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EP1571298A1 - Schaufel für eine Strömungsmaschine und Strömungsmaschine - Google Patents

Schaufel für eine Strömungsmaschine und Strömungsmaschine Download PDF

Info

Publication number
EP1571298A1
EP1571298A1 EP04004893A EP04004893A EP1571298A1 EP 1571298 A1 EP1571298 A1 EP 1571298A1 EP 04004893 A EP04004893 A EP 04004893A EP 04004893 A EP04004893 A EP 04004893A EP 1571298 A1 EP1571298 A1 EP 1571298A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
platform
adjustable
turbomachine
platforms
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04004893A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Menke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP04004893A priority Critical patent/EP1571298A1/de
Priority to PCT/EP2005/001649 priority patent/WO2005085601A1/de
Publication of EP1571298A1 publication Critical patent/EP1571298A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/143—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path the shiftable member being a wall, or part thereof of a radial diffuser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line

Definitions

  • the invention relates to a blade with an upper platform and a lower platform and one between them arranged airfoil for adjusting a flow cross-section through a turbomachine. Furthermore it concerns the invention is a turbomachine with such Shovel.
  • turbomachines z. B. turbocharger, compressor, Gas turbines generally become a fixed operating point designed so that they are at a predetermined Rated load to achieve the highest efficiency.
  • the the Turbomachine defining design parameters, such as Mass flow, rated power, absorption capacity, maximum possible Turbine inlet temperature, turbine pressure ratio and compressor pressure ratio and more, will be during the planning the turbomachine set. Then the Components calculated according to the parameters and in a fixed Body shape made.
  • the relevant components are replaced.
  • the new components differ in shape and Size mostly small compared to the original built-in and then effect the desired change of said Parameter. It is also conceivable that an operator of the machine a lower than originally planned net output achieve for a certain period of time and why would like to change the operating point of the machine to over this period the machine with improved efficiency to operate.
  • the invention is therefore based on the object, a particularly simply designed blade to change the efficiency and indicate the power output of the turbomachine. Furthermore, this is a particularly simple designed Turbomachine and a method for operating the Specify turbomachine.
  • the first object is achieved by a scoop with an upper platform and a lower one Platform and an airfoil arranged between them, wherein for setting a variable inflow area in Area of the airfoil at least one of the platforms is designed adjustable.
  • the invention is based on the consideration that a variable adjustment of a flow cross-section at a Turbomachine be possible in a simple manner should.
  • a scoop is provided indicate which, at least in a partial region of the airfoil adapted to change their inflow is.
  • the blade has at least one Platform - an upper and / or a lower platform - on, which is adjustable. An enlargement of the Flow cross section usually leads to an increase in performance.
  • the inflow area formed in the area of the blade leaf in the length increases or decreases.
  • the bucket can be adjusted symmetrically become.
  • only one of the Platforms or both are adjusted asymmetrically.
  • Prefers is the location of at least one of the platforms in one Range from 5 mm to 10 mm, in particular from 5 mm to 7 mm or from 7 mm to 9 mm, adjustable. The can both platforms symmetrical or separated from each other become.
  • the upper platform may or may and / or the lower platform adjustable about a rotation axis be arranged.
  • the end in the Platforms arranged airfoil rotated about its longitudinal axis, so that the flow cross section changes.
  • the blade is about the axis of rotation in one area rotated by +/- 10 ° of the so-called crest angle.
  • the upper one is or is Platform and / or the lower platform each with a adjustably arranged U-shaped profile, z. B. a U-shaped Ring, provided.
  • the U-shaped profile is in the art a lid placed on the platform in question, so that the legs or the circumferential ring the platform outer wall surrounds.
  • a Opening, in particular a slot, for receiving the associated End of the blade provided in the bridge of the U-shaped profile.
  • the respective platform is fixed to the turbomachine arranged, with the U-shaped profile in vertical Direction opposite the platform separately adjustable is arranged.
  • the U-shaped Profile to be arranged adjustable about a rotation axis.
  • the upper platform and / or the lower platform each with an associated adjustment Mistake.
  • the adjusting device integrated into the respective platform. This is the Adjustment to immediate temperature and Flow stresses arranged sufficiently safe.
  • Prefers is the adjustment as an actuator, as a spring element or formed as a hydraulic element. It is the platform itself or the u-shaped profile using the Adjustment device stepless or in steps in vertical Direction or about the axis of rotation movable.
  • the respective platform is advantageously with at least one opening for supplying a cooling medium in one between the respective platform and the associated one Profile formed cavity.
  • a plurality of annularly arranged to form a wave Blades a row of blades, in particular a row of vanes.
  • the guide vane row are the upper and radial outer platforms and the lower and radially inner Platforms each have an associated adjusting ring in Radial direction of the shaft formed adjustable.
  • the adjusting rings are symmetrically movable.
  • the blade is in a turbomachine for Setting a variable flow cross section used.
  • the blade for adjustment serve the swallowing capacity in a turbomachine.
  • the task directed to the methods is characterized by the features of claim 17 solved.
  • the advantages achieved by the invention are in particular in that by a shovel with adjustable platforms in a particularly simple manner, the flow cross-section a turbomachine during operation of these changeable is.
  • the respective blade in particular its blade and / or their platforms
  • the adjusting device by means of the adjusting device be brought into a desired position, the one Operating requirements corresponding flow cross-section, in particular the minimum flow cross-section of the flow path, causes.
  • the bucket during operation the turbomachine adjusted, in particular twisted become. It can be a larger operating area, even in the Part load range, with optimized efficiency and optimized Performance to be driven.
  • a refilling is safely avoided by blades.
  • the blade 1 shows a blade 1 with an upper platform 2a and a lower platform 2b and arranged between them Blade sheet 4.
  • the blade 1 is part, for example a blade row of a turbomachine, not shown, z. B. a compressor, a gas turbine.
  • a variable flow cross section Qs of Turbomachine in the region of the airfoil 4 is at least one of the platforms 2a or 2b adjustable. With the adjustment of the platforms changes at the same time the inflow surface of the airfoil that can be flown by the hot gas.
  • the platforms 2a or 2b are both Platforms 2a and 2b made adjustable.
  • je According to the type and function of the bucket 1, only one of the Platforms 2a and 2b be designed adjustable.
  • the platform in question is 2a or 2b in the vertical direction along the arrow P1 arranged adjustable.
  • the two platforms 2a and 2b are symmetrical and synchronous to the adjustment of the flow cross section Qs moves.
  • the respective platform 2a or 2b are moved separately.
  • the two platforms 2a and 2b about a rotation axis D in particular about the longitudinal axis of Shovel 1, adjustable.
  • the two Platforms 2a and 2b moved symmetrically and synchronously.
  • Rotation of the blade 1 about the axis of rotation D becomes the airfoil 4, which end to the respective platform 2a or 2b is arranged, rotated, so that the flow cross-section Qs changes along the arrow P3.
  • each platform 2a, 2b one or more adjusting devices 6 may be provided.
  • the respective adjusting device 6 is as an actuator, spring element or hydraulic Element formed.
  • the nature and structure of the Adjustment 6 are significantly determined by the shape the relevant blade 1, in particular of their platforms 2a, 2b, and the airfoil 4. Preferred is the adjustment 6 integrated into the respective platform 2a, 2b.
  • the respective platform 2a, 2b with an adjustable arranged U-shaped profile 8a and 8b provided.
  • the respective U-shaped profile 8a, 8b, z. B. a U-shaped ring is, like the platform 2a, 2b itself, in the vertical direction adjustable along the arrow P1 and / or about the axis of rotation D, so that the flow cross-section Qs along the Arrows P2 or P3 changes accordingly.
  • FIG. 2 shows, by way of example, a cross-section through a blade 1 with the parameters characterizing it, such as depression angle ⁇ s , minimum principal axis of inertia ⁇ , maximum principal axis of inertia ⁇ , direction of axial velocity a, direction of circumferential velocity u, shear center Q and center of gravity S.
  • the platforms 2a and 2b or the associated u-shaped Profiles 8a and 8b become the intermediate airfoil 4 also rotated around the area concerned, so that resulting from the position of the airfoil Flow cross section Qs changes.
  • the platforms 2a and 2b and the associated U-shaped profiles 8a and 8b respectively in one Range from -2.5 mm to +2.5 mm compared to a middle one Basic adjustment adjustable, so that both adjustable Platforms your distance to each other on an order of magnitude from 0-10 mm.
  • the blade 1 in area 14 between the respective platform 2a or 2b and the associated profile 8a and 8b with a sealing element 12 be provided.
  • the blade 1, in particular the respective platform 2a, 2b, with at least one Opening 14 for supplying a cooling medium in between the relevant platform 2a or 2b and the associated Profile 8a and 8b formed cavity H be provided.
  • a cooling medium for example, cold air is used.
  • the above-described blade 1 with an adjustable inflow surface by the adjustment of the platforms 2a, 2b and / or the profiles 8a, 8b in the vertical direction or in order a rotation axis is preferably suitable for turbomachines and their adjustment of the swallowing capacity.
  • the absorption capacity of a gas turbine is thereby of the smallest flow cross-section Qs determines which in the flow path the mass flow of the gas turbine is located.
  • the flow path The mass flow is the path in which the sucked Air through the compressor and in the one to one Hot gas burned fuel-compressor air mixture in the Turbine flows, with the smallest flow cross section of Flow path is usually in the region of the guide vane ring the first turbine stage is located.
  • the guide vanes have the first turbine stage, the adjustment of the platforms 2b, 2a on, leaving the gas turbine in different operating range operated with optimized efficiency and optimized performance can be. This adjustment can be unique the operation of the gas turbine and / or during operation be made.
  • the vanes of subsequent turbine stages in particular those of the second Turbine stage to equip with adjustable platforms.
  • FIG. 3 shows a cross section through a blade row R with a plurality of radially arranged to a shaft blades 1 a not shown turbomachine with a flow cross-section Qs.
  • the respective blade 1 is over the lower platform 2b is arranged on the fastening ring 16.
  • the upper platform 2a and the lower platform 2b are respectively provided with the U-shaped profile 8a and 8b.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Erfindungsgemäß ist eine Schaufel (1) mit einer oberen Plattform (2a) und einer unteren Plattform (2b) und einem zwischen diesen angeordneten Schaufelblatt (4) vorgesehen, wobei zur Einstellung eines variablen Strömungsquerschnitts (Qs) im Bereich des Schaufelblatts (4) mindestens eine der Plattformen (2a, 2b) verstellbar ausgebildet ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel mit einer oberen Plattform und einer unteren Plattform und einem zwischen diesen angeordneten Schaufelblatt zur Einstellung eines Strömungsquerschnitts durch eine Strömungsmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Schaufel.
Herkömmliche Strömungsmaschinen, z. B. Turbolader, Verdichter, Gasturbinen werden im Allgemeinen für einen festen Betriebspunkt konstruiert, so dass sie bei einer vorbestimmten Nenn-Belastung den höchsten Wirkungsgrad erzielen. Die die Strömungsmaschine definierenden Konstruktionsparameter, wie Massenstrom, Nenn-Leistung, Schluckvermögen, maximal mögliche Turbineneintrittstemperatur, Turbinendruckverhältnis und Verdichterdruckverhältnis und weitere, werden während der Planung der Strömungsmaschine festgelegt. Daraufhin werden die Bauteile gemäß der Parameter berechnet und in einer festen Körperform hergestellt.
Um die Maschine an neue Anforderungen des Betreibers, wie z.B. eine größere Nenn-Leistung oder einen besseren Wirkungsgrad anzupassen, werden die dazu relevanten Bauteile ausgetauscht. Die neuen Bauteile unterscheiden sich in Form und Größe meist geringfügig gegenüber den ursprünglich eingebauten und bewirken dann die gewünschte Änderung der genannten Parameter. Auch denkbar ist, dass ein Betreiber der Maschine eine geringere als ursprünglich geplante Netto-Leistungsabgabe für einen bestimmten Zeitraum erzielen und darum den Betriebspunkt der Maschine verändern möchte, um über diesen Zeitraum die Maschine mit verbessertem Wirkungsgrad zu betreiben.
Darüber hinaus kann beim Betrieb der Strömungsmaschine diese Aufgrund der tatsächlichen Leistungsanforderung entgegen ihrer Dimensionierung im Teillastbetrieb betrieben werden. Die Leistungsausbeute ist dann nicht mehr optimal und der Wirkungsgrad verringert sich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfach ausgestaltete Schaufel zur Änderung des Wirkungsgrades und der Leistungsabgabe der Strömungsmaschine anzugeben. Des Weiteren ist dazu eine besonders einfach ausgestaltete Strömungsmaschine und ein Verfahren zum Betreiben der Strömungsmaschine anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaufel mit einer oberen Plattform und einer unteren Plattform und einem zwischen diesen angeordneten Schaufelblatt, wobei zur Einstellung einer variablen Anströmfläche im Bereich des Schaufelblatts mindestens eine der Plattformen verstellbar ausgebildet ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine variable Einstellung eines Strömungsquerschnitts bei einer Strömungsmaschine in einfacher Art und Weise möglich sein sollte. Durch die Änderung der Anströmfläche eines Schaufelblatts wird mit dem Strömungsquerschnitt einer Strömungsmaschine auch der Strömungsquerschnitt eines Schaufelringes verändert, durch den das Heißgas strömt. Dabei sollte der Austausch von Schaufeln mit unterschiedlichen Körperformen sicher vermieden werden. Daher ist vorgesehen, eine Schaufel anzugeben, welche zumindest in einem Teilbereich des Schaufelblattes zur Änderung ihrer Anströmfläche entsprechend ausgebildet ist. Hierzu weist die Schaufel mindestens eine Plattform - eine obere und/oder eine untere Plattform - auf, welche verstellbar ausgebildet ist. Eine Vergrößerung des Strömungsquerschnitts führt dabei in der Regel zu einer Leistungssteigerung.
Vorzugsweise sind bzw. ist die obere Plattform und/oder die untere Plattform in vertikaler Richtung, entlang der Längsachse des Schaufelblatts, verstellbar angeordnet. Durch Veränderung der Position mindestens einer der Plattformen wird die im Bereich des Schaufelblatts gebildete Anströmfläche in der Länge vergrößert bzw. verkleinert. Je nach Ausführungsform der Schaufel können beide Plattformen symmetrisch verstellt werden. Alternativ kann bzw. können nur eine der Plattformen oder beide asymmetrisch verstellt werden. Bevorzugt ist die Position mindestens einer der Plattformen in einem Bereich von 5 mm bis 10 mm, insbesondere von 5 mm bis 7 mm oder von 7 mm bis 9 mm, verstellbar. Dabei können die beiden Plattformen symmetrisch oder getrennt voneinander verstellt werden.
Alternativ oder zusätzlich können bzw. kann die obere Plattform und/oder die untere Plattform um eine Drehachse verstellbar angeordnet sein. Hierdurch wird das endseitig in den Plattformen angeordnete Schaufelblatt um seine Längsachse gedreht, so dass sich der Strömungsquerschnitt ändert. Bevorzugt wird das Schaufelblatt um die Drehachse in einem Bereich von +/-10° des so genannten Stafflungswinkel gedreht. Durch die Veränderung der Schaufelblattstellung kann ein optimaler Wirkungsgrad eingestellt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind bzw. ist die obere Plattform und/oder die untere Plattform jeweils mit einem verstellbar angeordneten u-förmigen Profil, z. B. einem u-förmigen Ring, versehen. Das u-förmige Profil wird in der Art eines Deckels auf die betreffende Plattform aufgesetzt, so dass die Schenkel oder der umlaufende Ring die Plattform-Außenwandung umgibt. Im Steg des u-förmigen Profils ist eine Öffnung, insbesondere ein Schlitz, zur Aufnahme des zugehörigen Schaufelblattendes vorgesehen.
Vorzugsweise ist die jeweilige Plattform fest an der Strömungsmaschine angeordnet, wobei das u-förmige Profil in vertikaler Richtung gegenüber der Plattform separat verstellbar angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das u-förmige Profil um eine Drehachse verstellbar angeordnet sein. Durch die um die Drehachse verstellbare Anordnung der Plattform wird beim Drehen des u-förmigen Profils das im Profil angeordnete Schaufelblatt um seine Längsachse mitgedreht, so dass sich der Strömungsquerschnitt ändert.
Zweckmäßigerweise sind bzw. ist die obere Plattform und/oder die untere Plattform jeweils mit einer zugehörigen Verstelleinrichtung versehen. Vorzugsweise ist die Verstelleinrichtung in die jeweilige Plattform integriert. Hierdurch ist die Verstelleinrichtung gegenüber unmittelbaren Temperatur- und Strömungsbeanspruchungen hinreichend sicher angeordnet. Bevorzugt ist die Verstelleinrichtung als Aktuator, als Federelement oder als hydraulisches Element ausgebildet. Dabei ist die Plattform selbst oder das u-förmige Profil mittels der Verstelleinrichtung stufenlos oder in Stufen in vertikaler Richtung oder um die Drehachse bewegbar.
Damit kein heißes Strömungsmedium in einen zwischen der jeweiligen Plattform und dem Profil gebildeten Hohlraum einströmt, ist vorzugsweise jeweils ein Dichtungselement zwischen der Plattform und dem Profil sowie im Bereich der Öffnung zur Aufnahme des zugehörigen Schaufelblattendes vorgesehen.
Je nach Art und Aufbau kann die Schaufel zusätzlich gekühlt sein. Dabei ist die jeweilige Plattform vorteilhafterweise mit mindestens einer Öffnung zur Zuführung eines Kühlmediums in einem zwischen der jeweiligen Plattform und dem zugehörigen Profil gebildeten Hohlraum versehen.
Vorzugsweise bilden mehrere kranzförmig zu einer Welle angeordnete Schaufeln eine Schaufelreihe, insbesondere eine Leitschaufelreihe. Zur Einstellung des variablen Strömungsquerschnitts der Leitschaufelreihe sind die oberen bzw. radial äußeren Plattformen und die unteren bzw. radial inneren Plattformen jeweils über einen zugehörigen Verstellring in Radialrichtung der Welle verstellbar ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind die Verstellringe symmetrisch bewegbar.
Bevorzugt wird die Schaufel bei einer Strömungsmaschine zur Einstellung eines variablen Strömungsquerschnitts verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann die Schaufel zur Einstellung des Schluckvermögens bei einer Strömungsmaschine dienen.
Die auf die Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 17 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine Schaufel mit verstellbaren Plattformen in besonders einfacher Art und Weise der Strömungsquerschnitt einer Strömungsmaschine beim Betrieb dieser veränderbar ist. Je nach Betriebsanforderung bzw. -belastung kann die jeweilige Schaufel, insbesondere deren Schaufelblatt und/oder deren Plattformen, mittels der Verstelleinrichtung in eine gewünschte Stellung gebracht werden, die einen den Betriebsanforderungen entsprechenden Strömungsquerschnitt, insbesondere den minimalen Strömungsquerschnitt des Strömungspfads, bewirkt. Dies führt zu einem möglichst guten Turbinendruckverhältnis bzw. Verdichterdruckverhältnis, das wiederum einen hinreichend guten Wirkungsgrad und Leistungsgewinn zur Folge hat. Zudem kann die Schaufel während des Betriebs der Strömungsmaschine verstellt, insbesondere verdreht, werden. Es kann ein größerer Betriebsbereich, auch im Teillastbereich, mit optimiertem Wirkungsgrad und optimierter Leistung gefahren werden. Darüber hinaus ist ein Neugießen von Schaufeln sicher vermieden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1
schematisch eine Schaufel mit einer oberen und unteren Plattform und einem dazwischen angeordneten Schaufelblatt,
FIG 2
schematisch einen Querschnitt durch eine Schaufel mit diese kennzeichnenden Parametern, und
FIG 3
schematisch einen Querschnitt durch eine Schaufelreihe und den diese kennzeichnenden Strömungsquerschnitt einer Strömungsmaschine.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt eine Schaufel 1 mit einer oberen Plattform 2a und einer unteren Plattform 2b und einem zwischen diesen angeordneten Schaufelblatt 4. Die Schaufel 1 ist beispielsweise Teil einer Schaufelreihe einer nicht näher dargestellten Strömungsmaschine, z. B. eines Verdichters, einer Gasturbine.
Zur Einstellung eines variablen Strömungsquerschnitts Qs der Strömungsmaschine im Bereich des Schaufelblatts 4 ist mindestens eine der Plattformen 2a oder 2b verstellbar ausgebildet. Mit der Verstellung der Plattformen verändert sich zugleich die von dem Heißgas anströmbare Anströmfläche des Schaufelblatts. Im Ausführungsbeispiel nach der FIG 1 sind beide Plattformen 2a und 2b verstellbar ausgeführt. Alternativ, je nach Art und Funktion der Schaufel 1, kann nur eine der Plattformen 2a bzw. 2b verstellbar ausgebildet sein.
In einer möglichen Ausführungsform ist die betreffende Plattform 2a oder 2b in vertikaler Richtung entlang des Pfeils P1 verstellbar angeordnet. Durch Verstellen einer oder beider Plattformen 2a bzw. 2b entlang des Pfeils P1 wird die Anströmfläche des Schaufelblatts 4 in vertikaler Richtung entlang des Pfeils P2 verkleinert bzw. vergrößert. Je nach Art und Ausbildung werden die beiden Plattformen 2a und 2b symmetrisch und synchron zur Verstellung des Strömungsquerschnitts Qs bewegt. Alternativ kann die jeweilige Plattform 2a oder 2b separat bewegt werden.
Alternativ oder zusätzlich sind die beiden Plattformen 2a und 2b um eine Drehachse D, insbesondere um die Längsachse der Schaufel 1, verstellbar angeordnet. Hierbei werden die beiden Plattformen 2a und 2b symmetrisch und synchron bewegt. Durch Drehung der Schaufel 1 um die Drehachse D wird das Schaufelblatt 4, welches endseitig an der jeweiligen Plattform 2a bzw. 2b angeordnet ist, gedreht, so dass sich der Strömungsquerschnitt Qs entlang des Pfeils P3 ändert.
Zur Änderung des Strömungsquerschnitts Qs durch Verstellung der Position mindestens einer der Plattformen 2a und/oder 2b sind diese jeweils mit einer Verstelleinrichtung 6 versehen. Je nach Schaufelart und -funktion können je Plattform 2a, 2b eine oder mehrere Verstelleinrichtungen 6 vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel nach der FIG 1 sind je Plattform 2a, 2b zwei Verstelleinrichtung 6 vorgesehen. Die jeweilige Verstelleinrichtung 6 ist als Aktuator, Federelement oder hydraulisches Element ausgebildet. Die Art und der Aufbau der Verstelleinrichtung 6 sind maßgeblich bestimmt von der Form der betreffenden Schaufel 1, insbesondere von deren Plattformen 2a, 2b, und des Schaufelblatts 4. Bevorzugt ist die Verstelleinrichtung 6 in die jeweilige Plattform 2a, 2b integriert.
In einer alternativen Ausführungsform, wie in der FIG 1 gezeigt, ist die jeweilige Plattform 2a, 2b mit einem verstellbar angeordneten u-förmigen Profil 8a bzw. 8b versehen. Das jeweilige u-förmige Profil 8a, 8b, z. B. ein u-förmiger Ring, ist, wie die Plattform 2a, 2b selbst, in vertikaler Richtung entlang des Pfeils P1 und/oder um die Drehachse D verstellbar, so dass sich der Strömungsquerschnitt Qs entlang der Pfeile P2 bzw. P3 entsprechend ändert.
Die Plattformen 2a und 2b bzw. die zugehörigen u-förmigen Profile 8a bzw. 8b können dabei um die Drehachse in einem Bereich von +/-10° des so genannten Stafflungswinkels βs gedreht werden. In FIG 2 ist beispielhaft ein Querschnitt durch eine Schaufel 1 mit den diese kennzeichnenden Parametern, wie Stafflungswinkel βs, minimale Hauptträgheitsachse ξ, maximale Hauptträgheitsachse η, Richtung der Axialgeschwindigkeit a, Richtung der Umfangsgeschwindigkeit u, Schubmittelpunkt Q und Schwerpunkt S, dargestellt.
Durch Drehen, insbesondere symmetrisches und synchrones Drehen, der Plattformen 2a und 2b oder der zugehörigen u-förmigen Profile 8a und 8b wird das dazwischenliegende Schaufelblatt 4 ebenfalls um den betreffenden Bereich gedreht, so dass sich der durch die Stellung des Schaufelblattes ergebende Strömungsquerschnitt Qs ändert. In vertikaler Richtung entlang des Pfeils P1 sind die Plattformen 2a und 2b bzw. die zugehörigen u-förmigen Profile 8a bzw. 8b jeweils in einem Bereich von -2,5 mm bis +2,5 mm gegenüber einer mittleren Grundeinstellung verstellbar, so dass beide verstellbaren Plattformen Ihren Abstand zueinander in einer Größenordnung von 0-10 mm verändern können.
Zum Schutz vor heißen Gasen ist bzw. sind die jeweilige Plattform 2a, 2b oder/und das jeweilige Profil 8a, 8b im Bereich einer Aufnahme 10 für das Schaufelblatt 4 mit einem Dichtungselement 12 versehen. Zusätzlich kann die Schaufel 1 im Bereich 14 zwischen der jeweiligen Plattform 2a oder 2b und dem zugehörigen Profil 8a bzw. 8b mit einem Dichtungselement 12 versehen sein. Des Weiteren kann die Schaufel 1, insbesondere die jeweilige Plattform 2a, 2b, mit mindestens einer Öffnung 14 zur Zuführung eines Kühlmediums in einen zwischen der betreffenden Plattform 2a oder 2b und dem zugehörigen Profil 8a bzw. 8b gebildeten Hohlraum H versehen sein. Als Kühlmedium dient beispielsweise kalte Luft.
Die oben beschriebene Schaufel 1 mit einer einstellbaren Anströmfläche durch die Verstellung der Plattformen 2a, 2b und/oder der Profile 8a, 8b in vertikaler Richtung oder um eine Drehachse eignet sich bevorzugt für Strömungsmaschinen und deren Einstellung des Schluckvermögens.
Das Schluckvermögen einer Gasturbine wird dabei von dem kleinsten Strömungsquerschnitt Qs bestimmt, welcher im Strömungspfad des Massenstroms der Gasturbine liegt. Der Strömungspfad des Massenstroms ist dabei der Pfad, in dem die angesaugte Luft durch den Verdichter und in dem das zu einem Heißgas verbrannte Brennstoff-Verdichterluft-Gemisch in der Turbine strömt, wobei der kleinste Strömungsquerschnitt des Strömungspfades sich zumeist im Bereich des Leitschaufelrings der ersten Turbinenstufe befindet. Zur Einstellung des Schluckvermögens, mit dem auch der im Verdichter sich aufbauende Druck eingestellt wird, weisen die Leitschaufeln der ersten Turbinenstufe die Verstellung der Plattformen 2b, 2a auf, so dass die Gasturbine in verschiedenen Betriebsbereich mit optimiertem Wirkungsgrad und optimierter Leistung betrieben werden kann. Diese Verstellung kann dabei einmalig vor den Betrieb der Gasturbine und/oder auch während des Betriebs vorgenommen werden.
Je nach Auslegung der einzelnen Turbinenstufen und je nach den modifizierten Anforderungen an die Gasturbine ist es auch vorstellbar, zusätzlich oder alternativ die Leitschaufeln der nachfolgenden Turbinenstufen, insbesondere die der zweiten Turbinenstufe, mit verstellbaren Plattformen auszustatten.
FIG 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaufelreihe R mit mehreren radial zu einer Welle angeordneten Schaufeln 1 einer nicht näher dargestellten Strömungsmaschine mit einem Strömungsquerschnitt Qs. Die jeweilige Schaufel 1 ist über die untere Plattform 2b an dem Befestigungsring 16 angeordnet. Die obere Plattform 2a und die untere Plattform 2b sind jeweils mit dem u-förmigen Profil 8a bzw. 8b versehen. Für eine symmetrische Verstellung aller Schaufeln 1 einer Schaufelreihe R, insbesondere für eine symmetrische Verdrehung der den Strömungsquerschnitt Qs ändernden u-förmigen Profile 8a und 8b, sind diese jeweils über einen Verstellring 18a bzw. 18b gemeinsam verstellbar. D.h. alle u-förmigen Profile 8a der äußeren oder oberen Plattform 2a sind über den gemeinsamen Verstellring 18a und alle u-förmigen Profile 8b der inneren oder unteren Plattform 2b sind über den gemeinsamen Verstellring 18b in ihrer Position hinsichtlich der Einstellung des Stafflungswinkels βs des Schaufelblatts veränderbar. Dabei werden der Verstellring 18a und der Verstellring 18b ebenfalls symmetrisch entlang ihrer Verschieberichtung 19 bewegt.

Claims (17)

  1. Schaufel (1) mit einer oberen Plattform (2a) und einer unteren Plattform (2b) und einem zwischen diesen angeordneten Schaufelblatt (4), wobei zur Einstellung einer variablen Anströmfläche des Schaufelblatts (4) mindestens eine der Plattformen (2a, 2b) verstellbar ausgebildet ist.
  2. Schaufel nach Anspruch 1, bei der die obere Plattform (2a) und/oder die untere Plattform (2b) in vertikaler Richtung verstellbar angeordnet sind bzw. ist.
  3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, bei der die obere Plattform (2a) und/oder die untere Plattform (2b) um eine Drehachse (D) verstellbar angeordnet sind bzw. ist.
  4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die obere Plattform (2a) und/oder die untere Plattform (2b) jeweils mit einem verstellbar angeordneten u-förmigen Profil (8a, 8b) versehen sind bzw. ist.
  5. Schaufel nach Anspruch 4, bei der das u-förmige Profil (8a, 8b) in vertikaler Richtung verstellbar angeordnet ist.
  6. Schaufel nach Anspruch 4 oder 5, bei das u-förmige Profil (8a, 8b) um eine Drehachse (D) verstellbar angeordnet ist.
  7. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die obere Plattform (2a) und/oder die untere Plattform (2b) jeweils mit einer zugehörigen Verstelleinrichtung (6) versehen sind bzw. ist.
  8. Schaufel nach Anspruch 7, bei der die Verstelleinrichtung (6) in die jeweilige Plattform (2a, 2b) integriert ist.
  9. Schaufel nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Verstelleinrichtung (6) als Aktuator, als Federelement oder als hydraulisches Element ausgebildet ist.
  10. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die jeweilige Plattform (2a, 2b) im Bereich einer Aufnahme (10) für das Schaufelblatt (4) mit einem Dichtungselement (12) versehen ist.
  11. Schaufel nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei der die jeweilige Plattform (2a, 2b) mit mindestens einer Öffnung (14) zur Zuführung eines Kühlmediums in einem zwischen der jeweiligen Plattform (2a, 2b) und dem zugehörigen u-förmigen Profil (8a, 8b) gebildeten Hohlraum (H) versehen ist.
  12. Schaufelreihe (R) mit mehreren radial zu einer Welle (16) angeordneten Schaufeln (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die obere Plattform (2a) und die untere Plattform (2b) jeweils über einen zugehörigen Verstellring (18a, 18b) zur Einstellung eines variablen Strömungsquerschnitt (Qs) im Bereich des Schaufelblatts (4) verstellbar ausgebildet sind.
  13. Schaufelreihe nach Anspruch 12, bei der die Verstellringe (18a, 18b) symmetrisch bewegbar sind.
  14. Strömungsmaschine mit einer Schaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Einstellung eines variablen Strömungsquerschnitts (Qs).
  15. Strömungsmaschine mit einer Schaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Einstellung des Schluckvermögens.
  16. Strömungsmaschine mit einer Schaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der Leitschaufelring der ersten Turbinenstufe die Schaufel (1) mit verstellbaren Plattformen aufweist.
  17. Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, bei der in Abhängigkeit von der benötigten Last der minimale Strömungsquerschnitt des Strömungspfads des Massenstromes mittels verstellbarer Plattformen der Leitschaufeln der ersten Turbinenstufe eingestellt wird.
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