Leitschaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine

Dampfturbine

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Dampfturbine mit mindestens einer Leitschaufelreihe.

Stand der Technik

Insbesondere im Dampfturbinenbau werden gekrümmte Schaufeln als Ausführungsform von Turbinenschaufeln insbesondere dann eingesetzt, wenn starke dreidimensionale Strömungen auftreten, die ausgeprägte radiale Unterschiede im statischen Druckverlauf zwischen Rotorseite und der Statorseite zeigen, und die durch die Umlenkung in den Leitschaufeln entstehen. Die Strömung eines Strömungsmediums in einer letzten Stufe einer Niederdruckturbine mit großem Anströmquerschnitt führt insbesondere bei einem großen Verhältnis zwischen Schaufellänge und Nabe zu einer sich auf den Wirkungsgrad der Dampfturbine negativ auswirkenden radialen Reaktionsverteilung. Die Reaktionsverteilung ist hierbei in radialer Richtung unterschiedlich, wobei sie an der Nabe niedrig und an einem Gehäuse der Turbine hoch ist, was allgemein als nachteilig empfunden wird.

Eine hohe Reaktion im Nabenbereich verringert die Spaltverluste im Leitschaufelkranz und führt somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad. Um die radiale Reaktionsverteilung zu optimieren, werden deshalb gekrümmte Leitschaufeln eingesetzt.

Aus der DE 37 43 738 A1 ist eine Turbine mit nur in Umfangsrichtung gekrümmten Leitschaufeln bekannt, deren Krümmung über die Schaufelhöhe gegen die Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet ist. Zusätzlich sind aus dieser Druckschrift Schaufeln bekannt, deren Krümmung über der Schaufelhöhe gegen die Saugseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet ist. Dadurch sollen auf wirksame Weise sowohl radial als auch in Umfangsrichtung verlaufende Grenzschicht-Druckgradienten verringert und damit die aerodynamischen Schaufelverluste insgesamt reduziert werden.

Turbinen mit in Axialrichtung und in Umfangsrichtung gekrümmten Leitschaufeln sind beispielsweise aus der DE 42 28 879 A1 bekannt. Stromaufwärts eines Laufgitters ist dabei ein festes Leitgitter angeordnet, dessen Laufschaufeln hinsichtlich Anzahl sowie bezüglich ihres Verhältnisses Sehne zu Teilung strömungstechnisch für Volllast optimiert sind. Sie verleihen der Strömung den für den Eintritt in das Laufgitter erforderlichen Drall. Die Krümmung der Schaufeln verläuft senkrecht zur Sehne, was durch eine Verschiebung der Profilquerschnitte sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung erreicht wird. Die Krümmung der Leitschaufeln ist gegen die

Druckseite der jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufel gerichtet. Infolge dieser Krümmung senkrecht zur Schaufelsehne ist die in Radialrichtung projizierte Schaufelfläche größer als bei einer bekannten Krümmung nur in Umfangsrichtung, wodurch sich die radiale Kraft auf ein Strömungsmedium

erhöht, so dass dies an eine Kanalwandung gedrückt wird und dort die Grenzschichtdicke reduziert.

Aus der WO 2005/005784 A1 ist eine Turbinenschaufel bekannt, die in Strömungsrichtung an ihrem rotorseitigen Ende und an ihrem statorseitigen Ende negativ gepfeilt und in einer in Bezug auf die Strömungsrichtung radialen Richtung an ihrem rotorseitigen Ende sowie an ihrem statorseitigen Ende gegen die Druckseite geneigt ist. Hierbei handelt es sich somit um eine Turbine mit sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung gekrümmten Turbinenschaufeln.

Aus der EP 0 916 812 B1 ist eine Endstufe einer axial durchströmten Turbine mit einer großen Kanaldivergenz sowie mit einer Reihe gekrümmter Leitschaufeln und einer Reihe verjüngter und verdrehter Laufschaufeln bekannt, wobei die Leitschaufeln in axialer Richtung an ihrem rotorseitigen Ende positiv und ihrem statorseitigen Ende negativ gepfeilt sind, jeweils bezüglich auf den Verlauf der rotorseitigen Kanalbegrenzung. Die positive Pfeilung der Leitschaufel erstreckt sich dabei über zwei Drittel der Schaufelhöhe und geht danach in die negative Pfeilung über, wobei im Bereich der positiven Pfeilung die Leitschaufelhinterkante parallel zur Leitschaufelvorderkante verläuft und im Bereich der negativen Pfeilung sich zwischen Leit- und Laufschaufel ein gegen die Wandung sich stetig verbreitender Axialdiffusor mit zunehmender Verzögerung der Axialkomponente des Strömungsmittels bildet.

Weitere Turbinen mit in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung gekrümmten Turbinenschaufeln sind beispielsweise aus der US 5,249,922, aus der US 4,470,755, aus der US 4,500,256 oder aus der EP 0 425 889 A1 bekannt.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leitschaufel für eine Strömungsmaschine bereitzustellen, welche durch Verringerung der aerodynamischen Schaufelverluste einen verbesserten Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erreichen lässt.

Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Strömungsmaschine zumindest die Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe mit einer Lean-Krümmung, einer Sweep-Krümmung, einer Torsion, einer über die radiale Erstreckung der Leitschaufel veränderlichen Sehnenlänge und einem über die radiale Erstreckung der Leitschaufel veränderlichen Querschnittsprofil zu versehen. Zusätzlich weist die Leitschaufelreihe eine nabenseitige Umfangsstufe auf, welche in Strömungsrichtung radial zur Rotationsachse der Strömungsmaschine nach innen zurückfällt. Hierdurch lassen sich mehrere Vorteile vereinen. Zum einen werden eine Radialverteilung eines durch die

Turbine strömenden Massenstroms sowie ein radialer Druckgradient verringert, während zum anderen ein größerer Massenstrom, das heisst Mengen- durchfluss, im Bereich der Nabe angeregt wird. Gleichzeitig wird die Aufprallenergie von Wassertröpfchen reduziert, wodurch das Erosionsverhalten günstig beeinflusst wird. Insbesondere kann die reduzierte Aufprallenergie dazu genutzt werden, den Reaktionsgrad an der Schaufelspitze zu reduzieren, wodurch geringere absolute Geschwindigkeiten an einer Leitschaufelabströmkante realisiert werden können, so dass geringere Leckage-Verluste auftreten werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Leitschaufel für eine Strömungsmaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine im Bereich einer Leitschaufel,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Strömungsmaschine im Bereich einer Leitschaufel,

Fig. 3 eine Draufsicht in radialer Richtung auf eine Leitschaufel,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Strömungsmaschine im Bereich einer nabenseitigen Stufe,

Fig. 5 eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung eines

Teilungsverhältnisses,

Fig. 6 eine Darstellung wie in Fig. 5, jedoch zur Erläuterung eines

Keilwinkels.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Entsprechend Fig. 1 ist in einem Strömungsraum 1 , welcher zwischen einer Rotornabe 2 und einer radialen Außenwand 3, dem Gehäuse, angeordnet ist, exemplarisch eine geschnittene Leitschaufel 4 dargestellt. Die Aussage, dass es sich dabei um eine Leitschaufel 4 handelt, ist jedoch nicht beschränkend auszulegen, so dass von der Erfindung auch andere in Strömungsmaschinen angeordnete Schaufeln, wie z.B. Laufschaufeln, umfasst sein sollen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Leitschaufel 4 eine sogenannte Lean-Krümmung auf, welche in Umfangsrichtung gerichtet ist und wobei ein Krümmungswinkel γ entlang der radialen Schaufellänge, also von der Nabe 2 zur radialen Außenwand 3 hin variiert. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nimmt die Lean-Krümmung der Leitschaufel 4 entlang der radialen

Schaufellänge vom Schaufelfuß, also von der Nabe 2, zur Schaufelspitze, also zur Außenwand 3, hin ab. Bei der Lean-Krümmung der Leitschaufel 4 handelt es sich um eine positive Lean-Krümmung, d.h. die Krümmung verläuft in Drehrichtung 5 der Leitschaufel 4. Die Form der gekrümmten Leitschaufel 4 stellt dabei vorzugsweise einen im allgemeinen kontinuierlichen Bogen dar, welcher einen spitzen Winkel γ mit der Nabe 2 bzw. der Außenwand 3 bildet. Der Krümmungswinkel γ liegt zwischen einer an einer Abströmkante 12 oder einer Anströmkante 16 der Leitschaufel 4 an einer Schaufeloberfläche 6 anliegenden Tangente 7 und einem orthogonal zur Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine verlaufenden Strahl 9 und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0° < γ < 15°.

In Fig. 2 ist eine sogenannte Sweep-Krümmung der Leitschaufeln 4 dargestellt, worunter eine Krümmung in axialer Richtung, d.h. parallel zur Sehne 10 der

Leitschaufeln 4 verstanden wird. Die Sweep-Krümmung wird dabei durch einen Krümmungswinkel δ beschrieben, welcher entlang der radialen Schaufellänge variiert und an der Nabe 2 einen positiven Wert und am Gehäuse 3, einen negativen Wert aufweist. Ein positiver Wert ist dabei gemäß Fig. 2 dadurch definiert, dass die Sehne 10 oberhalb eines Schnittpunktes 11 mit dem orthogonal zur Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine verlaufenden Strahl 9 rechts des Strahles 9 verläuft, während sie bei einem negativen Krümmungswinkel δ oberhalb des Schnittpunktes 11 links des Strahles 9 verläuft. Der Krümmungswinkel δ ist somit zwischen einer an einer Anströmkante 16 oder an einer Abströmkante 12 an der Schaufeloberfläche 6 anliegenden meridionalen Tangente 7 und dem orthogonal zur Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine verlaufenden Strahl 9 gelegen und weist üblicherweise einen Wert von 15° < δ < -20° auf.

Erfindungsgemäß weist die Leitschaufel 4 auch eine Torsion in radialer

Richtung der jeweiligen Schaufel 4 auf, was in Fig. 3 dargestellt ist. Die Torsion bzw. die Verdrehung ist dabei über einen Metallwinkel CC ₂ definiert, welcher einerseits zwischen einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine die jeweiligen Abströmkanten 12 der jeweiligen Leitschaufeln 4 verbindenden Umfangslinie 21 und andererseits der Tangente der Krümmungsmittellinie 13 an der Anströmkante 16 respektive der Abströmkante 12 angeordnet ist. ähnlich der Sweep-Krümmung bzw. der Lean-Krümmung variiert auch der Metallwinkel CC2 entlang der radialen Schaufellänge, wobei er im Bereich der Nabe 2 größer ist als am Gehäuse 3. Ein für die aerodynamischen Verhältnisse der Strömungsmaschine günstiger Bereich des Metallwinkels CC2 liegt dabei üblicherweise bei 25° < α ₂ < 10°.

In Fig. 4 ist ein Längsschnitt im Bereich der Leitschaufel 4 durch die Strömungsmaschine dargestellt, wobei eine nabenseitige Umfangsstufe 14 zu

erkennen ist, welche in Strömungsrichtung 15 radial zur Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine nach innen zurückfällt. Die Umfangsstufe 14 weist gemäß der Darstellung in Fig. 4 ein s-förmiges Profil zwischen der Anströmkante 16 und der Abströmkante 12 auf. Dies ist indes nicht zwingend, sie kann alternativ auch einen linearen Verlauf zwischen der Anströmkante 16 und der Abströmkante 12 besitzen. Durch die Umfangsstufe 14 ist ein Nabendurchmesser an der Anströmkante 16 größer als an der Abströmkante 12, wodurch ebenfalls die aerodynamischen Eigenschaften positiv beeinflusst werden. Eine Höhe der Umfangsstufe 14 wird dabei über die Winkel ßi und ß2 bestimmt, welche jeweils zwischen einer Tangente 7 an die Umfangsstufe 14 einerseits und der Rotationsachse 8 der Strömungsmaschine bzw. einer Parallelen dazu andererseits bestimmt sind und üblicherweise in einem Bereich von - 20° < ßi,2 ≤ 20° liegen. Dabei weist die Tangente 7 an die Umfangsstufe 14 in einem Schnittpunkt 17, in welchem sich die genannte Tangente 7, eine Schwerpunktslinie 18 und die Umfangsstufe 14 schneiden, deren größte Steigung auf. In besagtem Schnittpunkt 17 liegt bei einer s-förmigen Querschnittsform der Umfangsstufe 14 üblicherweise auch deren Wendepunkt.

In Fig. 5 ist ein Teilungsverhältnis t/s, d.h. der Quotient aus Schaufelabstand t in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 4 und der

Sehnenlänge s über die radiale Erstreckung der Leitschaufel 4 dargestellt.

Sowohl die Sehnenlänge s als auch der Schaufelabstand t werden dabei als lineare Größen erfasst und können über die radiale Erstreckung der

Leitschaufel 4 variieren, wobei üblicherweise das Teilungsverhältnis t/s am Schaufelfuß 2 kleiner ist als an der Schaufelspitze 3. Ein Bereich, in welchem üblicherweise das Teilungsverhältnis t/s liegt, ist dabei zwischen 0,45 < t/s <

0,75 definiert.

In der Darstellung in Fig. 6 sind noch zwei weitere Besonderheiten der erfindungsgemäßen Leitschaufeln 4, nämlich einerseits ein über die radiale Schaufellänge der Leitschaufel 4 variierender Einfallswinkel cci sowie ein Keilwinkel WE gezeigt, welcher zwischen einer Flächentangente 7a einer Druckseite 19 und einer Flächentangente 7b einer Saugseite 20 an der Abströmkante 12 der Leitschaufel 4 über die radiale Schaufellänge variiert. Dabei ist der anströmseitige Einfallswinkel cci der Krümmungsmittellinie 13 am Schaufelfuß 2 kleiner als der Schaufelspitze 3 und liegt beispielsweise in einem Bereich von 55° < cci < 110°. Der Einfallswinkel cci nimmt somit vom Schaufelfuß 2 zur Schaufelspitze 3 hin zu. Demgegenüber ist der Keilwinkel WE am Schaufelfuß 2 größer als an der Schaufelspitze 3 und nimmt vorzugsweise kontinuierlich vom Schaufelfuß 2 in Richtung der Schaufelspitze 3 ab. Der Keilwinkel WE liegt üblicherweise in einem Bereich von 15° < WE < 0°.

Bemerkenswert ist dabei, dass die Leitschaufeln 4 derart ausgebildet sind, dass zumindest der Krümmungswinkel γ der Lean-Krümmung und/oder der Krümmungswinkel δ der Sweep-Krümmung sich nicht entlang der radialen Schaufellänge ändern, sofern sie bezüglich der Krümmungsmittellinie 13 oder bezüglich der Anströmkante 16 gemessen werden.

Gemäß Fig. 6 ist ein engster Strömungsquerschnitt q zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 4 definiert, welcher sich zwischen Nabe 2 und Gehäuse 3 entgegen der Strömungsrichtung 15 verschiebt. Mit anderen Worten heißt dies, dass der Strömungsengpass q an der Nabe 2 zweier benachbarter Leitschaufeln 4 im Bereich einer Abströmkante 12 liegt, während er im Bereich des Gehäuses 3 zweier benachbarter Leitschaufeln 4 eher im Bereich der Anströmkanten 16 liegt.

Ein Winkel δα ist gemäß Fig. 6 einerseits durch die Tangente T und andererseits durch die Tangente 7" begrenzt. Die Tangente T liegt an der Saugseite 20 der Abströmkante 12 an, während die Tangente 7" an der Saugseite 20 der Leitschaufel 4 anliegt und gleichzeitig orthogonal zum Strömungsengpass q ausgerichtet ist. Der Winkel δα nimmt dabei erfindungsgemäß von der Nabe 2 zum Gehäuse 3 hin ab und ist entlang der radialen Schaufellänge variabel. Ein typischer Bereich für den Winkel δα liegt dabei zwischen - 5° < δα < 15°.

Bezugszeichenliste

1 Strömungsraum

2 Nabe der Strömungsmaschine

3 radiale Außenwand/Gehäuse

4 Leitschaufel

6 Schaufeloberfläche

7 Tangente

8 Rotationsachse der Strömungsmaschine

9 radialer Strahl

10 Schaufelsehne

11 Schnittpunkt

12 Abströmkante

13 Krümmungsmittellinie/

14 Nabenkontur

15 Strömungsrichtung

16 Anströmkante

17 Schnittpunkt

18 Schwerpunktslinie

19 Druckseite der Leitschaufel 4

20 Saugseite der Leitschaufel 4

21 Umfangslinie

cci Metallwinkel an der Schaufeleintrittskanti

CC ₂ Metallwinkel an der Schaufelaustrittskani

ß Winkel der Nabenkontur 14 γ Lean-Krümmungswinkel δ Sweep-Krümmungswinkel

S Sehnenlänge t Schaufelabstand q engster Strömungsquerschnitt

WE Keilwinkel