CH704001A1

CH704001A1 - Guide vane arrangement for use between housing/cylinder and rotor casing of axial compressor, has guide vanes resiliently arranged with its bases at housing/cylinder in guide vane longitudinal direction

Info

Publication number: CH704001A1
Application number: CH01771/10A
Authority: CH
Inventors: Marco Micheli; Wolfgang Kappis; Erik Peter Boldt
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-04-30

Abstract

The arrangement has guide vanes (7) resiliently arranged with its bases (8) at a housing/cylinder (4) in a guide vane longitudinal direction. The bases are arranged in a channel (9) that is arranged in the housing/cylinder. The channel has edges comprising undercuts cooperating with analog undercuts at edges of the bases. A form closure formed by the cooperating undercuts is formed with a clearance in the longitudinal direction. Spring elements (10) i.e. disk springs, are arranged between bottom of the channel and a side of the bases and formed with resiliently expandable C-profile.

Description

Technisches GebietTechnical area

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelanordnung zwischen zwei einen Strömungsweg eines Fluides begrenzenden, relativ stationären Wänden einer Strömungsmaschine, insbesondere Axialkompressor, mit bei instationären Betriebszuständen veränderlichem Abstand der Wände voneinander. The invention relates to a vane arrangement between two a flow path of a fluid limiting, relatively stationary walls of a turbomachine, in particular axial compressor, with variable at unsteady operating conditions distance of the walls from each other.

Stand der TechnikState of the art

[0002] Die Leitschaufeln einer Strömungsmaschine sind regelmässig an ihrem fussseitigen Ende an einem Gehäuseteil bzw. einem stationären Teil der Strömungsmaschine verankert oder befestigt. Das fussferne Ende der Leitschaufeln erstreckt sich bis in die unmittelbare Nähe einer der fussseitigen Wand gegenüberliegenden Wand, wobei ein möglichst schmaler Spalt zwischen dieser Wand und dem zugewandten Ende der Leitschaufel gegeben sein soll, um unerwünschte Bypassströme des Fluides zu vermeiden. Soweit die Leitschaufeln mit ihren freien Enden einem rotierenden Teil der Strömungsmaschine, insbesondere der Rotorachse, benachbart sind, soll durch den genannten Spalt auch zerstörerische Reibung zwischen der Leitschaufelspitze und dem rotierenden Teil vermieden werden. The vanes of a turbomachine are regularly anchored or fixed at its foot-side end to a housing part or a stationary part of the turbomachine. The fussferne end of the vanes extends into the immediate vicinity of a wall opposite the wall footing, with the smallest possible gap between this wall and the facing end of the vane should be given to avoid unwanted bypass flows of the fluid. As far as the vanes with their free ends a rotating part of the turbomachine, in particular the rotor axis, are adjacent, destructive friction between the vane tip and the rotating part to be avoided by said gap.

[0003] Bei Axialkompressoren sind die eingangsseitigen und die ausgangsseitigen Leitschaufeln jeweils zwischen zueinander stationären Teilen, beispielsweise dem Gehäuse des Kompressors und einer Rotorabdeckung, vorgesehen. Hier können Probleme durch thermische Effekte auftreten. Während an der Eingangsseite regelmässig geringe und weitestgehend überall gleiche Temperaturen vorliegen, können an der Ausgangsseite zwischen den den Strömungsweg begrenzenden Wänden am Leitschaufelfuss und den Wänden an der Leitschaufelspitze während instationärer Betriebsphasen erhebliche Temperaturdifferenzen auftreten. Die damit verbundenen Abstandsänderungen zwischen den den Strömungsweg begrenzenden Wänden liegen im Millimeterbereich. Deshalb wurden bislang an den Spitzen der Leitschaufeln an der Ausgangsseite von Axialkompressoren unerwünscht grosse Spalte zwischen Leitschaufelspitze und benachbarter Wand vorgesehen, mit der Folge, dass die Strömungsdynamik durch unerwünscht grosse Bypassströmungen beeinträchtigt wurde. In axial compressors, the input-side and the output-side guide vanes are each provided between mutually stationary parts, for example, the housing of the compressor and a rotor cover. Here problems can occur due to thermal effects. While there are regularly low and largely the same temperatures everywhere on the input side, significant temperature differences can occur on the output side between the walls delimiting the flow path at the vane root and the walls at the vane tip during transient operating phases. The associated distance changes between the walls bounding the flow path are in the millimeter range. Therefore, hitherto undesirably large gaps between the vane tip and the adjacent wall have been provided at the tips of the guide vanes on the output side of axial compressors, with the result that the flow dynamics have been adversely affected by undesirably large bypass flows.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

[0004] Hier setzt nun die Erfindung an, das heisst die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine möglichst optimale Strömungsdynamik zu gewährleisten. Here is where the invention, that is, the object of the invention is to ensure the best possible flow dynamics.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Leitschaufeln jeweils mit ihrem Fuss in der fussseitigen Wand des Strömungsweges in Schaufellängsrichtung federbar angeordnet sind. This object is achieved according to the invention in that the vanes are each spring-mounted with their feet in the foot-side wall of the flow path in the blade longitudinal direction.

[0006] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest vorübergehend einen mechanischen Kontakt zwischen den Leitschaufelspitzen und der benachbarten stationären Wand zuzulassen. Hier wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass bei einer Leitschaufelanordnung zwischen relativ stationären Wänden zwischen den Leitschaufelspitzen und der benachbarten Wand im Falle einer Berührung keine zerstörerische Reibung auftreten kann. Damit kann, abweichend von bisherigen Konstruktionsprinzipien, langfristig oder zumindest vorübergehend zugelassen werden, dass die Leitschaufelspitzen und die benachbarte Wand einander berühren. The invention is based on the general idea, at least temporarily, to allow mechanical contact between the vane tips and the adjacent stationary wall. Here, the knowledge is exploited that in a vane arrangement between relatively stationary walls between the vane tips and the adjacent wall in the event of contact no destructive friction can occur. Thus, in deviation from previous design principles, long-term or at least temporary permissible that the vane tips and the adjacent wall touch each other.

[0007] Ein solcher Zustand wird gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nur kurzfristig bei instationären Betriebszuständen der Strömungsmaschine, etwa in der Anlaufphase oder der Auslaufphase, auftreten. Such a state is according to a preferred embodiment of the invention only briefly in unsteady operating conditions of the turbomachine, such as in the start-up phase or the phase-out, occur.

[0008] Die Erfindung bietet des Weiteren den Vorteil, dass gegenüber bisherigen Leitschaufelanordnungen zwischen stationären Wänden nur geringfügige konstruktive Abänderungen vorgenommen werden müssen. The invention also offers the advantage that compared to previous vane arrangements between stationary walls only minor structural changes must be made.

[0009] So kann die fussseitige Wand des Strömungsweges in herkömmlicher Weise segmentiert aufgebaut sein, derart, dass der Leitschaufelfuss jeweils mit Formschluss zwischen Nachbarsegmenten der fussseitigen Wand angeordnet ist. Beispielsweise können die Flanken des Leitschaufelfusses in herkömmlicher Weise hinterschnittene Flanken aufweisen, in die die vorgenannten Segmente mit entsprechend profilierten Flanken eingreifen. Indem nun dieser Eingriff mit einem Spiel in Leitschaufellängsrichtung ausgebildet wird, wird eine Beweglichkeit der Leitschaufel in ihrer Längsrichtung ermöglicht. Durch eine den Leitschaufelfuss beaufschlagende Federanordnung wird dann der Leitschaufelfuss in eine Endlage gespannt, die einerseits durch die Bemessung des vorgenannten Bewegungsspiels des Leitschaufelfusses zwischen den Wandsegmenten und andererseits dadurch vorgegeben werden kann, dass die Leitschaufelspitze gegen die benachbarte Wand des Strömungsweges stösst. Thus, the foot-side wall of the flow path can be constructed segmented in a conventional manner, such that the guide blade foot is arranged in each case with positive locking between adjacent segments of the foot-side wall. For example, the flanks of the guide blade root may in a conventional manner have undercut flanks into which the aforementioned segments engage with correspondingly profiled flanks. By now this engagement is formed with a game in Leitschaufellängsrichtung, a mobility of the vane in its longitudinal direction is made possible. By means of a spring arrangement acting on the vane foot, the vane root is then tensioned into an end position, which can be predetermined on the one hand by the design of the above-mentioned motion play of the vane root between the wall segments and on the other hand by the fact that the vane tip abuts against the adjacent wall of the flow path.

[0010] Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird. Incidentally, reference is made with regard to preferred features of the invention to the claims and the following explanation of the drawing, on the basis of a preferred embodiment of the invention will be described in more detail.

[0011] Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht. Protection is claimed not only for specified or illustrated feature combinations, but also for any combination of the specified or illustrated individual features in principle.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[0012] In der Zeichnung zeigt <tb>Fig. 1<sep>einen schematisierten Längsschnitt eines auslassseitigen Bereiches eines Axialkompressors, und <tb>Fig. 2<sep>einen ausschnittsweisen Längsschnitt des Strömungsweges im Bereich der auslassseitig letzten Leitschaufeln.In the drawing shows <Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic longitudinal section of an outlet side region of an axial compressor, and <Tb> FIG. 2 <sep> is a partial longitudinal section of the flow path in the region of the outlet side last vanes.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

[0013] Gemäss Fig. 1 besitzt ein Axialkompressor in grundsätzlich bekannter Weise einen Rotor 1 mit daran angeordneten Laufschaufeln 2, die jeweils zwischen stationären Leitschaufeln 3 umlaufen, welche ihrerseits am Innenumfang eines zum Rotor 1 konzentrischen Gehäuses bzw. Zylinders 4 angeordnet sind. 1 has an axial compressor in a basically known manner a rotor 1 with arranged thereon blades 2, each circulating between stationary vanes 3, which in turn are arranged on the inner circumference of a concentric to the rotor 1 housing or cylinder 4.

[0014] Am ausgangsseitigen Ende des Axialkompressors ist der Rotor 1 innerhalb einer stationären Ummantelung 5 angeordnet, deren Aussenumfang dem Innenumfang des Gehäuses 4 zugewandt ist und gemeinsam mit dem Gehäuse 4 den im Querschnitt ringförmigen Ausgangskanal 6 des Kompressors begrenzt. Die in Strömungsrichtung axial letzte Leitschaufelreihe 7 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, zwischen dem Gehäuse 4 und der Ummantelung 5 vorgesehen. At the output end of the axial compressor, the rotor 1 is disposed within a stationary casing 5, the outer periphery facing the inner periphery of the housing 4 and limited together with the housing 4 the annular cross-section output channel 6 of the compressor. The axially last in the flow direction Leitschaufelreihe 7, as shown in Fig. 1, between the housing 4 and the casing 5 is provided.

[0015] Alle Leitschaufeln 3 und 7 sind mit ihrem fussseitigen Ende am Gehäuse 4 befestigt bzw. verankert, und die fussfernen Leitschaufelspitzen sind vom Rotor 1 bzw. von der Rotorummantelung 5 jeweils durch schmale Spalte beabstandet. Die Spaltbreite sollte möglichst minimal bemessen sein, um eine unerwünschte Bypassströmung des den Kompressor durchsetzenden Fluides innerhalb der Spalte zu vermeiden. Andererseits muss gewährleistet, dass die Spitzen der Leitschaufeln 3 keinerlei Berührung mit dem schnell rotierenden Rotor 1 haben. Ein ähnlich schmaler Spalt ist auch zwischen den Spitzen der ausgangsseitigen Leitschaufeln 7 und der Rotorummantelung 5 vorgesehen. All vanes 3 and 7 are fastened or anchored with its foot-side end to the housing 4, and the fussfernen vanes are spaced from the rotor 1 and the rotor casing 5 respectively by narrow gaps. The gap width should be as minimal as possible in order to avoid undesired bypass flow of the compressor passing through the fluid within the column. On the other hand, it must be ensured that the tips of the guide vanes 3 have no contact whatsoever with the rapidly rotating rotor 1. A similarly narrow gap is also provided between the tips of the output side vanes 7 and the rotor shell 5.

[0016] Bei instationären Betriebsphasen des Axialkompressors, insbesondere in der Startphase und bei Beendigung des Kompressorbetriebes treten am Kompressorausgang hohe Temperaturdifferenzen auf, mit der Folge, dass sich die Abstände zwischen der Innenumfangswand des Gehäuses 4 und der Aussenumfangswand der Rotorummantelung 5 vorübergehend deutlich verändern können, wobei diese Veränderungen im Millimeterbereich liegen. Hier ist nun erfindungsgemäss vorgesehen, zumindest während der instationären Betriebsphasen einen Kontakt zwischen den Spitzen der Leitschaufeln 7 und der benachbarten Rotorummantelung 5 zuzulassen. Da die Rotorummantelung 5 relativ zum Gehäuse bzw. Zylinder 4 stationär angeordnet ist, braucht bei einem derartigen Kontakt keine zerstörerische Reibung zwischen den Spitzen der Leitschaufeln 7 und der Rotorummantelung 5 befürchtet zu werden. Um andererseits die bei einem derartigen Kontakt in Schaufellängsrichtung auftretenden Schubkräfte zu begrenzen und damit einhergehende Beschädigungen der Leitschaufeln 7 bzw. der Rotorummantelung 5 zu verhindern, ist erfindungsgemäss vorgesehen, die Leitschaufeln 7 mit federbar in der fussseitigen Wand des Strömungsweges angeordnetem Leitschaufelfuss anzuordnen. In transient operating phases of the axial compressor, especially in the starting phase and at the end of the compressor operation occur at the compressor outlet high temperature differences, with the result that the distances between the inner peripheral wall of the housing 4 and the outer peripheral wall of the rotor casing 5 can change significantly significantly, these changes are in the millimeter range. Here, according to the invention, it is provided to permit a contact between the tips of the guide vanes 7 and the adjacent rotor sheathing 5, at least during the transient operating phases. Since the rotor casing 5 is arranged stationary relative to the housing or cylinder 4, no destructive friction between the tips of the guide vanes 7 and the rotor casing 5 need be feared in such a contact. On the other hand, in order to limit the thrust forces occurring in such a contact in the blade longitudinal direction and to prevent concomitant damage to the vanes 7 and the rotor shell 5, the invention provides to arrange the vanes 7 with leitbar arranged in the foot-side wall of the flow path Leitschaufelfuss.

[0017] Gemäss Fig. 2 besitzt jede Leitschaufel 7 einen Fuss 8, der formschlüssig in einem quer zur Strömungsrichtung des Strömungsweges erstreckten Kanal 9 angeordnet ist. Dieser Kanal 9 besitzt Flanken mit in Kanallängsrichtung erstreckten Stegen, die in seitliche Nuten an den zugewandten Flanken des Leitschaufelfusses 8 eingreifen. Dabei ist die Breite der genannten Nuten grösser bemessen als die Breite der vorgenannten Stege, so dass der Leitschaufelfuss 8 in Längsrichtung der Leitschaufel 7 ein mehr oder weniger grosses Bewegungsspiel aufweist. Durch Federelemente 10, die zwischen dem Boden des Kanals 9 und der dem Boden zugewandten Seite des Leitschaufelfusses 8 angeordnet sind, werden der Fuss 8 und damit die Leitschaufel 7 in Fig. 2 nach abwärts in Richtung der Ummantelung 5 des Rotors 1 gespannt. 2, each vane 7 has a foot 8, which is arranged in a form-fitting manner in a transversely to the flow direction of the flow path extending channel 9. This channel 9 has flanks with bars extending in the channel longitudinal direction, which engage in lateral grooves on the facing flanks of the guide blade root 8. The width of said grooves is dimensioned larger than the width of the aforementioned webs, so that the guide blade root 8 in the longitudinal direction of the guide vane 7 has a more or less large play of movement. By spring elements 10, which are arranged between the bottom of the channel 9 and the ground-facing side of the guide blade root 8, the foot 8 and thus the guide vane 7 in Fig. 2 are stretched downwards in the direction of the jacket 5 of the rotor 1.

[0018] Wenn nun in ausgeprägt instationären Betriebsphasen, etwa der Startphase des Axialkompressors, starke Temperaturdifferenzen zwischen Gehäuse 4 und Ummantelung 5 auftreten, mit der Folge, dass sich der Abstand zwischen Gehäuse 4 und Ummantelung 5 im Vergleich zur Längsabmessung der Leitschaufel 7 deutlich vermindert, kann der Fall auftreten, dass die der Ummantelung 5 zugewandte Spitze der Leitschaufel 7 gegen die Ummantelung 5 stösst. Aufgrund der vorgenannten Federelemente 10 können dann auf die Leitschaufel 7 zerstörerisch einwirkende Schubkräfte vermieden werden, denn ggf. kann die Leitschaufel 7 gegen die Kraft der Federelemente 10 mit ihrem Fuss 8 in den Kanal 9 einsinken. Bei thermisch stationären Betriebszuständen stellt sich zwischen der Leitschaufelspitze und der Ummantelung 5 des Rotors 1 ein geringer Spalt ein, und der Leitschaufelfuss 8 wird durch die Federelemente 10 in eine Endlage gespannt, die durch anschlagartiges Zusammenwirken zwischen den Stegen an den Flanken des Kanals und den die Stege aufnehmenden Nuten des Leitschaufelfusses 8 vorgegeben wird. If now occur in pronounced transient operating phases, such as the starting phase of the axial compressor, strong temperature differences between the housing 4 and casing 5, with the result that the distance between the housing 4 and casing 5 compared to the longitudinal dimension of the vane 7 is significantly reduced, may occur that the sheath 5 facing the tip of the vane 7 abuts against the sheath 5. Due to the aforementioned spring elements 10 can then be applied to the guide vane 7 destructive acting shear forces, because possibly the vane 7 against the force of the spring elements 10 with its foot 8 sink into the channel 9. In thermally stationary operating conditions, a small gap between the vane tip and the casing 5 of the rotor 1, and the guide blade root 8 is stretched by the spring elements 10 in an end position, the stop-like interaction between the webs on the flanks of the channel and the Webs receiving grooves of the guide blade root 8 is specified.

[0019] Das Federelement 10 kann nach Art einer Tellerfeder ausgebildet sein. Gegebenenfalls können die Federelemente 10 auch mit C-förmigem Profil ausgebildet sein, wobei sich das C-Profil federnd zu spreizen sucht, so dass Spreizfedern gebildet werden. The spring element 10 may be formed in the manner of a plate spring. Optionally, the spring elements 10 may also be formed with a C-shaped profile, wherein the C-profile is trying to spread resiliently, so that spreading springs are formed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

[0020] <tb>1<sep>Rotor <tb>2<sep>Laufschaufeln <tb>3<sep>Leitschaufeln <tb>4<sep>Gehäuse/Zylinder <tb>5<sep>Ummantelung <tb>6<sep>Ausgangskanal <tb>7<sep>letzte Leitschaufeln <tb>8<sep>Fuss <tb>9<sep>Kanal <tb>10<sep>Federelemente[0020] <Tb> 1 <sep> Rotor <Tb> 2 <sep> blades <Tb> 3 <sep> vanes <Tb> 4 <sep> housing / cylinder <Tb> 5 <sep> coating <Tb> 6 <sep> output channel <tb> 7 <sep> last vanes <Tb> 8 <sep> foot <Tb> 9 <sep> Channel <Tb> 10 <sep> spring elements

Claims

1. vane arrangement between two a flow path of a fluid limiting, relatively stationary walls of a turbomachine, in particular axial compressor, with at unsteady operating conditions variable distance of the walls from each other, characterized in that the guide vanes (7) with their feet (8) on the associated wall ( 4) are arranged springably in Leitschaufellängsrichtung.

2. vane arrangement according to claim 1, characterized in that the Leitschaufelfüsse (8) in a in the associated wall (4) arranged channel (9) are arranged, whose flanks have undercuts, which with analogous undercuts on the facing flanks of the feet (8 ) cooperate, wherein the form-fitting formed by the cooperating undercuts with game in Leitschaufellängsrichtung is formed.

3. vane assembly according to claim 1 or 2, characterized in that between the bottom of the channel (9) and the facing side of the feet (8) spring elements (10) are arranged, which push the feet (8) out of the channel (9) search.

4. vane assembly according to claim 3, characterized in that the spring elements are formed with elastically aufspreizbarem C-profile.

5. vane assembly according to claim 3, characterized in that the spring elements are formed in the manner of disc springs.