EP2297430B1 - Axialturbine für eine gasturbine mit geringem spiel zwischen schaufeln und gehäuse - Google Patents

Axialturbine für eine gasturbine mit geringem spiel zwischen schaufeln und gehäuse Download PDF

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EP2297430B1
EP2297430B1 EP09797468.7A EP09797468A EP2297430B1 EP 2297430 B1 EP2297430 B1 EP 2297430B1 EP 09797468 A EP09797468 A EP 09797468A EP 2297430 B1 EP2297430 B1 EP 2297430B1
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EP
European Patent Office
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axial turbine
radial
region
blade
curvature section
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP09797468.7A
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English (en)
French (fr)
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EP2297430A1 (de
Inventor
Stefan Braun
Christian Cornelius
Andreas Heilos
Olaf Hein
Thomas Hofbauer
Annika EMDE
Christian Lerner
Silvio-Ulrich Martin
Thorsten Mattheis
Ralf Müsgen
Eckart Schumann
Rostislav Teteruk
Adam Zimmermann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/142—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of the blades of successive rotor or stator blade-rows
    • F01D5/143—Contour of the outer or inner working fluid flow path wall, i.e. shroud or hub contour

Definitions

  • the invention relates to an axial turbine for a gas turbine, wherein the axial turbine has low gap losses.
  • a gas turbine has a turbine, for example, in axial construction.
  • the turbine has a housing and a rotor which is surrounded by the housing.
  • the rotor has a shaft on which shaft power is removable.
  • a hub Surrounding the shaft, a hub is provided, whose hub contour together with the inner contour of the housing forms a flow channel through the turbine.
  • the flow channel has a cross-section widening in the flow direction due to a mostly conical inner contour of the housing.
  • the rotor has a plurality of rotor stages, each formed by a blade grid.
  • the blade lattices have a plurality of rotor blades, which are fastened with their one end in each case on the hub side to the rotor and with its other end pointing radially outward.
  • a blade tip is formed, which faces the inside of the housing and is disposed immediately adjacent.
  • the distance between the blade tips and the inside of the housing is formed as a radial gap, which is dimensioned such that on the one hand the blade tips do not touch the housing during operation of the gas turbine and on the other hand the leakage flow through the radial gap that occurs during operation of the gas turbine is as low as possible ,
  • the leakage flow through the radial gap is desirable for the leakage flow through the radial gap to be as low as possible, so that the power gain in the turbine is as high as possible.
  • the turbine housing is solidly engineered to withstand the pressure and temperature stresses associated with gas turbine operation. Furthermore, the housing is rigid, so that the load application to the housing during operation of the gas turbine has only a small deformation of the housing result. In contrast, the blades are thinner and less massive compared to the housing.
  • the inside of the housing and the blades are in contact with hot gas, with the blades completely bypassing the hot gas.
  • the blades heat up faster than the housing.
  • the blades and the housing have different thermal expansion rates, so that when starting and stopping the gas turbine, the height of the radial gap changes, the radial gap is smaller when starting and larger when starting. So that when starting the blade tips of the blades do not abut the housing and damage it, the radial gap is provided with a minimum height dimensioned such that when the gas turbine starts, the blade tips almost never touch the housing. This has the consequence that a correspondingly dimensioned radial gap is kept at the blade tips, which leads to a reduction of the power density and the efficiency of the gas turbine.
  • Modern blades have a very high aerodynamic efficiency, which is achieved by a high pressure load of the blades. Caused by the high pressure load, the leakage flow through the radial gap is high, so that the overall efficiency of the blade is severely impaired by the character and intensity of the leakage flow through the radial gap. A reduction in the losses caused by the leakage flow causes a great improvement in the overall efficiency of the blade.
  • conventional Attempts are made to reduce the aerodynamic losses in the gap area of the blade by measures to reduce the leakage flow.
  • measures to reduce the radial gap or a special shape of the blade tips are provided, such as crowns or targetedde Kunststoffausblasonne.
  • a blade with a curved blade tip is provided, which can rub a groove in an opposite channel wall to form a minimum radial gap.
  • the curvature is achieved by an abrasive layer applied to the blade tip with a different layer thickness.
  • the layer is designed to run out, so that the rubbed groove without steps merges into the adjacent channel walls.
  • a disadvantage is considered the more complex manufacturing process of the blade and the application of the rubbing process, which requires an increased minimum strength of blades.
  • the object of the invention is to provide an axial turbine for a gas turbine, which has a high aerodynamic efficiency.
  • the axial turbine according to the invention for a gas turbine has a blade grid, which is formed by blades, each having a leading edge, a trailing edge and a radially outer freestanding blade tip, an annular space wall enclosing the blade grid with an annular space inside, with which the Ringraumwandung immediately adjacent to the blade tips forming the radial gap between the envelope of the blade tips and the annular space inside, wherein the blades at their blade tips between the leading edge and the trailing edge has a region with the highest pressure load of the blade tips, and wherein the blades each have a radial elevation in the region of highest pressure load and the annular space wall on the annular space inside has a circumferential radial recess, which are opposite to the radial elevations against:
  • the pressure load in the sense of this document corresponds to it the pressure difference between the suction side and the pressure side of the blade, which varies in size along the profile section.
  • the unfavorable, lossy gap flow is reduced by using the blade tip, which is optimized directly with regard to minimum losses, and the annular space contour.
  • the annular space in the region of the blade tip is designed as a contour deviating from the conventional annular space.
  • the minimum gap width is arranged in the operation of the axial turbine in the range of maximum pressure difference between the pressure side and the suction side of the blade.
  • the radial recess and the radial elevations are shaped such that the course of the radial gap seen in the main flow direction of the axial turbine runs essentially the same distance, wavy and without steps.
  • the invention according to the main claim 1 is that the
  • an adjoining second curvature portion and an adjoining third curvature portion has, wherein the first curvature of the second curvature portion is delimited with a first inflection point and the second curvature portion of the third curvature portion is adjacent to a second inflection point, so that the curvatures of the first curvature portion and the third curvature portion have the same sign, which is different from the sign of the curvature of the second curvature portion.
  • the size of the radial gap between the blade tip and the annular space wall - as seen along the axial direction - also be constant.
  • the annular gap in the main flow direction has a uniform, not abruptly changing course, so that the flow in the region of the blade tip has low losses.
  • the amount of leakage flow is directly targeted reduced and reduced their adverse effects on the overall efficiency of the blade lattice. This results in having to provide without additional design measures, an improved aerodynamic quality of the blade lattice.
  • Vorteihaft style the profile section can be performed on the blade tip contrary to the conventional design as a "front-loaded design". That is, the largest pressure load is moved from the rear part (trailing edges) of the blade in the region of the profile leading edge (front edge near). Seen over the height of the blade, this range can be about 20%. The remainder of the blade can then be conventionally designed in a "rear-loaded design". The transition from "front-loaded design” to "rear-loaded design” at about 20% of the height of the blade is preferably stepless.
  • the radial recess is arranged in the front third.
  • the radial recess is located in the region of the highest pressure load of the blade tip, so that the gap flow is reduced.
  • the profile of the radial elevations seen in the main flow direction of the axial turbine is modeled on the course of the radial recess at its sides facing the radial gap.
  • the curvature of the first curvature portion is preferably larger than that of the third curvature portion.
  • the first inflection point is preferably located in the region of the front edge.
  • the portions of the annular channel seen in the main flow direction of the axial turbine, which are adjacent to the radial recess upstream and downstream, are conical.
  • FIGS. 1 to 3 an axial turbine 1, a blade 2, which has a leading edge 3 and
  • the rotor blade 2 has a pressure side 5 and a suction side 6, which each extend from the front edge 3 to the trailing edge 4.
  • the pressure side 5 is lined with the suction side 6 more concave curved.
  • the blade 2 has at its radially outer end a blade tip 13, which is exposed. In the area of the blade tip 13, the blade 2 is designed in the "front-loaded design” 7.
  • the "rear-loaded design” 8 is shown, in which the pressure side 5 is less curved in the region of the front edge 3 than in the "front-loaded design" 7.
  • the region 9 with the highest pressure loading of the blade 2 is located in the region of the blade tip 13 in the vicinity of the leading edge 3.
  • the axial turbine 1 on the hub side, a hub contour 10 on which the blade 2 is fixed.
  • the axial turbine 1 has an annular space wall 11 which has an annular space inner side 12 facing the blade tip 13.
  • the annular space wall 11 is mainly -. apart from a radial recess 15 - conical with a greater pitch than the hub contour 10th
  • FIG. 3 the blade 2 is also shown with a conventional blade tip 23 and the annular space wall 11 with a conventional annular space inside 24, wherein the conventional blade tip 23 and the conventional annular space inside 24 have a straight course.
  • the annular space wall 11 on the annular space inside 12, the radial recess 15, which is arranged in the region of the front edge 3 of the blade 2.
  • a radial elevation 16 is provided on the blade tip 13. The radial elevation 16 runs essentially parallel to the radial recess 15, so that the radial gap 14 has a uniform course seen in the main flow direction of the axial turbine 1.
  • the radial recess has a first curved section 17, an adjoining second curved section 19 and an adjoining third curved section 21.
  • the first curvature section 17 is delimited from the second curvature section 19 with a first inflection point 18 and the second curvature section 19 is delimited from the third curvature section 21 by a second inflection point 20.
  • the center of curvature of the first curvature section 17 and of the third curvature section 21 lies radially outside the axial turbine 1 and the center of curvature of the second curvature section 19 within the axial turbine 1.
  • the curvature of the first curvature portion 17 is greater than the curvature of the third curvature portion 21, so that the radial gap 14 in the region of the front edge 3 has a radially outward, steeper course than in the region of the third curvature portion 21st
  • the radial recess 15 and the radial elevation 16 are arranged in the front third of the blade tip 13. Due to the fact that in the area of the blade tip 13, the blade 2 in "FrontLoaded Design" is formed, located exactly in this area of the area 9 with the highest pressure load.
  • the radial recess 15 and the radial elevation 16 are arranged to one another such that a gap minimum 22 is formed in the region 9 of the highest pressure load.
  • a leakage flow which forms during operation of the axial turbine 1 through the radial gap 14 is exactly low in the region 9 with the highest pressure load.
  • the moving blade 2 has a high aerodynamic efficiency, in particular in the area of the blade tip 13.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Axialturbine für eine Gasturbine, wobei die Axialturbine geringe Spaltverluste hat.
  • Eine Gasturbine weist eine Turbine beispielsweise in Axialbauweise auf. Die Turbine weist ein Gehäuse und einen Rotor auf, der von dem Gehäuse umgeben ist. Der Rotor weist eine Welle auf, an der Wellenleistung abnehmbar ist. Die Welle umgebend ist eine Nabe vorgesehen, deren Nabenkontur zusammen mit der Innenkontur des Gehäuses einen Strömungskanal durch die Turbine bildet. Der Strömungskanal hat einen in Strömungsrichtung sich aufweitenden Querschnitt aufgrund einer zumeist konischen Innenkontur des Gehäuses.
  • Der Rotor weist eine Mehrzahl von Rotorstufen auf, die jeweils von einem Laufschaufelgitter gebildet sind. Die Laufschaufelgitter weisen eine Mehrzahl an Laufschaufeln auf, die mit ihrem einen Ende jeweils nabenseitig an dem Rotor befestigt sind und mit ihrem anderen Ende radial nach außen zeigen. An dem anderen Ende der Laufschaufel ist eine Schaufelspitze ausgebildet, die der Innenseite des Gehäuses zugewandt und unmittelbar benachbart angeordnet ist. Der Abstand zwischen den Schaufelspitzen und der Innenseite des Gehäuses ist als ein Radialspalt ausgebildet, der derart dimensioniert ist, dass einerseits die Schaufelspitzen beim Betrieb der Gasturbine an das Gehäuse nicht anstreifen und andererseits die beim Betrieb der Gasturbine sich einstellende Leckageströmung durch den Radialspalt möglichst gering ist. Damit die Gasturbine einen hohen Wirkungsgrad hat, ist es wünschenswert, dass die Leckageströmung durch den Radialspalt möglichst gering ist, so dass der Leistungsgewinn in der Turbine möglichst hoch ist.
  • Das Gehäuse der Turbine ist massiv konstruiert, um den Druck- und Temperaturbeanspruchungen beim Betrieb der Gasturbine standhalten zu können. Ferner ist das Gehäuse steif ausgeführt, damit der Lasteintrag auf das Gehäuse beim Betrieb der Gasturbine eine nur kleine Verformung des Gehäuses zur Folge hat. Im Gegensatz dazu sind die Laufschaufeln im Vergleich zu dem Gehäuse dünner und weniger massiv ausgeführt.
  • Beim Betrieb der Axialturbine stehen die Innenseite des Gehäuses und die Laufschaufeln mit heißem Gas in Kontakt, wobei die Laufschaufeln von dem heißen Gas vollständig umströmt werden. Dadurch, dass die Laufschaufeln filigraner als das Gehäuse ausgebildet sind und in großflächigerem Kontakt mit dem heißen Gas als das Gehäuse stehen, erwärmen sich die Laufschaufeln schneller als das Gehäuse. Dies hat zu Folge, dass zum An- und Abfahren der Gasturbine die Laufschaufeln und das Gehäuse unterschiedliche Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten haben, so dass sich beim An- und Abfahren der Gasturbine die Höhe des Radialspalts ändert, wobei der Radialspalt beim Anfahren kleiner und beim Abfahren größer wird. Damit beim Anfahren die Schaufelspitzen der Laufschaufeln nicht an das Gehäuse anstoßen und dieses beschädigen, ist der Radialspalt mit einer derart dimensionierten Minimalhöhe versehen, dass beim Anfahren der Gasturbine die Schaufelspitzen das Gehäuse so gut wie nie berühren. Dies hat zur Folge, dass an den Schaufelspitzen ein entsprechend dimensionierter Radialspalt vorgehalten ist, der zu einer Reduktion der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads der Gasturbine führt.
  • Moderne Laufschaufeln haben eine sehr hohe aerodynamische Effizienz, die durch eine hohe Druckbelastung der Laufschaufeln erreicht ist. Hervorgerufen durch die hohe Druckbelastung ist die Leckageströmung durch den Radialspalt hoch, so dass durch den Charakter und die Intensität der Leckageströmung durch den Radialspalt der Gesamtwirkungsgrad der Laufschaufel stark beeinträchtigt ist. Eine Reduktion der von der Leckageströmung hervorgerufenen Verluste bewirkt eine große Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Laufschaufel. Herkömmlich wird versucht, die aerodynamischen Verluste im Spaltbereich der Laufschaufel durch Maßnahmen zur Reduktion der Leckageströmung zu verringern. Hierbei sind Maßnahmen zur Verkleinerung des Radialspalts oder eine besondere Formgebung der Schaufelspitzen vorgesehen, wie Kronen oder gezielte Kühlluftausblasungen. Alternativ dazu ist aus der DE 10 2004 059 904 A1 eine Laufschaufel mit einer gewölbten Schaufelspitze vorgesehen, welche zur Bildung eines minimalen Radialspalts in eine gegenüberliegende Kanalwand eine Nut einreiben kann. Die Wölbung wird durch eine auf die Schaufelspitze aufgetragene abrasive Schicht mit unterschiedlicher Schichtdicke erreicht. An den Rändern, d.h. an der Vorderkante und Hinterkante, ist die Schicht auslaufend ausgebildet, so dass die eingeriebene Nut ohne Stufen in die benachbarten Kanalwände übergeht. Als Nachteilig wird der aufwändigere Herstellungsprozess der Laufschaufel angesehen und die Anwendung des Einreibvorgangs, was eine erhöhte Mindestfestigkeit von Laufschaufeln voraussetzt.
  • Herkömmliche Turbinen-Laufschaufeln sind nach dem "Rear-Loaded-Design" gestaltet, wobei die maximale Druckbeanspruchung der Laufschaufel im Bereich ihrer Hinterkante angesiedelt ist. Als veraltet bekannt sind auch nach dem "Front-Loaded-Design" ausgelegte Laufschaufeln, bei denen die höchste Druckbelastung im Bereich der Vorderkante angesiedelt ist. Hierzu ist beispielweise aus der EP 1 057 969 A2 eine Turbinenlaufschaufel mit einem Schaufelblatt bekannt, welches nabenseitig ein "Front-Loaded-Design" oder "Intermediate-Loaded-Design" und spitzenseitig ein "Rear-Loaded-Design" aufweist, wodurch die Verteilung der Rate der Änderung der Umfangsgeschwindigkeit vermittelt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Axialturbine für eine Gasturbine zu schaffen, die einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad hat.
  • Die erfindungsgemäße Axialturbine für eine Gasturbine weist ein Laufschaufelgitter, das von Laufschaufeln mit jeweils einer Vorderkante, einer Hinterkante und einer radial außen liegenden, freistehenden Schaufelspitze gebildet ist, eine das Laufschaufelgitter ummantelnde Ringraumwandung mit einer Ringrauminnenseite auf, mit der die Ringraumwandung unmittelbar benachbart zu den Schaufelspitzen unter Ausbildung des Radialspalts zwischen der Einhüllenden der Schaufelspitzen und der Ringrauminnenseite angeordnet ist, wobei die Laufschaufeln an ihren Schaufelspitzen zwischen der Vorderkante und der Hinterkante einen Bereich mit der höchsten Druckbelastung der Schaufelspitzen aufweist, und wobei die Laufschaufeln im Bereich der höchsten Druckbelastung jeweils eine Radialerhebung aufweisen sowie die Ringraumwandung an der Ringrauminnenseite eine umlaufende Radialvertiefung aufweist, die den Radialerhebungen gegen überliegen: Die Druckbelastung im Sinne dieser Schrift entspricht dabei der Druckdifferenz zwischen Saugseite und Druckseite der Laufschaufel, welche entlang des Profilsschnitts unterschiedlich groß ist.
  • Dadurch wird durch das Heranziehen der direkt hinsichtlich minimaler Verluste optimierten Schaufelspitze und der Ringraumkontur die ungünstige, verlustbehaftete Spaltströmung reduziert. Dabei wird der Ringraum im Bereich der Schaufelspitze als von dem herkömmlichen Ringraum abweichende Kontur ausgeführt. Bei der Festlegung der Form der Ringraumkontur wird zudem berücksichtigt, dass die minimale Spaltweite im Betrieb der Axialturbine im Bereich der maximalen Druckdifferenz zwischen der Druckseite und der Saugseite der Laufschaufel angeordnet ist. Diese Maßnahmen haben so gut wie keinen Einfluss auf die aerodynamische wirkungsweise der Laufschaufel und bewirken eine wesentliche Verringerung der Spaltströmung von der Druckseite zur Saugseite über die Schaufelspitze hinweg, verglichen mit einer herkömmlich ausgelegten Axialturbine. Ferner ist es möglich, alle bisher bekannten Maßnahmen zu Verringerung der negativen Auswir kungen der Leckageströmung zusätzlich bei der erfindungsgemäßen Axialturbine anzuwenden.
  • Ferner sind die Radialvertiefung und die Radialerhebungen derart geformt sind, dass der in Hauptströmungsrichtung der Axialturbine gesehene Verlauf des Radialspalts im Wesentlichen gleich weit, wellig und stufenfrei verläuft.
  • Die Erfindung gemäβ Hauptanspruch 1 besteht darin, daβ der
  • in Hauptströmungsrichtung der Axialturbine gesehene Verlauf der Radialvertiefung an der Ringrauminnenseite einen ersten Krümmungsabschnitt, einen sich daran anschließenden zweiten Krümmungsabschnitt und einen sich daran anschließenden dritten Krümmungsabschnitt auf weist, wobei der erste Krümmungsabschnitt von dem zweiten Krümmungsabschnitt mit einem ersten Wendepunkt abgegrenzt ist und der zweite Krümmungsabschnitt von dem dritten Krümmungsabschnitt mit einem zweiten Wendepunkt angegrenzt ist, so dass die Krümmungen des ersten Krümmungsabschnitts und des dritten Krümmungsabschnitts das selbe Vorzeichen haben, das von dem Vorzeichen der Krümmung des zweiten Krümmungsabschnitts unterschiedlich ist. In diesem Fall kann die Größe des Radialspalts zwischen Schaufelspitze und Ringraumwandung - entlang der Axialrichtung gesehen - auch konstant sein.
  • Dadurch hat der Ringspalt in Hauptströmungsrichtung gesehen einen gleichmäßigen, sich nicht abrupt ändernden Verlauf, so dass die Strömung im Bereich der Schaufelspitze verlustarm ist.
  • Vorteilhaft ist die Menge der Leckageströmung direkt gezielt reduziert und deren ungünstige Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad des Laufschaufelgitters reduziert. Dadurch ergibt sich, ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen vorsehen zu müssen, eine verbesserte aerodynamische Güte des Laufschaufelgitters.
  • Vorteihafterweise kann der Profilschnitt an der Schaufelspitze entgegen der konventionellen Auslegung als "Front-Loaded-Design" ausgeführt sein. Das heißt, die größte Druckbelastung wird von dem hinteren Teil (hinterkantennah) der Schaufel in den Bereich der Profileintrittskante (vorderkantennah) verschoben. Über die Höhe der Laufschaufel gesehen kann dieser Bereich etwa 20% betragen. Der restliche Bereich der Laufschaufel kann dann herkömmlich im "Rear-Loaded-Design" ausgeführt sein. Der Übergang von "Front-Loaded-Design" zu "Rear-Loaded-Design" bei etwas 20% der Höhe der Laufschaufel erfolgt vorzugsweise stufenlos.
  • Bevorzugt ist es, dass bezüglich der in Hauptströmungsrichtung der Axialturbine gesehenen Erstreckung des Radialspalts die Radialvertiefung im vorderen Drittel angeordnet ist.
  • Dadurch ist die Radialvertiefung im Bereich der höchsten Druckbelastung der Schaufelspitze angesiedelt, so dass die Spaltströmung reduziert ist.
  • Bevorzugt ist es, dass der in Hauptströmungsrichtung der Axialturbine gesehene Verlauf der Radialerhebungen an ihren dem Radialspalt zugewandten Seiten dem Verlauf der Radialvertiefung nachempfunden ist.
  • Außerdem ist bevorzugt die Krümmung des ersten Krümmungsabschnitts größer als die des dritten Krümmungsabschnitts. Ferner ist bevorzugt der erste Wendepunkt im Bereich der Vorderkante angesiedelt.
  • Bevorzugt ist, dass die in Hauptströmungsrichtung der Axialturbine gesehenen Abschnitte des Ringkanals, welche der Radialvertiefung stromauf und stromab benachbart sind, konisch sind.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Axialturbine anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Profilschnitt einer erfindungsgemäßen Laufschaufel im Bereich der Schaufelspitze,
    Figur 2
    eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Axialturbine und
    Figur 3
    die Seitenansicht aus Figur 2 verglichen mit einer herkömmlichen Axialturbine.
  • Wie es aus Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Axialturbine 1 eine Laufschaufel 2 auf, die eine Vorderkante 3 und
  • eine Hinterkante 4 aufweist. Die Laufschaufel 2 weist eine Druckseite 5 und eine Saugseite 6 auf, die jeweils von der Vorderkante 3 zu der Hinterkante 4 verlaufen. Die Druckseite 5 ist verlichten mit der Saugseite 6 stärker konkav gekrümmt. Die Laufschaufel 2 weist an ihrem radial außenseitig liegenden Ende eine Schaufelspitze 13 auf, die freiliegend ist. Im Bereich der Schaufelspitze 13 ist die Laufschaufel 2 im "Front-Loaded-Design" 7 ausgeführt. Im Vergleich dazu ist das "Rear-Loaded-Design" 8 gezeigt, bei dem die Druckseite 5 im Bereich der Vorderkante 3 weniger stark gekrümmt ist, als beim "Front-Loaded-Design" 7.
  • Dadurch, dass die Laufschaufel 2 im Bereich der Schaufelspitze 13 im "Front-Loaded-Design" 7 ausgeführt ist, ist der Bereich 9 mit der höchsten Druckbelastung der Laufschaufel 2 im Bereich der Schaufelspitze 13 in der Nähe der Vorderkante 3 angesiedelt.
  • Ferner weist die Axialturbine 1 nabenseitig eine Nabenkontur 10 auf, an der die Laufschaufel 2 befestigt ist. Radial nach außen abschließend weist die Axialturbine 1 eine Ringraumwandung 11 auf, die eine der Schaufelspitze 13 zugewandte Ringrauminnenseite 12 hat. Mit der Ringraumwandung 11 ist die Laufschaufel 2 ummantelt und bildet mit der Ringrauminnenseite 13 zusammen mit der Nabenkontur 10 einen divergenten Ringraum der Axialturbine 1. Die Ringraumwandung 11 ist dabei hauptsächlich - d.h. abgesehen von einer Radialvertiefung 15 - konisch ausgebildet mit einer größeren Steigung als die Nabenkontur 10.
  • Zwischen der Schaufelspitze 13 und der Ringrauminnenseite 12 ist ein Abstand vorgesehen, so dass zwischen der Schaufelspitze 13 und der Ringrauminnenseite 12 ein Radialspalt 14 gebildet ist.
  • In Figur 3 ist die Laufschaufel 2 auch mit einer herkömmlichen Schaufelspitze 23 und die Ringraumwandung 11 mit einer herkömmlichen Ringrauminnenseite 24 dargestellt, wobei die herkömmliche Schaufelspitze 23 und die herkömmliche Ringrauminnenseite 24 einen geraden Verlauf haben.
  • Im Gegensatz dazu weist die erfindungsgemäße Ringraumwandung 11 an der Ringrauminnenseite 12 die Radialvertiefung 15 auf, die im Bereich der Vorderkante 3 der Laufschaufel 2 angeordnet ist. In Korrelation zu der Radialvertiefung 15 und in diese eingreifend ist an der Schaufelspitze 13 eine Radialerhebung 16 vorgesehen. Die Radialerhebung 16 verläuft im Wesentlichen parallel zu der Radialvertiefung 15, so dass der Radialspalt 14 einen in Hauptströmungsrichtung der Axialturbine 1 gesehenen, gleichmäßigen Verlauf hat.
  • In Hauptströmungsrichtung der Axialturbine 1 gesehen weist die Radialvertiefung einen ersten Krümmungsabschnitt 17, einen sich daran anschließenden zweiten Krümmungsabschnitt 19 und einen sich daran anschließenden dritten Krümmungsabschnitt 21 auf. Der erste Krümmungsabschnitt 17 ist von dem zweiten Krümmungsabschnitt 19 mit einem ersten Wendepunkt 18 abgegrenzt und der zweite Krümmungsabschnitt 19 ist von dem dritten Krümmungsabschnitt 21 von einem zweiten Wendepunkt 20 abgegrenzt. Dadurch liegt der Krümmungsmittelpunkt des ersten Krümmungsabschnitts 17 und des dritten Krümmungsabschnitts 21 radial gesehen außerhalb der Axialturbine 1 und der Krümmungsmittelpunkt des zweiten Krümmungsabschnitts 19 innerhalb der Axialturbine 1.
  • Die Krümmung des ersten Krümmungsabschnitts 17 ist größer als die Krümmung des dritten Krümmungsabschnitts 21, so dass der Radialspalt 14 im Bereich der Vorderkante 3 einen radial nach außen gesehenen, steileren Verlauf hat, als im Bereich des dritten Krümmungsabschnitts 21.
  • In Hauptströmungsrichtung der Axialturbine 1 gesehen sind die Radialvertiefung 15 und die Radialerhebung 16 im vorderen Drittel der Schaufelspitze 13 angeordnet. Dadurch, dass im Bereich der Schaufelspitze 13 die Laufschaufel 2 im "FrontLoaded-Design" ausgebildet ist, ist genau in diesem Bereich der Bereich 9 mit der höchsten Druckbelastung angesiedelt.
  • Die Radialvertiefung 15 und die Radialerhebung 16 sind zueinander derart angeordnet, dass ein Spaltminimum 22 im Bereich 9 der höchsten Druckbelastung ausgebildet ist. Dadurch ist eine im Betrieb der Axialturbine 1 durch den Radialspalt 14 sich ausbildende Leckageströmung genau im Bereich 9 mit der höchsten Druckbelastung gering. Dadurch hat die Laufschaufel 2 einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad, insbesondere im Bereich der Schaufelspitze 13.

Claims (8)

  1. Axialturbine (1) für eine Gasturbine,
    mit einem Laufschaufelgitter, das von Laufschaufeln (2) mit jeweils einer Vorderkante (3), einer Hinterkante (4) und einer radial außen liegenden, freistehenden Schaufelspitze (13) gebildet ist und einer das Laufschaufelgitter ummantelnden, divergenten Ringraumwandung (11) mit einer Ringrauminnenseite (12), mit der die Ringraumwandung (11) unmittelbar benachbart zu den Schaufelspitzen (13) unter Ausbildung eines Radialspalts zwischen der Einhüllenden der Schaufelspitzen (13) und der Ringrauminnenseite (12) angeordnet ist,
    wobei die Laufschaufeln (2) an ihren Schaufelspitzen (13) zwischen der Vorderkante (3) und der Hinterkante (4) einen Bereich mit der höchsten Druckbelastung der Schaufelspitzen (13) aufweist, und
    wobei die Laufschaufeln (2) im Bereich der höchsten Druckbelastung jeweils eine Radialerhebung (16) aufweisen sowie die Ringraumwandung (11) an der Ringrauminnenseite (12) eine umlaufende Radialvertiefung (15) aufweist, die den Radialerhebungen (16) gegenüber liegen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Radialvertiefung (15) und die Radialerhebungen (16) derart geformt sind, dass der in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbine (1) gesehene Verlauf des Radialspalts (14) im Wesentlichen gleichweit, wellig, kantenfrei und stufenfrei verläuft,
    wobei der in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbine (1) gesehene Verlauf der Radialvertiefung (15) an der Ringrauminnenseite (12) einen ersten Krümmungsabschnitt (17), einen sich daran anschließenden zweiten Krümmungsabschnitt (19) und einen sich daran anschließenden dritten Krümmungsabschnitt (21) aufweist,
    wobei der erste Krümmungsabschnitt (17) von dem zweiten Krümmungsabschnitt (19) mit einem ersten Wendepunkt (18) abgegrenzt ist und der zweite Krümmungsabschnitt (19) von dem dritten Krümmungsabschnitt (21) mit einem zweiten Wendepunkt (20) abgegrenzt ist, so dass die Krümmungen des ersten Krümmungsabschnitts (17) und des dritten Krümmungsabschnitts (21) das selbe Vorzeichen haben, das von dem Vorzeichen der Krümmung des zweiten Krümmungsabschnitts (19) unterschiedlich ist.
  2. Axialturbine (1) nach Anspruch 1,
    bei der zumindest im Bereich der Laufschaufelspitze (13) die höchste Druckbelastung der Laufschaufel (2) im Bereich der Vorderkante (3) angeordnet ist.
  3. Axialturbine (1) nach Anspruch 2,
    bei der der Bereich der Laufschaufelspitze (13), in welchem die höchste Druckbelastung im Bereich der Vorderkante (3) angesiedelt ist, maximal 20% der Höhe der Laufschaufel (2) beträgt und der restliche Bereich der Höhe der Laufschaufel (2) eine höchste Druckbelastung aufweist, welche im Bereich der Hinterkante (4) angeordnet ist.
  4. Axialturbine (1) nach Anspruch 2 oder 3,
    wobei bezüglich der in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbine (1) gesehenen Erstreckung des Radialspalts (14) die Radialvertiefung (15) im vorderen Drittel angeordnet ist.
  5. Axialturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei der in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbine (1) gesehene Verlauf der Radialerhebungen (16) an ihren dem Radialspalt (14) zugewandten Seiten dem Verlauf der Radialvertiefung (15) nachempfunden ist.
  6. Axialturbine (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
    wobei die Krümmung des ersten Krümmungsabschnitts (17) gröβer ist als die des dritten Krümmungsabschnitts (21).
  7. Axialturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei der erste Wendepunkt (18) im Bereich der Vorderkante (3) angesiedelt ist.
  8. Axialturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei die in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbine (1) gesehenen Abschnitte des Ringkanals, welche der Radialvertiefung (15) stromauf und stromab benachbart sind, konisch sind.
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