EP3204614A1 - Vorrichtung zur beeinflussung der strömung in einer turbomaschine - Google Patents

Vorrichtung zur beeinflussung der strömung in einer turbomaschine

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Publication number
EP3204614A1
EP3204614A1 EP15778648.4A EP15778648A EP3204614A1 EP 3204614 A1 EP3204614 A1 EP 3204614A1 EP 15778648 A EP15778648 A EP 15778648A EP 3204614 A1 EP3204614 A1 EP 3204614A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
gap
blade ring
recesses
flow
Prior art date
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Granted
Application number
EP15778648.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3204614B1 (de
Inventor
Markus Schatz
Damian VOGT
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.)
Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Stuttgart filed Critical Universitaet Stuttgart
Publication of EP3204614A1 publication Critical patent/EP3204614A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3204614B1 publication Critical patent/EP3204614B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for influencing the flow in a turbomachine, with a housing and with at least one, a plurality of blades having rotating within the housing blade ring. Furthermore, the invention relates to a turbomachine with such a device.
  • turbomachine in the sense of the present patent application includes turbines and compressors. Downstream of turbines often diffusers are used, which have the task of delaying the flow at the outlet of the turbine, in order in this way still existing in this area kinetic energy of the flow, such as an air or steam flow, in potential energy in the form of static pressure, which is called pressure recovery.
  • pressure recovery kinetic energy of the flow
  • the flow cross-section is widened from the inlet of the diffuser in the direction of its exit. Due to this enlargement of the cross section of the diffuser, a delay of the flow is achieved.
  • the diffuser causes a decrease in the backpressure at the outlet, so that a higher enthalpy gradient is available,
  • a maximum pressure recovery in a diffuser is achieved at an opening angle at which just no flow separation occurs.
  • Such a flow separation can be caused by the fact that the boundary layer on the wall of the diffuser loses more and more energy with increasing run length and at the same time a pressure increase occurs due to the delay of the flow, which causes a flow reversal and thus a detachment of the flow from the wall within the boundary layer can.
  • Increasing the opening angle of the turbine increases the risk of flow separation.
  • the occurrence of flow separation leads to large-scale backflow within the diffuser, which ultimately results in an insufficient delay of the flow. This reduces the pressure recovery and can sometimes even be negative.
  • a generic device and a corresponding turbine are known from US 2012/0102956 A1.
  • a gap with a height of about 2.3 to 3.8 mm (90 to 150 mils) is provided, through which a leakage flow is to be generated to a boundary layer along an outer wall of a subsequent ßere To energize diffusers.
  • a gap between the rotating parts of the turbomachines on the one hand, i. the shaft and the blades, and the standing parts on the other hand, i. the housing is necessary to allow the relative movement between the components.
  • it is usually attempted to keep the radial gap, ie the distance between the blade ends and the housing with free-standing blades or the free area between the shroud of the blade ring and the housing, as small as possible ,
  • the radial gap should be at least 1/1000 of the blade rim diameter. It should be noted that the gap is reduced during operation of the turbomachine, for example due to the centrifugal force expansion and the different thermal expansion of the housing and blades. These static strains are also superimposed by a radial movement due to shaft vibrations. If the gap is too small, there is a risk that the rotating components of the turbomachine will rub against the housing. This can lead to permanently higher losses or even the destruction of the turbomachine.
  • the minimum gap height is usually not set over the entire width of the blade tip or the axial shroud length, as it could come in this case to a large-scale tarnishing. Rather, as thin as possible structures are mostly used, which may be damaged in the event of a rubbing, whereby the sealing effect wears off, which, however, usually has no major damage or even a failure of the turbomachine result.
  • a device for free-standing blades is described for example in US 2007/02376237.
  • blade rings with shroud latter is usually occupied by one or more sealing tips or ribs, which thereby form one or more vortex chambers in the axial direction and thus increase the sealing effect.
  • This design is also referred to as a labyrinth seal.
  • these sealing tips and the mating surfaces in the housing are often mounted radially offset, so as to produce a stepped labyrinth.
  • the mating surface in the housing is usually provided with a soft coating, which is removed in the event of tearing.
  • the blade tips of free-standing blades such as in the EP 0 702 130 A2 can be performed with a coatable Abradable coating, while the sealing tips of shroud blades can be provided with a blade-shaped geometry, as set out for example in WO 02/25065 A1.
  • a further possibility is to arrange the seals in the housing in radially yielding segments, as described, for example, in US Pat. No. 5,603,510 A or US Pat
  • this object is achieved by the features mentioned in claim 1.
  • the gap according to the invention which has a discontinuous height on the basis of individual recesses around the circumference of the blade ring and passes through in the axial direction, a local increase in the gap flow is achieved via the blade ring.
  • the energization of the boundary layer on the wall of the diffuser so the introduction of energy in this boundary layer can be improved, which leads to a stabilization of the boundary layer flow and ultimately higher pressure recoveries and a shortening of the diffuser at constant pressure recovery possible.
  • the solution according to the invention thus makes it possible to build significantly "more aggressive”, ie with the same ratio of inlet to outlet surface, shorter diffusers, so that the system costs can be significantly reduced. Furthermore, the formation of large return flow areas in a region downstream of the blade ring can be avoided by the gap according to the invention, which otherwise can cause structural mechanical problems due to low-frequency pulsations.
  • the gap surface of the original design is defined here by the free area between the blade ring and the housing in the continuous gap design. Therefore, this gap surface is sometimes referred to as a free surface between the blade ring and the housing.
  • Another advantage of the solution according to the invention is that due to the relatively large gap in certain sections on the circumference of the blade ring, the problem of manufacturing tolerances and the elongation of the turbine blades and the associated change in size of the gap can be avoided.
  • turbomachinery Another well-known problem with turbomachinery is the flutter of the blades, especially when blade rings are used without shrouds. This blade flutter can occur in blade rings used both in compressors and in turbines.
  • the gap having the discontinuous height has a size such that through the same an increase in the free area between the blade ring and the housing with respect to a design with a continuous gap of 5% - 50 % results.
  • a size of the gap ensures that the effects described above are achieved, since in this way locally, ie in the region of the gap, a very large increase in the gap current is achieved, but the total flow losses are kept within acceptable limits.
  • Particularly advantageous is an increase in the free area between the blade ring and the housing over a design with a continuous gap of 7% - 45%, more preferably 9% - 40%, even more advantageously 1 1% - 35%, even more advantageous 13 - 30% and even more favorably 15 - 25% exposed.
  • a structurally very simple to implement embodiment of the device is obtained when the discontinuous height having gap is formed by at least one recess on the blade ring.
  • the blade ring has a shroud with at least one circumferential sealing tip, which is interrupted by at least one axially continuous recess to form the discontinuous height having gap such that through the same an increase in the free area between the Seal tip and the housing compared to a design with a continuous gap of 5% - 50% results.
  • a solution can be put into practice with very little effort, possibly even cost savings over known solutions are possible.
  • recesses which are such that at the relevant points of the gap current can flow substantially unthrottled through the surface between the housing and the shroud. In this way, a suitable speed ratio of the gap flow to the main mass flow is achieved.
  • the at least one recess has a size such that the increase in the free area per recess is at least 1% of the total free area between the sealing tip and the housing without recesses. These are therefore relatively large recesses, resulting in a sufficiently large gap current to achieve the effect described above.
  • the increase in the free area per recess at least 2%, more preferably at least 3%, more preferably at least 4% and more preferably at least 5%, the entire free area between the sealing tip and the housing without recesses is.
  • the area of the at least one recess can amount to at least 50% of the area of the sealing tip over the length of the recess in the circumferential direction. This also represents a possibility for achieving the high gap current described.
  • the gap having the discontinuous height is formed in that at least one of the free-standing blades of the blade ring has a shorter length than another free-standing blade of the blade ring. Even by such a "shortening" of individual blades, the gap current can locally increase considerably.
  • the free surface or the gap surface is defined as the area between the radially outer ends of the blades and the housing.
  • Another embodiment of the invention which can also be realized with little effort, can be that the gap is formed by recesses on the housing or a component connected to the housing.
  • the housing or connected to the housing member radially outside the blade ring has one or more axially continuous recesses, so that an increase in the free area between the blade ring and the housing compared to a design with a continuous gap of 5% - 50% results.
  • a rotatable ring is mounted in the housing, with which the recesses are at least partially closed.
  • the housing has the recesses, which can then be closed with the rotatable ring, which also has recesses. This makes it possible to achieve a control or regulation of the mass flow flowing through the gap according to the invention.
  • Another embodiment may be that in the housing a rotatable ring is mounted, which has the recesses. With such a solution, a change in the position of the recesses around the circumference of the blade ring is possible to produce in certain areas a larger or smaller mass flow.
  • the housing has two mutually rotatable rings, which each have recesses, wherein at least one of the rings is rotatably mounted on the housing.
  • a further embodiment of the invention may consist in that the gap having the discontinuous height is formed by a plurality of recesses, which are arranged distributed equally around the circumference of the housing or the blade ring with small deviations.
  • an equal spacing of the recesses relative to one another allows a uniform distribution of the regions with an increased gap mass flow around the circumference of the blade ring, which leads to a uniform action of the same in the case of a downstream of the turbomachine.
  • a turbomachine with an inventive device arranged in a region in front of a diffuser is specified in claim 15.
  • Fig. 1 is a very schematic representation of a turbomachine according to the invention
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 3 is a section along the line III-III of Fig. 2;
  • Fig. 4 is a section along the line IV-IV of Fig. 2;
  • FIG. 6 shows a third embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 8 shows a fifth embodiment of the device according to the invention.
  • turbomachine 1 shows in a very schematic manner a turbomachine 1, which in the present case is designed as a gas turbine and has a housing 1 a, an inlet opening 2 and an outlet opening 3.
  • the turbomachine 1 is traversed in the axial direction designated by "x" by a working fluid, for example a gas, with the aim of driving a shaft 4 mounted in the housing 1 a, for example in the case of the use of the turbomachine 1 to generate electricity in a power plant.
  • a working fluid for example a gas
  • the turbomachine 1 has in succession in the axial direction x of the working fluid a compressor section 5, a turbine section 6, a diffuser 7 adjoining the turbine section 6 and a combustion chamber 8 arranged between the compressor section 5 and the turbine section 6.
  • the compressor section 5, the turbine section 6, the diffuser 7 and the combustion chamber 8, which are indicated only very schematically in Fig. 1, are surrounded by the housing 1 a.
  • the turbomachine 1 is a gas turbine.
  • the term "turbomachine” also includes other embodiments, such as For example, a steam turbine that has no compressor and no combustion chamber.
  • Both the compressor section 5 and the turbine section 6 have a plurality of blade rings 9, which are set in rotation by the gas flowing through and thus drive the shaft 4. Since the basic operation of the turbomachine 1 is known, will not be discussed in detail herein.
  • FIGS. 2 to 8 show various embodiments of a device 10 which serve to influence the flow in the turbomachine 1. All embodiments of the device 10 has in common that between the housing 1 a and the blade ring 9 is a around the circumference of the blade ring 9 a discontinuous height exhibiting, in the axial direction x continuous gap 1 1.
  • the gap 1 can be carried out in different ways, it is in each case designed so that by the same a local increase of the gap current over the blade ring 9 and a stabilization of the flow in the boundary layer to the housing 1 a results.
  • the gap 1 1 has a size such that an enlargement of the free area between the blade ring 9 and the housing 1a relative to a not shown in the figures, for the skilled person, however, very easy to understand Version with a continuous gap of 5% - 50% results.
  • the gap 1 1 is formed by a plurality of recesses 12 on the blade ring 9.
  • the blade ring 9 has a shroud 13 with a circumferential sealing tip 14 which is interrupted by the recesses 12 to form the gap 1 1.
  • the sealing tip 14 may be placed on the shroud 13 or be made in one piece with the same.
  • solutions known from the prior art can be used.
  • the recesses 12 in the sealing tip 14 can be easily made by omitting the sealing tip 14 or by cutting, milling or the like.
  • a plurality of recesses 12 are provided.
  • the size of the same is to be regarded as purely exemplary.
  • the recesses 12 go in the axial direction x completely through the sealing tip 14, wherein the size and the number of recesses 12 is preferably selected so that through the gap 1 1, an increase in the free area between the sealing tip 14 and the housing 1 a opposite a version with a continuous gap of 5% - 50% results.
  • Each individual recess 12 preferably has a size such that the increase in the free area per recess 12 is at least 1%, preferably at least 2%, more preferably at least 3%, even more preferably at least 4% and even more preferably at least 5% of the total free Surface between the sealing tip 14 and the housing 1 a without recesses.
  • each of the recesses 12 extends over the entire height of the sealing tip.
  • the area of the at least one recess 12 is at least 50% of the area of the sealing tip 14 over the length of the recess 12 in the circumferential direction.
  • the lower edge of the respective recess 12 may be embodied in different ways, for example obliquely or bent, but preferably straight.
  • the recesses 12 shown very schematically in FIG. 2 are thus shown larger than indicated in these preferred embodiments. To compensate for this, smaller, ie shorter lengths, could be used in the circumferential direction. send recesses 12, a smaller number of recesses 12 and / or recesses 12 with a lower height, ie a smaller extent in the radial direction, be provided.
  • FIGS. 3 and 4 show a section through the region in which the sealing tip 14 is present and the gap 1 1 between the blade ring 9 and the housing 1 a has a small height
  • Fig. 4 shows a section through a portion of the blade ring 9, in which the sealing tip 14 has one of the recesses 12, so that the gap 1 1 between the blade ring 9 and the housing 1 a is much larger than in the area shown in Fig. 3.
  • the recesses 12 each have a size such that the sealing tip 14 in the region of the recesses 12 is not present, it would, as already mentioned, also possible to perform the recesses 12 so that the sealing tip 14 in the region of Recesses 12 has a lower height than in the areas where the recesses 12 are not present.
  • the discontinuous height of the gap 1 1 leads to an increased mass flow in the areas in which the gap 1 1 has a greater height than in the areas where it has a lower height.
  • an improvement of the energization of the housing 1 a along and flowing into the diffuser 7 boundary layer can be achieved.
  • Fig. 5 of the discontinuous height having gap 1 1 is formed by a shortening of individual free-standing blades 15 of the blade ring 9, whereby the recesses 12 are formed.
  • This variant is useful when the blade ring 9 does not have the shroud 13, ie when the blades 15 are free-standing blades. In principle, it may be sufficient if at least one of the blades 15 of the blade ring 9 has a shorter length than another blade 15 of the blade ring 9. Thus, a number other than the illustrated number of blades 15 can be shortened.
  • At least one and at most half of the free-standing blades 15 have a length which is smaller than the average length of the remaining unbacked blades 15, so that an increase in the free area between the respective blade 15 and the Housing 1 a over a version with a continuous gap, ie in an embodiment in which all blades 15 are the same length, from 5% to 50% results.
  • the free-standing blades 15 are shortened such that the increase in the free area by the shortening per free-standing blade 15 at least 1%, preferably at least 2%, more preferably at least 3%, more preferably at least 4% and even more preferably at least 5% , which is the entire free area between the respective free-standing blade 15 and the housing 1 a without recesses.
  • each spaced-apart recesses 16 on the inner circumference of the housing 1 a. Also in this way results in the areas in which the gap 1 1 due to the recesses 16 has a greater height, a larger mass flow, which does not pass through the blade ring 9, but between the blade ring 9 and the housing 1 a and thus contributes to energizing the boundary layer. In contrast to the embodiments of Fig. 2 and Fig. 5, however, this mass flow is stationary, since the recesses 16 are always located in the same place.
  • a rotatable ring can be mounted in the housing 1 a, which has recesses with which the discontinuous height of the gap 1 1 described above is produced. If this ring is kept stationary, the increased mass flows remain at the same locations around the inner circumference of the housing 1 a. By rotating the ring, however, it is possible in this case to produce the increased mass flows at other locations on the inner circumference of the housing 1 a.
  • the embodiment of the device 10 shown in FIG. 7 is likewise a development of the embodiment shown in FIG.
  • the recesses 16 are provided in the housing 1 a, to produce the discontinuous height of the gap 1 1.
  • a rotatable ring 17 is mounted in the housing 1 a, with which the recesses 16 are at least partially closed.
  • the ring 17 has alternately recesses 17a and projections 17b, so that the recesses 16 located in the housing 1a can be closed by a rotation of the ring 17.
  • the recesses 16 can be fully opened in this way, or if the length of the projections 17b of the ring 17 is at least as large as the length of the recesses 16 in the Housing 1 a, also be completely closed. In such a case, the gap 11 would have the same low height around the entire circumference. By the ring 17, the height of the gap 1 1 in the region of the recesses 16 can only be reduced and not increased.
  • These recesses could be provided in a manner not shown in a second, also with respect to the housing 1 a rotatable ring. In this case, two would be provided with respect to the housing 1 a rotatable rings.
  • the blade ring 9 has no shroud. Nevertheless, it is also possible to use a blade ring 9 with the shroud 13.
  • a blade ring 9 with the shroud 13.
  • the size of the axial x through recesses 16 and 17a have, based on the embodiments described above on a size such that through them an increase in the free area between the blade ring 9 and the housing 1 a over a design with a continuous gap from 5% to 50%.
  • each individual recess 16 or 17a again preferably has a size such that the increase in the free area per recess 16 or 17a is at least 1%, preferably at least 2%, more preferably at least 3%. more preferably at least 4%, and more preferably at least 5%, of the total free area between the respective free-standing blade 15 and the housing 1a without recesses.
  • the recesses 12 and 16 or 17a are distributed around the circumference of the housing 1 a or the blade ring 9 and the ring 17 with slight variations, so that on the one hand a uniform distribution of the areas with an increased gap mass flow and the circumference of Blade rim 9 achieved and on the other hand, a mutual swinging of the blades 15 can be prevented.
  • a discontinuous height having gap 1 1 between the blade ring 9 and the housing 1 a can be used in principle at any point of the turbomachine 1.
  • this gap 11 is preferably used only on that blade ring 9 which is directly in the flow direction x located in front of the diffuser 7.
  • the device 10 can be used both in turbines with downstream axial diffusers and downstream axial-radial diffusers.
  • the housing 1 a may have a porous material, so that the sealing tip 14 in the case of a linear expansion in the housing 1 a can work without causing damage to the blade ring 9.

Landscapes

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

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zur Beeinflussung der Strömung in einer Turbomaschine (1) weist ein Gehäuse (1a) und wenigstens einen, mehrere Schaufeln (15) aufweisenden, innerhalb des Gehäuses (1 a) rotierenden Schaufelkranz (9) auf. Zwischen dem Gehäuse (1a) und dem Schaufelkranz (9) befindet sich ein in Axialrichtung (x) durchgehender, um den Umfang des Schaufelkranzes (9) eine diskontinuierliche Höhe aufweisender Spalt (11),durch welchen sich eine lokale Erhöhung des Spaltstroms über den Schaufelkranz (9) und eine Stabilisierung der Strömung in der Grenzschicht zu dem Gehäuse (1a) ergibt.

Description

Vorrichtung zur Beeinflussung der Strömung in einer Turbomaschine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Strömung in einer Turbomaschine, mit einem Gehäuse und mit wenigstens einem, mehrere Schaufeln aufweisenden, innerhalb des Gehäuses rotierenden Schaufelkranz. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Turbomaschine mit einer derartigen Vorrichtung.
Der Begriff "Turbomaschine" im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung umfasst Turbinen und Verdichter. Stromab von Turbinen werden häufig Diffusoren eingesetzt, die die Aufgabe haben, die Strömung am Austritt der Turbine zu verzögern, um auf diese Weise die in diesem Bereich noch vorhandene kinetische Energie der Strömung, beispielsweise einer Luft- oder Dampfströmung, in potenzielle Energie in Form von statischem Druck umzuwandeln, was als Druckrückgewinn bezeichnet wird. Um dies zu erreichen, wird bei bekannten Lösungen der Strömungsquerschnitt vom Eintritt des Diffusors in Richtung seines Austritts erweitert. Durch diese Vergrößerung des Querschnitts des Diffusors wird eine Verzögerung der Strömung erreicht. Der Diffusor bewirkt ein Absinken des Gegendrucks am Austritt, so dass ein höheres Enthalpiegefälle zur Verfügung steht,
d. h. mehr Arbeit umgesetzt und dadurch der Wirkungsgrad der Turbine gesteigert wird.
Ein maximaler Druckrückgewinn bei einem Diffusor wird bei einem Öffnungswinkel erreicht, bei dem gerade noch keine Strömungsablösung auftritt. Eine solche Strömungsablösung kann dadurch entstehen, dass die Grenzschicht an der Wand des Diffusors mit zunehmender Lauflänge immer mehr an Energie verliert und gleichzeitig durch die Verzögerung der Strömung ein Druckanstieg auftritt, was innerhalb der Grenzschicht eine Strömungsumkehr und damit eine Ablösen der Strömung von der Wand bewirken kann. Eine Vergrößerung des Öffnungswinkels der Turbine erhöht das Risiko einer Strömungsablösung. Das Auftreten von Strömungsablösungen führt zu großflächigen Rückströmun- gen innerhalb des Diffusors, was letztendlich eine nicht ausreichende Verzögerung der Strömung zur Folge hat. Hierdurch wird der Druckrückgewinn verringert und kann teilweise sogar negativ ausfallen. Die beschriebenen, im Falle einer Strömungsablösung auftretenden Rückströmgebiete sind meist nicht stationär, sondern können erhebliche Druck- und Geschwindigkeitsfluktuationen innerhalb des Diffusors auslösen, was auch zu strukturmechanischen Problemen innerhalb des Diffusors führen kann. Aufgrund der beschriebenen Risiken werden Diffusoren heutzutage meist sehr vorsichtig ausgelegt, indem der Diffusor entweder recht lang ist oder einen geringen Öffnungswinkel aufweist, wodurch ein geringerer Druckrückgewinn in Kauf genommen wird. Dies führt jedoch entweder zu sehr hohen Kosten oder zu einem nicht optimalen Wirkungsgrad der Turbine.
Da Turbinen in Kraftwerken aufgrund der stark fluktuierenden Einspeisung von regenerativen Energien meist in einem sehr breiten Lastbereich von sehr niedriger Teillast bis hin zu extremer Überlast gefahren werden, kann das Auftreten von Strömungsablösungen im Diffusor auf der Grundlage der geometrischen Parameter, also der Länge und des Flächenverhältnisses zwischen Eintritt und Austritt, kaum vermieden werden. Dies ist ein weiterer Grund, weshalb Diffusoren häufig sehr vorsichtig bzw. konservativ ausgelegt werden, um einen Kompromiss zwischen einem möglichst hohen Druckrückgewinn, einem großen Betriebsbereich und einer wirtschaftlich akzeptablen Länge des Diffusors zu erreichen.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur passiven Beeinflussung der Strömung in Turbinen bekannt, die insbesondere eine Energetisierung der Grenzschicht im Bereich des Diffusors bewirken sollen, indem künstlich Wirbel erzeugt werden oder der Turbulenzgrad der Strömung erhöht wird, wodurch ein verstärkter Austausch von Energie und Impuls zwischen der Hauptströmung und der Grenzschicht stattfindet. Diese passiv arbeitenden Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie sich ständig im Strömungskanal befinden und daher in denjenigen Betriebsbereichen, in denen der Diffusor stabil arbeitet, zusätzliche Verluste verursachen. Ein Beispiel hierfür ist in "Improving curved subsonic diffuser Performance with vortex generators" von B. A. Reichert und B. J. Wendt in AIAA-Journal 34(1 ), 1996 beschrieben.
Des Weiteren ist aus "Control of Separation in a conical diffuser by vortex generator jets" von M. Nishi, Y. Kouichi und M. Keisuke in JSME Series B, 41 (1 ), 1998 ein aktives Verfahren bekannt, bei dem in den Diffusor zusätzlich ein Arbeitsfluid, z.B. Luft, eingeblasen wird, um die Grenzschicht zu energetisieren bzw. um den Turbulenzgrad zu erhöhen. Das Problem des zusätzlichen Einblasens von Arbeitsfluid ist jedoch, dass dieses aus einem Bereich höheren Druckes innerhalb der Turbine und insbesondere bei Gasturbinenanlagen dem Verdichter entnommen werden muss. Da der entnommene Massenstrom jedoch nicht an der Arbeitsumsetzung teilnimmt, verringert sich auf diese Weise die Leistungsabgabe der Turbine und damit der Wirkungsgrad. Hinzu kommt, dass die aktiven Verfahren meist auch relativ energieintensiv und kostspielig sind.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung und eine entsprechende Turbine sind aus der US 2012/0102956 A1 bekannt. Hierbei ist zwischen dem Gehäuse und den Turbinenschaufeln ein Spalt mit einer Höhe von ca. 2,3 bis 3,8 mm (90 bis 150 mils) vorgesehen, durch den eine Leckströmung erzeugt werden soll, um eine Grenzschicht entlang einer äu ßeren Wandung eines nachfolgenden Diffusors zu energetisieren.
Eine Erhöhung des Spaltmassenstroms durch die Vergrößerung des Spalts zwischen Laufschaufeln und Gehäuse, wie dies in der US 2012/0102956 A1 beschrieben ist, kann zwar zur Stabilisierung des Diffusors beitragen, da der Spaltmassenstrom nicht an der Arbeitsumsetzung innerhalb der Laufschaufel teilnimmt und da es zu einer Interaktion zwischen der Hauptströmung und der Spaltströmung kommen kann, kann dies jedoch auch zu einem Wirkungsgrad- und Leistungsabfall der Turbine führen. Durch den bei dieser Lösung vorhandenen, verhältnismäßig großen Spalt, der zu einer sehr hohen Leckströmung führt, verringert sich der Wirkungsgrad der Turbine in den meisten Anwendungsbereichen. Diese Verluste durch den Spaltmassenstrom überwiegen den höheren Druckrückgewinn im Diffusor bei weitem. Einen ähnlichen Stand der Technik beschreibt auch "A Trade-Off Study of Rotor Tip Clearance Flow in a Turbine/Exhaust Diffuser System" von S. Farokhi in ASME-Paper No. 87-GT-214, 1989.
Ein Spalt zwischen den rotierenden Teilen der Turbomaschinen einerseits, d.h. der Welle und den Laufschaufeln, und den stehenden Teilen andererseits, d.h. dem Gehäuse, ist notwendig, um die Relativbewegung zwischen den Komponenten zu ermöglichen. Um die durch die Spaltströmung verursachten Verluste zu minimieren, wird meist versucht, den Radialspalt, also den Abstand zwischen den Schaufelenden und dem Gehäuse bei frei stehenden Schaufeln bzw. die freie Fläche zwischen dem Deckband des Schaufelkranzes und dem Gehäuse, so gering wie möglich zu halten.
Als Faustregel wird häufig angegeben, dass der Radialspalt mindestens 1 /1000 des Schaufelkranz-Durchmessers betragen soll. Dabei ist zu beachten, dass der Spalt im Betrieb der Turbomaschine reduziert wird, beispielsweise auf Grund der Fliehkraftdehnung und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Gehäuse und Laufschaufeln. Diesen statischen Dehnungen ist zudem eine Radialbewegung auf Grund von Wellenschwingungen überlagert. Wird der Spalt zu gering ausgeführt, besteht die Gefahr, dass die rotierenden Komponenten der Turbomaschine am Gehäuse anstreifen. Dies kann zu dauerhaft höheren Verlusten oder sogar zur Zerstörung der Turbomaschine führen.
Um das Risiko eines Anstreifens bei möglichst geringem Spalt bzw. die daraus resultierenden Schäden zu minimieren, werden nach dem Stand der Technik verschiedene Verfahren eingesetzt.
Zunächst wird die minimale Spalthöhe zumeist nicht über die ganze Breite der Schaufelspitze bzw. die axiale Deckbandlänge eingestellt, da es in diesem Fall zu einem großflächigen Anlaufen kommen könnte. Vielmehr werden zumeist möglichst dünne Strukturen verwendet, die im Falle eines Anstreifens zwar beschädigt werden können, wodurch die Dichtwirkung nachlässt, was jedoch in der Regel keine größeren Beschädigungen oder gar einen Ausfall der Turbomaschine zur Folge hat. Eine solche Vorrichtung für frei stehende Schaufeln ist beispielsweise in der US 2007/02376237 beschrieben.
Bei Schaufelkränzen mit Deckband ist letzteres üblicherweise mit einer oder mehreren Dichtspitzen oder -rippen besetzt, die dadurch in axialer Richtung eine oder mehrere Wirbelkammern bilden und somit die Dichtwirkung erhöhen. Diese Ausführung wird auch als Labyrinthdichtung bezeichnet. Um die Dichtwirkung weiter zu verbessern, werden diese Dichtspitzen sowie die Gegenlaufflächen im Gehäuse oft radial versetzt angebracht, um so ein gestuftes Labyrinth zu erzeugen.
Um die in solchen Dichtrippen beim Betrieb auftretenden mechanischen Belastungen zu reduzieren, werden diese zum Teil geometrisch so ausgeführt, dass der Rippenquerschnitt in radialer Richtung erweitert wird, wie zum Beispiel in der EP 1 413 712 A1 beschrieben. Zusätzlich dienen einzelne kleine Trennschlitze dazu, die auf Grund der Fliehkraft entstehenden Druckspannungen in den Rippen zu verringern.
Des Weiteren wird die Gegenlauffläche im Gehäuse üblicherweise mit einer weichen Be- schichtung versehen, die im Falle eines Anstreifens abgetragen wird. Um diesen Vorgang zu begünstigen, können die Schaufelspitzen von frei stehenden Schaufeln, wie z.B. in der EP 0 702 130 A2 beschrieben, mit einem schneidfähigen Anstreifbelag ausgeführt werden, während die Dichtspitzen von Deckbandschaufeln mit einer schneidenförmigen Geometrie versehen werden können, wie z.B. in WO 02/25065 A1 dargelegt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Dichtungen im Gehäuse in radial nachgiebigen Segmenten anzuordnen, wie dies beispielsweise in der US 5,603,510 A oder der US
6,502,823 B1 offenbart ist.
Da der Spaltstrom nicht an der Umlenkung innerhalb des Schaufelkranzes teilnimmt und deshalb eine andere Strömungsrichtung aufweist als der Hauptmassenstrom, wird in der DE 10 2012 106 175 A1 zusätzlich durch drallbrechende Strukturen innerhalb des Anstreifbelags bzw. durch vor- und nachgelagerte drallbrechende Elemente versucht, die Strömungsrichtung des Spaltmassenstroms ähnlich zu der des Hauptmassenstroms einzustellen, um dadurch die Mischungsverluste, welche durch die Interaktion von Spalt- und Hauptmassenstrom entstehen, zu reduzieren.
Für frei stehende Schaufeln sind Ansätze bekannt, bei denen versucht wird, den Spaltwirbel als solchen mithilfe von sich teilweise über die Schaufel erstreckenden Ausnehmungen zwischen Saug- und Druckseite zu schwächen. Eine solche Vorgehensweise ist in der EP 2 538 024 A1 beschrieben.
Allen diesen Maßnahmen liegt der Gedanke zu Grunde, den Spaltmassenstrom in seiner Gesamtheit zu reduzieren, um den Wirkungsgrad der einzelnen Turbinenstufen zu verbessern. Jedoch wird dadurch auch die vorteilhafte Wirkung der Spaltströmung auf die Strömung im Diffusor beseitigt, was zwangsläufig zu der oben angesprochenen sehr vorsichtigen Auslegung von Diffusoren führt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Strömung in einer Turbomaschine zu schaffen, mit der Strömungsablösungen vermieden und der Wirkungsgrad der Turbomaschine verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Durch den erfindungsgemäßen, auf Grund von einzelnen Ausnehmungen um den Umfang des Schaufelkranzes eine diskontinuierliche Höhe aufweisenden und in Axialrichtung durchgehenden Spalt wird eine lokale Erhöhung des Spaltstroms über den Schaufelkranz erreicht. Im Falle eines dem Schaufelkranz der Turbomaschine nachgeordneten Diffusors kann dadurch die Energetisierung der Grenzschicht an der Wandung des Diffusors, also das Einbringen von Energie in diese Grenzschicht, verbessert werden, was zu einer Stabilisierung der Grenzschichtströmung führt und letztendlich höhere Druckrückgewinne bzw. eine Verkürzung des Diffusors bei konstantem Druckrückgewinn ermöglicht. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es damit, deutlich "aggressivere", d. h. bei gleichem Verhältnis von Eintritts- zu Austrittsfläche, kürzere Diffusoren zu bauen, so dass die Anlagenkosten deutlich reduziert werden können. Des Weiteren kann durch den erfindungsgemäßen Spalt die Entstehung großer Rückströmgebiete in einem dem Schaufelkranz nachgeordneten Bereich vermieden werden, welche ansonsten durch niederfrequente Pulsationen strukturmechanische Probleme verursachen können.
Dadurch, dass die Höhe des Spalts um den Umfang des Schaufelkranzes diskontinuierlich ist, kann in den Bereichen, in denen der Spalt eine größere Höhe aufweist, ein ausreichend großer Massenstrom erreicht werden, der die oben beschriebene Energetisierung der Grenzschicht sicherstellt, wobei gleichzeitig durch die Beschränkung eines solchen Spalts auf einzelne Abschnitte des Umfangs des Schaufelkranzes ein zu hoher Spaltverlust, der den Wirkungsgrad der Turbomaschine zu stark verringern würde, vermieden wird.
Die Spaltfläche der ursprünglichen Ausführung ist hierbei durch die freie Fläche zwischen dem Schaufelkranz und dem Gehäuse bei der Ausführung mit kontinuierlichem Spalt definiert. Daher wird diese Spaltfläche teilweise auch als freie Fläche zwischen dem Schaufelkranz und dem Gehäuse bezeichnet.
Da die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Lösung einen um den Umfang des Schaufelkranzes gleichmäßig hohen Spalt aufweisen, tritt bei denselben entweder ein zu geringer Massenstrom, mit dem eine Energetisierung der Grenzschicht nicht erreicht werden kann, oder eine zu starke Verringerung des Wirkungsgrads der Turbomaschine auf. Bei anderen Ausführungen mit sich verändernder Spalthöhe, bei welchen die Variation der Spalthöhe z.B. bei einer Ausfüh- rung der Schaufelspitze wie in der EP 0 702 130 A2 bzw. des Deckbands wie in der WO 02/25065 A1 nur gering ausfällt, und deren Sinn darin besteht, die Dichtwirkung im Ganzen zu verbessern, tritt ebenfalls ein zu geringer Massenstrom im Spalt auf, so dass eine Energetisierung der Grenzschicht nicht erreicht werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass aufgrund des verhältnismäßig großen Spalts in bestimmten Abschnitten am Umfang des Schaufelkranzes das Problem der Fertigungstoleranzen sowie der Längung der Turbinenschaufeln und der damit verbundenen Größenänderung des Spalts umgangen werden kann.
Ein anderes, allgemein bekanntes Problem bei Turbomaschinen ist das Flattern der Schaufeln, insbesondere wenn Schaufelkränze ohne Deckbänder eingesetzt werden. Dieses Schaufelflattern kann sowohl bei in Verdichtern als auch bei in Turbinen eingesetzten Schaufelkränzen auftreten.
Im Falle des Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Verdichter oder einer Turbine kann eine ansonsten auftretende, zu einem Flattern der Turbinenschaufeln führende Interaktion von Strömung und Schaufeln vermieden werden. Durch die Veränderung der Spaltströmung in Umfangsrichtung und die damit einhergehende Variation der Spaltströmung ist es möglich, das Einschwingen einer solchen Wechselwirkung gezielt zu stören und damit zu unterbinden.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt eine derartige Größe aufweist, dass sich durch denselben eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz und dem Gehäuse gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt. Eine derartige Größe des Spalts stellt sicher, dass sich die oben beschriebenen Wirkungen einstellen, da auf diese Weise lokal, d.h. im Bereich des Spalts, eine sehr starke Erhöhung des Spaltstroms erzielt wird, die gesamten Strömungsverluste jedoch in annehmbaren Grenzen gehalten werden. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz und dem Gehäuse gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 7% - 45%, noch vorteilhafter 9% - 40%, noch vorteilhafter 1 1 % - 35 %, noch vorteilhafter 13 - 30% und noch vorteilhafter 15 - 25% herausgestellt. Eine konstruktiv sehr einfach zu realisierende Ausführungsform der Vorrichtung ergibt sich, wenn der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt durch wenigstens eine Ausnehmung an dem Schaufelkranz gebildet ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schaufelkranz ein Deckband mit wenigstens einer umlaufenden Dichtspitze aufweist, welche durch wenigstens eine in Axialrichtung durchgehende Ausnehmung unterbrochen ist, um den die diskontinuierliche Höhe aufweisenden Spalt derart zu bilden, dass sich durch denselben eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen der Dichtspitze und dem Gehäuse gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt. Eine solche Lösung lässt sich mit sehr geringem Aufwand in die Praxis umsetzen, wobei möglicherweise sogar Kosteneinsparungen gegenüber bekannten Lösungen möglich sind. Des Weiteren ergeben sich auf diese Weise Ausnehmungen, die so beschaffen sind, dass an den betreffenden Stellen der Spaltstrom im Wesentlichen ungedrosselt durch die Fläche zwischen dem Gehäuse und dem Deckband strömen kann. Auf diese Weise wird auch ein geeignetes Geschwindigkeitsverhältnis des Spaltstroms zum Hauptmassenstrom erreicht.
Eine weitere sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, dass die wenigstens eine Ausnehmung eine derartige Größe aufweist, dass die Vergrößerung der freien Fläche pro Ausnehmung mindestens 1 % der gesamten freien Fläche zwischen der Dichtspitze und dem Gehäuse ohne Ausnehmungen beträgt. Es handelt sich dabei also um verhältnismäßig große Ausnehmungen, durch die sich ein zum Erreichen der oben beschriebenen Wirkung ausreichend großer Spaltstrom ergibt. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Vergrößerung der freien Fläche pro Ausnehmung mindestens 2%, noch bevorzugter mindestens 3%, noch bevorzugter mindestens 4% und noch bevorzugter mindestens 5%, der gesamten freien Fläche zwischen der Dichtspitze und dem Gehäuse ohne Ausnehmungen beträgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Fläche der wenigstens einen Ausnehmung mindestens 50% der Fläche der Dichtspitze über die Länge der Ausnehmung in Umfangsrichtung betragen. Dies stellt ebenfalls eine Möglichkeit zum Erreichen des beschriebenen hohen Spaltstroms dar. Alternativ kann bei Schaufelkränzen ohne Deckband vorgesehen sein, dass der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt dadurch gebildet ist, dass zumindest eine der frei stehenden Schaufeln des Schaufelkranzes eine geringere Länge aufweist als eine andere frei stehende Schaufel des Schaufelkranzes. Auch durch eine solche "Verkürzung" einzelner Schaufeln lässt sich der Spaltstrom lokal beträchtlich erhöhen.
Dabei ist es im Sinne der Erhöhung des lokalen Spaltstroms über die jeweils verkürzte Schaufel besonders vorteilhaft, wenn mindestens eine und höchstens die Hälfte der frei stehenden Schaufeln eine Länge aufweisen, die geringer ist als die mittlere Länge der verbleibenden ungekürzten Schaufeln, so dass sich eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen der jeweiligen Schaufel und dem Gehäuse gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt. Die freie Fläche bzw. die Spaltfläche ist dabei definiert als die Fläche zwischen den radial äußeren Enden der Schaufeln und dem Gehäuse.
Eine andere, ebenfalls mit geringem Aufwand zu realisierende Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass der Spalt durch Ausnehmungen an dem Gehäuse o- der einem mit dem Gehäuse verbundenen Bauteil gebildet ist.
Auch dabei ist es im Sinne einer starken Erhöhung des lokalen Spaltstroms wiederum vorteilhaft, wenn das Gehäuse oder ein mit dem Gehäuse verbundenes Bauteil radial außerhalb des Schaufelkranzes eine oder mehrere in Axialrichtung durchgehende Ausnehmungen aufweist, so dass sich eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz und dem Gehäuse gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.
Um die Größe der Ausnehmungen während des Betriebs der Turbomaschine verändern zu können, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass in dem Gehäuse ein drehbarer Ring gelagert ist, mit dem die Ausnehmungen zumindest teilweise verschließbar sind. Bei dieser Lösung weist das Gehäuse die Ausnehmungen auf, die dann mit dem drehbaren Ring, der ebenfalls Ausnehmungen aufweist, verschlossen werden können. Dadurch lässt sich eine Steuerung bzw. eine Regelung des durch den erfindungsgemäßen Spalt strömenden Massenstroms erzielen. Eine andere Ausführungsform kann darin bestehen, dass in dem Gehäuse ein drehbarer Ring gelagert ist, der die Ausnehmungen aufweist. Mit einer solchen Lösung ist eine Veränderung der Position der Ausnehmungen um den Umfang des Schaufelkranzes möglich, um in bestimmten Bereichen einen größeren oder kleineren Massenstrom zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse zwei gegeneinander verdrehbare Ringe aufweist, welche jeweils Ausnehmungen aufweisen, wobei wenigstens einer der Ringe drehbar an dem Gehäuse gelagert ist. Durch zwei solche, gegeneinander verdrehbare Ringe ist zum einen eine Beeinflussung der Größe der Ausnehmungen und zum anderen eine Beeinflussung der Position derselben um den Umfang des Schaufelkranzes möglich. Insbesondere wenn der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Turbomaschine ein Diffusor nachgeschaltet ist, kann ein solcher Diffusor in einem weiten Bereich optimal betrieben werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt durch mehrere Ausnehmungen gebildet ist, die um den Umfang des Gehäuses oder des Schaufelkranzes mit geringen Abweichungen gleich verteilt angeordnet sind. Grundsätzlich ermöglicht ein gleicher Abstand der Ausnehmungen zueinander eine gleichmäßige Verteilung der Bereiche mit einem erhöhten Spaltmassenstrom um den Umfang des Schaufelkranzes, was im Falle eines der Turbomaschine nachgeschalteten Diffusors zu einer gleichmäßigen Wirkungsweise desselben führt.
Durch geringe Abweichungen von dieser Gleichverteilung der Ausnehmungen kann jedoch ein gegenseitiges Aufschwingen der Turbinenschaufeln verhindert werden.
Eine Turbomaschine mit einer erfindungsgemäßen, in einem Bereich vor einem Diffusor angeordneten Vorrichtung ist in Anspruch 15 angegeben.
Aus Anspruch 16 ergibt sich eine Turbomaschine mit einer erfindungsgemäßen, in einem Verdichter- oder Turbinenabschnitt angeordneten Vorrichtung.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt: Fig. 1 eine sehr schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III aus Fig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV aus Fig. 2;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 7 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt auf sehr schematische Art und Weise eine Turbomaschine 1 , die im vorliegenden Fall als Gasturbine ausgebildet ist und ein Gehäuse 1 a, eine Einlassöffnung 2 sowie eine Auslassöffnung 3 aufweist. In an sich bekannter Weise wird die Turbomaschine 1 in der mit "x" bezeichneten Axialrichtung von einem Arbeitsfluid, beispielsweise einem Gas, durchströmt mit dem Ziel, eine in dem Gehäuse 1 a gelagerte Welle 4 anzutreiben, um beispielsweise im Falle des Einsatzes der Turbomaschine 1 in einem Kraftwerk Strom zu erzeugen.
Wie ebenfalls an sich bekannt ist, weist die Turbomaschine 1 in der Axialrichtung x des Arbeitsfluids hintereinander einen Verdichterabschnitt 5, einen Turbinenabschnitt 6, einen sich an den Turbinenabschnitt 6 anschließenden Diffusor 7 und eine zwischen dem Verdichterabschnitt 5 und dem Turbinenabschnitt 6 angeordnete Brennkammer 8 auf. Der Verdichterabschnitt 5, der Turbinenabschnitt 6, der Diffusor 7 und die Brennkammer 8, die in Fig. 1 nur sehr schematisch angedeutet sind, sind von dem Gehäuse 1 a umgeben. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei der Turbomaschine 1 um eine Gasturbine. Mit dem Begriff "Turbomaschine" sind jedoch auch andere Ausführungen umfasst, wie zum Beispiel eine Dampfturbine, die keinen Verdichter und keine Brennkammer aufweist. Sowohl der Verdichterabschnitt 5 als auch der Turbinenabschnitt 6 weisen eine Vielzahl von Schaufelkränzen 9 auf, die von dem durchströmenden Gas in Rotation versetzt werden und damit die Welle 4 antreiben. Da die grundsätzliche Wirkungsweise der Turbomaschine 1 bekannt ist, wird hierin nicht im Detail darauf eingegangen.
In den Figuren 2 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung 10 dargestellt, die zur Beeinflussung der Strömung in der Turbomaschine 1 dienen. Sämtlichen Ausführungsformen der Vorrichtung 10 ist gemeinsam, dass sich zwischen dem Gehäuse 1 a und dem Schaufelkranz 9 ein um den Umfang des Schaufelkranzes 9 eine diskontinuierliche Höhe aufweisender, in Axialrichtung x durchgehender Spalt 1 1 befindet. Obwohl der Spalt 1 1 , wie nachfolgend deutlich wird, in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden kann, ist er jeweils so ausgeführt, dass sich durch denselben eine lokale Erhöhung des Spaltstroms über den Schaufelkranz 9 und eine Stabilisierung der Strömung in der Grenzschicht zu dem Gehäuse 1 a ergibt.
Dabei ist es grundsätzlich zu bevorzugen, wenn der Spalt 1 1 eine derartige Größe aufweist, dass sich durch denselben eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1 a gegenüber einer in den Figuren nicht dargestellten, für den Fachmann jedoch sehr einfach nachvollziehbaren Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2, die eine vereinfachte Vorderansicht eines Schaufelkranzes 9 zeigt, ist der Spalt 1 1 durch mehrere Ausnehmungen 12 an dem Schaufelkranz 9 gebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, lediglich eine Ausnehmung 12 vorzusehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Schaufelkranz 9 ein Deckband 13 mit einer umlaufenden Dichtspitze 14 auf, die durch die Ausnehmungen 12 unterbrochen ist, um den Spalt 1 1 zu bilden. Die Dichtspitze 14 kann auf das Deckband 13 aufgesetzt oder einteilig mit demselben ausgeführt sein. Hierzu können aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen zum Einsatz kommen. Die Ausnehmungen 12 in der Dichtspitze 14 können einfach durch Weglassen der Dichtspitze 14 oder auch durch Ausschneiden, Fräsen oder ähnliches hergestellt werden. Durch das Deckband 13 wird eine Versteifung einzelner Schaufeln 15 des Schaufelkranzes 9 erreicht, von denen aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in den Figuren einzelne weggelassen wurden. Das abwechselnde Vorhandensein der Dichtspitze 14 und der Ausnehmungen 12 in der Dichtspitze 14 führt zu der beschriebenen Diskontinuität der Höhe des Spalts 1 1 um den Umfang des Schaufelkranzes 9. Die Angabe " in Axialrichtung x durchgehend" bedeutet dabei, dass beispielsweise im Falle zweier in Axialrichtung x versetzter Dichtspitzen 14 beide Dichtspitzen 14 jeweilige Ausnehmungen 12 aufweisen, die ein Überströmen der Schaufelreihe durch den Spaltstrom ermöglichen. Beispielsweise können die Ausnehmungen 12 in Axialrichtung x fluchtend angeordnet sein, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, solange der Spaltstrom dieselben überströmen kann. Demnach ist also auch ein gewisser Versatz der Ausnehmungen 12 möglich.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind mehrere Ausnehmungen 12 vorgesehen. Die Größe derselben ist dabei als rein beispielhaft anzusehen. Die Ausnehmungen 12 gehen in Axialrichtung x vollständig durch die Dichtspitze 14 durch, wobei die Größe und die Anzahl der Ausnehmungen 12 vorzugsweise so gewählt ist, dass sich durch den Spalt 1 1 eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen der Dichtspitze 14 und dem Gehäuse 1 a gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.
Jede einzelne Ausnehmung 12 weist vorzugsweise eine derartige Größe auf, dass die Vergrößerung der freien Fläche pro Ausnehmung 12 mindestens 1 %, bevorzugt mindestens 2%, noch bevorzugter mindestens 3%, noch bevorzugter mindestens 4% und noch bevorzugter mindestens 5%, der gesamten freien Fläche zwischen der Dichtspitze 14 und dem Gehäuse 1 a ohne Ausnehmungen beträgt.
In Fig. 2 ist des Weiteren erkennbar, dass jede der Ausnehmungen 12 jeweils über die gesamte Höhe der Dichtspitze verläuft. Grundsätzlich ist es zu bevorzugen, dass die Fläche der wenigstens einen Ausnehmung 12 mindestens 50% der Fläche der Dichtspitze 14 über die Länge der Ausnehmung 12 in Umfangsrichtung beträgt. Dabei kann die Unterkante der jeweiligen Ausnehmung 12 in unterschiedlicher weise ausgeführt sein, beispielsweise schräg oder gebogen, bevorzugt jedoch gerade.
Die in Fig. 2 sehr schematisch dargestellten Ausnehmungen 12 sind demnach größer dargestellt als in diesen bevorzugten Ausführungen angegeben. Um dies zu kompensieren, könnten in Umfangsrichtung betrachtet kleinere, also eine geringere Länge aufwei- sende Ausnehmungen 12, eine geringere Anzahl an Ausnehmungen 12 und/oder Ausnehmungen 12 mit einer geringeren Höhe, also einer geringeren Erstreckung in radialer Richtung, vorgesehen sein.
Die beschriebene Diskontinuität der Höhe des Spalts 1 1 ist in den beiden Schnitten der Figuren 3 und 4 ebenfalls sehr deutlich zu erkennen. Während Fig. 3 einen Schnitt durch den Bereich zeigt, in dem die Dichtspitze 14 vorhanden ist und der Spalt 1 1 zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1 a eine geringe Höhe aufweist, zeigt Fig. 4 einen Schnitt durch einen Bereich des Schaufelkranzes 9, in dem die Dichtspitze 14 eine der Ausnehmungen 12 aufweist, so dass der Spalt 1 1 zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1 a sehr viel größer ist als in dem in Fig. 3 dargestellten Bereich. Während im dargestellten Ausführungsbeispiel die Ausnehmungen 12 jeweils eine derartige Größe aufweisen, dass die Dichtspitze 14 im Bereich der Ausnehmungen 12 nicht vorhanden ist, wäre es, wie bereits erwähnt, auch möglich, die Ausnehmungen 12 so auszuführen, dass die Dichtspitze 14 in dem Bereich der Ausnehmungen 12 eine geringere Höhe aufweist als in den Bereichen, in denen die Ausnehmungen 12 nicht vorhanden sind.
Die diskontinuierliche Höhe des Spalts 1 1 führt zu einem erhöhten Massenstrom in den Bereichen, in denen der Spalt 1 1 eine größere Höhe aufweist als in den Bereichen, in denen er eine geringere Höhe aufweist. Durch diesen sich durch den vergrößerten Spalt 1 1 bzw. durch die Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1 a gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt ergebenden erhöhten Massenstrom, der nicht durch den Schaufelkranz 9 strömt und damit nicht an der Arbeitsumsetzung innerhalb der Turbomaschine 1 teilnimmt, kann eine Verbesserung der Energetisierung der an dem Gehäuse 1 a entlang und in den Diffusor 7 strömenden Grenzschicht erreicht werden. Durch das Vergrößern des Spalts 1 1 auf Grund der lokalen Verringerung des Durchmessers des Schaufelkranzes 9 bzw. der Dichtspitze 14 des Schaufelkranzes 9 mittels der Aussparungen 12 bei der Ausführungsform von Fig. 2 ergibt sich ein mit der Rotation des Schaufelkranzes 9 innerhalb des dem Turbinenabschnitts 6 folgenden Diffusors 7 rotierender Spaltmassenstrom. Durch diese, einen gewissen Drall aufweisende Strömung wird der gesamte Diffusor 7 mit der veränderten Spaltströmung beaufschlagt. Dadurch wird eine ungleichmäßige Beaufschlagung des Diffusors 7 vermieden. Bei der Ausführungsform von Fig. 5 ist der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt 1 1 durch eine Verkürzung einzelner frei stehender Schaufeln 15 des Schaufelkranzes 9 gebildet, wodurch die Ausnehmungen 12 entstehen. Diese Variante bietet sich an, wenn der Schaufelkranz 9 das Deckband 13 nicht aufweist, d.h. wenn die Schaufeln 15 frei stehende Schaufeln sind. Grundsätzlich kann es ausreichend sein, wenn zumindest eine der Schaufeln 15 des Schaufelkranzes 9 eine geringere Länge aufweist als eine andere Schaufel 15 des Schaufelkranzes 9. Es kann also eine andere als die dargestellte Anzahl der Schaufeln 15 verkürzt sein.
Dabei ist es zu bevorzugen, dass mindestens eine und höchstens die Hälfte der frei stehenden Schaufeln 15 eine Länge aufweisen, die geringer ist als die mittlere Länge der verbleibenden ungekürzten Schaufeln 15, so dass sich eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen der jeweiligen Schaufel 15 und dem Gehäuse 1 a gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt, d.h. bei einer Ausführung, bei der alle Schaufeln 15 gleich lang sind, von 5% - 50% ergibt.
Vorzugsweise sind die frei stehenden Schaufeln 15 derart verkürzt, dass die Vergrößerung der freien Fläche durch die Verkürzung pro frei stehender Schaufel 15 mindestens 1 %, bevorzugt mindestens 2%, noch bevorzugter mindestens 3%, noch bevorzugter mindestens 4% und noch bevorzugter mindestens 5%, der gesamten freien Fläche zwischen der jeweiligen frei stehenden Schaufel 15 und dem Gehäuse 1 a ohne Ausnehmungen beträgt.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist der eine diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt 1 1 durch mehrere, jeweils voneinander beabstandete Ausnehmungen 16 am inneren Umfang des Gehäuses 1 a gebildet. Auch auf diese Weise ergibt sich in den Bereichen, in denen der Spalt 1 1 aufgrund der Ausnehmungen 16 eine größere Höhe aufweist, ein größerer Massenstrom, der nicht durch den Schaufelkranz 9 hindurch, sondern zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1 a hindurchströmt und damit zu einer Energetisierung der Grenzschicht beiträgt. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen von Fig. 2 und Fig. 5 ist dieser Massenstrom jedoch stationär, da die Ausnehmungen 16 sich stets an derselben Stelle befinden. Obwohl der Schaufelkranz 9 bei der Ausführungsform von Fig. 6 das Deckband 13 mit der Dichtspitze 14 aufweist, ist es auch möglich, einen Schaufelkranz 9 ohne das Deckband 13 einzusetzen. In einer von der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung 10 kann in dem Gehäuse 1 a ein drehbarer Ring gelagert sein, der Ausnehmungen aufweist, mit denen die oben beschriebene diskontinuierliche Höhe des Spalts 1 1 erzeugt wird. Wenn dieser Ring stationär gehalten wird, bleiben auch die erhöhten Massenströme an denselben Stellen um den inneren Umfang des Gehäuses 1 a. Durch Verdrehen des Rings ist es in diesem Fall jedoch möglich, die erhöhten Massenströme an anderen Stellen am inneren Umfang des Gehäuses 1 a zu erzeugen.
Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist ebenfalls eine Weiterbildung der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform. Auch hier sind die Ausnehmungen 16 in dem Gehäuse 1 a vorgesehen, um die diskontinuierliche Höhe des Spalts 1 1 zu erzeugen. Zusätzlich ist in dem Gehäuse 1 a ein drehbarer Ring 17 gelagert, mit dem die Ausnehmungen 16 zumindest teilweise verschließbar sind. Der Ring 17 weist hierzu abwechselnd Ausnehmungen 17a und Vorsprünge 17b auf, so dass durch ein Verdrehen des Rings 17 die sich in dem Gehäuse 1 a befindenden Ausnehmungen 16 verschlossen werden können. Je nach Größe der Ausnehmungen 17a bzw. der Vorsprünge 17b des Rings 17 in Fig. 7 können auf diese Weise die Ausnehmungen 16 vollständig geöffnet oder, wenn die Länge der Vorsprünge 17b des Rings 17 mindestens so groß ist wie die Länge der Ausnehmungen 16 in dem Gehäuse 1 a, auch vollständig verschlossen werden. In einem solchen Fall würde der Spalt 1 1 um den gesamten Umfang dieselbe, geringe Höhe aufweisen. Durch den Ring 17 kann die Höhe des Spalts 1 1 im Bereich der Ausnehmungen 16 nur verringert und nicht vergrößert werden. Diese Ausnehmungen könnten in nicht dargestellter Weise auch in einem zweiten, ebenfalls gegenüber dem Gehäuse 1 a verdrehbaren Ring vorgesehen sein. In diesem Fall wären also zwei gegenüber dem Gehäuse 1 a verdrehbare Ringe vorgesehen. Durch entsprechendes Verdrehen der beiden Ringe gegeneinander kann dabei die Größe der sich durch die Überdeckung der beiden Ausnehmungen ergebenden Gesamtausnehmung verändert werden.
Bei der Ausführungsform von Fig. 7 weist der Schaufelkranz 9 kein Deckband auf. Dennoch ist es auch möglich, einen Schaufelkranz 9 mit dem Deckband 13 einzusetzen. Eine solche Ausführungsform der Vorrichtung 10, die sich von der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform nur dadurch unterscheidet, dass das Deckband 13 vorgesehen ist, ist in Fig. 8 dargestellt. Die Größe der in Axialrichtung x durchgehenden Ausnehmungen 16 bzw. 17a weisen in Anlehnung an die oben beschriebenen Ausführungsformen eine derartige Größe auf, dass sich durch dieselben eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1 a gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.
Auch bei dieser Ausführungsform ist es zu bevorzugen, wenn jede einzelne Ausnehmung 16 bzw. 17a wiederum vorzugsweise eine derartige Größe aufweist, dass die Vergrößerung der freien Fläche pro Ausnehmung 16 bzw. 17a mindestens 1 %, bevorzugt mindestens 2%, noch bevorzugter mindestens 3%, noch bevorzugter mindestens 4% und noch bevorzugter mindestens 5%, der gesamten freien Fläche zwischen der jeweiligen frei stehenden Schaufel 15 und dem Gehäuse 1 a ohne Ausnehmungen beträgt.
Vorzugsweise sind die Ausnehmungen 12 bzw. 16 bzw. 17a um den Umfang des Gehäuses 1 a bzw. des Schaufelkranzes 9 bzw. des Rings 17 mit geringen Abweichungen gleich verteilt angeordnet, sodass einerseits eine gleichmäßige Verteilung der Bereiche mit einem erhöhten Spaltmassenstrom und den Umfang des Schaufelkranzes 9 erreicht und andererseits ein gegenseitiges Aufschwingen der Schaufeln 15 verhindert werden kann.
Der beschriebene, eine diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt 1 1 zwischen dem Schaufelkranz 9 und dem Gehäuse 1 a kann im Prinzip an jeder beliebigen Stelle der Turbomaschine 1 eingesetzt werden. Da der über den Schaufelkranz 9 und durch den Spalt 1 1 strömende Massenstrom an Luft, Dampf oder dergleichen jedoch nicht an der Arbeitsumsetzung innerhalb des jeweiligen Laufrads teilnimmt, wird dieser Spalt 1 1 vorzugsweise nur an demjenigen Schaufelkranz 9 eingesetzt, der sich in Strömungsrichtung x unmittelbar vor dem Diffusor 7 befindet. Insbesondere kann die Vorrichtung 10 sowohl in Turbinen mit nachgeschalteten Axial-Diffusoren als auch nachgeschalteten Axial- Radial-Diffusoren eingesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit zum Einsatz der Vorrichtung 10 besteht in dem Verdichterabschnitt 5, um ein Flattern der Schaufeln 15 des Schaufelkranzes 9 zu verhindern. Im Bereich der Dichtspitze 14 kann das Gehäuse 1 a ein poröses Material aufweisen, so dass sich die Dichtspitze 14 im Falle einer Längenausdehnung in das Gehäuse 1 a einarbeiten kann, ohne dass es zu einer Beschädigung des Schaufelkranzes 9 kommt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Beeinflussung der Strömung in einer Turbomaschine (1 ), mit einem Gehäuse (1a) und mit wenigstens einem, mehrere Schaufeln (15) aufweisenden, innerhalb des Gehäuses (1a) rotierenden Schaufelkranz (9),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
sich zwischen dem Gehäuse (1a) und dem Schaufelkranz (9) ein in Axialrichtung (x) durchgehender, um den Umfang des Schaufelkranzes (9) eine diskontinuierliche Höhe aufweisender Spalt (11) befindet, durch welchen sich eine lokale Erhöhung des Spaltstroms über den Schaufelkranz (9) und eine Stabilisierung der Strömung in der Grenzschicht zu dem Gehäuse (1a) ergibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt (11) eine derartige Größe aufweist, dass sich durch denselben eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz (9) und dem Gehäuse (1a) gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt (11) durch wenigstens eine Ausnehmung (12) an dem Schaufelkranz (9) gebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Schaufelkranz (9) ein Deckband (13) mit wenigstens einer umlaufenden Dichtspitze (14) aufweist, welche durch wenigstens eine in Axialrichtung (x) durchgehende Ausnehmung (12) unterbrochen ist, um den die diskontinuierliche Höhe aufweisenden Spalt (11) derart zu bilden, dass sich durch denselben eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen der Dichtspitze (14) und dem Gehäuse (1a) gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die wenigstens eine Ausnehmung (12) eine derartige Größe aufweist, dass die Vergrößerung der freien Fläche pro Ausnehmung (12) mindestens 1% der gesamten freien Fläche zwischen der Dichtspitze (14) und dem Gehäuse (1a) ohne Ausnehmungen beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Fläche der wenigstens einen Ausnehmung (12) mindestens 50% der Fläche der Dichtspitze (14) über die Länge der Ausnehmung (12) in Umfangsrichtung beträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt (11) dadurch gebildet ist, dass zumindest eine der frei stehenden Schaufeln (15) des Schaufelkranzes (9) eine geringere Länge aufweist als eine andere frei stehende Schaufel (15) des Schaufelkranzes (9).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
mindestens eine und höchstens die Hälfte der frei stehenden Schaufeln (15) eine Länge aufweisen, die geringer ist als die mittlere Länge der verbleibenden ungekürzten Schaufeln (15), so dass sich eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen der jeweiligen Schaufel (15) und dem Gehäuse (1 a) gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt (11) durch Ausnehmungen (16,17a) an dem Gehäuse (1a) oder einem mit dem Gehäuse (1a) verbundenen Bauteil gebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse (1a) oder ein mit dem Gehäuse (1a) verbundenes Bauteil radial außerhalb des Schaufelkranzes (9) eine oder mehrere in Axialrichtung (x) durchgehende Ausnehmungen (16,17a) aufweist, so dass sich eine Vergrößerung der freien Fläche zwischen dem Schaufelkranz (9) und dem Gehäuse (1a) gegenüber einer Ausführung mit einem kontinuierlichen Spalt von 5% - 50% ergibt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
in dem Gehäuse (1a) ein drehbarer Ring (17) gelagert ist, mit dem die Ausnehmungen (16) zumindest teilweise verschließbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
in dem Gehäuse (1 a) ein drehbarer Ring (17) gelagert ist, der die Ausnehmungen (17a) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Gehäuse (1a) zwei gegeneinander verdrehbare Ringe aufweist, welche jeweils Ausnehmungen aufweisen, wobei wenigstens einer der Ringe drehbar an dem Gehäuse (1a) gelagert ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der die diskontinuierliche Höhe aufweisende Spalt (11) durch mehrere Ausnehmungen (12,16,17a) gebildet ist, die um den Umfang des Gehäuses (1a) oder des Schaufelkranzes (9) mit geringen Abweichungen gleich verteilt angeordnet sind.
15. Turbomaschine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, welche in einem Bereich vor einem Diffusor (7) angeordnet ist.
16. Turbomaschine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, welche in einem Verdichterabschnitt (5) angeordnet ist.
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