Schaufelkranz für eine Axialturbomaschine und Verfahren zum Justieren der Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes

Die Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für eine Axialturbomaschine, eine Axialturbomaschine mit dem Schaufelkranz und ein Verfahren zum Justieren der Schluckfähigkeit des Schau- felkranzes.

Um einen wirtschaftlichen Betrieb einer Dampfturbine zu erzielen, ist es von Bedeutung, dass ein maximal möglicher Prozessdampfmassenstrom eines Dampferzeugers, beispielsweise eines Kraftwerks, in der Dampfturbine entspannt werden kann. Der maximal durch die Dampfturbine förderbare Prozessdampf- massenstrom ist eine der maßgeblichen Größen bei der Auslegung der Dampfturbine und wird als die Schluckfähigkeit der Dampfturbine bezeichnet. Die Leitschaufelkränze der Dampftur- bine weisen eine Vielzahl an Leitschaufeln auf, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind, wobei zwi ^¬ schen den Leitschaufeln Schaufelkanäle ausgebildet sind.

Radial sind die Schaufelkanäle nabenseitig begrenzt von einer Nabenkontur und gehäuseseitig von einer Gehäusekontur. Die Schluckfähigkeit der Dampfturbine wird durch die Schluck ^¬ fähigkeit des ersten Leitschaufelkranzes maßgeblich beein- flusst, die im Wesentlichen durch die Gesamtheit aller effektiven Querschnitte der Schaufelkanäle des ersten Leitschau ^¬ felkranzes bestimmt ist.

Die Schluckfähigkeit von neu hergestellten Dampfturbinen unterliegt aufgrund von Fertigungstoleranzen und Montagetole ^¬ ranzen von Bauteilen der Dampfturbine gewissen Ungenauigkei- ten. Ferner verändert sich die Schluckfähigkeit aufgrund von Alterung der Bauteile. Daher ist es oftmals vonnöten, die Schluckfähigkeit der Dampfturbine zu korrigieren, um die Dampfturbine wieder im Nennzustand betreiben zu können. Dazu werden im Betrieb befindliche Leitschaufeln durch neue Leit- schaufeln mit einer hinsichtlich der Schluckfähigkeit der Dampfturbine verbesserten Profilierung ausgetauscht. In der Regel werden alle Leitschaufeln eines betroffenen Schaufelkranzes ausgetauscht, was jedoch sehr aufwändig und kosten- intensiv ist. Alternativ dazu kann die Hinterkante von den Leitschaufeln verkürzt werden. Damit ist jedoch die Schluckfähigkeit des Leitschaufelkranzes lediglich erhöhbar und das Verkürzen führt häufig zu schlechteren aerodynamischen Eigenschaften sowie zu einer geringeren mechanischen Festigkeit der Leitschaufeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaufelkranz für eine Axialturbomaschine, die Axialturbomaschine mit dem Schaufelkranz und ein Verfahren zum Justieren der Schluck- fähigkeit des Schaufelkranzes zu schaffen, wobei die oben ge ^¬ nannten Probleme überwunden sind und insbesondere die

Schluckfähigkeit der Axialturbomaschine auf korrigierende Weise veränderbar ist. Der erfindungsgemäße Schaufelkranz für eine Axialturbo ^¬ maschine weist eine an einem Außenring angeordnete, radial nach innen gewandte Außenfläche und eine an einem Innenring angeordnete, radial nach außen gewandte Innenfläche, welche einen ringförmigen und sich in der Hauptströmungsrichtung der Axialturbomaschine verjüngenden Strömungskanal begrenzen und konzentrisch sowie parallel zueinander angeordnet sind, sowie mindestens eine Justierschaufel auf, die im Strömungskanal mittels einer Führungseinrichtung zu einer Mantellinie einer der Flächen parallel verschiebbar angeordnet und an mindes- tens einem der Ringe in einer vorherbestimmten Position feststellbar ist.

Eine Mantellinie zeichnet sich dadurch aus, dass sie auf einer der beiden Flächen angeordnet ist und zu der gedachten Spitze der jeweiligen Fläche gerichtet ist.

Der Durchmesser des Strömungskanals nimmt in Richtung der Verjüngung der Innenfläche und der Außenfläche ab. Wird die mindestens eine Justierschaufel mit Hilfe der Führungsein ^¬ richtung in Verjüngungsrichtung hin verschoben, so nimmt ihr Abstand in Umfangsrichtung zu den im Schaufelkranz benachbart angeordneten Schaufeln ab, wodurch die Versperrung des Strö- mungskanals für das durch den Strömungskanal strömende Fluid zunimmt und die Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes dement ^¬ sprechend abnimmt. Analog kann die Schluckfähigkeit erhöht werden, indem die mindestens eine Justierschaufel mit Hilfe der Führungseinrichtung entgegen der Verjüngungsrichtung ver- schoben wird. Somit ist die Schluckfähigkeit des Schaufel ^¬ kranzes vorteilhaft unter der Betätigung der Führungseinrichtung einfach veränderbar. Dies kann beispielsweise vonnöten sein, wenn sich die Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes auf ^¬ grund von Alterung von Komponenten der Axialturbomaschine verändert oder wenn die Schluckfähigkeit an sich ändernde

Rahmenbedingungen, wie beispielsweise ein geänderter Prozessdampfmassenstrom, angepasst werden soll. Weiterhin kann eine Korrektur der Schluckfähigkeit zur Kompensation von Fertigungstoleranzen oder Montagetoleranzen einer neu hergestell- ten Axialturbomaschine durchgeführt werden. Es ist denkbar, dass der Innenring als eine Scheibe ausgebildet ist.

Die Außenfläche und die Innenfläche sind bevorzugt Kegelflä ^¬ chen. Die Außenfläche und die Innenfläche haben alternativ bevorzugt entlang der jeweiligen Mantellinie in jedem Querschnitt senkrecht zur Achse des Strömungskanals segmentweise gleiche Krümmungsradien, so dass beim Verschieben der Justierschaufel die Erstreckungen der Radialspalte zwischen der Justierschaufel und den Flächen konstant bleiben. Dabei ist jeder der Querschnitte der Außenfläche und der Innenfläche bevorzugt senkrecht zur Achse des Strömungskanals jeweils von einem Polygon oder von einer Mehrzahl an unmittelbar benachbart angeordneten Kreissegmenten gebildet. Der Schaufelkranz ist bevorzugt eine Diagonalstufe der Axial ^¬ turbomaschine. Die Diagonalstufe weist vorteilhaft den Strö ^¬ mungskanal auf, der von den beiden Kegelflächen begrenzt ist. Bevorzugtermaßen ist der Schaufelkranz ein Leitschaufelkranz mit fest stehenden, nicht rotierenden Leitschaufeln sowie einer fest stehenden, nicht rotierenden Innenfläche und

Außenfläche . In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schaufelkranz eine Mehrzahl an Schaufeln auf, wobei die Schaufeln alternierend die Justierschaufeln sowie fest an der Außenfläche und/oder an der Innenfläche angebrachte Schaufeln sind. Jede der fest angebrachten Schaufeln ist bevorzugt einstückig zu- sammen mit dem Innenring und dem Außenring oder einstückig zusammen mit einem Segment des Innenrings und einem Segment des Außenrings hergestellt. Somit ergibt sich vorteilhaft eine hohe Steifigkeit des Schaufelkranzes. Dadurch, dass jede zweite Schaufel fest angebracht ist, ergibt sich bei der Fer- tigung des Schaufelkranzes vorteilhaft eine gute Zugänglich ^¬ keit des Schaufelkranzes für ein Fertigungswerkzeug.

Es ist bevorzugt, dass die Führungseinrichtung eine Gleitnut in dem Innenring und/oder in dem Außenring sowie an der Radi- alaußenseite und/oder an der Radialinnenseite der Justier ^¬ schaufel einen Zapfen aufweist, wobei der Zapfen in die

Gleitnut eingreift. Die Führungseinrichtung weist bevorzugt in mindestens einer der Gleitnuten stromab der Hauptströ ^¬ mungsrichtung der Axialturbomaschine einen Anschlag auf, mit dem die Justierschaufel in der vorherbestimmten Position feststellbar ist. Dabei wird die Justierschaufel im Betrieb der Axialturbomaschine durch das in dem Strömungskanal strö ^¬ mende Fluid gegen den Anschlag gedrückt, wodurch die Fest ^¬ stellung der Justierschaufel bewerkstelligt wird. Die Posi- tion der Justierschaufel im Strömungskanal kann beispiels ^¬ weise durch Einbringen eines Abstandsstücks an den Anschlag definiert werden. Das Abstandsstück kann beispielsweise durch Madenschrauben und/oder durch Schweißpunkte an dem Außenring und/oder an dem Innenring fest angebracht werden.

Bevorzugtermaßen ist die Führungseinrichtung derart eingerichtet, dass die mindestens eine Justierschaufel gegen eine andere Justierschaufel austauschbar ist. Somit kann die min- destens eine Justierschaufel gegen die andere Justierschaufel mit anderen aerodynamischen Eigenschaften getauscht werden. Auch eine Anpassung der Schluckfähigkeit kann durch einen geeigneten Tausch durchgeführt werden, indem beispielsweise die andere Justierschaufel ein Profil mit einer kürzeren oder längeren Sehnenlänge hat.

Die erfindungsgemäße Axialturbomaschine weist den erfindungs ^¬ gemäßen Schaufelkranz auf. Die Schluckfähigkeit der Axialtur- bomaschine ist bevorzugt durch die Schluckfähigkeit des

Schaufelkranzes bestimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Justieren der Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes weist folgende Schritte auf: Vorherbestimmen eines Soll-Werts der Schluckfähigkeit des

Schaufelkranzes; Ermitteln des Ist-Werts der Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes; Vergleichen des Soll-Werts der Schluck ^¬ fähigkeit des Schaufelkranzes mit dem Ist-Wert der Schluck ^¬ fähigkeit des Schaufelkranzes; Verschieben der mindestens einen Justierschaufel mittels der Führungseinrichtung paral ^¬ lel zu der Mantellinie derart, dass der Soll-Wert der

Schluckfähigkeit gleich wird mit dem Ist-Wert der Schluck ^¬ fähigkeit; Feststellen der Justierschaufel mit der Führungs ^¬ einrichtung. Wenn die Schluckfähigkeit der Axialturbomaschine durch die Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes definiert ist, kann durch das Verschieben der mindestens einen Justierschaufel die Schluckfähigkeit der Axialturbomaschine verändert werden . Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnung die Erfindung näher erläutert. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Axialturbomaschine mit einer bevor ^¬ zugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaufelkranzes. Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist eine Axialturbo ^¬ maschine 1 ein Gehäuse 22, eine Welle 21 sowie eine Mehrzahl an Schaufelkränzen 11 bis 13 auf. Ein Fluid 25 ist innerhalb des Gehäuses 22 mit einer Hauptströmungsrichtung 17 strömbar. In der Figur sind ein erster Leitschaufelkranz 11, ein Laufschaufelkranz 12 und ein zweiter Leitschaufelkranz 13 dargestellt, die in dieser Reihenfolge in der Hauptströmungsrichtung 17 des Fluids 25 angeordnet sind.

Der erste Leitschaufelkranz 11 weist einen an dem Gehäuse 22 befestigten Außenkegelring 24 mit einer radial nach innen gewandten Kegelaußenfläche 2 und innerhalb des Außenkegelrings 24 einen Innenkegelring 23 mit einer radial nach außen ge- wandten Kegelinnenfläche 3 auf. Die Kegelaußenfläche 2 und die Kegelinnenfläche 3 sind zueinander konzentrisch angeord ^¬ net, haben einen gleichen Kegelwinkel 18, sind in jedem Axialabschnitt parallel zueinander angeordnet und begrenzen einen ringförmigen Strömungskanal 4. Wie es aus der Figur er- sichtlich ist, sind der Innenkegelring 23 und der Außenkegelring 24 Kegelstümpfe. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Innenkegelring 23 seine Kegelspitze mit umfasst.

Die Kegelachsen 26 der Kegelaußenfläche 2 und der Kegelinnen- fläche 3 fallen mit der Wellenachse 27 zusammen. Die Kegel ^¬ flächen 2, 3 sind so orientiert, dass der Außendurchmesser 28 (in der Figur ist der halbe Außendurchmesser 28 gezeigt) des Strömungskanals 4 in der Hauptströmungsrichtung 17 abnimmt. Alternativ sind der Innenkegelring 23 und der Außenkegelring 24 derart modifiziert, dass die Kegelinnenfläche 3 und die Kegelaußenfläche 2 entlang der jeweiligen Mantellinie 6 und entlang der Breite der Justierschaufel 7 in jedem Querschnitt senkrecht zur Welle 21 segmentweise gleiche Krümmungsradien haben, so dass beim Verschieben der Justierschaufel 7 die

Erstreckungen der Radialspalte zwischen der Justierschaufel 7 und den Kegelflächen 2, 3 konstant bleiben. Denkbar ist beispielsweise, dass die Krümmungsradien unendlich groß sind, so dass jeder der Querschnitte der Kegelflächen 2, 3 senkrecht zur Welle 21 jeweils ein Polygon bildet, wobei an jeder der Streckensegmente des Polygons jeweils eine Schaufel angeord ^¬ net ist. Stromab der Hauptströmungsrichtung 17 wird die Länge jeder der Streckensegmente des Polygons kürzer. Ebenso ist denkbar, dass jeder der Querschnitte senkrecht zur Welle 21 aus einer Mehrzahl von Kreissegmenten gebildet ist. Die Krümmungsradien der Kreissegmente können dabei sowohl größer als auch kleiner als die Radien des Strömungskanals 4 sein. Stromab der Hauptströmungsrichtung 17 wird die Erstre- ckung jeder der Kreissegmente kürzer, wohingegen der Krümmungsradius jeweils konstant bleibt. Denkbar sind nicht nur Strecken oder Kreissegmente für die Querschnitte der Kegelflächen 2, 3 sondern auch andere Formen, dessen Querschnitte sich entlang der Mantellinie 6 nicht ändern. Ebenso ist das Vorsehen von unterschiedlichen Formen für die Kegelaußenfläche 2 und die Kegelinnenfläche 3 denk- bar, beispielsweise ein Polygon für die Kegelaußenfläche 2 und Kreissegmente für die Kegelinnenfläche 3.

Innerhalb des Strömungskanals 4 ist eine Justierschaufel 7 angeordnet, die mit ihrer Radialaußenseite 9 an der Kegel- außenfläche 2 und mit ihrer Radialinnenseite 10 an der Kegel ^¬ innenfläche 3 angeordnet ist. Die Justierschaufel 7 weist an ihrer Radialinnenseite 9 und ihrer Radialaußenseite 10 je ^¬ weils einen Zapfen 15 auf, wobei die Zapfen 15 jeweils in eine Gleitnut 14 im Innenkegelring 23 und im Außenkegelring 24 eingreifen. Die Gleitnuten 14 sind zueinander parallel angeordnet und verlaufen jeweils entlang einer Mantellinie 6 der Kegelflächen 2, 3, so dass die Justierschaufel 7 parallel zu den Mantellinien 6 verschiebbar ist. Wird die Justierschaufel 7 in der Hauptströmungsrichtung 17 verschoben, so verringert sich der Abstand in Umfangsrichtung der Justierschaufel 7 zu den ihr im ersten Leitschaufelkranz 11 benachbart angeordneten Schaufeln, wodurch die Versperrung für das Fluid 25 in dem ersten Leitschaufelkranz 11 zunimmt. Durch die zunehmende Versperrung verringert sich die Schluckfähig- keit des ersten Leitschaufelkranzes 11. Umgekehrt kann die

Schluckfähigkeit vergrößert werden, indem die Justierschaufel 7 stromauf der Hauptströmungsrichtung 17 verschoben wird. Der maximal mögliche Verschiebeweg 8 der Justierschaufel 7 ist durch die Länge des Strömungskanals 4 in der Hauptströmungs ^¬ richtung 17 und die Länge der Gleitnuten 14 begrenzt. Zur Veränderung der Schluckfähigkeit ist es ebenso denkbar, dass die Justierschaufel 7 durch eine andere Justierschaufel er- setzt wird, die eine kürzere oder längere Sehnenlänge hat.

Für die Gleitnuten 14 und die Zapfen 15 sind verschiedene Formen denkbar, wie z.B. eine T-Form oder eine schwalbenschwanzartige Form. Die Gleitnut 14 in der Kegelinnenfläche 3 ist in der Hauptströmungsrichtung 17 von einem Anschlag 29 begrenzt, d.h. sie ist nicht bis zu dem stromab liegenden Ende 5 des Strömungskanals 4 geführt, so dass im Betrieb der Axialturbomaschine 1 die Justierschaufel 7 durch die Strömung des Fluids 25 an den Anschlag 29 gedrückt wird. Es ist ebenso möglich, die Gleitnut 14 in der Kegelaußenfläche 2 in der Hauptströmungsrichtung 17 von einem Anschlag zu begrenzen oder beide Gleitnuten 14 von einem Anschlag zu begrenzen. Stromauf der Hauptströmungsrichtung 17 sind die Gleitnuten 14 nicht begrenzt, so dass die Justierschaufel 7 aus dem Strö- mungskanal 4 herausnehmbar und gegen eine andere Justierschaufel tauschbar ist.

Wie es aus der Figur ersichtlicht ist, sind zum Feststellen der Position der Justierschaufel 7 in den Gleitnuten 14 Ab- Standsstücke 16 vorgesehen. Die Abstandsstücke 16 sind sowohl auf der stromab liegenden Seite der Zapfen 15, als auch auf der stromauf liegenden Seite der Zapfen 15 angeordnet. Es ist prinzipiell möglich, keine Abstandsstücke 16 auf der stromauf liegenden Seite vorzusehen, weil die Justierschaufel 7 im Be- trieb gegen die stromab liegenden Abstandsstücke 16 oder gegen das Ende der Gleitnut 14 gedrückt wird. Die für die Justierschaufel 7 minimal mögliche Schluckfähigkeit wird er ^¬ reicht, wenn keine der Abstandsstücke 16 auf der stromab lie ^¬ genden Seite vorgesehen werden.

Es sind alle Schaufeln in dem ersten Laufschaufelkranz 11 als die Justierschaufeln 7 ausgebildet und damit verschiebbar ausgeführt. Alternativ könnten die Schaufeln abwechselnd als die Justierschaufeln 7 ausgebildet und fest an den Kegelflä ^¬ chen 2, 3 angebracht ausgeführt sein. Dabei ist denkbar, dass der Innenkegelring 23, der Außenkegelring 24 und die fest angebrachten Schaufeln aus einem Stück gefertigt sind. Ebenso ist denkbar, dass jeweils eine fest angebrachte Schaufel zu ^¬ sammen mit jeweils einem Segment des Innenkegelrings 23 und des Außenkegelrings 24 aus einem Stück gefertigt ist und so ^¬ mit der erste Leitschaufelkranz 11 aus einer Vielzahl von Segmenten zusammengesetzt ist.

Es ist denkbar, dass die Justierschaufeln 7 für ebenfalls einen Laufschaufelkranz vorgesehen sind. Dabei sind der

Innenkegelring 23 fest mit der Welle 21 verbunden und die Justierschaufel 7 mit ihrer Radialinnenseite 10 verschiebbar an dem Innenkegelring 23 angeordnet. Der Innenkegelring 23 und die Justierschaufel 7 sind somit rotierende Komponenten der Axialturbomaschine 1. Zwischen der Radialaußenseite 9 der verschiebbaren Schaufel 7 und der Kegelaußenfläche 2 könnte ein Spalt vorgesehen sein. Die Justierschaufel 7 könnte eben- falls mit ihrer Radialaußenseite 9 mit dem Außenkegelring 24 in Eingriff stehen. In letzterem Fall wäre der Außenkegelring 24 ebenfalls eine rotierende Komponente.

Das Justieren der Schluckfähigkeit des ersten Leitschaufel- kranzes 11 ist wie folgt durchzuführen: Vorherbestimmen eines Soll-Werts der Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes 11; Er ^¬ mitteln des Ist-Werts der Schluckfähigkeit des Schaufelkran ^¬ zes 11; Vergleichen des Soll-Werts der Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes 11 mit dem Ist-Wert der Schluckfähigkeit des Schaufelkranzes 11; Verschieben der mindestens einen Justier ^¬ schaufel 7 mittels der Führungseinrichtung parallel zu der Mantellinie 6 derart, dass der Soll-Wert der Schluckfähigkeit gleich wird mit dem Ist-Wert der Schluckfähigkeit; Feststel ^¬ len der Justierschaufel 7 mit der Führungseinrichtung.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein- geschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .