufprofile liegen.
In Fig. 3 ist der Rotor 3 gegenüber den drehfesten Komponenten der Gasturbine 1 entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums 26 in seine stationäre Betriebslage verschoben. Zum Vergleich ist seine Ausgangslage in gestrichelter Linienart angedeutet. Trotz der Verschiebung des Rotors 3 bleibt das Maß des Radialspaltes 23 konstant, so dass die Strömungsverluste im Verdichter 5 nicht vergrößert werden. Dazu ist über die axiale Länge eines Abschnitts A der Führungsring 30 und die Anstreifkante 29 parallel zur Drehachse 2 des Rotors ausgebildet. Der Abschnitt A setzt sich dabei aus der axialen Länge der Anstreifkanten 29 und dem axialen Verschiebeweg V zusammen. Verglichen mit der Lösung des Standes der Technik führt die neue Lösung zu einer weiteren Leistungssteigerung der Gasturbine 1, da mit der Verschiebung des Rotors 3 die im Verdichter 5 entstehenden Verluste konstant geblieben sind.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Strömungskanal 26 des Verdichters 3, bei dem jede Leitschaufel 14 an ihrem dem Rotor 3 zugewandten Ende jeweils eine zweite Plattform 31 aufweist. Die weiteren Plattformen 31 der Leitschaufeln 14 des Leitschaufelkranzes 15 bilden dabei einen den Rotor 3 umgreifenden Ring. Die dem Leitprofil 28 zugewandte Oberflächen der weiteren Plattformen 31 bilden für das Strömungsmedium 26 die innere Führungsfläche 22. Eine der Führungsflächen 22 abgewandte Rückseite 34 der Plattform 31, 34 liegt einer Begrenzungsfläche 36 gegenüber. Zwischen der Rückseite 34 der Plattform 31 und der Begrenzungsfläche 36 ist der zur Drehachse 2 parallel verlaufende Radialspalt 23 gebildet.
Die Laufschaufeln 16 sind an den Scheiben 19 des Rotors 3 befestigt. Dabei weisen die Laufschaufeln 16 zwischen dem Laufprofil 27 und der Scheibe 19 Plattformen 25 auf, deren Oberflächen dem Laufprofil 27 zugewandt sind. Sie sind als innere Führungsflächen 22 und gleichzeitig als Begrenzungsflächen 36 für den Verdichterkanal 10 ausgebildet und begrenzen den Strömungskanal 24. Jedes Laufprofil 27 weist weitere Plattformen 31 an ihren freien Enden auf, deren dem Laufprofil 27 zugewandte Oberfläche als innere Führungsflächen 22 den Strömungskanal 24 formen. Die weiteren Plattformen 31 weisen an ihrer der Führungsfläche 21, 22 gegenüberliegenden Rückseite 34 jeweils eine Umfangsfläche auf, die der Begrenzungsfläche 36 des Ringkanals 10 gegenüberliegt. Dadurch wird hier zwischen der inneren Begrenzungsfläche 36 und der innere Führungsfläche 22 der Radialspalt 23 geformt, der in Axialrichtung gesehen parallel zur Drehachse 2 des Rotors 3 verläuft. Im Radialspalt 23 ist jeweils eine Labyrinthdichtung 38 angeordnet, die Strömungsverluste im Strömungsmedium 26 verhindert.
Sind an den Enden der Leitschaufeln 14 bzw. Laufschaufeln 16 weitere Plattformen 31 vorgesehen, so müssen die Führungsflächen 21, 22 nicht mehr zylindrisch zur Drehachse 2 geformt sein, da nicht sie den Radialspalt 23 begrenzen. Nur die Rückseite 34 der weiteren Plattformen 31 muss hier zylindrisch geformt sein, damit bei der Verschiebung des Rotors 3 der Radialspalt 23 konstant bleibt.
Ferner ist ein Strömungskanal 24 denkbar, in dem Leitschaufeln 16 mit weiteren Plattformen 31 einen Leitschaufelkranz 15 bilden, dem ein Laufschaufelkranz 17 mit freistehenden Laufschaufeln 16 folgt.

Claims (10)

  1. Strömungsmaschine, insbesondere ein axial durchströmter Verdichter (5) für eine Gasturbine (1),
    mit einem axial verschiebbaren Rotor (3) und
    mit einem in einem Gehäuse vorgesehenen Ringkanal, der zwischen einer drehfesten äußeren Begrenzungsfläche (37) und einer am Rotor (3) angeordneten inneren Begrenzungsfläche (36) gebildet wird,
    wobei im Ringkanal eine innere und eine äußere Führungsfläche (21, 22) für ein Strömungsmedium (26) mindestens teilweise von der jeweiligen Begrenzungsfläche (36) gebildet ist, die einen ringförmigen sich in Axialrichtung verjüngenden Strömungskanal (24) formen,
    mit mindestens einem im Ringkanal angeordneten feststehenden Kranz (15) aus Leitprofilen (28) und mit mindestens einem Kranz (17) aus am Rotor befestigten Laufprofilen (27), die sich jeweils zwischen einer Plattform (25) und einem der Plattform (25) gegenüberliegendem Ende einer Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) erstrecken,
    wobei das Ende jeder Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) jeweils einem axialen Abschnitt (A) einer der beiden Begrenzungsflächen (36, 37) jeweils unter Bildung eines Radialspaltes (23) gegenüberliegt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Maß jedes Radialspaltes (23) zwischen dem Ende einer jeden Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) und dem gegenüberliegenden axialen Abschnitt (A) der Begrenzungsfläche (36, 37) mindestens über den Verschiebeweg des Rotors (3) konstant ist und der Radialspalt (23) parallel zur Drehachse (2) des Rotors (3) verläuft.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest teilweise die äußere Führungsfläche (21) durch die Oberseite der Plattformen (25) der Leitschaufeln (14) gebildet ist, die dem Leitprofil (28) zugewandt ist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest teilweise die innere Führungsfläche (22) durch die Oberseite der Plattformen (25) der Laufschaufeln (16) gebildet ist, die dem Laufprofil (27) zugewandt ist.
  4. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 und 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Oberseiten der Plattformen (25) der Lauf- bzw. Leitschaufeln (14, 16) in Axialrichtung gegenüber der Verschieberichtung V geneigt sind, so dass sich der Strömungskanal (24) in Axialrichtung verjüngt.
  5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Laufschaufel (16) als freistehende Laufschaufel (16) ausgebildet ist.
  6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die äußere Führungsfläche (21) und der sich in Axialrichtung erstreckende Abschnitt A der äußeren Begrenzungsfläche (37), der den Enden der Laufschaufel (16) eines Laufschaufelkranzes (17) gegenüberliegt, mittels eines Führungsrings (30) gebildet wird.
  7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Leitschaufel (14) als freistehende Leitschaufel (14) ausgebildet ist.
  8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Leitschaufeln (14) eines Kranzes (15) jeweils an ihrem Ende weitere Plattformen (31) aufweisen, die in Umfangsrichtung aneinanderliegend eine äußere Umfangsfläche aufweisen, welche die innere Führungsfläche (22) bildet und dass die der Führungsfläche (22) abgewandte Rückseite (34) der weiteren Plattformen (31) den in Axialrichtung erstreckenden Abschnitt A der inneren Begrenzungsfläche (36) unter Bildung des Radialspaltes (23) gegenüberliegt.
  9. Strömungsmaschine nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Radialspalt (23) Labyrinthdichtungen (38) vorgesehen sind.
  10. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Strömungsmaschine als ein axial durchströmter Verdichter (5) einer Gasturbine (1) ausgebildet ist.
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