EP3561236A1

EP3561236A1 - Leitschaufel für eine turbine einer strömungsmaschine

Info

Publication number: EP3561236A1
Application number: EP19169137.7A
Authority: EP
Inventors: Hermann Klingels
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: US11215073B2; EP3561236B1; ES2934210T3; US20190331000A1; DE102018206259A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel (3) für eine Turbine (50c) einer Strömungsmaschine (50), mit einem Leitschaufelblatt (3c), einem Innendeckband (3a) und einem Außendeckband (3b), wobei das Innendeckband (3a) und das Außendeckband (3b) bezogen auf eine Längsachse (52) der Strömungsmaschine (50) einen Ringraum (2) in radialer Richtung begrenzen, in dem im Betrieb Arbeitsgas (51) geführt ist, und wobei das Leitschaufelblatt (3c) im Inneren von einem Leitschaufelblattkanal (3d) durchzogen ist, der sich zwischen einem Einlass (6) radial innen und einem Auslass (7) radial außen erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (6) derart angeordnet ist, dass ein den Leitschaufelblattkanal (3d) im Betrieb durchströmendes Gas (8) zumindest anteilig von dem in dem Ringraum (2) geführten Arbeitsgas (51) gebildet wird, dieses also von radial innen nach radial außen umverteilt wird.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine Turbine einer axialen Strömungsmaschine.

Stand der Technik

Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Das Heißgas, das auch als Arbeitsgas bezeichnet wird, durchströmt auf einem Pfad von der Brennkammer über die Turbine bis zur Düse ein Volumen, wobei vorliegend zunächst eine Leitschaufel bzw. ein Turbinenmodul und damit ein Abschnitt dieses Pfads bzw. Volumens betrachtet wird, der nachstehend als Ringraum in Bezug genommen wird.
Die in Rede stehende Leitschaufel weist ein Leitschaufelblatt auf, das sich zwischen einem Innendeckband und einem Außendeckband erstreckt. Die Deckbänder begrenzen den Ringraum, in dem das das Leitschaufelblatt umströmende Arbeitsgas geführt ist, in radialer Richtung. Vorliegend wird zunächst auf eine Leitschaufel Bezug genommen, diese ist dann Teil eines Leitschaufelkranzes, der umlaufend eine Mehrzahl in der Regel baugleicher Leitschaufeln aufweist. Dies soll, wie auch die Bezugnahme auf ein Strahltriebwerk, den vorliegenden Gegenstand zunächst illustrieren, den Erfindungsgedanken aber nicht in seiner Allgemeinheit beschränken. Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. auch um eine stationäre Gasturbine handeln.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Leitschaufel sowie ein vorteilhaftes Turbinenmodul mit einer solchen Leitschaufel anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit der Leitschaufel gemäß Anspruch 1 sowie dem Turbinenmodul nach Anspruch 5 gelöst. Die Leitschaufel ist als Hohlschaufel ausgeführt, ist nämlich in ihrem Inneren von einem Leitschaufelblattkanal durchzogen, der sich zwischen einem Einlass radial innen und einem Auslass radial außen erstreckt. Hohlschaufeln an sich sind bekannt, nämlich als zu Kühlzwecken von einem Kühlfluid durchströmte Bauteile. Eine Besonderheit liegt vorliegend in der Positionierung des Einlasses derart, dass das Gas, das den Leitschaufelblattkanal im Betrieb durchströmt, zumindest anteilig von dem in dem Ringraum geführten Arbeitsgas gebildet wird. Dieses wird also durch den Schaufelblattkanal von radial innen nach radial außen umverteilt.
Diese Umverteilung kann zunächst den Temperaturhaushalt betreffend von Vorteil sein. Die Temperaturen im Gehäusebereich (radial außen) sind nämlich in der Regel deutlich höher als im Nabenbereich (radial innen). In der Folge können sich mit zunehmender Nutzungsdauer Laufspalte radial außen stärker vergrößern, wodurch der Arbeitsumsatz dort weiter abnimmt, die Laufspalte verursachen auch Strömungsverluste (Spaltströmung). Mit dem Erfindungsgegenstand wird durch den Leitschaufelblattkanal kühleres Arbeitsgas von radial innen nach radial außen gebracht. Das Außendeckband der stromabwärts der Leitschaufel angeordneten Laufschaufel wird bei einem Design nach dem Stand der Technik von heißem Arbeitsgas umströmt, wobei es sich stark aufheizt, was zu mechanischen Problemen führen kann. Die hohe Fliehkraftbeanspruchung in Kombination mit hohen Temperaturen führen zu hohen Kriechbeanspruchungen. Ein Vorteil vorliegend kann sich aus der Verringerung der Temperatur am Außendeckband der Laufschaufel ergeben, generell ist eine Absenkung des Temperaturniveaus im Gehäusebereich vorteilhaft.
Wie nachstehend im Einzelnen diskutiert, kann das umverteilte Gas anteilig auch ein Sperrfluid enthalten, das radial innerhalb des Innendeckbands eingeblasen wird, um die Rotorscheiben gegenüber den hohen Temperaturen im Ringraum abzuschirmen. Hinsichtlich der Kompensierung des radialen Temperaturgradienten kann dies insoweit von Vorteil sein, als das Sperrfluid in der Regel deutlich kühler als das Arbeitsgas ist, bspw. Verdichterluft, also nicht nur Arbeitsgas umverteilt, sondern ein in der Gesamtschau kühleres Gas nach radial außen gefördert wird. Das Absaugen des Sperrfluids dort, wo dieses radial innen in den Ringraum strömt, kann auch strömungstechnisch und damit den Wirkungsgrad betreffend von Vorteil sein. Das einströmende Sperrfluid hat nämlich eine deutlich andere Geschwindigkeit und Richtung als das im Ringraum geführte Arbeitsgas, was ohne die Absaugung die Hauptströmung erheblich stören würde. Bildlich gesprochen wird eine strömungstechnisch problematische Grenzschicht radial innen im Ringraum abgesaugt (in der Regel zusammen mit einem Sperrfluid, s. u.), was die Störung der Hauptströmung verringern kann. Dementsprechend kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung einem Wirkungsgradeinbruch im Nabenbereich vorgebeugt werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Beschreibung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Die Offenbarung bezieht sich insbesondere stets sowohl auf die Leitschaufel als auch auf ein Turbinenmodul mit einer solchen Leitschaufel bzw. entsprechende Verwendungen.
Generell bezieht sich im Rahmen dieser Offenbarung "axial" auf die Längsachse des Turbinenmoduls, mithin also die Längsachse der Strömungsmaschine, die bspw. mit einer Drehachse der Rotoren zusammenfällt. "Radial" betrifft die dazu senkrechten, davon weg weisenden Radialrichtungen, und ein "Umlauf" bzw. "umlaufend" oder die "Umlaufrichtung" betreffen die Drehung um die Längsachse. "Ein" und "eine" sind im Rahmen dieser Offenbarung ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe als unbestimmte Artikel und damit immer auch als "mindestens ein" bzw. "mindestens eine" zu lesen. Es hat also bspw. der Leitschaufelkranz mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelblatt eine Mehrzahl solcher Blätter, die bspw. um die Längsachse zueinander drehsymmetrisch angeordnet sind. Dabei können auch mehrere Leitschaufeln integral miteinander vorgesehen, also zu einem Leitschaufelsegment zusammengefasst sein, das dann bspw. 2, 3, 4, 5 oder 6 Schaufeln aufweisen kann.
Bezogen auf die Umströmung mit dem Arbeitsgas hat das Leitschaufelblatt eine Vorder- und eine Hinterkante sowie zwei jeweils die Vorder- und Hinterkante miteinander verbindende Seitenflächen, wovon eine die Saug- und die andere die Druckseite bildet. Der Leitschaufelblattkanal ist im Inneren des Leitschaufelblatts angeordnet. Bevorzugt ist der Leitschaufelblattkanal in seiner Erstreckung zwischen Ein- und Auslass frei von Schleifen, gibt es also genau einen Kanal von innen nach außen, der Ein- und Auslass direkt miteinander verbindet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auslass des Leitschaufelblattkanals radial außerhalb des Außendeckbands angeordnet. Das von radial innen nach außen geführte Gas wird also zumindest nicht direkt in den Ringraum eingeblasen, was strömungstechnisch von Vorteil ist. Gleichwohl kann eine Kühlung des Gehäusebereichs erreicht werden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Auslass zur Hinterkante des Leitschaufelblatts nach stromabwärts versetzt. Die Angaben "stromabwärts" und "stromaufwärts" beziehen sich generell ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe auf die Strömung des Arbeitsgases im Ringraum. Mit dem nach hinten versetzten Auslass kann insbesondere ein Überströmen des Außendeckbands der nachgelagerten Laufschaufel(n) mit dem nach radial außen geführten Gas erreicht werden, siehe unten im Detail.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Einlass des Leitschaufelblattkanals an einer nach stromaufwärts weisenden Vorderkante der Leitschaufel angeordnet. Ein Einströmen von Arbeitsgas aus dem Ringraum könnte zwar im Allgemeinen auch mit einem im Deckband selbst angeordneten Einlass erreicht werden, die Anordnung an der Vorderkante kann jedoch bspw. hinsichtlich des anteiligen Einströmens des Sperrfluids vorteilhaft sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Turbinenmodul mit einer vorliegend offenbarten Leitschaufel, bevorzugt handelt es sich dabei um ein Niederdruck-Turbinenmodul.
In bevorzugter Ausgestaltung des Turbinenmoduls ist stromaufwärts der Leitschaufel eine Laufschaufel angeordnet (die in der Regel analog der Leitschaufel Teil eines Kranzes mit mehreren zueinander baugleichen und drehsymmetrischen Blättern ist). Ein Innendeckband der stromaufwärtigen Laufschaufel bildet dann gemeinsam mit dem Innendeckband der Leitschaufel eine Labyrinthdichtung, der von radial innen ein Sperrfluid zugeführt wird (die Labyrinthdichtung wird als "Dichtung" bezeichnet, weil sie der Abschirmung der Rotorscheiben im Nabenbereich dient, siehe vorne). Konkret wird die Labyrinthdichtung gebildet, indem eine stromabwärtige Hinterkante des Innendeckbands der Laufschaufel mit einer stromaufwärtigen Vorderkante des Innendeckbands der Leitschaufel einen axialen Überlapp hat, wobei die Hinterkante des Innendeckbands der Laufschaufel bevorzugt radial innerhalb der Vorderkante des Innendeckbands der Leitschaufel liegt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist als Teil der Labyrinthdichtung radial innerhalb des Innendeckbands der Leitschaufel ein Dichtsteg vorgesehen. Dieser erstreckt sich typischerweise von einer Dichtungsträgerwand weg nach axial vorne, mit der Hinterkante des Innendeckbands der Laufschaufel hat er bevorzugt einen axialen Überlapp. Besagte Hinterkante ist somit radial zwischen der Vorderkante des Innendeckbands der Leitschaufel und dem Dichtsteg eingefasst, weswegen diese Anordnung auch als "Fischmauldichtung" bezeichnet wird. In einem Axialschnitt betrachtet durchströmt das Sperrfluid die Labyrinthdichtung dann von radial innen nach radial außen mit einem S-förmigen Verlauf.
Wie bereits erwähnt, kann ein Vorteil des Erfindungsgegenstands dann darin liegen, dass dieses zur Abschirmung der Rotornabe eingebrachte Sperrfluid zumindest anteilig durch den Einlass abgesaugt wird, sodass die Hauptströmung im Ringraum nicht maßgeblich gestört wird. Trotz dieser Absaugung durchströmt das Sperrfluid die beschriebenen Überlappungsbereiche, ist also der Nabenbereich gegen das Arbeitsgas gesperrt. Betrachtet man den Lauf- bzw. Leitschaufelkranz insgesamt, bestehen die genannten Überlappungen idealerweise unabhängig von der axialen Position des Rotors relativ zum Stator.
Das den Leitschaufelblattkanal im Betrieb durchströmende Gas ist, wie erwähnt, in bevorzugter Ausgestaltung anteilig auch am Einlass abgesaugtes Sperrfluid. Bevorzugt ist gleichwohl der größere Teil des nach radial außen geführten Gases im Ringraum abgesaugtes Arbeitsgas.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Turbinenmodul mit einer stromabwärts der Leitschaufel angeordneten Laufschaufel bzw. einem entsprechenden Laufschaufelkranz. Die stromabwärtige Laufschaufel hat ein Laufschaufelblatt, das sich zwischen einem Innendeckband (radial innen) und einem Außendeckband (radial außen) erstreckt. Der Auslass des Leitschaufelblattkanals ist dann vorteilhafterweise derart angeordnet, dass das nach außen geführte Gas dem Auslass nachgelagert radial außerhalb des Außendeckbands der Laufschaufel vorbeigeführt wird bzw. das Außendeckband umströmt (es muss selbstverständlich nicht das gesamte nach außen geführte Gas außerhalb des Außendeckbandes strömen). Das Gas wird also zumindest nicht überwiegend in den Ringraum ausgeblasen, sondern außerhalb des Hauptströmungskanals in den Bereich außerhalb der Deckbänder. Damit kann einerseits bereits eine Kühlung dieses Bereichs erreicht werden.
Andererseits ist die Gasmenge in bevorzugter Ausgestaltung derart bemessen, dass das Laufschaufelaußendeckband ausschließlich mit dem nach radial außen geführten Gas überströmt wird. Dies bedeutet umgekehrt, dass kein Arbeitsgas aus den Grenzschichten des Ringraums die Außendeckbänder überströmt, was thermisch von Vorteil sein kann (das Außendeckband heizt sich weniger stark auf), insbesondere aber auch eine geringere Störung der Hauptströmung bedeuten kann. Dementsprechend kann idealerweise auch eine lokale Wirkungsgradverbesserung erreicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auslass des Leitschaufelblattkanals derart vorgesehen, dass das austretende Gas in Umlaufrichtung aufgefächert, also divergent ist. Dementsprechend können die eben geschilderten Effekte dann bspw. nicht nur axial mit dem bzw. den Leitschaufelblatt bzw. -blättern fluchtend erreicht werden, sondern idealerweise über im Wesentlichen den gesamten Umlauf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auslass des Leitschaufelblattkanals derart vorgesehen, dass sich das austretende Gas in seiner Geschwindigkeit und/oder Richtung von dem im Ringraum geführten Arbeitsgas unterscheidet, also der Geschwindigkeit und/oder Richtung des Arbeitsgases in diesem radial äußeren Bereich des Ringraums. Das nach radial außen geführte Gas kann in seinen Strömungseigenschaften von dem Arbeitsgas unabhängig eingestellt werden, es kann bspw. eine Umlaufkomponente kleiner als die Umlaufgeschwindigkeit des stromabwärtigen Rotordeckbands sein.
Generell ergibt sich die Durchströmung des Leitschaufelblattkanals, also das Ansaugen radial innen und das Ausblasen radial außen, aus einem Druckunterschied über die Leitschaufel. Über die Größe (den Querschnitt des Auslasses) lässt sich die Geschwindigkeit einstellen, die Orientierung bestimmt die Richtung des austretenden Fluidstroms. Dies eröffnet die geschilderten Gestaltungsmöglichkeiten dahingehend, dass Strömungsverluste im Ringraum und damit Wirkungsgradeinbußen verringert werden können. Auch Reibverluste und damit eine lokale Aufheizung, z. B. des Außendeckbandes, können minimiert werden.
Bevorzugt weist das Turbinenmodul eine Mehrzahl Stufen auf, jeweils mit Leit- und stromabwärtigem Laufschaufelkranz. Vorzugsweise sind dann die Leitschaufeln in allen Stufen der Turbine mit entsprechenden Leitschaufelblattkanälen vorgesehen, sodass sich insgesamt eine niedrigere Temperatur im Gehäusebereich einstellt. Der Kühlluftbedarf im Gehäuse sinkt, zudem kann die Spalthaltung verbessert sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein stromabwärts der Leitschaufel mit Leitschaufelblattkanal angeordnetes Laufschaufelblatt aus einem Schmiedewerkstoff vorgesehen, bspw. aus Udimet720, Nimonic90 oder Nimonicl 15. Bevorzugt ist die gesamte Laufschaufel aus einem Schmiedewerkstoff vorgesehen.
Generell kann ein Schmiedewerkstoff bspw. aufgrund besserer Festigkeitseigenschaften im Vergleich zu einem Gusswerkstoff von Interesse sein, also bspw. hinsichtlich Zugfestigkeit, Streckgrenze, HCF, LCF, Kerbschlagzähigkeit, Bruchdehnung etc. Speziell in den hinteren Stufen der Turbine bzw. Niederdruckturbine kann deshalb die Verwendung eines Schmiedewerkstoffs interessant sein, bei Turbinen nach dem Stand der Technik sind jedoch die Temperaturen hierfür in der Regel noch immer zu hoch, weswegen auf temperaturbeständige Gusswerkstoffe zurückgegriffen wird. Mit dem erfindungsgemäßen Ansatz lassen sich insbesondere im radial äußeren Bereich die Temperaturen reduzieren, was hinsichtlich einer erhöhten Lebensdauer schon an sich von Vorteil sein kann, aber eben auch den Einsatz anderer Werkstoffe ermöglicht. Bevorzugt werden Schmiedewerkstoffe eingesetzt.
Auch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung betrifft den Einsatz eines Schmiedewerkstoffs, aus dem dann der gesamte Turbinenblisk vorgesehen ist. Es wird also die Rotorscheibe samt den integral daran vorgesehenen Schaufelblättern aus dem Schmiedewerkstoff gefasst.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines vorliegend beschriebenen Turbinenmoduls, insbesondere für eine axiale Strömungsmaschine, bevorzugt ein Strahltriebwerk. Im Zuge der Verwendung wird einerseits der Ringraum von dem Arbeitsgas durchströmt und wird andererseits durch den Leitschaufelblattkanal von radial innen nach radial außen Gas umverteilt, das zumindest anteilig von Arbeitsgas gebildet wird, bevorzugt anteilig auch von Sperrfluid.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Turbinenmodul mit einer Leitschaufel mit Leitschaufelblattkanal in einem Axialschnitt;
Fig. 1 im Vergleich zu Fig. 2 eine Variante ohne Leitschaufelblattkanal zur Illustration der erfindungsgemäß erreichten Vorteile;
Fig. 3 ein Diagramm zur Illustration des radialen Temperaturverlaufs;
Fig. 4 ein Diagramm zur Illustration des radialen Wirkungsgradverlaufs;
Fig. 5 eine Strömungsmaschine mit einem Turbinenmodul gemäß Fig. 1 in einem Axialschnitt.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Turbinenmoduls 1 in einem Axialschnitt. Ein von dem Turbinenmodul 1 gebildeter Ringraum 2 wird im Betrieb von Arbeitsgas durchströmt, das sich von der Brennkammer (links des Turbinenmoduls 1) zur Düse (rechts davon) ausbreitet, vgl. auch Fig. 5 zur Illustration. In diesem Ringraum 2 ist eine Leitschaufel 3 angeordnet, die ein Innendeckband 3a, ein Außendeckband 3b und dazwischen ein Leitschaufelblatt 3c aufweist. Stromaufwärts der Leitschaufel 3 ist eine Laufschaufel 4 angeordnet, stromabwärts davon eine Laufschaufel 5. Die Leitschaufel 3 ist geschnitten dargestellt, das Leitschaufelblatt 3c wird von radial innen nach radial außen von einem Leitschaufelblattkanal 3d durchzogen. Der Einlass 6 in den Leitschaufelblattkanal 3d liegt am Innendeckband 3a der Leitschaufel 3, konkret an dessen stromaufwärtiger Vorderkante. Der Auslass 7 des Leitschaufelblattkanals 3d ist radial außerhalb des Außendeckbands 3b angeordnet und bezogen auf die Hinterkante 3ca des Leitschaufelblatts 3c nach axial stromabwärts versetzt.
Aufgrund des Druckunterschieds über die Leitschaufel 3 wird radial innen, am Einlass 6 angesaugt und radial außen, am Auslass 7 ausgeblasen. Der Einlass 6 ist dabei derart angeordnet, dass das Gas 8, das den Leitschaufelblattkanal 3d durchströmt, anteilig von dem im Ringraum 2 geführten Arbeitsgas gebildet wird. Konkret wird eine Seitenwandgrenzschicht 10 der Hauptströmung abgesaugt. Dies ist schon strömungstechnisch von Vorteil, zudem sind die Temperaturen im Ringraum radial innen kleiner als radial außen, kann also durch die Umverteilung einem übermäßigen Temperaturgradienten vorgebeugt werden.
Ferner wird durch den Einlass 6 anteilig auch ein Sperrfluid 11 eingesaugt, das zur Abschirmung des Nabenbereichs radial innen eingebracht wird und eine Labyrinthdichtung 12 durchströmt. Letztere wird durch den axialen Überlapp eines Dichtstegs 13, des Innendeckbands 4a der Laufschaufel 4, konkret der Hinterkante davon, und des Innendeckbands 3a der Leitschaufel 3, konkret der Vorderkante davon, gebildet. Bei diesem Sperrfluid 11 handelt es sich um deutlich kühlere Verdichterluft, deren Umverteilung nach radial außen durch den Leitschaufelblattkanal 3d hinsichtlich der Vermeidung überproportionaler Temperaturgradienten von Vorteil ist.
Fig. 2 zeigt zum Vergleich ein Turbinenmodul 1 mit einer analog aufgebauten Labyrinthdichtung 12, wobei das Leitschaufelblatt 3 im Unterschied zur Fig. 1 nicht mit einem Leitschaufelblattkanal 3d versehen ist. Dementsprechend strömt das Sperrfluid 11 in den Ringraum 2, was die Hauptströmung dort stört. Zudem sind die Seitenwandgrenzschichten 10 in der Regel ohnehin strömungstechnisch belastet, ist also insgesamt mit Strömungsverlusten und Wirkungsgradeinbußen zu rechnen (im Vergleich zu der Variante gemäß Fig. 1). Fig. 2 illustriert ferner, dass es auch radial außen eine Leckageströmung 20 gibt, welche die Außendeckbänder 4b, 5b der Laufschaufeln 4, 5 überströmt. Auch dies bedingt eine Störung der Hauptströmung.
Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau wird diese vermieden, indem der Auslass 7 des Leitschaufelblattkanals 3d derart angeordnet ist, dass das nach radial außen geführte Gas 8 das Außendeckband 5b der Laufschaufel 5 überströmt. Die Menge ist dabei derart bemessen, dass kein Arbeitsgas aus dem Ringraum 2 das Außendeckband 5b überströmt. Dies gilt, wie aus Fig. 1 ersichtlich, analog auch für die vorgelagerte Turbinenstufe, der Übersichtlichkeit halber bezieht sich die Beschreibung jedoch auf die Wechselwirkung der Leitschaufel 3 mit der Laufschaufel 5.
Fig. 3 illustriert einen radialen Temperaturverlauf, wie er sich in einem Turbinenmodul 1 gemäß Fig. 2 einstellt, also ohne Umverteilung durch den Leitschaufelblattkanal 3d. Auf der x-Achse ist die Temperatur T aufgetragen, auf der y-Achse der vom Innendeckband weg genommene Radius R. Die durchgezogene Linie gibt die Temperatur des Arbeitsgases wieder, die primär durch das Temperaturprofil am Brennkammeraustritt bestimmt wird. Die Temperatur nimmt nach radial außen zu, vgl. auch die Beschreibungseinleitung.
Fig. 4 illustriert den Wirkungsgrad η (x-Achse) relativ zum Radius R (y-Achse). Unter anderem aufgrund der Grenzschichtströmung 10 und der Leckageströmung 20 ein Wirkungsgradabfall radial innen und radial außen. Hinzu kommt eine Störung durch das radial innen in den Ringraum strömende Sperrfluid 11. Letzteres hat, wie aus Fig. 3 ersichtlich, auch eine deutlich geringere Temperatur als das Arbeitsgas dort, vgl. den Punkt T₁₁ auf der x-Achse. Strömt das Sperrfluid 11 in den Ringraum 2, stellt sich dort also eine Mischtemperatur T_Mix ein, sodass der Temperaturgradient (ΔT_(a-Mix)) noch größer als bei Betrachtung des Arbeitsgases allein ist (ΔT_(a-i)).
Wie oben dargelegt, wird mit dem erfindungsgemäßen Ansatz das kühlere Sperrfluid 11 und zudem kühleres Arbeitsgas von radial innen nach radial außen umverteilt, sodass sich die Temperaturgradienten verringern lassen. Aufgrund der verringerten Störung der Hauptströmung radial innen und radial außen lässt sich auch ein verbesserter Wirkungsgradverlauf erreichen.

Fig. 5 zeigt eine Strömungsmaschine 50 in einem Axialschnitt, konkret ein Strahltriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine 50 in Verdichter 50a, Brennkammer 50b und Turbine 50c. Sowohl der Verdichter 50a als auch die Turbine 50c sind jeweils aus mehreren Komponenten bzw. Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Die Laufschaufelkränze rotieren vom Arbeitsgas 51 angetrieben um die Längsachse 52 der Strömungsmaschine 50. Das vorstehend beschriebene Turbinenmodul 1 ist Teil der Turbine 50c, bildet konkret die Niederdruck-Turbine.

BEZUGSZEICHENLISTE

Turbinenmodul	1
Ringraum	2
Leitschaufel	3
Innendeckband	3a
Außendeckband	3b
Leitschaufelblatt	3c
Hinterkante	3ca
Leitschaufelblattkanal	3d
Laufschaufel (stromaufwärts)	4
Innendeckband	4a
Außendeckband	4b
Laufschaufelblatt	4c
Laufschaufel (stromabwärts)	5
Innendeckband	5a
Außendeckband	5b
Laufschaufelblatt	5c
Einlass	6
Auslass	7
Gas	8
Seitenwandgrenzschicht / Grenzschichtströmung	10
Sperrfluid	11
Labyrinthdichtung	12
Dichtsteg	13
Leckageströmung	20
Strömungsmaschine	50
Verdichter	50a
Brennkammer	50b
Turbine	50c
Arbeitsgas	51
Längsachse	52
Temperatur	T
Radius	R
Wirkungsgrad	η

Claims

Leitschaufel (3) für eine Turbine (50c) einer Strömungsmaschine (50), mit
einem Leitschaufelblatt (3c), einem Innendeckband (3a) und einem Außendeckband (3b),
wobei das Innendeckband (3a) und das Außendeckband (3b) bezogen auf eine Längsachse (52) der Strömungsmaschine (50) einen Ringraum (2) in radialer Richtung begrenzen, in dem im Betrieb Arbeitsgas (51) geführt ist,
und wobei das Leitschaufelblatt (3c) im Inneren von einem Leitschaufelblattkanal (3d) durchzogen ist, der sich zwischen einem Einlass (6) radial innen und einem Auslass (7) radial außen erstreckt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einlass (6) derart angeordnet ist, dass ein den Leitschaufelblattkanal (3d) im Betrieb durchströmendes Gas (8) zumindest anteilig von dem in dem Ringraum (2) geführten Arbeitsgas (51) gebildet wird, dieses also von radial innen nach radial außen umverteilt wird.
Leitschaufel (3) nach Anspruch 1, bei welcher der Auslass (7) des Leitschaufelblattkanals (3d) radial außerhalb des Außendeckbands (3b) der Leitschaufel (3) angeordnet ist.
Leitschaufel (3) nach Anspruch 2, bei welcher der Auslass (7) des Leitschaufelblattkanals (3d) zu einer Hinterkante (3ca) des Leitschaufelblatts (3c) bezogen auf die Durchströmung des Ringraums (2) mit dem Arbeitsgas (51) nach stromabwärts versetzt ist.
Leitschaufel (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Einlass (6) des Leitschaufelblattkanals (3d) an einer bezogen auf die Durchströmung des Ringraums (2) mit dem Arbeitsgas (51) nach stromaufwärts weisenden Vorderkante des Innendeckbands (3a) der Leitschaufel (3) angeordnet ist.
Turbinenmodul (1) mit einer Leitschaufel (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Turbinenmodul (1) nach Anspruch 5 mit einer bezogen auf die Durchströmung des Ringraums (2) mit dem Arbeitsgas (51) stromaufwärts der Leitschaufel (3) angeordneten Laufschaufel (4), die ein Innendeckband (4a) und ein Laufschaufelblatt (4c) aufweist, wobei eine nach stromabwärts weisende Hinterkante des Innendeckbands (4a) der Laufschaufel (4) zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung (12) einen axialen Überlapp mit einer nach stromaufwärts weisenden Vorderkante des Innendeckbands (3a) der Leitschaufel (3) hat.
Turbinenmodul (1) nach Anspruch 6, bei welchem radial innerhalb des Innendeckbands (3a) der Leitschaufel (3) ein Dichtsteg (13) angeordnet ist, der als Teil der Labyrinthdichtung (12) radial innerhalb der Hinterkante des Innendeckbands (4a) der Laufschaufel (4) vorgesehen ist und mit dieser einen axialen Überlapp hat.
Turbinenmodul (1) nach Anspruch 6 oder 7, welches dazu ausgelegt ist, dass ein Sperrfluid (11), welches die Labyrinthdichtung (12) im Betrieb von radial innen nach radial außen durchströmt, zumindest anteilig durch den Einlass (6) des Leitschaufelblattkanals (3d) abgesaugt wird und den Leitschaufelblattkanal als Teil des Gases (8) durchströmt.
Turbinenmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 mit einer bezogen auf die Durchströmung des Ringraums (2) mit dem Arbeitsgas (51) stromabwärts der Leitschaufel (3) angeordneten Laufschaufel (5), die ein Laufschaufelblatt (5c) sowie ein Innendeckband (5a) und ein Außendeckband (5b) aufweist, wobei der Auslass (7) des Leitschaufelblattkanals (3d) derart angeordnet ist, dass das den Leitschaufelblattkanal (3d) durchströmende Gas (8) zumindest anteilig radial außerhalb des Außendeckbands (5b) der Laufschaufel (5) vorbeigeführt wird.
Turbinenmodul (1) nach Anspruch 9, bei welchem das Gas, das radial außerhalb des Außendeckbands (5b) der Laufschaufel (5) vorbeigeführt wird, in seiner Menge so bemessen ist, dass ein Überströmen des Außendeckbands (5b) der Laufschaufel (5) mit unmittelbar aus dem Ringraum (2) austretenden Arbeitsgas (51) gesperrt ist.
Turbinenmodul (1) nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem der Auslass (7) des Leitschaufelblattkanals (3d) derart vorgesehen ist, dass das den Leitschaufelblattkanal (3d) durchströmende Gas (8) in Umlaufrichtung divergent austritt.
Turbinenmodul (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem der Auslass (7) des Leitschaufelblattkanals (3d) derart vorgesehen ist, dass das den Leitschaufelblattkanal (3d) durchströmende Gas (8) mit einer anderen Geschwindigkeit und/oder Richtung austritt, als sie das in dem Ringraum (2) geführte Arbeitsgas (51) in diesem Bereich hat.
Turbinenmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei welchem eine bzw. die stromabwärts der Leitschaufel (3) angeordnete Laufschaufel (5) ein aus einem Schmiedewerkstoff vorgesehenes Laufschaufelblatt (5c) aufweist.
Turbinenmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei welchem eine bzw. die stromabwärts der Leitschaufel (3) angeordnete Laufschaufel (5) Teil einer Scheibe mit integralen Schaufelblättern ist, die aus einem Schmiedewerkstoff vorgesehen ist.
Verwendung eines Turbinenmoduls (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 14, bei welcher Verwendung in dem Ringraum (2) Arbeitsgas (51) geführt wird und der Leitschaufelblattkanal (3d) von radial innen nach radial außen von dem Gas (8) durchströmt wird, welches zumindest anteilig von dem in dem Ringraum (2) geführten Arbeitsgas (51) gebildet wird, sodass dieses von radial innen nach radial außen umverteilt wird.