DE102006015530A1

DE102006015530A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE102006015530A1
Application number: DE200610015530
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Greim; Said Dr. Havakechian
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine (1), umfassend einen Rotor (3), der wenigstens eine Laufschaufelreihe (7) mit mehreren Laufschaufeln (8) aufweist, und einen Stator (2), der wenigstens eine Leitschaufelreihe (5) mit mehreren Leitschaufeln (6) aufweist. Der Stator (2) weist in einem einer Laufschaufelreihe (7) zugeordneten Axialabschnitt (12) eine in Umfangsrichtung vollständig umlaufende Aussparung (13) auf, in oder mit der eine der Laufschaufelreihe (7) zugeordnete Axialdichtung (14) ausgebildet ist. In einer anströmseitigen Wand (20) der Aussparung (13) ist eine in Umfangsrichtung vollständig umlaufende, zur Aussparung (13) hin offene Nut (22) ausgebildet. Um die Wirkung der Axialdichtung (14) zu verbessern, ist eine radial innenliegende Wand (23) der Nut (22) in einer eine Rotationsachse (4) des Rotors (3) enthaltenden Schnittebene gegenüber einer parallel zur Rotationsachse (4) verlaufenden Achse (27) geneigt, und zwar so, dass die innere Nutwand (23) eine in Strömungsrichtung (11) radial nach innen abfallende Rampe bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine, beispielsweise eine Turbine oder einen Verdichter einer Turbogruppe, insbesondere in einer Kraftwerksanlage.
Stand der Technik
Turbomaschinen weisen üblicherweise einen Rotor auf, der in einem Stator drehbar angeordnet ist. Derartige Turbomaschinen werden dementsprechend auch als rotierende Strömungsmaschinen bezeichnet. Der Rotor weist zumindest eine Laufschaufelreihe mit mehreren Laufschaufeln auf, während der Stator wenigstens eine Leitschaufelreihe mit mehreren Leitschaufeln aufweist. Dabei ist es üblich, im Bereich der Leitschaufeln rotorseitig und im Bereich der Laufschaufeln statorseitig Axialdichtungen auszubilden. Je wirksamer diese Axialdichtungen sind, desto höher ist der Wirkungsgrad der Turbomaschine.
Zur Realisierung einer Axialdichtung, die einer Laufschaufelreihe zugeordnet ist, kann der Stator in einem dieser Laufschaufelreihe zugeordneten Axialabschnitt mit einer Aussparung versehen werden, die in Umfangsrichtung vollständig umläuft und radial nach innen offen ist. Die zugehörige Laufschaufelreihe taucht dabei mehr oder weniger tief in radialer Richtung in die Aussparung ein, beispielsweise mit einem Deckband. In der Aussparung kann beispielsweise eine Labyrinthdichtung realisiert sein, um eine radial außen die Laufschaufelreihe bzw. deren Deckband axial umgehende Strömung zu behindern.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Turbomaschine der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Wirkung der im Bereich der Aussparung ausgebildeten Axialdichtung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in der Aussparung im Bereich eines zwischen der zugehörigen Laufschaufelreihe und dem Stator ausgebildeten anströmseitigen Spalts eine radial nach innen gerichtete Gegenströmung oder Sperrströmung zu erzeugen, die ein Eindringen der die Strömungsmaschine durchströmenden Arbeitsgase durch besagten Spalt in die Aussparung behindert. Durch diese Behinderung im anströmseitigen Spalt wird die Leckageströmung, welche die jeweilige Leitschaufelreihe im Bereich der Aussparung umgeht, reduziert. Realisiert wird diese Gegen- oder Sperrströmung dadurch, dass in einer anströmseitigen Wand der Aussparung eine Nut eingearbeitet ist, die in Umfangsrichtung vollständig umläuft und deren radial innenliegende Wand gegenüber einer Rotationsachse des Rotors so geneigt ist, dass sie eine in Strömungsrichtung radial nach innen abfallende Rampe bildet. Im Betrieb bewirkt eine radial außenliegende Wand der Nut die Ausbildung eines Wirbels innerhalb der Nut, der an der inneren Nutwand in die Aussparung entlang besagter Rampe einströmt und dabei im anströmseitigen Spalt quer zur Strömungsrichtung der Leckageströmung sowie radial nach innen orientiert ist.
Bei einer Weiterbildung kann auch die außenliegende Nutwand gegenüber der Rotationsachse geneigt sein, und zwar so, dass sich eine in Strömungsrichtung radial innen ansteigende Rampe ausbildet. Durch die Neigung der äußeren Nutwand kann die Wirbelbildung innerhalb der Nut und somit die Beeinflussung der Leckageströmung im anströmseitigen Spalt verstärkt werden.
Optional kann vorgesehen sein, die der Aussparung zugeordnete Laufschaufelreihe mit einem der anströmseitigen Aussparungswand axial gegenüberliegenden Anströmbereich zu versehen, der radial innen, also an einer der Hauptströmung der Turbomaschine ausgesetzten Seite gegenüber der Rotationsachse geneigt ist, und zwar so, dass sich eine in der Strömungsrichtung radial nach innen ansteigende Rampe ausbildet. Durch diesen angefasten Anströmbereich wird das Einströmen der Gasströmung in den anströmseitigen Spalt erschwert. Darüber hinaus unterstützt diese Formgebung des Anströmbereichs die durch die Nut induzierte Sperrströmung und verbessert dadurch deren Sperrwirkung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Turbomaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen stark vereinfachten, schematisierten Längsschnitt durch eine Turbomaschine im Bereich einer Axialdichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend 1 umfasst eine nur teilweise dargestellte Turbomaschine 1 einen Stator 2 und einen Rotor 3. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse 4 relativ zum Stator 2 drehbar gelagert. Bei der Turbomaschine 1 handelt es sich somit um eine rotierende Strömungsmaschine, beispielsweise um eine Turbine oder um einen Verdichter einer Turbogruppe. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine stationäre Turbomaschine, die insbesondere in einer Kraftwerksanlage zur Anwendung kommt.
Der Stator 2 weist wenigstens eine Leitschaufelreihe 5 auf, die jeweils durch mehrere, in Umfangsrichtung des Rotors 3 beabstandete Leitschaufeln 6 gebildet ist. Im Unterschied dazu weist der Rotor 3 zumindest eine Laufschaufelreihe 7 auf, die durch mehrere, in Umfangsrichtung beabstandete Laufschaufeln 8 gebildet ist. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Laufschaufelreihe 7 außerdem mit einem Deckband 9 versehen, das radial außen an den Laufschaufeln 8 angeordnet ist und sich in Umfangsrichtung erstreckt.
Die Schaufeln 6, 8 sind in einem Gaspfad 10 der Turbomaschine 1 angeordnet, in dem eine durch einen Pfeil symbolisierte Hauptströmung 11 eines Arbeitsgases die Turbomaschine 1 durchströmt. Die Richtung des Pfeils gibt dabei die Strömungsrichtung des Arbeitsgases an, die im Folgenden daher ebenfalls mit 11 bezeichnet wird. Bei einer Turbine kann das Arbeitsgas durch Verbrennungsabgase oder durch Dampf gebildet sein.
Der Stator 2 weist in einem durch eine geschweifte Klammer gekennzeichneten Axialabschnitt 12 eine Aussparung 13 auf, die sich in Umfangsrichtung vollständig umlaufend erstreckt. Der Axialabschnitt 12 ist besagter Laufschaufelreihe 7 zugeordnet. Dementsprechend ist die Aussparung 13 radial nach innen zu den Laufschaufeln 8 dieser Laufschaufelreihe 7 hin offen. In der Aussparung 13 bzw. mit dieser Aussparung 13 wird statorseitig eine dieser Laufschaufelreihe 7 zugeordnete Axialdichtung 14 ausgebildet. Zur Realisierung dieser Axialdichtung 14 können exemplarisch in der Aussparung 13 mehrere, ringscheibenförmige Stege 15 angeordnet sein, die sich von einem zylindrischen Boden 16 der Aussparung 13 radial nach innen erstrecken. Hierdurch wird eine axial wirkende Labyrinthdichtung geschaffen, die im vorliegenden Fall mit dem Deckband 9 der Laufschaufelreihe 7 zusammenwirkt. Das Deckband 9 wirkt zur Ausbildung der Axialdichtung 14 mit der Aussparung 13 zusammen, wozu das Deckband 9 in die Aussparung 13 radial eintaucht.
Eine durch einen Pfeil angedeutete Leckageströmung 17 tritt über einen zwischen der Laufschaufelreihe 7 und dem Stator 2 ausgebildeten anströmseitigen Spalt 18 in die Aussparung 13 ein und wird auf ihrem Weg bis zu einem zwischen der Laufschaufelreihe 7 und dem Stator 2 ausgebildeten abströmseitigen Spalt 19 durch die Axialdichtung 14 mehr oder weniger gedrosselt.
Die Aussparung 13 ist in Axialrichtung durch eine anströmseitige Wand 20 oder Aussparungswand 20 und eine abströmseitige Wand 21 oder Aussparungswand 21 begrenzt. In die anströmseitige Aussparungswand 20 ist eine Nut 22 eingearbeitet, die sich in Umfangsrichtung vollständig umlaufend erstreckt und die zur Aussparung 13 hin, also axial offen ist. Eine entsprechende Öffnung der Nut 22 ist dabei mit 25 bezeichnet. Die Nut 22 ist durch eine radial innenliegende Wand 23 oder innere Nutwand 23 sowie durch eine radial außenliegende Wand 24 oder äußere Nutwand 24 und einen der Nutöffnung 25 zugewandten Boden 26 begrenzt.
Bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine ist nun die innere Nutwand 23 in einer hier der Zeichnungsebene entsprechenden, nicht näher bezeichneten Schnittebene, welche die Rotationsachse 4 enthält, gegenüber einer Achse 27, die sich parallel zur Rotationsachse 4 erstreckt, mit einem Neigungswinkel α_IN geneigt. Diese Neigung ist dabei so orientiert, dass die innere Nutwand 23 eine in Strömungsrichtung 11 radial nach innen abfallende Rampe bildet. Außerdem kann gemäß der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform optional auch die äußere Nutwand 24 in besagter Schnittebene gegenüber einer Achse 28, die sich ebenfalls parallel zur Rotationsachse 4 erstreckt, um einen Neigungswinkel α_OUT geneigt sein. Dabei ist hier die Neigung so orientiert, dass die äußere Nutwand 24 eine in der Strömungsrichtung 11 radial nach innen ansteigende Rampe bildet. Im gezeigten Ausführungsführungsbeispiel ist der Neigungswinkel α_IN der inneren Nutwand 23 kleiner gewählt als der Neigungswinkel α_OUT der äußeren Nutwand 24. Bei einer anderen Ausführungsform können beide Neigungswinkel α_IN und α_OUT gleich groß gewählt sein. Ebenso ist eine Ausführungsform denkbar, bei welcher der Neigungswinkel α_IN der inneren Nutwand 23 größer ist als der Neigungswinkel α_OUT der äußeren Nutwand 24. Winkelwerte, zwischen denen der Neigungswinkel α_IN der Nutwand 23 und/oder der Neigungswinkel α_OUT der äußeren Nutwand 24 liegen können, erstrecken sich beispielsweise zwischen 0° und 80° oder zwischen 10° und 70° oder ab 10° oder zwischen 30° und 60°.
Durch die spezielle Ausgestaltung der Nut 22 wird erreicht, dass von der durch den anströmseitigen Spalt 18 in die Aussparung 13 eintretenden Leckageströmung 17 über die äußere Nutwand 24 ein Teil der Leckageströmung 17 in die Nut 22 umgeleitet wird, wodurch in der Nut 22 eine Wirbelströmung ausgebildet wird, was hier durch verschiedene Pfeile angedeutet ist. Die gezielt gewählte Neigung der inneren Nutwand 23 bewirkt nun, dass im Bereich des anströmseitigen Spalts 18 eine durch Pfeile repräsentierte Sperrströmung 29 entlang der inneren Nutwand 23 im Bereich des anströmseitigen Spalts 18 aus der Nut 22 austritt. Diese Sperrströmung 29 besitzt dabei eine axiale sowie eine radial nach innen orientierte Komponente und erzeugt im anströmseitigen Spalt 18 somit eine intensive Behinderung der Leckageströmung 17. Die Neigung der äußeren Nutwand 24 kann dabei die Wirbelbildung in der Nut 22 unterstützen. Insbesondere kann ein Übergang 30 zwischen der äußeren Nutwand 24 und der anströmseitigen Aussparungswand 20 vergleichsweise scharfkantig ausgestaltet sein.
Des weiteren kann zur Unterstützung der Behinderungswirkung der Leckageströmung 17 eine Abströmkante 31 der stromauf an die Aussparung 13 angrenzenden Leitschaufelreihe 5 vergleichsweise scharfkantig und – wie hier – rechtwinklig ausgestaltet sein. Die Abströmkante 31 bildet hierbei den Übergang zwischen einer der Hauptströmung 11 ausgesetzten Innenseite des Stators 2 und der anströmseitigen Aussparungswand 20.
Die Sperrwirkung der Sperrströmung 29 kann auch dadurch verbessert werden, dass ein Anströmbereich 32 der Laufschaufelreihe 7, die der Aussparung 13 zugeordnet ist, radial innen in der Schnittebene gegenüber einer Achse 33, die sich parallel zur Rotationsachse 4 erstreckt, um einen Neigungswinkel α geneigt ist. Diese Neigung ist hierbei so orientiert, dass der Anströmbereich 32 radial innen eine in der Strömungsrichtung 11 radial nach innen ansteigende Rampe bildet. Dabei ist besagter Anströmbereich 32 der anströmseitigen Aussparungswand 20 innerhalb der Aussparung 13 axial gegenüberliegend angeordnet. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der Anströmbereich 32 am Deckband 9 ausgebildet.
Der Anströmbereich 32 ist somit an einer der Hauptströmung 11 ausgesetzten Innenseite 35 mit besagter Neigung versehen. Hierdurch wird zum einen erreicht, dass es für die Leckageströmung 17 erschwert ist, durch den anströmseitigen Spalt 18 in die Aussparung 13 einzuströmen. Zum anderen wird durch die Rampenform des Anströmbereichs 32 erreicht, dass die Sperrströmung 29 den Anströmbereich 32 radial innen anströmen kann, wodurch die Sperrströmung 29 insgesamt besser ausgeprägt werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher der Neigungswinkel α des Anströmbereichs 32 so gewählt ist, dass eine durch eine strichpunktierte Linie angedeutete virtuelle Verlängerung 34 der Rampe bzw. der Innenseite 35 des Anströmbereichs 32 entgegen der Hauptströmungsrichtung 11 in die Nut 22 hineinragt. Der zuvor genannte Effekt zur besseren Ausprägung bzw. Formierung der Sperrströmung 29 wird dadurch unterstützt.

1: Turbomaschine
2: Stator
3: Rotor
4: Rotationsachse
5: Leitschaufelreihe
6: Leitschaufel
7: Laufschaufelreihe
8: Laufschaufel
9: Deckband
10: Gaspfad
11: Strömungsrichtung/Hauptströmung
12: Axialabschnitt
13: Aussparung
14: Axialdichtung
15: Steg
16: Boden von 13
17: Leckageströmung
18: anströmseitiger Spalt
19: abströmseitiger Spalt
20: anströmseitige Wand von 13
21: abströmseitige Wand von 13
22: Nut
23: innenliegende Wand von 22
24: außenliegende Wand von 22
25: Öffnung von 22
26: Boden von 22
27: Achse
28: Achse
29: Sperrströmung
30: Übergang zwischen 24 und 20
31: Abströmkante von 5
32: Anströmbereich
33: Achse
34: virtuelle Verlängerung
35: Innenseite von 32
α: Neigungswinkel von 32
α_IN: Neigungswinkel von 23
α_OUT: Neigungswinkel von 24

Claims

Turbomaschine – mit einem Rotor (3), der wenigstens eine Laufschaufelreihe (7) mit mehreren Laufschaufeln (8) aufweist, – mit einem Stator (2), der wenigstens eine Leitschaufelreihe (5) mit mehreren Leitschaufeln (6) aufweist, – wobei der Stator (2) in einem einer Laufschaufelreihe (7) zugeordneten Axialabschnitt (12) eine in Umfangsrichtung vollständig umlaufende Aussparung (13) aufweist, in der eine der Laufschaufelreihe (7) zugeordnete Axialdichtung (14) ausgebildet ist, – wobei in einer anströmseitigen Wand (20) der Aussparung (13) eine in Umfangsrichtung vollständig umlaufende, zur Aussparung (13) hin offene Nut (22) ausgebildet ist, – wobei eine radial innenliegende Wand (23) der Nut (22) in einer eine Rotationsachse (4) des Rotors (3) enthaltenden Schnittebene gegenüber einer parallel zur Rotationsachse (4) verlaufenden Achse (27) geneigt ist, und zwar so, dass die innere Nutwand (23) eine in Strömungsrichtung (11) radial nach innen abfallende Rampe bildet.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Nutwand (23) gegenüber der Rotationsachse (4) einen Neigungswinkel (α_IN) zwischen 0° und 80°, vorzugsweise zwischen 10° und 70° aufweist.
Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial außenliegende Wand (24) der Nut (22) in der Schnittebene gegenüber einer parallel zur Rotationsachse (4) verlaufenden Achse (28) geneigt ist, und zwar so, dass die äußere Nutwand (24) eine in Strömungsrichtung (11) radial nach innen ansteigende Rampe bildet.
Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die äußere Nutwand (24) gegenüber der Rotationsachse (4) einen Neigungswinkel (α_OUT) zwischen 0° und 80°, vorzugsweise zwischen 10° und 70° aufweist, und/oder – dass ein Neigungswinkel (α_IN) der inneren Nutwand (23) kleiner oder größer ist als oder gleich groß ist wie ein Neigungswinkel (α_OUT) der äußeren Nutwand (24).
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine an die anströmseitige Aussparungswand (20) axial angrenzende Abströmkante (31) der Leitschaufelreihe (5) im wesentlichen scharfkantig und/oder im wesentlichen rechtwinklig ausgestaltet ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein der anströmseitigen Aussparungswand (20) axial gegenüberliegender Anströmbereich (32) der der Aussparung (13) zugeordneten Leitschaufelreihe (7) radial innen in der Schnittebene gegenüber einer parallel zur Rotationsachse (4) verlaufenden Achse (33) geneigt ist, und zwar so, dass der Anströmbereich (32) radial innen eine in der Strömungsrichtung (11) radial nach innen ansteigende Rampe bildet.
Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel (α) des Anströmbereichs (32) so gewählt ist, dass eine virtuelle Verlängerung (34) der Rampe des Anströmbereichs (32) entgegen der Strömungsrichtung (11) in die Nut (22) hineinragt.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass die der Aussparung (13) zugeordnete Laufschaufelreihe (7) radial außen ein Deckband (9) aufweist, das in die Aussparung (13) radial eintaucht, und/oder – dass das Deckband (9) mit der Aussparung (13) zur Ausbildung der Axialdichtung (14) zusammenwirkt, und/oder – dass der Anströmbereich (32) der Laufschaufelreihe (7) am Deckband (9) ausgebildet ist.