EP2474744A1 - Annular flow channel for an axial compressor - Google Patents

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EP2474744A1
EP2474744A1 EP11150590A EP11150590A EP2474744A1 EP 2474744 A1 EP2474744 A1 EP 2474744A1 EP 11150590 A EP11150590 A EP 11150590A EP 11150590 A EP11150590 A EP 11150590A EP 2474744 A1 EP2474744 A1 EP 2474744A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow channel
blades
ring
compressor
inner ring
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Withdrawn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
EP11150590A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Markus Paus
Marion Morthorst
Achim Schirrmacher
Thomas Röcken
Ulrich Waltke
Bernd Van Den Toorn
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
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2011/071834 priority patent/WO2012095220A1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
    • 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
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/502—Thermal properties
    • F05D2300/5021—Expansivity

Definitions

  • the invention relates to an annular flow channel for an axial compressor, in which attached to an outer boundary wall of the flow channel airfoils are arranged in a radiating manner in at least two immediately consecutive wreaths.
  • Axial compressors and gas turbines with axial compressors are known from the extensive state of the art in a variety of ways.
  • the last stage of the compressor viewed in the direction of flow of the compressed air, includes a ring of blades followed by a ring of vanes downstream.
  • the EP 2 194 234 A1 Following the vane ring of the last compressor stage another ring of blades, which are attached as well as the vanes to the radially outer boundary wall of the flow channel.
  • the other wreath of blades is called Nachleitrad.
  • the Nachleitschaufeln the stationary Nachleitrads have the task of exempting the air flow leaving the compressor as far as possible from swirl. Through the Entdrallung the air flow, this can build up the static pressure comparatively low loss in the compressor outlet diffuser. Although the Nachleitrad contributes no contribution to the compression of the air sucked by the axial compressor, this structurally belongs to the axial compressor.
  • the heat insulation ring is part of a rotationally fixed shaft cover of the compressor rotor, which also forms the inner boundary of the compressor outlet diffuser at the same time.
  • the concentric to the central axis shaft cover is formed thin-walled because of the rather minor mechanical stress and connected to the diffuser exit side via struts not shown with the housing of the gas turbine.
  • the housing of the axial compressor is relatively solid designed to withstand the pressure and temperature stresses during operation can. Furthermore, the housing is made relatively stiff. Thus, the load application to the housing during operation of the gas turbine leads only to small deformations. Characterized in that the shaft cover is formed with smaller wall thicknesses compared to the housing and typically has different material properties than the housing, the shaft cover heats up faster than the housing with the guide blade rows and Nachleitschn attached thereto. This has the consequence that when starting and when the gas turbine shaft cover and the housing have a different thermal expansion rate, so that when starting and stopping the gas turbine, the size of the radial column changes, the radial gap when starting temporarily smaller and temporarily larger when starting be or are.
  • the radial gap is provided with such a dimensioned minimum height that in each operating state of the gas turbine, the blade tips touch the shaft cover almost never.
  • the heat input from the compressed warm air is delayed in the shaft cover itself, which is equivalent to an adjustment of the temperature-induced thermal expansion rate of the shaft cover to the outer housing.
  • the object of the invention is therefore to provide an annular flow channel for an axial compressor, which on the one hand bring about a particularly efficient and low-loss Entdrallung the last compressor stage leaving air flow and on the other hand has a comparatively simple construction in which the different rapidly expanding components in operation neither wear to be damaged.
  • the annular flow channel is surrounded by an outer boundary wall on which in at least two successive wreaths blades are arranged radiating, wherein the blades of one of the two rings are connected with its radially inner end with a radially inner end bounding the flow channel inner ring , Wherein this has a radial extent such that the blades of the other of the two rings each with radial gap formation opposite this.
  • the invention has recognized that the radially inner boundary wall of the flow channel in the axial section of the last compressor stage and the Nachleit marina should not be part of the shaft cover if possible, since the thermal coordination of the components is very difficult. Consequently, it is proposed to shorten the shaft cover, so that these only the inner boundary wall of the to the axial compressor then connecting the compressor outlet diffuser. For this reason, the inner boundary wall of the axial compressor in the region of the vane ring of the last compressor stage and the Nachleitrades must be supported by a different structure. For this purpose, it is provided that in this axial portion of the flow channel inside limiting flow wall is formed by an inner ring which is supported or supported by the housing via the blades.
  • this concept of the inner ring supported by blades is only intended for a row of blades and not for both rings.
  • the airfoils of the other wreath may remain free-standing when the inner ring comprises an extension which extends into the axial portion of the other wreath.
  • one of the two rings - preferably the vane ring of the last compressor stage - includes blades which are coupled on the head side via the inner ring and carry this and the other of the two wreaths - preferably the Nachleitschaufelkranz - is provided with freestanding blades.
  • the inner ring must have such an axial extent that this is also located in the axial portion of the free-ending blades.
  • This design has several advantages: on the one hand, it can also be used for existing axial compressors, without the housing of the axial compressor, in which the vanes of the last compressor stage and the guide vanes are fixed radially outward - foot side - must be changed. It is then only a modification of the previously used shaft cover required. Consequently, the design of the vanes of the last compressor stage alone has to be changed in order to retrofit existing machines to such constructions. Compared to a design where both the vanes and the guide vanes Head side are coupled together via a common inner ring, the invention has the advantage that it is relatively easy to manufacture.
  • the ring of blade blades connected to the inner ring is arranged upstream of the other ring, relative to the flow direction of the flow channel.
  • the inside of the flow channel limiting inner ring may also be attached to the guide vanes.
  • the guide vanes of the last compressor stage as freestanding blades can face this radial gap forming.
  • the vanes of the last compressor stage contribute to increasing the compressor pressure ratio, it is desirable to use them rather than bonded vanes equipped with an inner shroud - the inner ring - to avoid gap losses.
  • the outer boundary wall of the flow channel, an inner boundary wall of the flow channel and the inner ring each comprise at least two ring segments.
  • the axial compressor is in total in a so-called. Dividing plane in which the machine axis is divided in half. Accordingly, both the inner ring and the outer boundary wall of the axial compressor need not be formed from one element. On the one hand, this simplifies the manufacture of the components and, on the other hand, the assembly of the axial compressor.
  • FIG. 1 shows in a longitudinal section the outlet region 10 of an axial compressor 12 of a gas turbine 14.
  • the axial compressor 12 comprises an annular flow channel 16, which in the illustrated embodiment, from left to right can be flowed through.
  • the flow channel 16 is on the output side in a diffuser 18 via.
  • the axial compressor 12 comprises a housing 20, which simultaneously represents the outer boundary wall 22 for the flow channel 16 and for the diffuser 18. Both the flow channel 16 and the diffuser 18 are formed as annular channels, which extend concentrically around the machine axis 19.
  • the axial compressor 12 further comprises a rotor 24, which may be designed, for example, in disc design. Part of a rotor disk is in FIG. 1 provided with the reference numeral 26. At the outer surface of blades 28 are hooked in a known manner with the aid of hammer-shaped feet 30.
  • a rim 32 Downstream of the blades 28, there is provided a rim 32 which includes a plurality of vanes 34 radiantly attached to the boundary wall 22.
  • Each of these guide vanes 34 has an airfoil 36, which is located in the flow channel 16.
  • an inner ring 40 is arranged, which is supported by the vanes 34 and supported.
  • a further ring 42 is provided with a plurality of airfoils 44.
  • the blades 44 of the ring 42 are not assigned to a compressor stage of the axial compressor 12. They are located in the flow channel 16 immediately downstream of the blades 36 of the vanes 34 and serve to Entdrallung the air flow, so that it can flow into the ring diffuser 18 largely swirl-free.
  • the inner ring 40 comprises an axial extension 41 in a cylindrical shape, which faces the radially inner tips 48 of the airfoils 44 radial gap forming.
  • a rotatably arranged shaft cover 50 is located as an inner boundary of the ring diffuser 18.
  • the shaft cover has a projection 54 on its front side surface 52. This overlaps axially, but radially further inside the inner ring 40 partially. This makes it possible to arrange the annular sealing plate 56 in two opposing grooves 58 and seal the gap between the shaft cover 50 and inner ring 40.
  • FIG. 2 shows in a perspective partial sectional view of the vane ring 32 with a plurality of circumferentially successive vanes 34, whose head-side end are hooked to the inner ring 40.
  • FIG. 1 known features in FIG. 2 provided with identical reference numerals.
  • Each vane 34 has at its radially outer end a dovetail-shaped blade root 37 which is inserted in a groove 39 arranged in a retaining ring.
  • a hammer-shaped blade head 49 is provided, which is hooked in a correspondingly shaped groove 43 of the inner ring 40.
  • the inner ring 40 comprises two parts 45, 47, which are connected to one another in the region of the blade head 49 to form the groove 43.
  • a guide plate which, like the outer boundary wall 20 of the axial compressor 12 is usually formed of two ring segments, the flange connected at opposite ends and can be screwed.
  • the invention provides an annular flow channel 16 for an axial compressor 12, in which on the outer boundary wall 22 blades 36, 44 of two blade rings 32, 42 are attached.
  • the inner ring 40 is held by the blades 36 of the one ring and has such an axial extent that the blades 44 of the other of the two rings 42 each with radial gap formation opposite this.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

The blades (36,44) fixed to two consecutive rings (32,42) are arranged on outer boundary wall (22) of flow channel. The inner ring (40) is held by blades (36) of one ring, such that blades (44) of other ring (42) are arranged opposite to each other under a radial gap formation between inner ring and blades. An independent claim is included for axial flow compressor.

Description

Die Erfindung betrifft einen ringförmigen Strömungskanal für einen Axialverdichter, in dem an einer äußeren Begrenzungswand des Strömungskanals befestigte Schaufelblätter in zumindest zwei unmittelbar aufeinander folgenden Kränzen strahlenartig angeordnet sind.The invention relates to an annular flow channel for an axial compressor, in which attached to an outer boundary wall of the flow channel airfoils are arranged in a radiating manner in at least two immediately consecutive wreaths.

Axialverdichter und Gasturbinen mit Axialverdichtern sind aus dem umfangreichen Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise zeigt die EP 2 194 234 A1 einen Axialverdichter einer Gasturbine, dessen Strömungskanal in einen Verdichterausgangsdiffusor übergeht. Wie jede Verdichterstufe umfasst auch die letzte Verdichterstufe - in Strömungsrichtung der verdichteten Luft gesehen - einen Kranz von Laufschaufeln, dem stromab ein Kranz von Leitschaufeln folgt. Gemäß der EP 2 194 234 A1 folgt dem Leitschaufelkranz der letzten Verdichterstufe ein weiterer Kranz von Schaufelblättern, die ebenso wie die Leitschaufeln an der radial äußeren Begrenzungswand des Strömungskanals befestigt sind. Der weitere Kranz von Schaufelblättern wird als Nachleitrad bezeichnet. Die Nachleitschaufeln des feststehenden Nachleitrads haben die Aufgabe, die den Verdichter verlassende Luftströmung soweit wie möglich von Drall zu befreien. Durch die Entdrallung der Luftströmung kann diese im Verdichterausgangsdiffusor den statischen Druck vergleichsweise verlustarm aufbauen. Obwohl das Nachleitrad keinen Beitrag zur Verdichtung der vom Axialverdichter angesaugten Luft beiträgt, gehört dieses strukturell noch zum Axialverdichter.Axial compressors and gas turbines with axial compressors are known from the extensive state of the art in a variety of ways. For example, the shows EP 2 194 234 A1 an axial compressor of a gas turbine whose flow passage merges into a compressor outlet diffuser. Like any compressor stage, the last stage of the compressor, viewed in the direction of flow of the compressed air, includes a ring of blades followed by a ring of vanes downstream. According to the EP 2 194 234 A1 Following the vane ring of the last compressor stage another ring of blades, which are attached as well as the vanes to the radially outer boundary wall of the flow channel. The other wreath of blades is called Nachleitrad. The Nachleitschaufeln the stationary Nachleitrads have the task of exempting the air flow leaving the compressor as far as possible from swirl. Through the Entdrallung the air flow, this can build up the static pressure comparatively low loss in the compressor outlet diffuser. Although the Nachleitrad contributes no contribution to the compression of the air sucked by the axial compressor, this structurally belongs to the axial compressor.

Sowohl die Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe als auch die Nachleitschaufeln des Nachleitrades sind gemäß des bekannten Axialverdichters mit freistehenden Schaufelblättern ausgebildet, deren frei endenden inneren Spitzen einem Wärmeisolationsring jeweils radialspaltbildend gegenüberliegen.Both the vanes of the last compressor stage and the Nachleitschaufeln the Nachleitrades are formed in accordance with the known axial compressor with freestanding blades, the free-ending inner peaks of a heat insulating ring each radial gap forming opposite.

Der Wärmeisolationsring ist Teil einer drehfest angeordneten Wellenabdeckung des Verdichterrotors, welche gleichzeitig auch die innere Begrenzung des Verdichterausgangsdiffusors bildet. Die zur Mittelachse konzentrische Wellenabdeckung ist wegen der eher geringfügigen mechanischen Beanspruchung dünnwandig ausgebildet und diffusorausgangsseitig über nicht weiter dargestellte Streben mit dem Gehäuse der Gasturbine verbunden.The heat insulation ring is part of a rotationally fixed shaft cover of the compressor rotor, which also forms the inner boundary of the compressor outlet diffuser at the same time. The concentric to the central axis shaft cover is formed thin-walled because of the rather minor mechanical stress and connected to the diffuser exit side via struts not shown with the housing of the gas turbine.

Das Gehäuse des Axialverdichters ist dagegen relativ massiv konstruiert, um den Druck- und Temperaturbeanspruchungen beim Betrieb standhalten zu können. Ferner ist das Gehäuse relativ steif ausgeführt. Damit führt der Lasteintrag auf das Gehäuse beim Betrieb der Gasturbine nur zu kleinen Verformungen. Dadurch, dass die Wellenabdeckung mit kleineren Wandstärken im Vergleich zum Gehäuse ausgebildet ist und in der Regel andere Materialeigenschaften als das Gehäuse hat, erwärmt sich die Wellenabdeckung schneller als das Gehäuse mit den daran befestigten Leitschaufelreihen und Nachleitreihen. Dies hat zur Folge, dass beim Anfahren und beim Abfahren der Gasturbine die Wellenabdeckung und das Gehäuse eine unterschiedliche Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit haben, so dass sich beim Anfahren und Abfahren der Gasturbine die Größe der Radialspalte ändert, wobei die Radialspalte beim Anfahren temporär kleiner und beim Abfahren temporär größer werden bzw. sind. Damit beim Betrieb der Gasturbine die Spitzen der Schaufelblätter nicht an die Wellenabdeckung anstoßen und diese beschädigen, ist der Radialspalt mit einer derart dimensionierten Minimalhöhe versehen, dass in jedem Betriebszustand der Gasturbine die Schaufelspitzen die Wellenabdeckung so gut wie nie berühren.The housing of the axial compressor, however, is relatively solid designed to withstand the pressure and temperature stresses during operation can. Furthermore, the housing is made relatively stiff. Thus, the load application to the housing during operation of the gas turbine leads only to small deformations. Characterized in that the shaft cover is formed with smaller wall thicknesses compared to the housing and typically has different material properties than the housing, the shaft cover heats up faster than the housing with the guide blade rows and Nachleitreihen attached thereto. This has the consequence that when starting and when the gas turbine shaft cover and the housing have a different thermal expansion rate, so that when starting and stopping the gas turbine, the size of the radial column changes, the radial gap when starting temporarily smaller and temporarily larger when starting be or are. So that during the operation of the gas turbine, the tips of the blades do not abut against the shaft cover and damage it, the radial gap is provided with such a dimensioned minimum height that in each operating state of the gas turbine, the blade tips touch the shaft cover almost never.

Mit Hilfe des Wärmeisolationsrings wird der Wärmeeintrag aus der verdichteten warmen Luft in die Wellenabdeckung an sich verzögert, was einer Anpassung der temperaturbedingten Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit der Wellenabdeckung an das äußere Gehäuse gleichkommt.With the help of the heat insulating ring, the heat input from the compressed warm air is delayed in the shaft cover itself, which is equivalent to an adjustment of the temperature-induced thermal expansion rate of the shaft cover to the outer housing.

Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Maßnahme eine vergleichsweise aufwändige Befestigung des Wärmeisolationsrings an der Wellenabdeckung erfordert und eine zielführende Abstimmung der thermischen Verhalten weiterhin vergleichsweise schwierig ist.However, it has been found that this measure requires a comparatively complex attachment of the heat insulation ring to the shaft cover and a targeted coordination of the thermal behavior is still comparatively difficult.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines ringförmigen Strömungskanals für einen Axialverdichter, welcher einerseits eine besonders effiziente und verlustarme Entdrallung der der letzten Verdichterstufe verlassenden Luftströmung herbeiführen kann und andererseits eine vergleichsweise einfache Konstruktion aufweist, bei der die sich unterschiedlich schnell ausdehnenden Komponenten im Betrieb weder verschleißen noch beschädigt werden.The object of the invention is therefore to provide an annular flow channel for an axial compressor, which on the one hand bring about a particularly efficient and low-loss Entdrallung the last compressor stage leaving air flow and on the other hand has a comparatively simple construction in which the different rapidly expanding components in operation neither wear to be damaged.

Die Lösung vorgenannter Aufgabe sieht einen ringförmigen Strömungskanal vor, welcher den Merkmalen des Anspruchs 1 entspricht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.The solution of the aforementioned object provides an annular flow channel, which corresponds to the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims 2 to 8.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das der ringförmige Strömungskanal von einer äußeren Begrenzungswand umgeben ist, an dem in zumindest zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Kränzen Schaufelblätter strahlenartig angeordnet sind, wobei die Schaufelblätter eines der beiden Kränze mit ihrem radial inneren Ende mit einem den Strömungskanal radial innen begrenzenden Innenring verbunden sind, wobei dieser eine derartige radiale Erstreckung aufweist, dass die Schaufelblätter des anderen der beiden Kränzen jeweils unter Radialspaltbildung diesem gegenüberliegen.According to the invention it is provided that the annular flow channel is surrounded by an outer boundary wall on which in at least two successive wreaths blades are arranged radiating, wherein the blades of one of the two rings are connected with its radially inner end with a radially inner end bounding the flow channel inner ring , Wherein this has a radial extent such that the blades of the other of the two rings each with radial gap formation opposite this.

Die Erfindung hat erkannt, dass die radial innere Begrenzungswand des Strömungskanals im axialen Abschnitt der letzten Verdichterstufe und der Nachleitreihe nach Möglichkeit nicht Teil der Wellenabdeckung sein sollte, da die thermische Abstimmung der Bauteile sehr schwierig ist. Folglich wird vorgeschlagen, die Wellenabdeckung zu kürzen, so dass diese lediglich die innere Begrenzungswand des sich an den Axialverdichter anschließenden Verdichterausgangsdiffusors bildet. Aus diesem Grund muss die innere Begrenzungswand des Axialverdichters im Bereich des Leitschaufelkranzes der letzten Verdichterstufe und des Nachleitrades von einer anderen Struktur getragen werden. Dazu ist vorgesehen, dass in diesem axialen Abschnitt die den Strömungskanal innen begrenzende Strömungswand von einem Innenring gebildet ist, welcher vom Gehäuse über die Schaufelblätter getragen bzw. gestützt ist. Dieses Konzept des von Schaufelblättern getragenen Innenrings wird erfindungsgemäß jedoch nur für einen Kranz von Schaufelblättern vorgesehen und nicht für beide Kränze. Die Schaufelblätter des anderen Kranzes können freistehend bleiben, wenn der Innenring eine Verlängerung umfasst, welche bis in den axialen Abschnitt des anderen Kranzes hineinragt.The invention has recognized that the radially inner boundary wall of the flow channel in the axial section of the last compressor stage and the Nachleitreihe should not be part of the shaft cover if possible, since the thermal coordination of the components is very difficult. Consequently, it is proposed to shorten the shaft cover, so that these only the inner boundary wall of the to the axial compressor then connecting the compressor outlet diffuser. For this reason, the inner boundary wall of the axial compressor in the region of the vane ring of the last compressor stage and the Nachleitrades must be supported by a different structure. For this purpose, it is provided that in this axial portion of the flow channel inside limiting flow wall is formed by an inner ring which is supported or supported by the housing via the blades. However, according to the invention, this concept of the inner ring supported by blades is only intended for a row of blades and not for both rings. The airfoils of the other wreath may remain free-standing when the inner ring comprises an extension which extends into the axial portion of the other wreath.

Es wird somit ein Mischkonzept vorgeschlagen: einer der beiden Kränze - vorzugsweise der Leitschaufelkranz der letzten Verdichterstufe - umfasst Schaufelblätter, die kopfseitig über den Innenring miteinander koppelt sind und diesen tragen und der andere der beiden Kränze - vorzugsweise der Nachleitschaufelkranz - ist mit freistehenden Schaufelblättern versehen. Um dies zu verwirklichen und eine durchgängige Abschirmung des Rotors zu gewährleisten, muss dann der Innenring eine derartige axiale Erstreckung aufweisen, dass dieser auch im axialen Abschnitt der frei endenden Schaufelblätter angesiedelt ist.It is thus proposed a mixing concept: one of the two rings - preferably the vane ring of the last compressor stage - includes blades which are coupled on the head side via the inner ring and carry this and the other of the two wreaths - preferably the Nachleitschaufelkranz - is provided with freestanding blades. To realize this and to ensure a continuous shielding of the rotor, then the inner ring must have such an axial extent that this is also located in the axial portion of the free-ending blades.

Diese Konstruktion hat mehrere Vorteile: einerseits lässt sich diese auch für bereits bestehende Axialverdichter anwenden, ohne dass das Gehäuse des Axialverdichters, in dem die Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe und die Nachleitschaufeln radial außen - fußseitig - befestigt sind, geändert werden muss. Es ist dann lediglich eine Modifikation der bisher eingesetzten Wellenabdeckung erforderlich. Mithin ist allein das Design der Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe zu ändern, um bereits bestehende Maschinen auf derartige Konstruktionen nachzurüsten. Gegenüber einem Design, bei dem sowohl die Leitschaufeln als auch die Nachleitschaufeln kopfseitig über einen gemeinschaftlichen Innenring miteinander gekoppelt sind, weist die Erfindung den Vorteil auf, dass diese vergleichsweise einfach herzustellen ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Nachleitrad prinzipiell aus zwei einander in Axialrichtung überlappenden Reihen von Schaufelblättern gebildet ist, was man auch als zwei einander überlappende Nachleiträder bezeichnen kann. Derartige Bauteile sind vergleichsweise aufwändig herzustellen, wenn diese überhaupt in einem Fräs-Prozess herstellbar sind.This design has several advantages: on the one hand, it can also be used for existing axial compressors, without the housing of the axial compressor, in which the vanes of the last compressor stage and the guide vanes are fixed radially outward - foot side - must be changed. It is then only a modification of the previously used shaft cover required. Consequently, the design of the vanes of the last compressor stage alone has to be changed in order to retrofit existing machines to such constructions. Compared to a design where both the vanes and the guide vanes Head side are coupled together via a common inner ring, the invention has the advantage that it is relatively easy to manufacture. This is especially true when the Nachleitrad is formed in principle of two mutually axially overlapping rows of blades, which can also be referred to as two overlapping Nachleiträder. Such components are relatively complex to produce, if they are even produced in a milling process.

Aufgrund der Tatsache, dass die Aufhängung des Innenrings nahezu im gleichen axialen Abschnitt erfolgt wie die fußseitige Befestigung der Nachleitschaufeln, ist das thermische Verhalten von der inneren Begrenzungswand des Strömungskanals (Innenring) und der Nachleitschaufel wesentlich besser aufeinander abstimmbar als beim Stand der Technik. Diese bessere Abstimmbarkeit ermöglicht kleinere Radialspalte zwischen den Schaufelblättern der Nachleitschaufeln und des Innenrings, was Strömungsverluste signifikant verringert und auch eine bessere Entdrallung der Luftströmung beim Eintritt in den Verdichterausgangsdiffusor bewirkt. Ferner kann Verschleiß zwischen dem Innenring und den freistehenden Schaufelblättern reduziert werden, da das thermische Verhalten weit besser vorhersagbar ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Isolationsring des Standes der Technik entfallen kann.Due to the fact that the suspension of the inner ring takes place in almost the same axial section as the foot-side attachment of the guide vanes, the thermal behavior of the inner boundary wall of the flow channel (inner ring) and the Nachleitschaufel is much better matched to each other than in the prior art. This improved tunability allows for smaller radial gaps between the vanes of the idler vanes and the inner ring, which significantly reduces flow losses and also provides better unwinding of the airflow as it enters the compressor exit diffuser. Furthermore, wear between the inner ring and the free-standing airfoils can be reduced since the thermal behavior is far more predictable. Another advantage is that the isolation ring of the prior art can be omitted.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mit dem Innenring verbundene Kranz von Schaufelblättern - bezogen auf die durch Strömungsrichtung des Strömungskanals - stromauf des anderen Kranzes angeordnet. Alternativ dazu kann der den Strömungskanal innen begrenzende Innenring auch an den Nachleitschaufeln befestigt sein. In diesem Fall können die Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe als freistehende Schaufeln diesem radialspaltbildend gegenüberliegen. Da jedoch die Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe zur Erhöhung des Verdichterdruckverhältnisses beitragen, ist es wünschenswert, eher diese als gebundene Leitschaufeln mit einem inneren Deckband - dem Innenring - auszustatten, um Spaltverluste zu vermeiden.According to a first advantageous embodiment of the invention, the ring of blade blades connected to the inner ring is arranged upstream of the other ring, relative to the flow direction of the flow channel. Alternatively, the inside of the flow channel limiting inner ring may also be attached to the guide vanes. In this case, the guide vanes of the last compressor stage as freestanding blades can face this radial gap forming. However, since the vanes of the last compressor stage contribute to increasing the compressor pressure ratio, it is desirable to use them rather than bonded vanes equipped with an inner shroud - the inner ring - to avoid gap losses.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt sich - in Axialrichtung betrachtet - an den Innenring die Wellenabdeckung an, wobei zwischen diesen beiden Komponenten vorzugsweise ein Dichtmittel angeordnet ist, um eine Leckageströmung aus den Strömungskanal in einen abseits davon liegenden Raum zu vermeiden.According to a further advantageous embodiment of the invention closes - viewed in the axial direction - the shaft cover to the inner ring, between which two components preferably a sealing means is arranged to prevent leakage flow from the flow channel in a remote space therefrom.

Um die Erfindung insbesondere bei Axialverdichtern und bei stationären Gasturbinen einsetzen zu können, ist vorgesehen, dass die äußere Begrenzungswand des Strömungskanals, eine innere Begrenzungswand des Strömungskanals und der Innenring jeweils zumindest zwei Ringsegmente umfassen. Damit ist der Axialverdichter insgesamt in einer sog. Teilungsebene, in der die Maschinenachse liegt, hälftig teilbar. Sowohl der Innenring als auch die äußere Begrenzungswand des Axialverdichters muss demnach nicht aus einem Element geformt sein. Dies vereinfacht einerseits die Herstellung der Komponenten und anderseits die Montage des Axialverdichters.In order to be able to use the invention in particular in axial compressors and stationary gas turbines, it is provided that the outer boundary wall of the flow channel, an inner boundary wall of the flow channel and the inner ring each comprise at least two ring segments. Thus, the axial compressor is in total in a so-called. Dividing plane in which the machine axis is divided in half. Accordingly, both the inner ring and the outer boundary wall of the axial compressor need not be formed from one element. On the one hand, this simplifies the manufacture of the components and, on the other hand, the assembly of the axial compressor.

Weitere Merkmale, Vorteile sowie Eigenschaften der Erfindung werden in der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1
einen Längsschnitt durch einen ringförmigen Strömungskanal eines Axialverdichters im Bereich des Verdichterausgangs und
FIG 2
eine teilperspektivische Schnittansicht eines Kranzes mit Schaufelblättern und einem daran befestigten Innenring mit einer axialen Verlängerung.
Further features, advantages and features of the invention are explained in more detail in the following drawing. Show it:
FIG. 1
a longitudinal section through an annular flow channel of an axial compressor in the region of the compressor outlet and
FIG. 2
a partial perspective sectional view of a rim with blades and an attached inner ring with an axial extension.

FIG 1 zeigt in einem Längsschnitt den Austrittsbereich 10 eines Axialverdichters 12 einer Gasturbine 14. Der Axialverdichter 12 umfasst einen ringförmigen Strömungskanal 16, der im dargestellten Ausführungsbeispiel von links nach rechts durchströmt werden kann. Der Strömungskanal 16 geht ausgangsseitig in einen Diffusor 18 über. FIG. 1 shows in a longitudinal section the outlet region 10 of an axial compressor 12 of a gas turbine 14. The axial compressor 12 comprises an annular flow channel 16, which in the illustrated embodiment, from left to right can be flowed through. The flow channel 16 is on the output side in a diffuser 18 via.

Der Axialverdichter 12 umfasst ein Gehäuse 20, welches gleichzeitig die äußere Begrenzungswand 22 für den Strömungskanal 16 und für den Diffusor 18 darstellt. Sowohl der Strömungskanal 16 als auch der Diffusor 18 sind als Ringkanäle ausgebildet, die sich konzentrisch um die Maschinenachse 19 erstrecken. Der Axialverdichter 12 umfasst des Weiteren einen Rotor 24, welcher beispielsweise in Scheibenbauart ausgebildet sein kann. Ein Teil einer Rotorscheibe ist in FIG 1 mit dem Bezugszeichen 26 versehen. An dessen äußerer Mantelfläche sind Laufschaufeln 28 in bekannter Manier mit Hilfe hammerförmiger Füße 30 verhakt.The axial compressor 12 comprises a housing 20, which simultaneously represents the outer boundary wall 22 for the flow channel 16 and for the diffuser 18. Both the flow channel 16 and the diffuser 18 are formed as annular channels, which extend concentrically around the machine axis 19. The axial compressor 12 further comprises a rotor 24, which may be designed, for example, in disc design. Part of a rotor disk is in FIG. 1 provided with the reference numeral 26. At the outer surface of blades 28 are hooked in a known manner with the aid of hammer-shaped feet 30.

Stromab der Laufschaufeln 28 ist ein Kranz 32 vorgesehen, welcher eine Vielzahl von an der Begrenzungswand 22 strahlenartig befestigten Leitschaufeln 34 umfasst. Jede dieser Leitschaufeln 34 weist ein Schaufelblatt 36 auf, welches im Strömungskanal 16 angesiedelt ist. An dem inneren Ende 38 der Schaufelblätter 36 ist ein Innenring 40 angeordnet, der von den Leitschaufeln 34 getragen bzw. gestützt wird. Stromab des Leitschaufelkranzes 32 ist ein weiterer Kranz 42 mit einer Vielzahl von Schaufelblättern 44 vorgesehen. Die Schaufelblätter 44 des Kranzes 42 sind nicht einer Verdichterstufe des Axialverdichters 12 zuzuordnen. Sie sind im Strömungskanal 16 unmittelbar stromab der Schaufelblätter 36 der Leitschaufeln 34 angesiedelt und dienen zur Entdrallung der Luftströmung, so dass diese weitestgehend drallfrei in den Ringdiffusor 18 einströmen kann. Diese Schaufelblätter 44 sind jeweils Bestandteile von Nachleitschaufeln 46, welche über eine entsprechende Verhakung in der Begrenzungswand 22 befestigt sind. Der Innenring 40 umfasst eine axiale Verlängerung 41 in zylindrischer Form, welche den radial inneren Spitzen 48 der Schaufelblätter 44 radialspaltbildend gegenüberliegt.Downstream of the blades 28, there is provided a rim 32 which includes a plurality of vanes 34 radiantly attached to the boundary wall 22. Each of these guide vanes 34 has an airfoil 36, which is located in the flow channel 16. At the inner end 38 of the airfoils 36, an inner ring 40 is arranged, which is supported by the vanes 34 and supported. Downstream of the vane ring 32, a further ring 42 is provided with a plurality of airfoils 44. The blades 44 of the ring 42 are not assigned to a compressor stage of the axial compressor 12. They are located in the flow channel 16 immediately downstream of the blades 36 of the vanes 34 and serve to Entdrallung the air flow, so that it can flow into the ring diffuser 18 largely swirl-free. These blades 44 are each components of Nachleitschaufeln 46, which are fastened via a corresponding entanglement in the boundary wall 22. The inner ring 40 comprises an axial extension 41 in a cylindrical shape, which faces the radially inner tips 48 of the airfoils 44 radial gap forming.

Stromab des Innenrings 40 ist eine drehfest angeordnete Wellenabdeckung 50 als innere Begrenzung des Ringdiffusors 18 angesiedelt.Downstream of the inner ring 40, a rotatably arranged shaft cover 50 is located as an inner boundary of the ring diffuser 18.

Die Wellenabdeckung weist an ihrer stirnseitigen Seitenfläche 52 einen Vorsprung 54 auf. Dieser überlappt axial, jedoch radial weiter innen den Innenring 40 teilweise. Dadurch ist es möglich, die ringförmige Dichtplatte 56 in zwei einander gegenüberliegende Nuten 58 anzuordnen und den Spalt zwischen Wellenabdeckung 50 und Innenring 40 abzudichten.The shaft cover has a projection 54 on its front side surface 52. This overlaps axially, but radially further inside the inner ring 40 partially. This makes it possible to arrange the annular sealing plate 56 in two opposing grooves 58 and seal the gap between the shaft cover 50 and inner ring 40.

FIG 2 zeigt in perspektivischer teilgeschnittener Ansicht den Leitschaufelkranz 32 mit mehreren, in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Leitschaufeln 34, deren kopfseitiges Ende mit dem Innenring 40 verhakt sind. Dabei sind die aus der Figurenbeschreibung zu FIG 1 bekannten Merkmale in FIG 2 mit identischen Bezugszeichen versehen. FIG. 2 shows in a perspective partial sectional view of the vane ring 32 with a plurality of circumferentially successive vanes 34, whose head-side end are hooked to the inner ring 40. Here are the from the description of the figures FIG. 1 known features in FIG. 2 provided with identical reference numerals.

Jede Leitschaufel 34 weist an ihrem radial äußeren Ende einen schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuß 37 auf, der in einer in einem Haltering 39 angeordneten Nut eingeschoben ist. An dem inneren Ende des Schaufelblatts 36 ist ein hammerförmiger Schaufelkopf 49 vorgesehen, der in einer entsprechend geformten Nut 43 des Innenrings 40 verhakt ist. Der Innenring 40 umfasst dabei zwei Teile 45, 47, welche im Bereich des Schaufelkopfes 49 zur Bildung der Nut 43 miteinander verbunden sind. Die in FIG 2 gezeigte Anordnung umfassend den Ring 39, die Schaufelblätter 36 der Leitschaufel 34 und den Innenring 40 wird auch als Leitscheibe bezeichnet, die ebenso wie die äußere Begrenzungswand 20 des Axialverdichters 12 in der Regel aus zwei Ringsegmenten gebildet wird, die an einander gegenüberliegenden Enden flanschartig miteinander verbunden und verschraubt werden können.Each vane 34 has at its radially outer end a dovetail-shaped blade root 37 which is inserted in a groove 39 arranged in a retaining ring. At the inner end of the airfoil 36, a hammer-shaped blade head 49 is provided, which is hooked in a correspondingly shaped groove 43 of the inner ring 40. The inner ring 40 comprises two parts 45, 47, which are connected to one another in the region of the blade head 49 to form the groove 43. In the FIG. 2 arrangement shown comprising the ring 39, the blades 36 of the vane 34 and the inner ring 40 is also referred to as a guide plate, which, like the outer boundary wall 20 of the axial compressor 12 is usually formed of two ring segments, the flange connected at opposite ends and can be screwed.

Insbesondere durch die vorgeschlagene Konstruktion ist es möglich, dass thermische Verhalten von freistehenden, an der äußeren Gehäusewand 20 befestigten Schaufelblättern 44 von Nachleiträdern gegenüber einer diesen gegenüberliegenden inneren Begrenzung des Strömungskanals 16 so anzupassen, dass unabhängig vom Betriebszustand des Axialverdichters bzw. der Gasturbine vergleichsweise kleine Radialspalte vorgehalten werden müssen bzw. während des Betriebs auftreten.In particular, by the proposed construction, it is possible that thermal behavior of freestanding, attached to the outer housing wall 20 blades 44 of Nachleiträdern opposite to this opposite inner boundary of the flow channel 16 to be adjusted so that regardless of the operating state of the axial compressor or the gas turbine comparatively small radial gaps must be maintained or occur during operation.

Insgesamt wird mit der Erfindung ein ringförmiger Strömungskanal 16 für einen Axialverdichter 12 angegeben, bei dem an der äußeren Begrenzungswand 22 Schaufelblätter 36, 44 zweier Schaufelkränze 32, 42 befestigt sind. Um ein besonders angepasstes thermisches Verhalten eines Innenrings 40 und der freistehenden Schaufelblätter 44 zu erreichen und somit vergleichsweise geringe Radialspalte zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Innenring 40 von den Schaufelblättern 36 des einen Kranzes gehalten wird und eine derartige axiale Erstreckung aufweist, dass die Schaufelblätter 44 des anderen der beiden Kränze 42 jeweils unter Radialspaltbildung diesem gegenüberliegen.Overall, the invention provides an annular flow channel 16 for an axial compressor 12, in which on the outer boundary wall 22 blades 36, 44 of two blade rings 32, 42 are attached. In order to achieve a particularly adapted thermal behavior of an inner ring 40 and the freestanding blades 44 and thus to allow comparatively small radial gaps, it is proposed that the inner ring 40 is held by the blades 36 of the one ring and has such an axial extent that the blades 44 of the other of the two rings 42 each with radial gap formation opposite this.

Claims (8)

Ringförmiger Strömungskanal (16) für einen Axialverdichter (12), in dem an einer äußeren Begrenzungswand (22) des Strömungskanals (16) befestigte Schaufelblätter (36, 44) in zumindest zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Kränzen (32, 42) strahlenartig angeordnet sind,
von denen die Schaufelblätter (36, 44) eines der beiden Kränze (32) mit ihrem radial innerem Ende (38) mit einem den Strömungskanal (16) radial innen begrenzenden Innenring (40) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Innenring (40) eine derartige axiale Erstreckung aufweist, dass die Schaufelblätter (44) des anderen der beiden Kränze (42) jeweils unter Radialspaltbildung diesem gegenüberliegenden.Annular flow channel (16) for an axial compressor (12), in which on a outer boundary wall (22) of the flow channel (16) fixed blades (36, 44) are arranged in at least two immediately consecutive wreaths (32, 42) like a beam,
of which the blades (36, 44) of one of the two rings (32) are connected by their radially inner end (38) to an inner ring (40) bounding the flow channel (16) radially inwardly,
characterized,
in that the inner ring (40) has an axial extent such that the blades (44) of the other of the two rings (42) each have a radial gap formation opposite this. Strömungskanal (16) nach Anspruch 1,
bei dem der mit dem Innenring (40) verbundene Kranz (32) von Schaufelblättern (36) - bezogen auf die Durchströmungsrichtung des Strömungskanals (16) - stromauf des anderen Kranzes (42) angeordnet ist.Flow channel (16) according to claim 1,
in which the ring (32) of blade leaves (36) connected to the inner ring (40) is arranged upstream of the other ring (42) relative to the flow direction of the flow channel (16). Strömungskanal (16) nach Anspruch 1 oder 2,
mit mindestens drei Kränzen von Schaufelblättern, wobei die Schaufelblätter zweier Kränze - in Längsschnitt des Axialverdichters (12) betrachtet - teilweise im gleichen axialen Abschnitt angesiedelt sind.Flow channel (16) according to claim 1 or 2,
with at least three rings of airfoils, the blades of two wreaths - as viewed in longitudinal section of the axial compressor (12) - are partially located in the same axial section. Strömungskanal (16) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem der stromaufwärtige Kranz (32) Leitschaufeln (34) einer Verdichterstufe umfasst und der davon stromabwärtige Kranz (42) bzw. die davon stromabwärtigen Kränze (42) Nachleitschaufeln umfassen.Flow channel (16) according to claim 1, 2 or 3,
wherein the upstream rim (32) comprises vanes (34) of a compressor stage and the downstream rim (42) and downstream therefrom (42) comprise guide vanes. Axialverdichter (12)
mit einem Strömungskanal (16) nach einem der vorangehenden Ansprüche und einem sich an den Strömungskanal (16) anschließenden ringförmigen Verdichterausgangsdiffusor (18), dessen innere Begrenzungswand (22) als Wellenabdeckung (50) ausgebildet dem Innenring (40) spaltbildend gegenüberliegt.Axial compressor (12)
with a flow channel (16) according to one of the preceding claims and an annular compressor outlet diffuser (18) adjoining the flow channel (16), the inner boundary wall (22) of which forms a shaft cover (50) facing the inner ring (40) in a gap-forming manner. Axialverdichter (12) nach Anspruch 5,
bei dem der Spalt mit Hilfe eines Dichtmittels (56) abgedichtet ist.Axial compressor (12) according to claim 5,
wherein the gap is sealed by means of a sealant (56). Axialverdichter (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem die äußere Begrenzungswand (22) des Strömungskanals (16), eine innere Begrenzungswand des Strömungskanals (16) und der Innenring (40) jeweils zumindest zwei Ringsegmente umfassen.Axial compressor (12) according to one of the preceding claims,
wherein the outer boundary wall (22) of the flow channel (16), an inner boundary wall of the flow channel (16) and the inner ring (40) each comprise at least two ring segments. Stationäre Gasturbine (14) mit einem Axialverdichter (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Stationary gas turbine (14) with an axial compressor (12) according to one of claims 1 to 7.
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