Ringförmiger Strömungskanal für einen Axialverdichter

Die Erfindung betrifft einen ringförmigen Strömungskanal für einen Axialverdichter, in dem an einer äußeren Begrenzungswand des Strömungskanals befestigte Schaufelblätter in zumin ^¬ dest zwei unmittelbar aufeinander folgenden Kränzen strahlenartig angeordnet sind.

Axialverdichter und Gasturbinen mit Axialverdichtern sind aus dem umfangreichen Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise zeigt die EP 2 194 234 AI einen Axialverdichter einer Gasturbine, dessen Strömungskanal in einen Verdichterausgangsdiffusor übergeht. Wie jede Verdichterstufe umfasst auch die letzte Verdichterstufe - in Strö ^¬ mungsrichtung der verdichteten Luft gesehen - einen Kranz von Laufschaufeln, dem stromab ein Kranz von Leitschaufeln folgt. Gemäß der EP 2 194 234 AI folgt dem Leitschaufelkranz der letzten Verdichterstufe ein weiterer Kranz von Schaufelblät ^¬ tern, die ebenso wie die Leitschaufeln an der radial äußeren Begrenzungswand des Strömungskanals befestigt sind. Der wei ^¬ tere Kranz von Schaufelblättern wird als Nachleitrad bezeichnet. Die Nachleitschaufein des feststehenden Nachleitrads haben die Aufgabe, die den Verdichter verlassende Luftströmung soweit wie möglich von Drall zu befreien. Durch die Entdral- lung der Luftströmung kann diese im Verdichterausgangsdiffusor den statischen Druck vergleichsweise verlustarm aufbauen. Obwohl das Nachleitrad keinen Beitrag zur Verdichtung der vom Axialverdichter angesaugten Luft beiträgt, gehört dieses strukturell noch zum Axialverdichter.

Sowohl die Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe als auch die Nachleitschaufein des Nachleitrades sind gemäß des be ^¬ kannten Axialverdichters mit freistehenden Schaufelblättern ausgebildet, deren frei endenden inneren Spitzen einem Wärmeisolationsring jeweils radialspaltbildend gegenüberliegen. Der Wärmeisolationsring ist Teil einer drehfest angeordneten Wellenabdeckung des Verdichterrotors, welche gleichzeitig auch die innere Begrenzung des Verdichterausgangsdiffusors bildet. Die zur Mittelachse konzentrische Wellenabdeckung ist wegen der eher geringfügigen mechanischen Beanspruchung dünnwandig ausgebildet und diffusorausgangsseitig über nicht wei ^¬ ter dargestellte Streben mit dem Gehäuse der Gasturbine ver ^¬ bunden . Das Gehäuse des Axialverdichters ist dagegen relativ massiv konstruiert, um den Druck- und Temperaturbeanspruchungen beim Betrieb standhalten zu können. Ferner ist das Gehäuse relativ steif ausgeführt. Damit führt der Lasteintrag auf das Gehäuse beim Betrieb der Gasturbine nur zu kleinen Verformungen. Da- durch, dass die Wellenabdeckung mit kleineren Wandstärken im Vergleich zum Gehäuse ausgebildet ist und in der Regel andere Materialeigenschaften als das Gehäuse hat, erwärmt sich die Wellenabdeckung schneller als das Gehäuse mit den daran befestigten Leitschaufelreihen und Nachleitreihen . Dies hat zur Folge, dass beim Anfahren und beim Abfahren der Gasturbine die Wellenabdeckung und das Gehäuse eine unterschiedliche Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit haben, so dass sich beim An ^¬ fahren und Abfahren der Gasturbine die Größe der Radialspalte ändert, wobei die Radialspalte beim Anfahren temporär kleiner und beim Abfahren temporär größer werden bzw. sind. Damit beim Betrieb der Gasturbine die Spitzen der Schaufelblätter nicht an die Wellenabdeckung anstoßen und diese beschädigen, ist der Radialspalt mit einer derart dimensionierten Minimal ^¬ höhe versehen, dass in jedem Betriebszustand der Gasturbine die Schaufelspitzen die Wellenabdeckung so gut wie nie berühren .

Mit Hilfe des Wärmeisolationsrings wird der Wärmeeintrag aus der verdichteten warmen Luft in die Wellenabdeckung an sich verzögert, was einer Anpassung der temperaturbedingten Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit der Wellenabdeckung an das äußere Gehäuse gleichkommt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Maßnahme eine vergleichsweise aufwändige Befestigung des Wärmeisolations ^¬ rings an der Wellenabdeckung erfordert und eine zielführende Abstimmung der thermischen Verhalten weiterhin vergleichsweise schwierig ist.

Weiter ist beispielsweise aus der EP 2 261 463 A2 bekannt, Leitreihen und Laufreihen von Axialverdichtern jeweils mittels mehrerer, einander axial teilweise überlappenden Blättern auszugestalten, von denen mache nabenseitig befestigt oder freistehend sind. Eine exakte Beschreibung der nabensei- tigen Konstruktion ist jedoch nicht darin angegeben.

Ferner zeigt die US 2,645,413 eine Befestigung von Leitschaufeln und Auslassleitschaufeln eines Axialverdichters, die so ^¬ wohl gehäuseseitig als auch nabenseitig an einer Tragstruktur befestigt sind. Dies kann zu Materialspannungen in den Schaufeln führen, wenn sich während eines instationären Betriebs die jeweiligen Tragstrukturen interschiedlich schnell erwärmen und dehnen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines ringförmigen Strömungskanals für einen Axialverdichter, welcher einerseits eine besonders effiziente und verlustarme Entdrallung der der letzten Verdichterstufe verlassenden Luftströmung herbeiführen kann und andererseits eine vergleichsweise einfache Konstruktion aufweist, bei der die sich unterschiedlich schnell ausdehnenden Komponenten im Betrieb weder verschleißen noch beschädigt werden.

Die Lösung vorgenannter Aufgabe sieht einen ringförmigen Strömungskanal vor, welcher den Merkmalen des Anspruchs 1 entspricht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das der ringförmige Strö ^¬ mungskanal von einer äußeren Begrenzungswand umgeben ist, an dem in zumindest zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Krän- zen Schaufelblätter strahlenartig angeordnet sind, wobei die Schaufelblätter eines der beiden Kränze mit ihrem radial inneren Ende mit einem den Strömungskanal radial innen be ^¬ grenzenden Innenring verbunden sind, wobei dieser eine derartige radiale Erstreckung aufweist, dass die Schaufelblätter des anderen der beiden Kränzen jeweils unter Radialspaltbildung diesem gegenüberliegen.

Die Erfindung hat erkannt, dass die radial innere Begren ^¬ zungswand des Strömungskanals im axialen Abschnitt der letz ^¬ ten Verdichterstufe und der Nachleitreihe nach Möglichkeit nicht Teil der Wellenabdeckung sein sollte, da die thermische Abstimmung der Bauteile sehr schwierig ist. Folglich wird vorgeschlagen, die Wellenabdeckung zu kürzen, so dass diese lediglich die innere Begrenzungswand des sich an den Axial ^¬ verdichter anschließenden Verdichterausgangsdiffusors bildet. Aus diesem Grund muss die innere Begrenzungswand des Axial ^¬ verdichters im Bereich des Leitschaufelkranzes der letzten Verdichterstufe und des Nachleitrades von einer anderen

Struktur getragen werden. Dazu ist vorgesehen, dass in diesem axialen Abschnitt die den Strömungskanal innen begrenzende Strömungswand von einem Innenring gebildet ist, welcher vom Gehäuse über die Schaufelblätter getragen bzw. gestützt ist. Dieses Konzept des von Schaufelblättern getragenen Innenrings wird erfindungsgemäß jedoch nur für einen Kranz von Schaufel ^¬ blättern vorgesehen und nicht für beide Kränze. Die Schaufel ^¬ blätter des anderen Kranzes können freistehend bleiben, wenn der Innenring eine Verlängerung umfasst, welche bis in den axialen Abschnitt des anderen Kranzes hineinragt.

Es wird somit ein Mischkonzept vorgeschlagen: einer der bei ^¬ den Kränze - vorzugsweise der Leitschaufelkranz der letzten Verdichterstufe - umfasst Schaufelblätter, die kopfseitig über den Innenring miteinander koppelt sind und diesen tragen und der andere der beiden Kränze - vorzugsweise der Nachleit- schaufelkranz - ist mit freistehenden Schaufelblättern versehen. Um dies zu verwirklichen und eine durchgängige Abschirmung des Rotors zu gewährleisten, muss dann der Innenring ei- ne derartige axiale Erstreckung aufweisen, dass dieser auch im axialen Abschnitt der frei endenden Schaufelblätter angesiedelt ist. Diese Konstruktion hat mehrere Vorteile: einerseits lässt sich diese auch für bereits bestehende Axialverdichter anwenden, ohne dass das Gehäuse des Axialverdichters, in dem die Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe und die Nachleit- schaufeln radial außen - fußseitig - befestigt sind, geändert werden muss. Es ist dann lediglich eine Modifikation der bisher eingesetzten Wellenabdeckung erforderlich. Mithin ist allein das Design der Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe zu ändern, um bereits bestehende Maschinen auf derartige Kon ^¬ struktionen nachzurüsten . Gegenüber einem Design, bei dem so- wohl die Leitschaufeln als auch die Nachleitschaufein kopfseitig über einen gemeinschaftlichen Innenring miteinander gekoppelt sind, weist die Erfindung den Vorteil auf, dass diese vergleichsweise einfach herzustellen ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Nachleitrad prinzipiell aus zwei einander in Axialrichtung überlappenden Reihen von Schaufelblättern gebildet ist, was man auch als zwei einander überlappende Nachleiträder bezeichnen kann. Derartige Bauteile sind vergleichsweise aufwändig herzustellen, wenn diese über ^¬ haupt in einem Fräs-Prozess herstellbar sind.

Die Aufhängung des Innenrings erfolgt nahezu im gleichen axi ^¬ alen Abschnitt wie die fußseitige Befestigung der Nachleit- schaufeln. Zudem ist der Innenring mittelbar über das Schaufelblatt der Leitschaufeln an der äußeren Begrenzungswand starr befestigt. Aus diesen beiden Gründen ist das thermische Verhalten von der inneren Begrenzungswand des Strömungskanals (Innenring) und der freistehenden, ebenfalls an der äußeren Begrenzungswand befestigten Nachleitschaufel wesentlich bes ^¬ ser aufeinander abgestimmt als beim Stand der Technik. Dort bewegt sich die freistehende Nachleitschaufel mit der ther ^¬ misch vergleichsweise schnell reagierenden äußeren Begrenzungswand und die der freistehenden Schaufelspitze gegenüber ^¬ liegende Wand mit der thermisch eher trägeren Wellenbade- ckung, was bisher größere Radialspalte erforderlich machte. Die erfindungsgemäße bessere Abstimmbarkeit führt zu einer Kopplung der Bewegung des Innenrings an die thermisch bedingte Bewegung der äußeren Begrenzungswand, wodurch das Spaltmaß der Radialspalte im Wesentlichen unabhängig von den thermischen Bewegungen der äußeren Begrenzungswand wird. Hierdurch lassen sich nun kleinere Radialspalte zwischen den Schaufel ^¬ blättern der Nachleitschaufein und dem Innenring vorhalten, was Strömungsverluste signifikant verringert und auch eine bessere Entdrallung der Luftströmung beim Eintritt in den Verdichterausgangsdiffusor bewirkt. Ferner kann Verschleiß zwischen dem Innenring und den freistehenden Schaufelblättern reduziert werden, da das thermische Verhalten weit besser vorhersagbar ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Isolationsring des Standes der Technik entfallen kann.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mit dem Innenring verbundene Kranz von Schaufelblät ^¬ tern - bezogen auf die durch Strömungsrichtung des Strömungskanals - stromauf des anderen Kranzes angeordnet. Alternativ dazu kann der den Strömungskanal innen begrenzende Innenring auch an den Nachleitschaufein befestigt sein. In diesem Fall können die Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe als freistehende Schaufeln diesem radialspaltbildend gegenüber ^¬ liegen. Da jedoch die Leitschaufeln der letzten Verdichterstufe zur Erhöhung des Verdichterdruckverhältnisses beitra ^¬ gen, ist es wünschenswert, eher diese als gebundene Leit ^¬ schaufeln mit einem inneren Deckband - dem Innenring - auszustatten, um Spaltverluste zu vermeiden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt sich - in Axialrichtung betrachtet - an den Innenring die Wellenabdeckung an, wobei zwischen diesen beiden Komponenten vorzugsweise ein Dichtmittel angeordnet ist, um eine Leckageströmung aus den Strömungskanal in einen abseits davon liegenden Raum zu vermeiden. Um die Erfindung insbesondere bei Axialverdichtern und bei stationären Gasturbinen einsetzen zu können, ist vorgesehen, dass die äußere Begrenzungswand des Strömungskanals, eine in ^¬ nere Begrenzungswand des Strömungskanals und der Innenring jeweils zumindest zwei Ringsegmente umfassen. Damit ist der Axialverdichter insgesamt in einer sog. Teilungsebene, in der die Maschinenachse liegt, hälftig teilbar. Sowohl der Innen ^¬ ring als auch die äußere Begrenzungswand des Axialverdichters muss demnach nicht aus einem Element geformt sein. Dies ver- einfacht einerseits die Herstellung der Komponenten und anderseits die Montage des Axialverdichters.

Weitere Merkmale, Vorteile sowie Eigenschaften der Erfindung werden in der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 einen Längsschnitt durch einen ringförmigen Strömungskanal eines Axialverdichters im Bereich des Verdichterausgangs und

FIG 2 eine teilperspektivische Schnittansicht eines Kran ^¬ zes mit Schaufelblättern und einem daran befestigten Innenring mit einer axialen Verlängerung. FIG 1 zeigt in einem Längsschnitt den Austrittsbereich 10 eines Axialverdichters 12 einer Gasturbine 14. Der Axialver ^¬ dichter 12 umfasst einen ringförmigen Strömungskanal 16, der im dargestellten Ausführungsbeispiel von links nach rechts durchströmt werden kann. Der Strömungskanal 16 geht ausgangs- seitig in einen Diffusor 18 über.

Der Axialverdichter 12 umfasst ein als Leitschaufelträger ausgebildetes Gehäuse 20, welches gleichzeitig die äußere Be ^¬ grenzungswand 22 für den Strömungskanal 16 und für den Diffu- sor 18 darstellt. Sowohl der Strömungskanal 16 als auch der

Diffusor 18 sind als Ringkanäle ausgebildet, die sich konzen ^¬ trisch um die Maschinenachse 19 erstrecken. Der Axialverdichter 12 umfasst des Weiteren einen Rotor 24, welcher bei- spielsweise in Scheibenbauart ausgebildet sein kann. Ein Teil einer Rotorscheibe ist in FIG 1 mit dem Bezugszeichen 26 versehen. An dessen äußerer Mantelfläche sind Laufschaufeln 28 in bekannter Manier mit Hilfe hammerförmiger Füße 30 verhakt.

Stromab der Laufschaufeln 28 ist ein Kranz 32 vorgesehen, welcher eine Vielzahl von an der Begrenzungswand 22 strahlenartig befestigten Leitschaufeln 34 umfasst. Jede dieser Leitschaufeln 34 weist ein Schaufelblatt 36 auf, welches im Strö- mungskanal 16 angesiedelt ist. An dem inneren Ende 38 der

Schaufelblätter 36 ist ein Innenring 40 angeordnet, der von den Leitschaufeln 34 getragen bzw. gestützt wird. Stromab des Leitschaufelkranzes 32 ist ein weiterer Kranz 42 mit einer Vielzahl von Schaufelblättern 44 vorgesehen. Die Schaufel- blätter 44 des Kranzes 42 sind nicht einer Verdichterstufe des Axialverdichters 12 zuzuordnen. Sie sind im Strömungs ^¬ kanal 16 unmittelbar stromab der Schaufelblätter 36 der Leitschaufeln 34 angesiedelt und dienen zur Entdrallung der Luftströmung, so dass diese weitestgehend drallfrei in den Ring- diffusor 18 einströmen kann. Diese Schaufelblätter 44 sind jeweils Bestandteile von Nachleitschaufein 46, welche über eine entsprechende Verhakung in der Begrenzungswand 22 befes ^¬ tigt sind. Der Innenring 40 umfasst eine axiale Verlängerung 41 in zylindrischer Form, welche den radial inneren Spitzen 48 der Schaufelblätter 44 radialspaltbildend gegenüberliegt.

Stromab des Innenrings 40 ist eine drehfest angeordnete Wel ^¬ lenabdeckung 50 als innere Begrenzung des Ringdiffusors 18 angesiedelt .

Die Wellenabdeckung weist an ihrer stirnseitigen Seitenfläche 52 einen Vorsprung 54 auf. Dieser überlappt axial, jedoch radial weiter innen den Innenring 40 teilweise. Dadurch ist es möglich, die ringförmige Dichtplatte 56 in zwei einander ge- genüberliegende Nuten 58 anzuordnen und den Spalt zwischen Wellenabdeckung 50 und Innenring 40 abzudichten. FIG 2 zeigt in perspektivischer teilgeschnittener Ansicht den Leitschaufelkranz 32 mit mehreren, in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Leitschaufeln 34, deren kopfseitiges Ende mit dem Innenring 40 verhakt sind. Dabei sind die aus der Figu ^¬ renbeschreibung zu FIG 1 bekannten Merkmale in FIG 2 mit identischen Bezugszeichen versehen.

Jede Leitschaufel 34 weist an ihrem radial äußeren Ende einen schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuß 37 auf, der in einer in einem Haltering 39 angeordneten Nut eingeschoben ist. An dem inneren Ende des Schaufelblatts 36 ist ein hammerförmiger Schaufelkopf 49 vorgesehen, der in einer entsprechend geformten Nut 43 des Innenrings 40 verhakt ist. Der Innenring 40 umfasst dabei zwei Teile 45, 47, welche im Bereich des Schau ^¬ felkopfes 49 zur Bildung der Nut 43 miteinander verbunden sind. Die in FIG 2 gezeigte Anordnung umfassend den Ring 39, die Schaufelblätter 36 der Leitschaufel 34 und den Innenring 40 wird auch als Leitscheibe bezeichnet, die ebenso wie die äußere Begrenzungswand 20 des Axialverdichters 12 in der Re ^¬ gel aus zwei Ringsegmenten gebildet wird, die an einander ge ^¬ genüberliegenden Enden flanschartig miteinander verbunden und verschraubt werden können.

Insbesondere durch die vorgeschlagene Konstruktion ist es möglich, dass thermische Verhalten von freistehenden, an der äußeren Gehäusewand 20 befestigten Schaufelblättern 44 von Nachleiträdern gegenüber einer diesen gegenüberliegenden inneren Begrenzung des Strömungskanals 16 so anzupassen, dass unabhängig vom Betriebszustand des Axialverdichters und dem thermischen Verhalten der äußeren Begrenzungswand 22 vergleichsweise kleine Radialspalte vorgehalten werden müssen bzw. während des Betriebs auftreten. Dies wird erfindungsge ^¬ mäß dadurch erreicht, dass der Innenring 40 über die stromauf der Nachleitschaufein 46 angeordneten Leitschaufeln 34 mittelbar an der äußeren Befestigungswand 22 befestigt ist, wo ^¬ durch sich sowohl die freistehenden Spitzen 48 der Nachleit- schaufeln 46 als auch die diesen gegenüberliegende Verlänge ^¬ rung 41 des Innenrings 40 bei thermischen Bewegungen der äu- ßeren Begrenzungswand 22 quasi synchron bewegen, ohne das Spaltmaß zu verändern.

Insgesamt wird mit der Erfindung ein ringförmiger Strömungs- kanal 16 für einen Axialverdichter 12 angegeben, bei dem an der äußeren Begrenzungswand 22 Schaufelblätter 36, 44 zweier Schaufelkränze 32, 42 befestigt sind. Um ein besonders ange- passtes thermisches Verhalten eines Innenrings 40 und der freistehenden Schaufelblätter 44 zu erreichen und somit ver- gleichsweise geringe Radialspalte zu ermöglichen, wird vorge ^¬ schlagen, dass der Innenring 40 von den Schaufelblättern 36 des einen Kranzes gehalten wird und eine derartige axiale Erstreckung aufweist, dass die Schaufelblätter 44 des anderen der beiden Kränze 42 jeweils unter Radialspaltbildung diesem gegenüberliegen.