DE1041739B

DE1041739B - Verstellbarer Leitschaufelkranz fuer Axialturbomaschinen, insbesondere Axialgasturbinen

Info

Publication number: DE1041739B
Application number: DESCH18180A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Masch-Ing Hermann Bleuler
Original assignee: Schweizerische Lokomotiv und Maschinenfabrik AG (SLM)
Current assignee: Schweizerische Lokomotiv und Maschinenfabrik AG (SLM)
Priority date: 1955-06-17
Filing date: 1955-06-21
Publication date: 1958-10-23

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für eine Axialturbomaschine thermischer Art, insbesondere für Axialgasturbinen, der in einem durch zwei konzentrische Ringe gebildeten Ringkanal der Turbine angeordnet ist und dessen Schaufeln eintrittsseitig aus einem feststehenden Teil, austrittsseitig aus einem diesem gegenüber entlang einem konzentrisch zur Schwenkachse gemäß einem Zylindermantel verlaufenden Spalt verschwenkbaren Teil bestehen, wobei die feststehenden Schaufelteile den äußeren Ring mit dem (in erster Linie) zugleich als Träger einer Labyrinthdichtung dienenden inneren Ring fest verbinden und die verschwenkbaren Schaufelteile sowohl im äußeren als auch im inneren Ring gelagert sind.

Bekanntlich leidet die Turbomaschine, wie der Turboverdichter und die Gasturbine, am geringen Teillastwirkungsgrad, insbesondere beim Vergleich mit den Resultaten, die mit Brennkraft-Kolbenmaschinen erzielt werden. Eine Verbesserung des Teillastwirkungsgrades läßt sich bekanntlich durch Verwendung von verstellbaren Schaufelreihen erreichen, was vor allem aus dem hydraulischen Turbomaschinengebiet bekannt ist. Im thermischen Turbomaschinengebiet, welches vor allem Turboverdichter, Dampfund Gasturbinen umfaßt, stehen aber der Anwendung von verstellbaren Schaufeln erhebliche Schwierigkeiten wegen der hier auftretenden hohen Temperaturen entgegen. Deshalb sind sie bisher nur vereinzelt angewendet worden.

Bei einer bekannten Art von Leitschaufelkränzen mit verstellbaren Schaufeln sind diese fliegend gelagert, was den Nachteil mit sich bringt, daß der Spalt zwischen den glatten Schaufelenden und der Radnabe vor allem bei Überdruckturbinen verhältnismäßig groß gemacht werden muß, um die Betriebssicherheit nicht zu gefährden. Die Druckabdichtung wird dadurch aber beeinträchtigt.

Es sind auch schon Leitschaufelkränze für Axialturbomaschinen bekanntgeworden, bei denen aus elastischem Blechmaterial hergestellte Leitschaufeln im Bereich ihrer Anströmungskante sowohl mit dem äußeren als auch mit dem inneren Ring der beiden den Strömungskanal bildenden Ringe fest verbunden sind, während diese Schaufeln an ihren in Strömungsrichtung vorn liegenden Kanten an derart beweglichen Elementen des Ringkanals geführt sind, daß der Anstellwinkel der Leitschaufeln durch ein Verdrehen oder axiales Verschieben dieser beweglichen Elemente verändert werden kann. Abgesehen davon, daß derart dünne Leitschaufeln strömungsungünstig sind, eignen sie sich auch nur mangelhaft für höhere Temperaturen. Schließlich wurde zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades in Verbindung mit zweiteiligen Leitschaufeln auch schon vorgeschlagen, den verschwenk-Verstellbarer Leitschaufelkranz

für Axialturbomaschinen,
insbesondere Axialgasturbinen

Anmelder:

Schweizerische

Lokomotiv- und Maschinenfabrik,
Winterthur (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Dipl.-Masch.-Ing. Hermann Bleuler,

Zolläkon, Zürich (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

baren Schaufelteil gegenüber dem feststehenden entlang einem konzentrisch zur Schwenkachse gemäß einem Zylindermantel verlaufenden Spalt zu trennen und den feststehenden Teil über den inneren Ring des Ringkanals der Turbine zugleich als Träger einer Labyrinthdichtung auszunutzen. Durch eine solche starre Verbindung mit anderen feststehenden Turbinenteilen kann die Labyrinthdichtung sicher zentriert werden, was ebenfalls zur Minderung der Strömungsverluste und damit insbesondere zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades^ beiträgt. Nachteilig ist jedoch auch bei diesen bekannten Leitschaufelkonstruktionen, daß schon bei verhältnismäßig kleinen Ausschwenkwinkeln der schwenkbaren Schaufelteile an den beiden äußeren Rändern des Spaltes scharfkantige Strömungsumlenkungen auftreten, die zu Wirbelbildungen und damit erneut zu Beeinträchtigungen des Teillastwirkungsgrades der Turbine führen.

Die Erfindung geht von der zuletzt genannten bekannten Gasturbinenkonstruktion aus, und ihr liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, bei solchen Turbinen die Strömungsverhältnisse an den geteilten Leitschaufeln im Sinne einer weiteren Erhöhung des Teillastwirkungsgrades zu verbessern. Dabei soll eine solche Verbesserung zugleich eine günstige Kühlung der Schaufeln ermöglichen.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß sich die Trennung

«09 653/121

zwischen den festeii und den verschwenkbaren S chaufel teilen im Bereich der größten Schaufeldicke befindet und der zur Spaltbegrenzungswand der verschwenkbaren Schaufelteile gehörende Bogenwinkel so groß ist, daß selbst in den äußersten Regulier-Stellungen der verschwenkbaren Schaufelteile noch ein tangentialer Anschluß an das Profil der festen Schaufelteile gewährleistet ist.

Durch eine solche Versetzung des die beiden Schaufelteile trennenden Spaltes kann der Kreisbogenabschnitt des Spaltquerschnittes leicht so groß gewählt werden, daß auch bei den extremen Ausschwenkstellungen der schwenkbaren S chaufel teile noch ein praktisch tangentialer Anschluß der dem Spalt benachbarten Wandung des schwenkbaren Schaufelteiles an die vor dem Spalt befindliche Wandung des feststehenden Schaufelteiles gewährleistet ist. Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Vorschläge zu einer günstigen Kühlung der erfindungsgemäß geteilten Leitschaufeln.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfmdungsgegeristandes dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Gasturbinen-Leitschaufelkranz und die benachbarten Laufschaufelsätze,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Leitschaufelkranz nach der Kreisschnittfläche ΙΙ-ΙΓ der Fig. 1,
Fig. 2 a eine besondere Ausbildung der Leitschaufeln. Im Gehäuse 1 einer Axialgasturbine ist der mit verstellbaren Schaufeln versehene Leitschaufelkranz 2 zwischen den benachbarten Laufschaufelsätzen 3, 4 des Rotors 5 angeordnet. Die Schaufelkränze werden in Richtung der Pfeile 6 von den heißen Gasen durchströmt.

Die Leitschaufeln sind zweiteilig ausgebildet. Eintrittsseitig bestehen sie aus den feststehenden Schaufelteilen 8, die eine starre Verbindung zwischen dem äußern und innern Schaufelhaltering 9 bzw. 10 bilden. Austrittsseitig bestehen sie aus den verdrehbaren Schaufelteilen 11. Dennoch bilden die beiden Teile je ein Ganzes, indem ihre Begrenzungsflächen strömungsgünstig und mit nur einem schmalen Spalt 12,13 aneinandergeschlossen sind. Dies wird dadurch erleichtert, daß die an die festen Schaufelteile 8 angrenzende Partie 14 der beweglichen Schaufelteile 11 ein kreisbogenförmiges Profil besitzt und daß ferner das Profil der festen Schaufelteile sich tangential an diesen Kreisbogen anschließt. Dabei ist der zum Kreisbogenprofil 14 gehörende Zentriwinkel 8 so groß gewählt, daß selbst in den äußersten Regulierstellungen 11' und 11" der beweglichen Schaufelteile 11; noch ein tangentialer Anschluß des Profils der festen Schaufelieile 8 gewährleistet ist.

Die Verstellung der beweglichen Leitschaufelteile erfolgt durch Hebel 16, die an die Schaufelzapfen 20 festgeklemmt sind und in einen gemeinsamen Verstellring 20 greifen.

Die mittels der festen Leitschaufelteile 8 zustande gebrachte Verbindung zwischen innerem und äußerem Haltering ermöglicht es, die beweglichen Leitschaufelteile 11 auch an ihren inneren Seiten mittels Zapfen 17 zu lagern. Zu diesem Zweck ist der innere Haltering in der Ebene der Schaufelachsen geteilt, und die beiden Ringhälften IQ und 10a sind miteinander versehraubt. Im Vergleich zur fliegenden ist diese An-Ordnung stabiler und schwingungsfester. Insbesondere gestattet die starre Leitschaufelstegverbindung, das am inneren Haltering 10, 10a angeordnete Druckabdichtungslabyrinth 18 zwischen den Laufschaufelsätzen 3 und 4 exakt gegenüber dem Zwischenring 19 des Rotors 5 zu zentrieren und somit die Dichtung sehr; wirksam zu gestalten.

Eine besondere Ausgestaltung der Leitschaufeln in bezug auf Kühlungsmöglich'keit ist in Fig. 2 a gezeigt. Der feste Leitschaufelteil 8 weist hier einen Hohlraum 23 auf, der gegen den beweglichen Schaufelteil 11 hin offen ist. Am äußeren Schaufelende ist der Hohlraum 23 durch die Bohrung 24 an eine Kühlluftleitung angeschlossen. Die in den Hohlraum eingetretene Kühlluft tritt durch die beiden Spalte 12 und 13 in die Schaufelkanäle 25 aus, wodurch eine Verkokung der Spalte verhindert werden soll. Überdies bewirken die austretenden Luftbänder, besonders auf der konvexen Schaufelseite, daß die Ablösung der Strömung verhindert wird und die Oberflächen der beweglichen Schaufelteile 11 gekühlt werden.

Auch der verstellbare Schaufelteil 11 ist in Fig. 2a mit einem Hohlraum 26 dargestellt. Dieser ist durch Kanäle 27 mit dem Hohlraum 23 des festen Schaufelteils und durch Öffnungen 28, 29, 30 mit den beidseitigen Schaufelkanälen 25 verbunden, so daß ein Luftstrom außer durch die Spalte 12,13 auch durch den Hohlraum 26 und durch die öffnungen 28, 29, 30 geblasen wird und damit den beweglichen Schaufelteil zusätzlich kühlt.

Anstatt, wie gezeichnet, je den Hohlraum 23 der festen Leitschaufelteile 8 an' die Kühlluftleitung anzuschließen, könnte man den Hohlraum 26 der beweglichen Schaufelteile mit ihr verbinden, wobei dann der Hohlraum 23 vom beweglichen Schaufelteil aus bespült würde.

Ferner könnten die Luftausblaseöffnungen 28, 29, 30 anstatt wie gezeichnet nur in der Nähe des inneren Schaufelhalteringes 10a angeordnet werden, so daß die heiße Gasströmung, welche die Fußpartie 34 des Laufrades 4 beaufschlagt, geringere Temperatur annimmt als die radial außenliegende Gasströmung. Dadurch werden jene mechanisch am stärksten beanspruchten Schaufelpartien gekühlt.

Claims

Patentansprüche·.

1. Leitschaufelkranz für Axial turbomaschine thermischer Art, insbesondere für Axialgasturbinen, der in einem durch zwei konzentrische Ringe gebildeten Ringkanal der Turbine angeordnet ist und dessen Schaufeln eintrittsseitig aus einem feststehenden Teil, austrittsseitig aus einem diesem gegenüber entlang einem konzentrisch zur Schwenkachse gemäß einem Zylindermantel verlaufenden Spalt verschwenkbaren Teil bestehen, wobei die feststehenden Schaufelteile den äußeren Ring mit dem (in erster Linie) zugleich als Träger einer Labyrinthdichtung dienenden inneren Ring fest verbinden und die verschwenkbaren Schaufelteile sowohl im äußeren als auch im inneren Ring gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Trennung zwischen den festen und den verschwenkbaren Schaufelteilen (8 bzw. 11) im Bereich der größten Schaufeldicke befindet und der zur Spaltbegrenzungswand der verschwenkbaren Schaufelteile (11) gehörende Bogenwinkel (γ) so groß ist, daß selbst in den äußersten Regulierstellungen (H', 11") der verschwenkbaren Schaufelteile (11) noch ein tangentialer Anschluß an das Profil der festen Schaufelteile (8) gewährleistet ist.

2. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je der feste Leitschaufelteil (8) einen gegen den beweglichen Schaufelteil (11) hin offenen Hohlraum (23) aufweist.

3. Leitschaufelkranz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je der Hohlraum (23) des festen Schaufelteiles (8) wenigstens am einen Schaufelende an eine Kühlmittelleitung (24) angeschlossen ist.

4. Leitschaufelkranz nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je der zwischen dem festen und dem beweglichen Schaufelteil vorhandene Spalt (12, 13) als Ausblasekanal das in den Hohlraum (23) eintretenden Kühlmittelstromes dient, zum Zwecke, einerseits Spaltverkokungen und die Ablösung der Strömung zu verhindern, anderseits den beweglichen Schaufelteil (11) zu kühlen.

5. Leitschaufelkranz nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß je der bewegliche Schaufelteil (8) ebenfalls wenigstens einen Hohlraum (26) aufweist und daß dieser mit dem Hohlraum (23) des festen Schaufelteiles (8) durch Kanäle (27) verbunden ist.

6. Leitschaufelkranz nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß je der Hohlraum (26) des beweglichen Schaufelteiles (11) an

eine Kühlmittelleitung angeschlossen ist und den Kühlmittelstrom durch Kanäle (27) nach dem Hohlraum (23) des festen Teiles (8) weiterleiten kann.

7. Leitschaufelkranz nach den Ansprüchen 1, 2 und S, dadurch gekennzeichnet, daß je der Hohlraum (26) des beweglichen Schaufelteiles (11) Ausblaseöffnungen (28., 29,3Q) besitzt, die mit den Schaufelkanälen verbunden sind.

8. Leitschaufelkranz nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Ausblaseöffnungen (28 bis 30) des beweglichen Schaufelteiles (11) nach den Schaufelfüßen (34) des nachfolgenden Lauf Schaufelkranzes (4) gerichtet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 911839, 908 211, 091;

deutsche Patentanmeldung N7815Ia/14c;
schweizerische Patentschriften Nr. 288 242, 102 824; französische Patentschrift Nr. 967 212.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen