Strömungsmaschine

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbomaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbomaschine, wie z.B. eine Gasturbine, eine Dampfturbine oder ein Verdichter, weist üblicherweise einen Stator und einen Rotor auf, der im Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Am Stator ist wenigstens eine Leitschaufelreihe ausgebildet, die mehrere bezüglich der Rotationsachse in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Leitschaufeln aufweist. Der Rotor weist zumindest eine Laufschaufelreihe auf, die mehrere bezüglich der Rotationsachse zueinander benachbarte Laufschaufeln aufweist. Dabei bilden jeweils eine Leitschaufelreihe und eine bezüglich einer Arbeitsgasströmung stromab unmittelbar nachfolgende Laufschaufelreihe eine Stufe oder Druckstufe der Strömungsmaschine. Im Betrieb der Strömungsmaschine sind insbesondere die Laufschaufeln extrem hohen Belastungen ausgesetzt, was sich auf die Standzeiten der Laufschaufeln auswirkt. Um die Wirtschaftlichkeit der Strömungsmaschine zu verbessern, ist es

erwünscht, die Standzeiten der Schaufeln, insbesondere der Laufschaufeln, zu erhöhen.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Standzeit der Schaufeln, insbesondere der Laufschaufeln, auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest bei einer Stufe die Leitschaufeln und die Laufschaufeln so aufeinander abzustimmen, dass bei einer Referenzrelativlage ein Abstand zwischen einer Abströmkante der jeweiligen Leitschaufel und einer Anströmkante der jeweiligen Laufschaufel in Abhängigkeit von der radialen Position in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung variiert. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass jede Leitschaufel stromab ihrer Abströmkante eine intensive Nachlaufströmung erzeugt, die von der jeweiligen Laufschaufel durchquert werden muss. Sobald diese Nachlaufströmung auf die Anströmkante der jeweiligen Laufschaufel trifft, ergibt sich dabei ein Lastwechsel an der Laufschaufel. Bei einer herkömmlichen Ausgestaltung von Laufschaufel und Leitschaufeln können der genannte Axialabstand und/oder der genannte Umfangsabstand entlang der Höhe des axial zwischen den Schaufelreihen der jeweiligen Stufe verlaufenden Gaspfads

konstant sein. Dies hat zur Folge, dass die jeweilige Laufschaufel mit ihrer Anströmkante über ihre gesamte, radial gemessene Länge im wesentlichen simultan von der Nachlaufströmung der vorausgehenden Leitschaufel getroffen wird, wodurch die Belastung der Laufschaufeln vergleichsweise hoch ist. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, den Axialabstand und/oder den Umfangsabstand entlang der Höhe des Gaspfads zu variieren, wird erreicht, dass die Beaufschlagung der Anströmkante durch die Nachlaufströmung zeitlich gestreckt und entlang der radialen Länge der Laufschaufel zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt. Beispielsweise kann beim Durchqueren der Nachlaufströmung ein Abschnitt der Laufschaufel die Nachlaufströmung bereits durchquert haben, während ein weiterer Abschnitt der Laufschaufel gerade von der Nachlaufströmung beaufschlagt wird und ein übriger Bereich der Laufschaufel noch nicht durch die Nachlaufströmung beaufschlagt ist. Die dynamische Belastung der Laufschaufeln wird dabei ebenso reduziert wie deren absolute Belastung. Hierdurch kann die Standzeit der Laufschaufeln gesteigert werden.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können die Leitschaufeln und die Laufschaufeln der jeweiligen Stufe so aufeinander abgestimmt sein, dass der Axialabstand entlang der Gaspfadhöhe von radial innen nach radial außen zunächst bis zu einem Minimum abnimmt und danach wieder zunimmt. Hierdurch wird erreicht, dass der Axialabstand im Bereich der Laufschaufelspitze und im Bereich der Leitschaufelspitze jeweils vergleichsweise groß ist, wodurch die Nachlaufströmung abgeschwächt wird, was die Belastung der Laufschaufel und auch der Leitschaufel in diesem Bereich reduziert.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den

Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Strömungsmaschine im Bereich einer Stufe,

Fig. 2 eine Schnittansicht entsprechend Schnittlinien Il in Fig. 1 ,

Fig. 3 eine Schnittansicht entsprechend Schnittlinien III in Fig. 1 ,

Fig. 4 eine Schnittansicht entsprechend Schnittlinien IV in Fig. 1 ,

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs eines Axialabstands entlang einer Gaspfadhöhe,

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs eines Umfangsabstands entlang einer Gaspfadhöhe.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Entsprechend Fig. 1 umfasst eine nur teilweise dargestellte Strömungsmaschine 1 einen ebenfalls nur zum Teil dargestellten Stator 2 sowie einen nur teilweise dargestellten Rotor 3, der im Stator 2 um eine Rotationsachse 4 drehbar angeordnet ist. Bei der Strömungsmaschine 1 handelt es sich vorzugsweise um eine Turbomaschine, wie z.B. eine Gasturbine oder eine Dampfturbine oder einen Verdichter. Die vorliegende Erfindung findet bevorzugt bei einer Gasturbine Anwendung.

Die Strömungsmaschine 1 weist zumindest eine Leitschaufelreihe 5 auf, die durch mehrere bezüglich der Rotationsachse 4 zueinander benachbart angeordnete Leitschaufeln 6 gebildet ist, von denen in Fig. 1 jedoch nur eine erkennbar ist. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt der Strömungsmaschine 1 , in dem sich nur eine derartige Leitschaufelreihe 5 befindet. Es ist klar, dass die Strömungsmaschine 1 grundsätzlich mehrere derartige Leitschaufelreihen 5 aufweisen kann. Ferner umfasst die Strömungsmaschine 1 zumindest eine Laufschaufelreihe 7, die mehrere in Umfangsrichtung zueinander benachbarte Laufschaufeln 8 aufweist. Auch hier ist nur eine Laufschaufel 8 erkennbar. Die Strömungsmaschine 1 weist in dem in Fig. 1 gezeigten Ausschnitt nur eine solche Laufschaufelreihe 7 auf. Es ist klar, dass die Strömungsmaschine 1 auch mehrere derartige Laufschaufelreihen 7 aufweisen kann. Die Leitschaufeln 6 der jeweiligen Leitschaufelreihe 5 sind am Stator 2, insbesondere an einem Leitschaufelträger 9 angebracht. Im Unterschied dazu sind die Laufschaufeln 8 der jeweiligen Laufschaufelreihe 7 am Rotor 3 angebracht.

Je eine Leitschaufelreihe 5 und eine axial dazu benachbarte Laufschaufelreihe 7 bilden eine Stufe 10 der Turbomaschine 1. Die Stufe 10, die auch als Druckstufe bezeichnet werden kann, ist in Fig. 1 durch eine geschweifte Klammer

gekennzeichnet. Innerhalb der jeweiligen Stufe 10 ist die Laufschaufelreihe 7 bezüglich einer Arbeitsgasströmung 11 , die durch Strömungsrichtungspfeile angedeutet ist, stromab der zugehörigen Leitschaufelreihe 5 angeordnet. Axial zwischen den Schaufelreihen 5, 7 der gleichen Stufe 10 läuft ein Gaspfad 12, der im wesentlichen durch einen ringförmigen axialen Spalt zwischen den Schaufelreihen 5, 7 der jeweiligen Stufe 10 gebildet ist. Der Gaspfad 12 ist radial innen durch einen Boden 13 der jeweiligen Laufschaufel 8 und radial außen durch einen Boden 14 der jeweiligen Leitschaufel 6 begrenzt. Der Gaspfad 12 weist in radialer Richtung eine Höhe H auf, die bei einem konvergierenden oder bei einem expandierenden Querschnittsverlauf jeweils durch die mittlere Höhe innerhalb des Gaspfads 12 innerhalb der Stufe 10 gebildet ist. Der Boden 13 der jeweiligen Laufschaufel 8 weist von der Rotationsachse 4 ein in radialer Richtung einen Radialabstand R auf.

Es ist klar, dass die Strömungsmaschine 1 grundsätzlich mehrere derartige Stufen 10 aufweisen kann. Zumindest eine dieser Stufen 10 ist erfindungsgemäß ausgestaltet, was im folgenden mit Bezug auf die Fig. 2 bis 4 näher erläutert wird.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen Schnitte durch die Stufe 10 bei verschiedenen Schnittebenen, die in unterschiedlichen Höhenpositionen h durch die gezeigte Leitschaufel 6 und die gezeigte Laufschaufel 8 gelegt sind. Fig. 2 zeigt dabei den Schnitt durch die Schnittebene II, während Fig. 3 den Schnitt in der Schnittebene III zeigt und Fig. 4 den Schnitt durch die Schnittebene IV. In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils durch einen Pfeil 15 die Drehrichtung der Laufschaufel 8 angedeutet. Im Bereich des Gaspfads 12, also des axialen Ringspalts, besitzt jede Leitschaufel 6 eine Abströmkante 16, und jede Laufschaufel 8 weist dort eine Anströmkante 17 auf. In den Fig. 1 bis 4 ist mit B jeweils ein in axialer Richtung gemessener Axialabstand bezeichnet, und entsprechend den hier gezeigten drei Schnittebenen indiziert. Die Fig. 2 bis 4 zeigen außerdem einen in

Umfangsrichtung gemessenen Umfangsabstand C, der ebenfalls analog zu den drei Schnittebenen indiziert ist. Wie den Fig. 1 bis 4 zu entnehmen ist, variiert der Axialabstand B entlang der Höhe H des Gaspfads 12, also in radialer Richtung. Ein solcher in Abhängigkeit der Höhenposition h innerhalb des Gaspfads 12 variierender Axialabstand B lässt sich durch eine entsprechende Abstimmung der Leitschaufeln 6 und der Laufschaufeln 8 erreichen. Zusätzlich oder alternativ können die Leitschaufeln 6 und die Laufschaufeln 8 außerdem so ausgestaltet sein bzw. aufeinander abgestimmt sein, dass der Umfangsabstand C entlang der Höhe H des Gaspfads 12 variiert, also von der Höhenposition h abhängt. Die Abhängigkeit des Umfangsabstands C und des Axialabstands B von der Höhenposition h können dabei kumulativ oder alternativ auftreten. Realisiert werden die genannten Abhängigkeiten durch eine entsprechende Formgebung der Laufschaufeln 8 und/oder der Leitschaufeln 6. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher herkömmliche Laufschaufeln 8 mit neuartigen Leitschaufeln 6 kombiniert werden, um die gewünschte Abhängigkeit der Abstände B und/oder C zu erzielen. Die Leitschaufeln 6 werden für diese Formgebung bevorzugt, da sie im Betrieb der Strömungsmaschine 1 kleineren Belastungen ausgesetzt sind.

Die in Fig. 5 bzw. in den Fig. 1 bis 4 wiedergegebene Beziehung oder Abhängigkeit des Axialabstands B von der Höhenposition h liegt bei einer vorbestimmten Referenzrelativlage zwischen den beiden betrachteten Schaufeln 6, 8 vor. Da die Laufschaufeln 8 im Betrieb der Strömungsmaschine 1 entsprechend der Rotationsrichtung 15 rotieren, stellt sich diese Referenzposition bei jeder Schaufelpaarung innerhalb dieser Stufe 10 immer wieder ein.

Wie den Fig. 1 bis 4 und insbesondere auch Fig. 5 entnehmbar ist, sind die Leitschaufeln 6 und die Laufschaufeln 8 vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass der Axialabstand B entlang der Höhe H des Gaspfads 12 von

einem radial innen liegenden Maximum mit zunehmender Höhenposition h, also von radial innen nach radial außen zunächst abnimmt und abschließend wieder zunimmt, wo er in einem radial außen liegenden Bereich wieder ein Maximum aufweisen kann. Die Vergrößerung des Axialabstands B im Bereich einer in Fig. 1 gekennzeichneten Leitschaufelspitze 18 sowie im Bereich einer in Fig. 1 gekennzeichneten Laufschaufelspitze 19 reduziert die strömungsdynamische Belastung der empfindlichen Schaufelspitzen 18, 19, aufgrund der damit einhergehenden Strömungspfadvergrößerung in axialer Richtung. Wie insbesondere Fig. 5 zu entnehmen ist, besitzt der in Fig. 5 wiedergegebene Verlauf des Axialabstands B bei etwa 50% der Gesamthöhe H des Gaspfads 12 sein Minimum. Bei Fig. 5 ist auf der Ordinate der normierte Axialabstand B aufgetragen. Der normierte Axialabstand B entspricht dem tatsächlichen Axialabstand B bezogen auf den Radialabstand R, den der Laufschaufelboden 13 von der Rotationsachse 4 aufweist. Das bedeutet B = B/R.

Auf der Abszisse ist im Diagramm gemäß Fig. 5 die normierte relative Höhe h , also die normierte Höhenposition h wiedergeben. Die normierte Höhenposition h ergibt sich aus der tatsächlichen Höhenposition h bezogen auf die Gesamthöhe H. Demnach gilt: h = h/H.

Die Leitschaufeln 6 und die Laufschaufeln 8 sind zweckmäßig so aufeinander abgestimmt, dass die Abhängigkeit des Axialabstands B von der Höhenposition h einem Polynom zweiter Ordnung entspricht. Das bedeutet, dass sich der Axialabstand B entlang der Gaspfadhöhe H entsprechend einem Polynom zweiter Ordnung verändert. Ein derartiges Polynom zweiter Ordnung bildet sich dabei wie folgt:

B = b ₂ h ² + bi ^■ h + bo ± b _k

Die Koeffizienten b dieses Polynoms sind vorzugsweise so gewählt, dass der Koeffizient bo größer als 0 ist und insbesondere den Wert +0,04117 aufweist. Der Koeffizient bi ist vorzugsweise negativ, also kleiner 0. Insbesondere kann der Koeffizient bi den Wert -0,048122 aufweisen. Der Koeffizient b ₂ ist zweckmäßig größer als 0 gewählt und kann insbesondere den Wert +0,04731 aufweisen. Der Koeffizient b _k bildet einen Korrekturwert, der gewissermaßen eine Toleranzbreite definiert, innerhalb der sich der Verlauf des Axialabstands B entlang der Gesamthöhe H bewegen kann, um den von der Erfindung erwünschten Effekt in besonders vorteilhafter Weise realisieren zu können. Die mit Hilfe des Korrektureffizienten bk realisierte Bandbreite ist in Fig. 5 durch unterbrochene Linien beiderseits der Verlaufslinie angedeutet, wobei sich die mit durchgezogener Linie dargestellte Verlaufslinie bei fehlenden Korrekturkoeffizienten b _k ergibt.

Entsprechend den Fig. 2 bis 4 und insbesondere in Hinblick auf Fig. 6 ist erkennbar, dass die Leitschaufeln 6 und die Laufschaufeln 8 zweckmäßig so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass der Umfangsabstand C mit zunehmender Höhenposition h von radial innen bis radial außen stetig zunimmt. Das bedeutet, dass die in Fig. 6 dargestellte Abhängigkeit des Umfangsabstands C von der radialen Position, also von der Höhenposition h radial innen sein Minimum hat und radial außen sein Maximum besitzt. Das Diagramm in Fig. 6 stellt auf der Ordinate den normierten Umfangsabstand C dar. Dieser ergibt sich aus dem tatsächlichen Umfangsabstand C bezogen auf den Radialabstand R. Also gilt: C = C/R. Die Abszisse ist auch in Fig. 6 durch die normierte Höhenposition h wiedergeben.

Für die bereits weiter oben genannte Referenzrelativlage zwischen den betrachteten Schaufeln 6, 8 der Stufe 10 ergibt sich der hier gezeigte Zusammenhang bzw. die hier gezeigte Abhängigkeit des Umfangsabstands C von der Höhenposition h. Besagte Referenzrelativlage kann beispielsweise so definiert werden, dass der Umfangsabstand C radial innen, also auf Höhe des Laufschaufelbodens 13 im wesentlichen den Wert Null hat. Dies ist bei der Schnittebene III gemäß Fig. 4 im wesentlichen der Fall.

Entsprechend Fig. 6 sowie gemäß den Fig. 2 bis 4 kann sich der Umfangsabstand C entlang der Gaspfadhöhe H wie eine Funktion zweiten Grades bzw. wie ein Polynom zweiter Ordnung verhalten. Beispielhaft kann ein derartiges Polynom wie folgt gebildet sein:

C = C2 ^■ h + Ci ^■ h + Co ± Ck

Die Koeffizienten c dieses Polynoms lassen sich exemplarisch wie folgt bestimmen: Der Koeffizient Co ist vorzugsweise negativ und kann beispielsweise einen Wert von -0,000576 aufweisen. Der Koeffizient Ci ist vorzugsweise positiv und kann beispielsweise den Wert +0,007282 aufweisen. Der Koeffizient C ₂ ist bevorzugt positiv und kann insbesondere den Wert 0,035357 aufweisen. Der Koeffizient C _k bildet einen Korrekturkoeffizienten, der quasi eine Bandbreite oder Toleranzbreite zulässiger Abweichungen des Verlaufs des Umfangsabstands C entlang der Höhe H definiert. Der Korrekturkoeffizient C _k besitzt beispielsweise den Wert 0,0017. In Fig. 6 ist mit durchgezogener Linie analog zu Fig. 5 der Verlauf des normierten Umfangsabstands C in Abhängigkeit der normierten Höhenposition h ohne Korrekturkoeffizient C _k wiedergeben. Zwei unterbrochene Linien beiderseits des mit durchgezogener Linie gezeichneten Verlaufs definieren

den Toleranzbereich, der sich bei der Berücksichtigung des Korrekturkoeffizienten C _k ergibt.

Bezugszeichenliste

1 Strömungsmaschine

2 Stator

3 Rotor

4 Rotationsachse

5 Leitschaufelreihe

6 Leitschaufel

7 Laufschaufelreihe

8 Laufschaufel

9 Leitschaufelträger

10 Stufe

11 Arbeitsgasströmung

12 Gaspfad

13 Laufschaufelboden

14 Leitschaufelboden

15 Rotationsrichtung

16 Abström kante

17 Anström kante

18 Leitschaufelspitze

19 Laufschaufelspitze h Höhenposition h normierte Höhenposition

H Höhe von 12

R Radialabstand des Laufschaufelbodens 13

B Axialabstand

B normierter Axialabstand b Koeffizient

C Umfangsabstand

C normierter Umfangsabstand

C Koeffizient