DE2847814C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs. Eine derartige Turbine ist durch die DE-AS 10 31 805 bekannt. Hier sind die in Umfangsrichtung verlaufenden parallelen Stege aus dem Schirm herausgedreht und bilden mit diesem ein einheitliches Gehäuse.

In der Praxis hat sich ein Luftspalt von 1% der Schaufellänge zwischen den Spitzen der Schaufeln und dem Schirm als guter Wert erwiesen. Wenn solche Spalte vorhanden sind, besteht für Gase jedoch die Möglichkeit, an der Schaufelspitze vorbei von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der Schaufel mit einer Geschwindigkeit zu fließen, die größer ist als die Rotationsgeschwindigkeit des Schaufelblatts, so daß hierdurch unerwünschte Einflüsse auf das Strömungsbild auf der Niederdruckseite der Schaufel erzeugt werden, die beispielsweise die Ablösung der Gasströmung von der Schaufeloberfläche auf deren Niederdruckseite nachteilig stören. Außerdem ergibt sich durch die Spalte ein gewisser Gasnebenschluß zu den Rotortreibgasen, d. h. die an den Schaufelspitzen vorbeifließenden Gasmengen tragen nichts zur Arbeitsleistung bei. Eine solche nachteilige Nebenschlußströmung an den Schaufelspitzen ist auch bei der Turbine nach der DE-AS 10 31 805 vorhanden.

Durch die DE-AS 10 43 733 ist bereits eine Labyrinthdichtung für gegeneinander bewegliche Maschinenteile bekannt, bei der die eine Fläche glatt ist, während die andere Fläche Dichtungsstege trägt, die bis nahe an die glatte Fläche reichen.

Dabei sind die Dichtungsstege als Wände wabenartig angeordneter Zellen ausgebildet. Die Zellen sind mit einem verhältnismäßig starren Träger verbunden, der an der einen Fläche befestigt ist. Die Zellen bestehen vorzugsweise aus dünnem Blech, das bei Berührung mit der anderen Fläche leicht verformt werden kann. Die Zellenwände können auch gegen die Dichtung des austretenden Strömungsmittels geneigt sein, wodurch eine gute Verwirbelung der Strömung in jedem der Zellenräume bewirkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die parallelen Stege in dem Schirm derart ausgebildet sind, daß an den Spitzen der Schaufeln im wesentlichen eine Umkehrung der Nebenschlußströmung erzielt wird, um dadurch eine partiell wirksame aerodynamische Spaltdichtung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Vielzahl von Schaufeln 1 an einem nicht dargestellten Turbinenrotor. Die Schaufeln 1 besitzen jeweils eine konkave Hochdruckseite und eine konvexe Niederdruckseite und weisen jeweils ein als Spitze 1′ bezeichnetes freies Ende auf. Ein zylindrisches Gehäuse in Form eines stationären Schirms 2 umgibt den Rotor. Der Schirm 2 weist zu den Spitzen 1′ der Schaufeln 1 einen Spalt "x" auf. Dieser Spalt "x" schafft die notwendige Freiheit zwischen Rotor und Schirm, damit sich die Teile, insbesondere die Schaufeln 1, frei ausdehnen können.

Der Schirm 2 ist mit einer Mehrzahl von parallelen Rillen 4 an seiner Innenseite versehen, die durch dünne Stege 6 voneinander getrennt sind. Am Fuß sind die Stege mit einer Abrundung versehen.

Die Rillen 4 sind in einem Winkel R zur Radialebene angeordnet. Der Winkel R kann zwischen -40° und +40° gegen die Radialebene gemessen betragen. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel waren etwa folgende Maße gegeben.

Schaufelsehnenlänge13,7 mm Schaufeldicke an der
Hinterkante0,46 mm Spalt "x"0,355 bis 0,51 mm Rillentiefe3,8 mm Rillenbreite zwischen2 und 3,6 mm Stegdicke0,51 oder 0,76 mm Mittlerer Winkel der Schaufel
gegen die Rotorachse45,3°

Der Winkel der geneigten Rillen 4 oder Stege 6 stellt ein weiteres Mittel dar, um die Strömung in den Rillen zu beeinflussen, um beispielsweise den Strömungskoeffizienten zu ändern.

Die Rillenabmessungen hängen als Funktion von der Größe und der Form der Schaufeln sowie vom Spalt "x" ab. Durch geeignete Wahl der Dicke jedes Steges, des Abstandes zum benachbarten Steg und der Tiefe der Rillen zwischen den Stegen läßt sich erreichen, daß eine Umlenkung der Leckströmung zwischen den Schaufelenden und dem Schirm zustande kommt, die eine Art Stau hervorruft, der wie eine Gasdichtung wirkt.

Zur aerodynamischen Wirkung der Rillen 4 wird folgendes ausgeführt: Dicht an dem stationären Schirm 2 bildet der einlaufende Strom heißer Gase eine Grenzschicht. Die sich bewegenden Schaufeln 1 schneiden kontinuierlich in diese sich langsamer bewegende Grenzschicht ein, was den Effekt der Umkehrung der Nebenschlußströmung an den Spitzen hat, wodurch sich eine partielle aerodynamische Dichtung ergibt. Dieses Phänomen tritt an allen frei endenden Schaufeln 1 auf.

Die Rillen 4, die von den Stegen 6 begrenzt werden, haben die Wirkung, daß diese Grenzschicht relativ dick ist, wodurch die Wirksamkeit der vorerwähnten aerodynamischen Dichtung besonders begünstigt wird. Es steht eine größere Oberfläche zur Verfügung, die durch das Gas im Spitzenbereich der Schaufeln 1 bespült wird. Außerdem wird diese Grenzschicht besser in Richtung auf die zu unterbindende Nebenschlußströmung gerichtet.

Diese Richtung ist jedoch nicht für alle möglichen Turbinenschaufeln 1 gleich, sie hängt vielmehr von den Ein- und Auslaßwinkeln der Schaufel 1 ab.

Es zeigte sich, daß zusätzlich zu den erwähnten Vorteilen für die Schaufelspitzen weniger Reibungsfläche zur Verfügung steht und die Ausführungsart des Schirms besser als Sicherheitsgehäuse für die Schaufeln für den Fall einer etwaigen Loslösung einer Schaufel von der Nabe geeignet ist.

Es zeigte sich weiterhin, daß an den Rotorschaufeln einer Turbine ein Abreißen der Strömung von der Niederdruckfläche im allgemeinen nahe der Schaufelspitze auftritt. Dieses Abreißen tritt wegen der erwähnten Nebenschlußströmung über die Schaufelspitze auf. Die Spitzenbereiche unterschiedlicher Turbinenschaufeln weisen unterschiedliche Oberflächendruckverteilungen auf, worauf auch unterschiedliche Stellen für den Strömungsabriß auftreten, wenn solche Nebenschlußströmungen vorhanden sind. Da die Rillen diese Nebenschlußströmung umleiten und verzögern, hängt der optimale Ort (und die Richtung) der Rillen von der jeweiligen Schaufelgestalt ab. Beispielsweise sind die Rillen im Falle von Turbinenschaufeln, deren Spitze einen großen negativen Druckgradienten nahe der Hinterkante aufweisen, am besten über dem Hinterkantenbereich der Schaufel angeordnet, um das Abreißen der Strömung zu verzögern. Wenn bei einer Schaufel ein negativer Druckgradient nahe der Vorderkante auftritt, dann sollte der Rillenbereich des Schirmes am besten über dem Vorderabschnitt der Schaufeln liegen.

Claims (1)

1. Turbine mit einem stationären Schirm, der einen Rotor mit einer Vielzahl radial wegstehender Schaufeln umgibt, deren Spitzen bis nahe an den Schirm reichen und die im Verhältnis zur Fluidströmung eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite aufweisen, und der Schirm eine Vielzahl von im Abstand zueinander angeordneten, parallel verlaufenden Stegen aufweist, die zwischen sich Vertiefungen im Schirm erzeugen, durch welche Leckströmungen an den Schaufelspitzen vorbei von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der Schaufel aerodynamisch vermindert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (6) im wesentlichen in Umfangsrichtung, jedoch im Winkel ( R ) zwischen -40° und +40° gegen die Radialebene des Rotors geneigte Rillen (4) begrenzen.