Leitschaufelkranz für eine Axialströmungsmaschine und

Verfahren zum Auslegen des Leitschaufelkranzes

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für eine Axialströmungsmaschine, die Axialströmungsmaschine und ein Ver ^¬ fahren zum Auslegen des Leitschaufelkranzes.

In einer Dampfturbine wird zur Erzeugung von Rotationsenergie Wasserdampf entspannt. Die Dampfturbine weist eine Mehrzahl von Stufen auf, wobei jede Stufe einen Leitschaufelkranz mit einer Mehrzahl an Leitschaufeln und einen Laufschaufelkranz mit einer Mehrzahl an Laufschaufein aufweist. Die Laufschaufeln sind an der Welle der Dampfturbine angebracht und rotie ^¬ ren im Betrieb der Dampfturbine, die Leitschaufeln sind an dem Gehäuse der Dampfturbine angebracht und stehen fest. Die Schaufeln können im Betrieb der Dampfturbine zu einer Schwin- gung angeregt werden. Die Schwingung zeichnet sich dadurch aus, dass an den Schaufelfüßen der Schaufeln ein Schwingungsknoten angeordnet ist. Die Spannungsbelastung durch die

Schwingung ist insbesondere an den Schaufelfüßen hoch, so dass es an den Schaufelfüßen zu einer Materialermüdung kommen kann, welche einen kostenintensiven Tausch der Leitschaufeln erforderlich macht.

Zwischen jeweils zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln ist ein Strömungskanal ausgebildet, durch welchen im Betrieb der Dampfturbine der Wasserdampf strömt. Die Geschwindig ^¬ keitsverteilung der Strömung stromab des Leitschaufelkranzes weist im Bereich der Hinterkanten der Leitschaufeln lokale Geschwindigkeitsminima auf, die als Nachlaufdellen bezeichnet werden. Die Nachlaufdellen können die dem Leitschaufelkranz stromab angeordneten Laufschaufein zu der Schwingung anregen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stufe für eine Axialturbomaschine, die Axialturbomaschine mit der Stufe und ein Verfahren zum Auslegen der Stufe zu schaffen, wobei die oben genannten Probleme überwunden sind und die Laufschaufeln der Stufe eine lange Lebensdauer haben. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegen einer Stufe für eine Axialströmungsmaschine aufweisend einen Leitschaufel ^¬ kranz und einen dem Leitschaufelkranz stromab angeordneten Laufschaufelkranz weist folgende Schritte auf: Profilieren eines Leitschaufelkranzes mit regelmäßig über den Umfang des Leitschaufelkranzes angeordneten Leitschaufeln gemäß aerody ^¬ namischer und mechanischer Randbedingungen; Verschieben von mindestens einem Profilschnitt von mindestens einer der Leit ^¬ schaufeln in Umfangsrichtung derart, dass der Teilungswinkel für die mindestens eine Leitschaufel und einer ihr benachbart angeordneten Leitschaufel derart über die Schaufelhöhe vari ^¬ iert, dass im Betrieb der Axialströmungsmaschine die dem Leitschaufelkranz stromab ausgebildete Abströmung derart unregelmäßig über den Umfang der Axialströmungsmaschine aus ^¬ gebildet ist, dass die Schwingungsanregung der Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes gering ist.

Bei der Profilierung werden verschiedene Profilschnitte gemäß der Randbedingungen ausgelegt. Jede Leitschaufel setzt sich aus den Profilschnitten zusammen, wobei jedem Profilschnitt ein Fädelpunkt zugewiesen wird und alle Profilschnitte mit ihren Fädelpunkten auf einer Fädellinie „aufgefädelt" sind. Gemäß der Erfindung erfolgt eine Verschiebung des mindestens einen Profilschnitts, so dass der Fädelpunkt des mindestens einen Profilschnitts nicht mehr auf der ursprünglichen Fädel- linie liegt.

Der Teilungswinkel ist der Winkel zwischen zwei Verbindungs ^¬ linien, die von einem gemeinsamen Punkt auf der Achse der Axialströmungsmaschine ausgehen sowie senkrecht zu der Achse verlaufen und an entsprechenden Punkten auf den Oberflächen der beiden benachbart angeordneten Leitschaufeln enden. Bei den zwei entsprechenden Punkten handelt es sich um zwei

Punkte, die den gleichen radialen Abstand von der Achse der Axialströmungsmaschine haben und jeweils an gleichen Stellen der Leitschaufeln, d.h. beispielsweise ein Punkt entweder auf der Druckseite, auf der Saugseite, auf der Vorderkante oder auf der Hinterkante der jeweiligen Leitschaufel, angeordnet sind. Bei dem Leitschaufelkranz mit regelmäßig über den Umfang angeordneten Leitschaufeln ist der Teilungswinkel der Nominalteilungswinkel 2*Π/η, mit der Kreiszahl Π und n der Anzahl der in dem Leitschaufelkranz angeordneten Leitschaufeln .

Die Laufschaufeln können zwei verschiedenen Anregungsmechanismen für Schwingungen ausgesetzt sein, nämlich einem Flattern und einer erzwungenen Schwingung (englisch: „forced response") . Bei dem Flattern handelt es sich um eine selbster- regte Schwingung, bei der Energie von der Strömung in die

Schwingungen der Laufschaufeln übertragen wird. Das Flattern wird durch kleine Schaufelschwingungen angeregt, die selbst ^¬ verstärkend sein können, so dass die Schaufel mit jeder fol ^¬ genden Schwingungsperiode stärker schwingt. Dies kann zu einem Abriss der Laufschaufeln führen. Dadurch, dass der

Teilungswinkel variiert, ergibt sich bei zwei benachbart an ^¬ geordneten Kanälen ein anderer Umlenkungswinkel der Strömung, wodurch sich die Zuströmung von dem Leitschaufelkranz zu dem Laufschaufelkranz unregelmäßig über den Umfang der Axialströ- mungsmaschine ausbildet. Dadurch ändert sich die Belastung der Laufschaufeln während einer Umdrehung, wodurch das Flattern vorteilhaft vermindert wird.

Die erzwungene Schwingung ergibt sich aufgrund einer periodi- sehen Anregung der Laufschaufeln . Zwischen zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln ist jeweils ein Kanal angeordnet, durch welchen ein Fluid der Axialströmungsmaschine strömbar ist. Die den beiden Kanälen zugeordneten Nachlaufdellen haben durch den sich ändernden Teilungswinkel eine unterschiedliche Form und Umfangslage. Im Betrieb der Axialströmungsmaschine tauchen die stromab angeordneten Laufschaufeln in die Nachlaufdellen ein, wodurch die Laufschaufeln eine instationäre Anströmung erfahren, die zu einer Schwingungsanregung der Laufschaufeln führen kann. Dadurch, dass die Nachlaufdellen über den Umfang inhomogenisiert sind, erfolgt die Schwin ^¬ gungsanregung unperiodisch, wodurch die erzwungenen Schwingungen der Laufschaufeln ebenfalls vorteilhaft schwach sind.

Das Verschieben des mindestens einen Profilschnitts erfolgt bevorzugt auf einem Verschiebeweg, der für jede der beiden benachbart angeordneten Leitschaufeln maximal 10% der Erstre- ckung des Kanals zwischen den beiden Leitschaufeln in Um- fangsrichtung beträgt. Die Profilschnitte werden bevorzugt derart verschoben, dass die Leitschaufel gegen eine ihr be ^¬ nachbart angeordnete Leitschaufel geneigt wird. In diesem Fall variiert der Teilungswinkel linear über die Schaufel ^¬ höhe .

Bevorzugtermaßen werden die Profilschnitte derart verschoben, dass mindestens eine von zwei benachbart angeordneten Leit ^¬ schaufeln gekrümmt ausgeführt wird. Hier variiert der Tei ^¬ lungswinkel nichtlinear über die Schaufelhöhe. Die Leitschau- fein, in denen Profilschnitte verschoben sind, werden bevorzugt symmetrisch um die Achse der Axialströmungsmaschine ver ^¬ teilt angeordnet. Somit ist die stromabwärtige Strömung von dem Leitschaufelkranz symmetrisch. Die Laufschaufeln werden bevorzugt derart ausgelegt, dass keine der Eigenfrequenzen der Laufschaufeln mit der Drehfrequenz der Axialströmungsmaschine oder einem Vielfachen der Drehfrequenz bis einschließlich dem Achtfachen der Drehfrequenz übereinstimmt. Somit ist vorteilhaft sichergestellt, dass es im Betrieb der Axialströmungsmaschine nicht zu einer Kopplung zwischen der Rotation der Axialströmungsmaschine und den Schwingungen der Laufschaufeln kommt. Die Kopplung kann zu einer Vergrößerung eines Energieeintrags von der Strömung in die Schwingungen führen.

Bevorzugtermaßen liegen die Profilschnitte auf einer Zylinderfläche oder einer Kegelfläche, deren Achsen mit der Achse der Axialströmungsmaschine zusammenfallen, auf einer S i-Strö- mungsfläche oder in einer tangentialen Ebene der Axialströ ^¬ mungsmaschine. Die S i-Strömungsflache erstreckt sich in Um- fangsrichtung und in Axialrichtung der Axialströmungsmaschine und beschreibt eine Fläche, der eine idealisierte Strömung folgt. Das Verfahren weist bevorzugt den Schritt auf: Anpas ^¬ sen des mindestens einen Profilschnitts an die nach dem Ver ^¬ schieben geänderten aerodynamischen Randbedingungen.

Die erfindungsgemäße Stufe ist mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren ausgelegt. Die erfindungsgemäße Axialströmungsmaschine weist die Stufe auf, insbesondere als die letzte, stromab liegende Stufe der Axialströmungsmaschine. Die Laufschaufeln in der letzten Stufe der Axialströmungsmaschine sind die Laufschaufeln mit den längsten radialen Erstreckungen in der Axialströmungsmaschine und sind somit besonders anfällig für eine Schwingungsanregung. Eine unperiodische Schwingungsanre ^¬ gung der Laufschaufeln ist damit besonders in der letzten Stufe vorteilhaft. Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stufe anhand der beigefügten schematischen

Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Figuren 1 bis 3 jeweils einen Ausschnitt einer Draufsicht einer der Ausführungsformen eines Leitschaufelkranzes einer erfindungsgemäßen Stufe und

Figur 4 einen Längsschnitt durch die erfindungs- gemäße Stufe.

Wie es aus Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Axial ^¬ strömungsmaschine 1 einen Leitschaufelkranz 2 und ein Gehäuse 7 auf. Der Leitschaufelkranz 2 weist eine Mehrzahl an Leit- schaufeln 3, 4 auf, wobei jede der Leitschaufeln 3, 4 einen Schaufelfuß 5, eine Schaufelspitze 6, eine Druckseite 9 und eine Saugseite 10 aufweist. Jede der Leitschaufeln 3, 4 ist mit ihrer Schaufelspitze 6 an dem Gehäuse und mit ihrem Schaufelfuß 5 an einem Nabenring 8 fest angebracht. Zwischen zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln 3, 4 ist ein Kanal 14 ausgebildet, in dem ein Arbeitsfluid strömbar ist. Darge ^¬ stellt ist in Figuren 1 bis 3 jeweils die Hinterkante der Leitschaufeln 3, 4.

In Figur 3 ist beispielhaft ein Teilungswinkel 13 der Axial ^¬ strömungsmaschine 1 dargestellt. An den beiden benachbart an ^¬ geordneten Leitschaufeln 3, 4 ist jeweils ein Oberflächen- punkt 15 auf den Hinterkanten der Leitschaufeln 3, 4 dargestellt. Die beiden Oberflächenpunkte 15 haben dabei den glei ^¬ chen Abstand zu der Achse 11 der Axialströmungsmaschine 1. Ebenso sind in Figur 3 zwei Verbindungslinien 16 gezeigt, die jeweils von den beiden Oberflächenpunkten 15 ausgehen, senk- recht zu der Achse 11 der Axialströmungsmaschine 1 verlaufen und jeweils auf demselben Punkt auf der Achse 11 der Axial ^¬ strömungsmaschine 1 enden. Die beiden Verbindungslinien 16 schließen den Teilungswinkel 13 ein. In Figuren 1 bis 3 ist der Leitschaufelkranz 2 vor einem Verschieben von mindestens einem Profilschnitt und nach dem Verschieben des mindestens einen Profilschnitts dargestellt. Ge ^¬ zeigt sind in den Figuren 1 bis 3 Leitschaufeln 3 vor dem Verschieben (durchgezogene Linien) und Leitschaufeln 4 nach dem Verschieben (gestrichelte Linien) . Die Leitschaufeln 3 zeichnen sich dadurch aus, dass sie für jede Leitschaufel 3 und für jeden Oberflächenpunkt 15 den gleichen Teilungswinkel 13 aufweisen, nämlich den Nominalteilungswinkel 12. Der Nomi- nalteilungswinkel 12 ergibt sich zu 2*Π/η, wobei n die Anzahl der Leitschaufeln 3 in dem Leitschaufelkranz 2 und Π die Kreiszahl ist.

In Figur 1 sind die Profilschnitte derart verschoben, dass die Leitschaufeln 4 im Vergleich zu den Leitschaufeln 3 ge- neigt sind. Dabei weist der Leitschaufelkranz 2 nach dem Verschieben jeweils gleiche Paare von benachbart angeordneten Leitschaufeln 4 auf. Die Paare zeichnen sich dadurch aus, dass der Schaufelfuß 5 der einen Leitschaufel 4 des Paars in eine Umfangsrichtung des Leitschaufelkranzes 2 und die Schau ^¬ felspitze 6 in die andere Umfangsrichtung verschoben ist, die der einen Umfangsrichtung entgegen gerichtet ist. Die andere Leitschaufel 4 des Paars wird entgegen der einen Leitschaufel 4 des Paars geneigt, d.h. der Schaufelfuß 5 der anderen Leit ^¬ schaufel 4 des Paars wird in die andere Umfangsrichtung ver ^¬ schoben und die Schaufelspitze 6 der anderen Leitschaufel 4 wird in die eine Umfangsrichtung verschoben. Die so angeordneten Leitschaufeln 4 führen zu einer linearen Variation des Teilungswinkels 13 über die Schaufelhöhe, d.h. in Abhängig ^¬ keit des radialen Abstands von der Achse 11 der Axialströ ^¬ mungsmaschine 1. In Figur 1 ist der Leitschaufelkranz 2 vollständig durch die gleichen Paare gebildet. Es ist ebenso denkbar, dass der Leitschaufelkranz 2 abwechselnd von den Paaren und von den Leitschaufeln 3 ohne verschobene Profil ^¬ schnitte gebildet ist. Dabei können jeweils zwischen zwei Paaren eine Leitschaufel 3 oder eine Mehrzahl an Leitschau ^¬ feln 3 vorgesehen werden, wobei die Störung der aeroelasti- schen Kopplung effektiver ist, wenn nur eine Leitschaufel 3 vorgesehen wird.

Der Leitschaufelkranz 2 aus Figur 2 weist ebenfalls Paare von Leitschaufeln 4 auf. Die Leitschaufeln 4 der Paare sind derart gekrümmt, dass die Leitschaufeln 4 einen Bauch aufweisen. Dabei weist eine Leitschaufel 4 des Paars einen Bauch in die eine Umfangsrichtung und die andere Leitschaufel 4 des Paars einen Bauch in die andere Umfangsrichtung auf. Es ist ebenso denkbar, dass die Leitschaufeln 4 eine Mehrzahl an Bäuchen aufweisen, die entweder auf der gleichen Seite der Leitschau- fein 3 in Umfangsrichtung oder auf beiden Seiten der Leitschaufeln 4 in Umfangsrichtung angeordnet sind. Weiterhin ist es möglich, die Form des Bauches von Leitschaufel 4 zu Leit ^¬ schaufel 4 zu variieren, um die aerolastische Kopplung besonders effektiv zu stören. Indem die Leitschaufeln 4 gekrümmt ausgeführt sind, variiert der Teilungswinkel 13 nichtlinear über die Schaufelhöhe. Auch in Figur 2 ist der Leitschaufel ^¬ kranz 2 vollständig aus den Paaren gebildet und auch hier ist denkbar, dass zwischen zwei Paare eine oder eine Mehrzahl an Leitschaufeln 3 angeordnet ist. Ebenso ist denkbar, dass ab ^¬ wechselnd eine gekrümmt ausgeführte Leitschaufel 4 und eine Leitschaufel 3 angeordnet sind. In Figur 3 ist jede zweite der Leitschaufeln 3, 4 in dem

Leitschaufelkranz 2 im Vergleich zu den entsprechenden Leitschaufeln 3 geneigt. Die derart geneigten Leitschaufeln 4 sind mit ihren Schaufelfüßen 5 abwechselnd in die eine Um- fangsrichtung respektive in die andere Umfangsrichtung und mit ihren Schaufelspitzen 6 abwechselnd in die andere Um- fangsrichtung respektive in die eine Umfangsrichtung verschoben. In den Figuren 1 bis 3 betragen die Abweichungen der Leitschaufeln 4 gegenüber den Leitschaufeln 3 maximal 10% der verfügbaren Erstreckung der Kanäle 14 in Umfangsrichtung . Die Abweichungen werden erhalten, in dem Profilschnitte der Leitschaufeln 3 in Umfangsrichtung verschoben werden. Die Profilschnitte der Leitschaufeln 3 können dabei auf einer um die Achse 11 symmetrischen Zylinderfläche oder Kegelfläche, in einer tangentialen Ebene der Axialströmungsmaschine 1 oder auf einer S i-Strömungsfläche liegen.

In Figur 4 ist ein Längsschnitt durch die Axialströmungs ^¬ maschine 1 mit einer Hauptströmungsrichtung 21 und mit der erfindungsgemäßen Stufe 22 dargestellt. Die Stufe 22 weist den Leitschaufelkranz 2 und einen stromab von dem Leitschaufelkranz 2 angeordneten Laufschaufelkranz 20 auf. Gezeigt sind jeweils eine Leitschaufel 18 und eine Laufschaufel 19. Ebenfalls dargestellt ist eine Nabe 17, die sich im Betrieb der Axialströmungsmaschine 1 um die Achse 11 dreht. Die Leit- schaufei 18 ist an dem Gehäuse 7, die Laufschaufel 19 an der Nabe 17 angebracht. Im Betrieb der Axialströmungsmaschine 1 bildet sich stromab des Leitschaufelkranzes 2 eine Strömung mit einer inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung aus. Dadurch ändert sich die Belastung der Laufschaufein 19 während einer Umdrehung, wodurch ein Flattern der Laufschaufein 19 vorteilhaft vermindert wird. Das Verfahren zum Auslegen einer Stufe 22 für eine Axialströmungsmaschine 1 aufweisend einen Leitschaufelkranz 2 und einen dem Leitschaufelkranz 2 stromab angeordneten Laufschaufelkranz 20 ist bevorzugt wie folgt durchzuführen: Profilie- ren eines Leitschaufelkranzes 2 mit regelmäßig über den Um ^¬ fang des Leitschaufelkranzes 2 angeordneten Leitschaufeln 3 gemäß aerodynamischer und mechanischer Randbedingungen; Verschieben von mindestens einem Profilschnitt von mindestens einer der Leitschaufeln 3 in Umfangsrichtung derart, dass der Teilungswinkel 13 für die mindestens eine Leitschaufel 4 und einer ihr benachbart angeordneten Leitschaufel 4 derart über die Schaufelhöhe variiert, dass im Betrieb der Axialströ ^¬ mungsmaschine 1 die dem Leitschaufelkranz 2 stromab ausgebil ^¬ dete Abströmung derart unregelmäßig über den Umfang der Axi- alströmungsmaschine ausgebildet ist, dass die Schwingungsan ^¬ regung der Laufschaufeln 19 des Laufschaufelkranzes 20 gering ist; Anpassen des mindestens einen Profilschnitts an die nach dem Verschieben geänderten aerodynamischen Randbedingungen. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.