CH701542B1 - System zur Abstandssteuerung in einer Rotationsmaschine. - Google Patents

Abstract

Ein System enthält ein Turbinengehäuse (98) mit einem ersten Haken (100), der für eine Vereinigung mit einem zweiten Haken (104) konfiguriert ist, um ein Turbinendeckband (38) um mehrere Turbinenschaufeln (36) herum zu unterstützen. Das Turbinengehäuse (98) enthält einen Kühlmittelkreislauf, der dafür konfiguriert ist, den Abstand zwischen dem Turbinendeckband (38) und den Turbinenschaufeln (36) auf der Basis eines Kühlmittelstroms durch den Kühlkreislauf einzustellen. Der Kühlmittelkreislauf enthält mehrere sich in den ersten Haken (100) erstreckende erste radiale Kühlmittelkanäle (166, 168).

Description

[0001] Der hierin offengelegte Erfindungsgegenstand betrifft ein System mit einer Turbinenkühlbaugruppe für eine Rotationsmaschine zur Steuerung des Abstandes zwischen einer stationären Komponente und einer Rotationskomponente einer Rotationsmaschine.

[0002] In bestimmten Anwendungen kann ein Abstand zwischen Komponenten vorliegen, die sich in Bezug zueinander bewegen. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen rotierenden und stationären Komponenten in einer Rotationsmaschine wie z.B. einem Verdichter, einer Turbine oder dergleichen vorliegen. Der Abstand kann während des Betriebs der Rotationsmaschine aufgrund von Temperaturänderungen oder anderen Faktoren zunehmen oder abnehmen. Wie man erkennen kann, kann ein kleinerer Abstand Leistung und Wirkungsgrad in einem Verdichter oder einer Turbine verbessern, da weniger Fluid zwischen Laufschaufeln und einem umgebenden Deckmantel austritt. Ein kleinerer Abstand erhöht jedoch auch die Möglichkeit des Auftretens eines Reibzustands. Die Betriebsbedingungen beeinflussen ebenfalls die Möglichkeit eines Reibzustandsauftritts. Beispielsweise kann die Möglichkeit des Auftretens eines Reibungszustands während Übergangszuständen zunehmen, und während stabiler Zustandsbedingungen abnehmen. Leider steuern bestehende Systeme den Abstand in Rotationsmaschinen nicht in angemessener Weise.

[0003] Der nachfolgenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, ein System zu schaffen zur Steuerung des Abstands zwischen einer stationären Komponente und einer Rotationskomponente einer Rotationsmaschine. Ein System gemäss Anspruch 1 weist eine Turbinenkühlbaugruppe auf mit einem ersten Kühlmitteleinsatz, der für eine Befestigung in einer ersten Aussparung in einem Turbinenbereich konfiguriert ist. Der erste Kühlmitteleinsatz enthält mehrere erste radiale Kühlmittelkanäle. Die Turbinenkühlbaugruppe enthält ferner einen zweiten Kühlmitteleinsatz, der für eine Befestigung in einer gegenüber der ersten Aussparung axial versetzten zweiten Aussparung in dem Turbinenbereich konfiguriert ist. Der zweite Kühlmitteleinsatz enthält mehrere zweite radiale Kühlmittelkanäle.

[0004] Zusätzlich enthält die Turbinenkühlbaugruppe ein Verbindungsteil, das für eine Befestigung an dem Turbinenbereich zwischen den ersten und zweiten Kühlmitteleinsätzen konfiguriert ist, wobei das Verbindungsteil wenigstens einen axialen Kühlmittelkanal enthält, der mit den mehreren ersten radialen Kühlmittelkanälen und den mehreren zweiten radialen Kühlmittelkanälen verbunden ist, wobei eine Abstandssteuerung vorgesehen ist, die für eine Veränderung des Abstands im Turbinenbereich mittels Zwangskonvektionskühlung im wenigstens einen axialen Kühlmittelkanal und in den mehreren ersten und zweiten radialen Kühlmittelkanälen konfiguriert ist.

[0005] Ein System gemäss Anspruch 8 weist einen Turbinenkühlmitteleinsatz auf, der für eine Befestigung in einer Aussparung in einem Turbinengehäuse konfiguriert ist, das ein Deckband um mehrere Turbinenlaufschaufeln herum unterstützt, wobei der Turbinenkühlmitteleinsatz mehrere radiale Kühlmittelkanäle enthält, die dafür konfiguriert sind, sich radial in einen Deckbandhaken des Turbinengehäuses zu erstrecken. Der Turbinenkühlmitteleinsatz ist ferner dafür konfiguriert, den Abstand zwischen dem Deckband und den Turbinenlaufschaufeln auf der Basis eines Kühlmittelstroms durch den Turbinenkühlmitteleinsatz anzupassen.

[0006] In noch einer weiteren Ausführungsform enthält ein System ein Turbinengehäuse mit einem ersten Haken, der für eine Vereinigung mit einem zweiten Haken zum Unterstützen eines Turbinendeckbandes um mehrere Turbinenlaufschaufeln herum konfiguriert ist. Das Turbinengehäuse enthält einen Kühlmittelkreislauf, der dafür konfiguriert ist, einen Abstand zwischen dem Turbinendeckband und den Turbinenlaufschaufeln auf der Basis eines Kühlmittelstroms durch den Kühlkreislauf anzupassen. Der Kühlmittelkreislauf enthält mehrere erste radiale sich in den ersten Haken erstreckende Kühlmittelkanäle.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0007] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:

[0008] Fig. 1 eine Darstellung ist, die ein System veranschaulicht, das ein Gasturbinentriebwerk mit Abstands-Steuerungseinrichtungen gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Technik enthält;

[0009] Fig. 2 eine Schnittseitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Turbinensystems gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Technik ist;

[0010] Fig. 3 ein axialer Teilquerschnitt der Turbine von Fig. 1 entlang einer bogenförmigen Linie 3-3 von Fig. 2 ist und eine Ausführungsform eines Turbinengehäuses mit Kühlmittelkanälen zur Abstandssteuerung veranschaulicht;

[0011] Fig. 4 eine perspektivische Teilexplosionsansicht des Turbinengehäuses von Fig. 3 ist, die die Baugruppe von Kühlmitteleinsätzen und einem Verbindungsteil darstellt, die mehrere radiale und axiale Kühlmittelkanäle gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Technik definiert;

[0012] Fig. 5 ein radialer Teilquerschnitt des Turbinengehäuses von Fig. 3 entlang einer Schnittlinie 5-5 ist und einen Abschnitt eines Kühlmitteleinsatzes mit mehreren radialen Kühlmittelkanälen gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt;

[0013] Fig. 6 ein radialer Teilquerschnitt des Turbinengehäuses von Fig. 3 entlang einer Schnittlinie 6-6 ist und einen Abschnitt eines Verbindungsteils mit mehreren axialen Kühlmittelkanälen gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt;

[0014] Fig. 7 ein radialer Teilquerschnitt entlang einer Schnittlinie 6-6 von Fig. 3 ist und einen Abschnitt eines Verbindungsteils mit mehreren axialen Kühlmittelkanälen gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt;

[0015] Fig. 8 ein detaillierterer axialer Teilquerschnitt des Turbinengehäuses entlang einer bogenförmigen Linie 8-8 von Fig. 3 und entlang der Schnittstelle 8-8 von Fig. 4 ist und einen Kühlmittelstrom durch die radialen und axialen Kanäle gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt; und

[0016] Fig. 9 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Steuern eines Abstandes auf der Basis eines Betriebszustandes eines Turbinensystems gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0017] Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementation in der Beschreibung beschrieben werden. Es dürfte erkennbar sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen Implementation wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers, wie z.B. Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Einschränkungen zu erreichen, welche von einer Implementation zur anderen variieren können. Ferner dürfte erkennbar sein, dass eine derartige Entwicklungsanstrengung komplex und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung, Herstellung und Fertigung für den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenlegung eine Routineaufgabe wäre.

[0018] Wie nachstehend im Detail beschrieben, betrifft die vorliegende Offenlegung Abstandssteuerungstechniken unter Verwendung einer Zwangskonvektionskühlung. Derartige Techniken können in einem System, wie z.B. in einem Turbinenbasierenden System (wie z.B. Flugzeug, Lokomotive, Stromerzeugungsgenerator usw.) implementiert sein. So wie hierin verwendet, ist der Begriff «Abstand» oder dergleichen als ein Zwischenraum oder Spalt zu verstehen, der zwischen einer oder mehreren Komponenten des Systems vorliegen kann, die sich während des Betriebs in Bezug zueinander bewegen. Der Abstand kann einem ringförmigen Spalt, einem geradlinigen Spalt, einem rechteckigen Spalt oder irgendeiner anderen von dem System abhängigen Geometrie, Bewegungstyp oder anderen verschiedenen Faktoren entsprechen, wie der Fachmann erkennt. In einer Anwendung kann der Abstand dem radialen Spalt oder Zwischenraum zwischen Gehäusekomponenten entsprechen, die eine oder mehrere rotierende Schaufeln eines Verdichters, einer Turbine oder dergleichen umgeben. Durch Steuern des Abstandes unter Anwendung der vorliegend offengelegten Techniken kann die Leckagemenge zwischen den rotierenden Schaufeln und dem Gehäuse aktiv verringert werden, um den Betriebswirkungsgrad zu erhöhen, während gleichzeitig die Möglichkeit des Auftretens eines Reibvorgangs (z.B. eines Kontaktes zwischen Gehäusekomponenten und den rotierenden Schaufeln) minimiert wird. Wie bekannt, kann die Leckage jedes beliebige Fluid, wie z.B. Luft, Dampf, Verbrennungsgase usw. betreffen.

[0019] Gemäss Ausführungsformen der Erfindung kann ein die hierin offengelegten Abstandssteuerungseinrichtungen verwendendes Turbinentriebwerk ein Turbinengehäuse mit mehreren radialen und axialen Kühlmittelkanälen enthalten. Beispielsweise kann in einer Ausführung einer Turbinenanwendung mit einer oder mehreren Stufen das Turbinengehäuse für jede Stufe einen ersten und zweiten Haken enthalten, der dafür konfiguriert ist, sich jeweils mit einem entsprechenden dritten und vierten Haken auf einem Deckbandteil zu verbinden, das in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse der Turbine positioniert ist und eine oder mehrere Turbinenschaufeln umschliesst. Eine ringförmige Nut kann sich radial in jeden von den ersten und zweiten Haken des Turbinengehäuses erstrecken. Ein Kühlmitteleinsatzelement mit radialen Nuten auf beiden Seiten kann in jede der ringförmigen Nuten eingesetzt oder darin versenkt sein. Die radialen Nuten auf jeder Seite des Kühlmitteleinsatzes können fluidführend verbunden sein, um somit mehrere im Wesentlichen U-förmige Kanäle in jeder ringförmigen Nut zu definieren. Ein Verbindungsteil mit mehreren axialen Nuten kann auf dem Turbinengehäuse zwischen den ringförmigen Nuten angeordnet sein, und somit mehrere axiale Kanäle definieren. In einigen Ausführungsformen kann das Verbindungsteil im Wesentlichen ringförmig sein. Die axialen Kanäle können die U-förmigen Kanäle in dem ersten Haken fluidführend mit den U-förmigen Kanälen in dem zweiten Haken verbinden.

[0020] Wie vorstehend diskutiert, kann ein radialer Spalt zwischen den Turbinenschaufeln und einem Deckband während des Betriebs aufgrund von Temperaturänderungen oder anderen Faktoren zunehmen oder abnehmen. Beispielsweise kann, wenn sich die Turbine während des Betriebs erwärmt, eine Wärmeausdehnung der Turbinengehäusekomponenten eine radiale Bewegung des Deckbandes von der Rotationsachse weg bewirken und somit den Abstand zwischen den Schaufeln und dem Deckband vergrössern. Dieses ist im Allgemeinen unerwünscht, da Verbrennungsgase, die die Laufschaufeln über den radialen Spalt umgehen, nicht von den Laufschaufeln erfasst werden und daher nicht in Rotationsenergie umgewandelt werden. Dieses verringert den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe des Turbinentriebwerks.

[0021] Um den Abstand zu steuern, kann ein Kühlmittelstrom in die vorstehend diskutierten U-förmigen und axialen Kanäle eingeführt werden. Das Kühlmittelfluid kann relativ kühler als die durch die Turbine strömenden Verbrennungsgase sein und kann, in einigen Ausführungsformen, Luft sein, die aus einer oder mehreren Stufen eines Verdichters stammt. In weiteren Ausführungsformen kann eine getrennte Luftquelle und/oder Wärmetauscher verwendet werden, um einen Kühlmittelstrom zu erzeugen. In weiteren Ausführungsformen kann auch ein flüssiges Kühlmittel verwendet werden. Im Betrieb wird das Kühlmittel in einem ersten Satz von U-förmigen Kanälen in den ersten Haken eingeführt. Das Kühlmittel strömt durch den ersten Satz der U-förmigen Kanäle, d.h., radial zu der und dann von der Rotationsachse weg in von dem Verbindungsteil definierte entsprechende axiale Kanäle und dann in einen zweiten Satz von U-förmigen Kanälen in dem zweiten Haken. Das Kühlmittel kann den zweiten Satz U-förmiger Kanäle in einen durch eine Aussenoberfläche des Turbinengehäuses und eine in Umfangsrichtung darum angeordnete Kühlmittelhülse definierten ringförmigen Kanal verlassen. Das Kühlmittel kann stromabwärts (d.h., in Bezug auf dem Strom der Verbrennungsgase) entlang dem ringförmigen Kanal strömen und den ringförmigen Kanal über einen oder mehrere Einlasse auf dem Turbinengehäuse verlassen, die den ringförmigen Kanal mit einem Hohlraum auf der Innenoberfläche des Turbinengehäuses verbinden. So wie hierin verwendet, soll der Begriff «stromabwärts» als Bezeichnung für die axiale Strömungsrichtung des Kühlmittelstroms durch die Kühlmittelkanäle (z.B. in derselben Richtung wie die Strömung der Verbrennungsgase durch die Turbine) verstanden werden, und der Begriff «stromaufwärts» soll in der Bedeutung der zu dem Kühlmittelstrom in der Stromabwärtsrichtung entgegengesetzten axialen Richtung verstanden werden.

[0022] Wie es nachstehend detaillierter diskutiert wird, kann der Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle (z.B. die U-förmigen und axialen Kanäle) das Turbinengehäuse über eine Zwangskonvektionskühlung kühlen, was der Wärmeausdehnung des Deckbandes entgegenwirken und/oder diese reduzieren kann. D.h., das Turbinengehäuse kann so konfiguriert sein, dass es sich um einen bestimmten Betrag auf der Basis der Temperatur und/oder Durchflusses des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal zusammenzieht oder ausdehnt. Eine Steuerung kann bei dem Turbinensystem eingesetzt werden, um den Kühlmittelstrom und/oder die Temperatur aktiv zu steuern. Auf diese Weise kann ein gewünschter Abstand in Bezug auf rotierende Schaufeln und das Deckband aktiv eingehalten werden. In einigen Ausführungsformen können die Kühlmittelkanäle an verschiedenen Umfangsstellen des Turbinengehäuses anders konfiguriert sein. Beispielsweise können Bereiche des Turbinengehäuses, die für Wärmeeffekte empfindlicher sind, so konfiguriert sein, dass sie einen grösseren Kühlmittelstrom (z.B. durch eine grössere Konzentration von Kühlmittelkanälen) aufnehmen. Somit kann ein gewünschter Abstand selbst dann eingehalten werden, wenn das Turbinengehäuse selbst unrund ist oder während des Betriebs (z.B. aufgrund einer durch ungleichmässige Wärmeausdehnung bewirkten Deformation) unrund wird. Es sollte angemerkt werden, dass jeder von den Kühlmitteleinsätzen und das Verbindungsteil einzeln hergestellt werden können. Somit kann die Herstellung des Turbinengehäuses mit den vorstehend erwähnten Kühlmittelkanälen vereinfacht werden, indem die Kühlmitteleinsätze und das Verbindungsteil als getrennte diskrete Komponenten bereitgestellt werden, die leicht in das Turbinengehäuse in einer modularen Weise (im Gegensatz zu einer maschinellen Bearbeitung des Turbinengehäuses aus nur einem einzigen Materialteil) eingebaut werden können.

[0023] Ferner kann zusätzlich zu Kühlmitteln ein Heizfluid ebenfalls in die Kühlmittelkanäle eingeführt werden, um eine Wärmeausdehnung unter bestimmten Bedingungen zu beschleunigen oder zu erhöhen. Beispielsweise kann es während Übergangszuständen vorteilhaft sein, einen grösseren radialen Spalt bereitzustellen, um die Möglichkeit des Auftretens eines Reibvorgangs wenigstens solange zu vermeiden, bis der Betrieb einen stabilen Zustand erreicht. Somit dürfte sich, obwohl die U-förmigen und axialen Kanäle hierin als «Kühlmittelkanäle» bezeichnet werden, verstehen, dass diesen auch ein Heizfluid zugeführt werden kann, um den Spalt unter bestimmten Bedingungen zu vergrössern. Demzufolge kann die Steuerung ferner von Sensoren, wie z.B. Temperatursensoren, Schwingungssensoren, Positionssensoren usw., gemessene Zustände erfassen. Abhängig von den erfassten Bedingungen kann der Spalt verkleinert werden (indem man z.B. ein Kühlmittel durch die Kühlmittelkanäle strömen lässt) oder vergrössert werden (indem man beispielsweise ein Heizfluid durch die Kühlmittelkanäle strömen lässt), um das Turbinenbetriebsverhalten wesentlich zu verbessern. Diese Aspekte, Vorteile und verschiedenen weiteren Merkmale werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 diskutiert.

[0024] In Anbetracht des Vorstehenden ist Fig. 1 eine Blockdarstellung eines exemplarischen Systems 10, das ein Gasturbinentriebwerk 12 mit radialen und axialen Kühlmittelkanälen zur Abstandssteuerung gemäss Ausführungsformen der vorliegenden Technik enthält. In bestimmten Ausführungsformen kann das System 10 ein Flugzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Lokomotivenfahrzeug, ein Energieerzeugungssystem oder eine Kombination davon beinhalten. Demzufolge kann das Turbinentriebwerk 12 eine Vielfalt von Lasten, wie z.B. einen Generator, einen Propeller, ein Getriebe, ein Antriebssystem oder eine Kombination davon antreiben. Das System 10 kann Flüssig- oder Gasbrennstoff, wie z.B. Erdgas und/oder wasserstoffreiches synthetisches Gas, verwenden, um das Turbinensystem 10 zu betreiben. Das Turbinentriebwerk 12 enthält einen Lufteinlassbereich 14, einen Verdichter 16, einen Brennerabschnitt 18, eine Turbine 20 und einen Abgasbereich 22. Gemäss Darstellung in Fig. 1 kann die Turbine 20 zum Antrieb mit dem Verdichter 16 über eine Welle 24 verbunden sein.

[0025] Im Betrieb tritt (durch Pfeile dargestellte) Luft in das Turbinensystem 10 durch den Lufteinlassbereich 14 ein und kann in dem Verdichter 16 unter Druck gesetzt werden. Der Verdichter 16 kann mit der Welle 24 verbundene Verdichterschaufeln 26 enthalten. Die Verdichterschaufeln 26 können den radialen Spalt zwischen der Welle 24 und einer Innenwand oder Oberfläche 28 eines Verdichtergehäuses 30, in welchem die Verdichterschaufeln 26 angeordnet sind, überspannen. Beispielsweise kann die Innenwand 28 im Wesentlichen eine ringförmige oder konische Form haben. Die Rotation der Welle 24 bewirkt eine Rotation der Verdichterschaufeln 26, um dadurch Luft in den Verdichter 16 zu ziehen und die Luft vor dem Eintritt in den Brennerbereich 18 zu verdichten. Der Verdichterabschnitt 18 enthält ein Brennergehäuse 32, das konzentrisch oder ringförmig um die Welle 24 und axial zwischen dem Verdichter 16 und der Turbine 20 angeordnet ist. In dem Brennergehäuse 32 kann der Brennerbereich 20 mehrere Brenner 34 enthalten, die in mehreren Umfangspositionen in einer im Wesentlichen runden oder ringförmigen Konfiguration um die Welle 24 herum angeordnet sind. Während die verdichtete Luft den Verdichter 16 verlässt und in jeden der Brenner 34 eintritt, kann die verdichtete Luft mit Brennstoff zur Verbrennung in jedem entsprechenden Brenner 34 vermischt werden. Beispielsweise kann jeder Brenner 34 eine oder mehrere Brennstoffdüsen enthalten, die ein Brennstoff/Luft-Gemisch in den Brenner 34 in einem geeigneten Verhältnis für optimale Verbrennung, Emissionen, Brennstoffverbrauch und Energieabgabe einspritzen. Die Verbrennung der Luft und des Brennstoffs kann heisse unter Druck stehende Abgase erzeugen, die dann dazu genutzt werden können, eine oder mehrere Turbinenschaufeln 36 in der Turbine 20 anzutreiben.

[0026] Die Turbine 20 kann die vorstehend erwähnten Turbinenschaufeln 36 und ein äusseres Turbinengehäuse 40 enthalten. Wie es nachstehend detaillierter dargestellt wird, kann das äussere Gehäuse 40 ein Deckband 38 enthalten, das um die Turbinenschaufeln 36 herum angeordnet ist, sowie ein inneres Turbinengehäuse, das mit dem Deckband verbunden und konzentrisch in einem äusseren Turbinengehäuse angeordnet ist. Die Turbinenschaufeln 36 können mit der Welle 24 verbunden sein und den radialen Spalt zwischen der Welle 24 und dem Deckband 38, welcher im Wesentlichen ringförmig oder konisch in der Form sein kann, überspannen. Ein kleiner radialer Spalt trennt im Wesentlichen die Turbinenschaufeln 36 von dem Deckband 38, um die Möglichkeit eines Kontaktes zwischen den Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 zu verringern. Wie es sich versteht, kann der Kontakt zwischen den Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 zu einem unerwünschten Zustand führen, welcher im Allgemeinen als «Reibvorgang» bezeichnet wird und einen übermässigen Verschleiss oder eine Beschädigung an einer oder mehreren Komponenten des Turbinentriebwerks 12 bewirken kann.

[0027] Die Turbine 20 kann ein Rotorelement enthalten, das jede von den Turbinenschaufeln 36 mit der Welle 24 verbindet. Zusätzlich enthält die in der vorliegenden Ausführungsform dargestellte Turbine 20 drei Stufen, wobei jede einzelne Stufe durch eine entsprechende von den dargestellten Turbinenschaufeln 36 repräsentiert wird. Leitvorrichtungen können zwischen jeder Stufe angeordnet sein, um den Strom der Verbrennungsgase durch die Turbine 20 zu führen. Es dürfte erkennbar sein, dass weitere Konfigurationen mehr oder weniger Turbinenstufen enthalten können. Im Betrieb strömen die in und durch die Turbine 20 strömenden Verbrennungsgase gegen und zwischen die Turbinenschaufeln 36, um dadurch die Turbinenschaufeln 36 anzutreiben und somit die Welle 24 zum Antrieb einer Last in Rotation zu versetzen. Die Rotation der Welle 24 bewirkt auch, dass die Schaufeln 26 in dem Verdichter 16 die von dem Einlass 14 erhaltene Luft ansaugen und unter Druck setzen. Ferner kann in einigen Ausführungsformen das den Abgasbereich 22 verlassende Abgas als eine Schubquelle für ein Fahrzeug, wie z.B. für ein Strahlflugzeug, verwendet werden.

[0028] Wie es weiter in Fig. 1 dargestellt ist, kann das Turbinensystem 10 ein Spaltsteuerungssystem 44 enthalten. Das Spaltsteuerungssystem 44 kann eine Spaltsteuerung 46 sowie einen oder mehrere Sensoren 48 enthalten, die an verschiedenen Stellen des Turbinensystems 10 angeordnet sein können. Die Spaltsteuerung 46 kann verschiedene Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die zur Ausführung von Routinen und Algorithmen zum Einstellen des Abstandes (z.B. eines radialen Spaltes) zwischen den Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 verwendet werden können. Die Sensoren 48 können dazu genutzt werden, verschiedene Daten 50 über die Betriebszustände des Turbinentriebwerks 12 an die Abstandssteuerung 46 zu übertragen, sodass die Abstandssteuerung 46 dementsprechend den Abstand aktiv anpassen kann. Beispielsweise können die Sensoren 48 Temperatursensoren zum Messen einer Temperatur, Durchflusssensoren zum Messen eines Durchflusses, Positionssensoren oder irgendwelche andere Sensoren, die für die Detektion verschiedener Betriebsparameter des Turbinentriebwerks 12, wie z.B. Drehzahl der Welle 24, Leistungsabgabe usw. geeignet sind, enthalten. Obwohl sie mit der Turbine 20 verbunden dargestellt sind, dürfte erkennbar sein, dass die Sensoren 48 an/in jeder beliebigen Komponente des Turbinensystems 10, einschliesslich Einlass 14, Verdichter 16, Brenner 18, Turbine 20 und/oder Abgasbereich 22 usw. positioniert sein können.

[0029] Ein Kühlmittelstrom kann den Kühlmittelkanälen der Turbine 20 über die Zuflussleitungen 52 und 54 zugeführt werden. Gemäss Darstellung kann die Zuflussleitung 52 dafür konfiguriert sein, einen aus dem Verdichter 16 abgezweigten Luftstrom zu liefern. Wie bekannt, wird in jeder aufeinanderfolgenden Stufe des Verdichters 16 die über den Einlass 14 aufgenommene Luft einer erhöhten Unter-Druck-Setzung unterzogen und erhöht somit ihre Temperatur. Beispielsweise kann die Temperatur der Druckluft an der achten Stufe eines Verdichters mit sechzehn Stufen zwischen angenähert 204 bis 316 °C (400 bis 600 °F) haben und die Temperatur der Druckluft in der zwölften Stufe kann angenähert 371 bis 538 °C (700 bis 1000 °F) haben. Während die Verdichterluft in den Brenner 34 eingespeist wird und mit Brennstoff reagiert, um den Verbrennungsprozess zu erzielen, kann die Temperatur der sich ergebenden Verbrennungsgase in dem Brenner 34 Temperaturen zwischen etwa 1093 bis 1927 °C (2000 bis 3500 °F) oder mehr erreichen. Während die Verbrennungsgase den Brenner 34 verlassen und in die Turbine 20 (z.B. als Abgase) eintreten, kann sich die Temperatur der Verbrennungsgase beispielsweise auf 482 bis 704 °C (900 bis 1300 °F) abgekühlt haben. Somit sollte angemerkt werden, dass die Verdichterluft im Allgemeinen in Bezug auf die Temperatur der in die Turbine 20 strömenden Verbrennungsgase immer noch kühler ist. Demzufolge kann in bestimmten Ausführungsformen die Steuerung 46, abhängig von der erforderlichen Kühlmenge, die zum Aufrechterhalten eines Sollabstandes unter einem speziellen Satz von Betriebsbedingungen benötigt wird, dafür konfiguriert sein, eine Luftquelle für die Zuflussleitung 52 aus einer der Verdichterstufen auszuwählen oder könnte Luft aus nur einer Verdichterstufe verwenden und den Durchfluss verändern.

[0030] Die Zuflussleitung 54 ist mit einem Wärmetauscher 56 verbunden, welcher mit einer externen Fluidquelle 58 verbunden ist. Der Wärmetauscher 56 kann in das System 10 integriert sein, oder kann auf einer getrennten externen Baugruppe vorgesehen sein. Der Wärmetauscher 56 kann in Reaktion auf Steuersignale 68 aus der Steuerung 46 die externe Fluidquelle 58 auf eine Solltemperatur beispielsweise auf der Basis der gemessenen Daten 50 abkühlen oder erwärmen. Somit kann, abhängig von der erforderlichen Kühlung um einen speziellen Sollabstand einzuhalten, die Steuerung 46 entweder die Zuflussleitung 52 oder 54 zum Liefern eines Kühlmittelstroms an die Kühlmittelkanäle in der Turbine 20 auswählen. Gemäss Darstellung kann jede von den Zuflussleitungen 52 und 54 Ventile 60 bzw. 62 enthalten. Die Steuerung 46 kann die Ventile 60 und 62 über Steuersignale 64 bzw. 66 aktiv manipulieren, um aktiv einen Durchfluss des Kühlmittels durch die Zuflussleitungen 52 und 54 zu steuern. Beispielsweise können die Ventile 60 und 62 dafür konfiguriert sein, einen Bereich von Durchsätzen zwischen angenähert 0 bis 6,8 kg/s (0 bis 15 pounds per second) Sekunde zu liefern. In einer Ausführungsform können die Durchsätze wenigstens angenähert 1,36, 1,82, 2,27, 2,72, 3,18, 3,63, 4,09 oder 4,54 kg/s (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 pounds per second) betragen. In einer weiteren Ausführungsform können die Ventile 60 und 62 Ein/Aus-Ventile sein und die Steuerung kann die Ventile 60 oder 62 zwischen einem offenen und geschlossenen Zustand umschalten, um einen Kühlmittelstrom zu erzeugen oder nicht. Zusätzlich kann, wie vorstehend erwähnt, ein Heizfluid den Kühlmittelkanälen in der Turbine 20 zugeführt werden, um den Abstand beispielsweise während Übergangsbetriebsbedingungen der Turbine zu erhöhen.

[0031] In Fig. 2 ist eine Schnitt-Seitenansicht einer Ausführungsform des schematisch in Fig. 1 gezeigten Turbinentriebwerks 12 dargestellt. Das Turbinentriebwerk 12 enthält eine oder mehrere innerhalb eines oder mehrerer Brenner 34 angeordneter Brennstoffdüsen 70. Im Betrieb tritt Luft in das Turbinentriebwerk 12 durch den Lufteinlass 14 ein und wird in dem Verdichter 16 unter Druck gesetzt. Die verdichtete Luft kann dann mit Gas zur Verbrennung in dem Brenner 34 vermischt werden. Beispielsweise können die Brennstoffdüsen 70 ein Brennstoff/Luft-Gemisch in dem Brenner 34 in einem geeigneten Verhältnis für optimale Verbrennung, Emissionen, Brennstoffverbrauch und Leistungsabgabe einspritzen. Die Verbrennung erzeugt heisse unter Druck stehende Abgase, welche dann eine oder mehrere Schaufeln 36 in der Turbine 20 antreiben, um die Welle 24 rotieren zu lassen. Die Rotation der Welle 24 veranlasst die Verdichterschaufeln 26 in dem Verdichter 16, durch den Einlass 14 aufgenommene Luft anzusaugen und unter Druck zu setzen.

[0032] Wie nachstehend detaillierter diskutiert, kann die Turbine 20 ein mit dem Deckband 38 verbundenes inneres Turbinengehäuse enthalten. Mehrere radiale und axiale Kühlmittelkanäle können den von den Zuflussleitungen 52 und/oder 54 bereitgestellten Kühlmittelstrom wie vorstehend diskutiert aufnehmen. Während der Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle strömt, wird Wärme aus dem Turbinengehäuse aufgrund von Zwangskonvektionskühlungsprinzipien abgeführt und somit kann die Wärmeausdehnung des Turbinengehäuses und/oder des Deckbandes verringert werden, um somit einen radialen Spalt zwischen den Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 zu verringern. In einer Ausführungsform kann das Kühlmittel ein Teil der über die Zuflussleitung 52 zugeführten Verdichterluft sein und kann zwischen 0,1 bis 10 Prozent der gesamten in dem Verdichter 16 strömenden Luft betragen. Beispielsweise kann der Anteil der über die Zuflussleitung 52 gelieferten Verdichterluft wenigstens kleiner als etwa 0,1, 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Prozent der gesamten Verdichterluft sein.

[0033] Die hierin beschriebenen aktiven Abstandssteuerungseinrichtungen werden besser durch Bezugnahme auf Fig. 3  verständlich, welche einen axialen Teilquerschnitt der Turbine 20 der Fig. 1 und 2 entlang einer bogenförmigen Linie 3-3 von Fig. 2 darstellt. Die dargestellte Ausführungsform ist eine dreistufige Turbine gemäss Darstellung durch die Turbinenschaufeln 36a der ersten Stufe, Turbinenschaufeln 36b der zweiten Stufe und Turbinenschaufeln 36c der dritten Stufe. Weitere Ausführungsformen können weniger oder mehr Turbinenstufen enthalten. Während die Verbrennungsgase 74 das stromabwärts befindliche Ende des Brenners 34 verlassen, strömen die Verbrennungsgase 74 durch die Leiteinrichtung 76 der ersten Stufe, die dafür konfiguriert ist, die Verbrennungsgase 74 auf die Schaufeln 36a der ersten Stufe zu lenken. Die Verbrennungsgase 74 strömen dann durch den Leitapparat 78 der zweiten Stufe zu den Schaufeln 36b der zweiten Stufe. Schliesslich strömen die Verbrennungsgase 74 durch den Leitapparat 80 der dritten Stufe und zu den Schaufeln 36c der dritten Stufe.

[0034] Gemäss Darstellung kann die Spitze 86 der Turbinenschaufel 36a von dem inneren Deckbandbereich 38a durch einen radialen Spalt 84 getrennt sein. Ebenso kann die Spitze der Turbinenschaufel 36b von dem inneren Deckbandbereich 38b durch einen radialen Spalt 92 getrennt sein. Wie vorstehend diskutiert, verringern die radialen Spalten 84 und 92 die Möglichkeit eines Kontaktes zwischen den Turbinenschaufeln 36a und 36b und den inneren Deckbandbereichen 38a und 38b und stellen auch einen Pfad für Verbrennungsgase 74 zur Umgehung der Turbinenschaufel 36 bereit, während die Verbrennungsgase 74 stromabwärts entlang der stromabwärts zeigenden axialen Richtung 140 gemäss Anzeige durch die Bezugsachsen strömen. Wie man erkennen kann, ist ein Gasumgehungspfad im Allgemeinen unerwünscht, da Energie aus dem Gas des Umgehungspfades durch die Turbinenschaufeln 36 nicht erfasst und in Rotationsenergie umgewandelt und somit der Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe des Turbinentriebwerks 12 verringert wird. D.h., der Turbinensystemwirkungsgrad ist wenigstens teilweise von der Menge der von den Turbinenschaufeln 36 erfassten Verbrennungsgase abhängig. Somit kann durch Verkleinerung der radialen Spalte 84 und/oder 92 die Leistungsabgabe aus der Turbine 20 gesteigert werden. Jedoch kann, wie vorstehend erwähnt, wenn der radiale Spalt 84 und/oder 92 zu klein ist, ein Reibvorgang zwischen den Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 auftreten, was zu einem möglichen Verschleiss und einer Beschädigung an Komponenten des Turbinentriebwerks 12 führt.

[0035] Die offengelegten Ausführungsformen liefern ein Kühlmittel an mehrere fluidführend verbundene radiale und axiale Kühlmittelkanäle in einem inneren Turbinengehäuse 98, um einen geeigneten Ausgleich zwischen einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine 20 und einer Verringerung der Kontaktmöglichkeit oder eines Reibvorgangs zwischen den Turbinenschaufeln 36 und dem inneren Deckband (z.B. 38a, 38b) zu erzeugen. Das innere Turbinengehäuse 98 kann mehrere Haken enthalten, die für eine Verbindung mit entsprechenden Haken auf den Deckbandsegmenten konfiguriert sind. Beispielsweise enthält gemäss Bezugnahme auf die erste Stufe der Turbine 20 das innere Turbinengehäuse 98 Haken 100 und 102, welche mit entsprechenden Haken 104 bzw. 106 des inneren Deckbandbereiches 38a in Verbindung stehen. In der zweiten Stufe enthält das Turbinengehäuse 98 Haken 110 und 112, welche mit entsprechenden Haken 114 und 116 des inneren Deckbandbereiches 38b in Verbindung stehen. Während des Betriebs des Turbinentriebwerks 12 kann die Wärme aus den Verbrennungsgasen 74 das innere Turbinengehäuse 98 und das Deckband 38 zu einer thermischen Ausdehnung, d.h., einer Auswärtsbewegung in der radialen Richtung 136 mit einer grösseren Rate als die Turbinenschaufeln 36 veranlassen. Sobald eine Wärmeausdehnung auftritt, können die radialen Spalten 84 und 92 zunehmen. Wie vorstehend diskutiert, führt eine Zunahme in dem Abstand dazu, dass mehr Gas die Turbinenschaufeln 36 umgeht, und somit Turbinenausgangsleistung und Wirkungsgrad verringert. In einigen Ausführungsformen können die inneren Deckbandbereiche 38a und 38b Positionssensoren enthalten, welche Daten an die Steuerung 46 zur Verwendung bei der Ermittlung geeigneter Steueraktionen zum Einhalten eines speziellen Abstandes zurückmelden.

[0036] Um den Abstand zu steuern, können mehrere fluidführend verbundene radiale und axiale Kühlmittelkanäle in dem inneren Turbinengehäuse 98 bereitgestellt sein. Beispielsweise erstrecken sich gemäss Bezugnahme auf die erste Stufe der Turbine 20 ringförmige Nuten 112 und 120 radial in die Haken 100 bzw. 102. Kühlmitteleinsätze können in jede der ringförmigen Nuten 108 und 120 eingesetzt oder versenkt sein. Beispielsweise kann ein Kühlmitteleinsatz 122 in die ringförmige Nut 118 versenkt sein und ein Kühlmitteleinsatz 124 kann in die ringförmige Nut 120 versenkt sein. Obwohl es in der vorliegenden Querschnittsansicht nicht dargestellt ist, kann jeder von den Kühlmitteleinsätzen 122 und 124 mehrere radiale Nuten an einer stromaufwärts liegenden Seite enthalten, wovon jede einer entsprechenden radialen Nut auf einer stromabwärts liegenden Seite des Einsatzes entspricht. Wenn sie in ihre entsprechenden Nuten 112 und 120 versenkt sind, können die radialen Nuten auf den Kühlmitteleinsätzen 122 und 124 mehrere U-förmige Kühlmittelkanäle erzeugen, wobei jeder radiale Kühlmittelkanal auf einer stromaufwärts liegenden Seite eines Kühlmitteleinsatzes fluidführend mit einem entsprechenden radialen Kühlmittelkanal auf der stromabwärts liegenden Seite des Kühlmitteleinsatzes verbunden ist. Mit anderen Worten, die Kühlmitteleinsätze 122 und 124 können, wenn sie in ringförmige Nuten 118 und 120 versenkt sind, mehrere U-förmige Kühlmittelkanäle ausbilden, die in Umfangsrichtung in jeder ringförmigen Nut 118 und 120 in Abstand angeordnet sind. Wie es nachstehend diskutiert wird, können die U-förmigen Kanäle in den ringförmigen Nuten 118 und 120 fluidführend durch mehrere axiale Kühlmittelkanäle verbunden sein, um einen Kühlfluidstrom durch jeden der Haken 100 und 102 (z.B. in den Richtungen 136 und 138) zu erzeugen.

[0037] Ein im Wesentlichen ringförmiges äusseres Turbinendeckband 128 kann konzentrisch mit dem inneren Turbinengehäuse 98 verbunden sein. Das stromaufwärts befindliche Ende 132 des äusseren Deckbandes 128 kann mehrere Einlasse 130 enthalten, welche in Umfangsrichtung auf dem äusseren Deckband 128 angeordnet und dafür konfiguriert sein können, einen Kühlmittelstrom aus den Zuflussleitungen 52 und/oder 54 gemäss Darstellung durch den Pfeil 133 aufzunehmen. Ein Dichtungselement 134 ist zwischen dem inneren Turbinengehäuse 98 und dem äusseren Deckband 128 angeordnet und kann dafür konfiguriert sein, den Kühlmittelstrom 133 in die radialen Kanäle auf der stromaufwärts befindlichen Seite des ersten Kühlmitteleinsatzes 122 zu lenken. In einer weiteren Ausführungsform kann das Dichtungselement 134 eine weitere Öffnung(en) enthalten und kann den Eintritt der radialen Kanäle auf dem Einsatz 122 so überspannen, dass das Kühlmittel durch die Öffnung(en) auf dem Dichtungselement und in die radialen Kanäle des Einsatzes 122 strömt. Demzufolge kann das Kühlmittel entlang den radialen Kanälen auf der stromaufwärts liegenden Seite des Kühlmitteleinsatzes 122 in der radialen Richtung 138 (zu der Rotationsachse 139 der Welle 24 hin) und dann entlang der stromabwärts liegenden Seite des Kühlmitteleinsatzes 122 in der entgegengesetzten radialen Richtung 138 (z.B. von der Rotationsachse 139 der Welle 24 weg) strömen, sodass der Strömungspfad im Wesentlichen U-förmig ist. Das Kühlmittel kann dann entlang einem oder mehreren im Wesentlichen axialen Kanälen, die beispielsweise durch Nuten auf einem Verbindungsteil 142 definiert sind, weiterströmen. Die axialen Kanäle verbinden fluidführend die U-förmigen Kanäle in der Nut 118 mit ähnlich konfigurierten U-förmigen Kanälen in der Nut 120. Somit strömt das Kühlmittel in einer axialen Richtung 140 entlang den axialen Kanälen des Verbindungsteilers 142 und in radiale Kanäle auf der stromabwärts liegenden Seite des zweiten Kühlmitteleinsatzes 124 (z.B. in der Nut 120). Das Kühlmittel strömt dann in der radialen Richtung 138 entlang einem radialen Kanal auf der stromabwärts liegenden Seite des Kühlmitteleinsatzes 124, und dann in der radialen Richtung 136 entlang entsprechenden radialen Kanälen auf der stromabwärts liegenden Seite des Einsatzes 124.

[0038] Während der Kühlmittelstrom die stromabwärts liegenden radialen Kanäle des Einsatzes 124 verlässt, strömt das Kühlmittel in einen zwischen der Aussenoberfläche des inneren Turbinengehäuses 98 und einer Kühlmitteldichtung 144 definierten ringförmigen Kanal 143. Das Kühlmittel strömt dann im Wesentlichen entlang der Aussenoberfläche des inneren Turbinengehäuses 98 weiter stromabwärts (140) und zu mehreren Einlassen 146, welche in Umfangsrichtung auf dem Turbinengehäuse 98 angeordnet sein können. Der Kühlmittelstrom verlässt den ringförmigen Kanal 143 und tritt in den Hohlraum 148 ein. Von hier aus kann der austretende Kühlmittelstrom verteilt und/oder weiter stromabwärts zu dem Abgasbereich 22 geführt werden. Obwohl der Kanal 146 als Ablauf des Kühlmittels in den Hohlraum 148 in der vorliegenden Ausführungsform dargestellt ist, könnte der Kanal 146 in anderen Ausführungsformen an anderen Positionen entlang des inneren Turbinengehäuses 98, wie z.B. in der Zone zwischen Haken 110 und 112, angeordnet sein. Die Konfiguration der hierin diskutierten U-förmigen und axialen Kanäle wird nachstehend detaillierter dargestellt und diskutiert.

[0039] Eine Zone 150 kann durch das äussere Deckband 128 und das innere Turbinengehäuse 98 gebildet werden und kann als eine Begrenzung zwischen dem Kühlmittelstrom (z.B. durch die U-förmigen und axialen Kanäle) und einem Luftstrom durch einen Hohlraum 152 zwischen dem äusseren Turbinengehäuse 40 und dem äusseren Deckband 128 dienen. Der Hohlraum kann einen Luftstrom über die Einlässe 154 und 156 aufnehmen. Aufgrund von Druckunterschieden, die zwischen der Luft in dem Hohlraum 152 und dem durch das innere Turbinengehäuse 98 strömenden Kühlmitteln vorliegen können, kann die Zone 150 eine Isolation erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann die Zone 150 mit einem isolierenden Material gefüllt sein.

[0040] Wie bekannt, kann, sobald Kühlmittel durch die U-förmigen Kanäle hindurch und in die Haken 100 und 102 strömt, eine Wärmeübertragung aufgrund einer Zwangskonvektionskühlung auftreten. Somit kann, da das innere Turbinengehäuse 98 zunehmend gekühlt wird, die Wärmeausdehnung verringert und somit das innere Turbinengehäuse 98 und insbesondere die Haken 100 und 102 veranlasst werden, sich in der radialen Richtung 138 zusammenzuziehen, um den radialen Spalt 84 zu verkleinern. Beispielsweise kann der Bereich der Ausdehnung/Zusammenziehung des inneren Turbinengehäuses 98 unter Anwendung hierin offengelegter Abstandssteuerungstechniken als eine Funktion des Durchmessers des inneren Gehäuses 98 ausgedrückt werden (z.B. an dem mit einer Düse des Brenners 34 gemessenen Ende). Beispielsweise kann der Ausdehnungs-/Zusammenziehungs-Bereich angenähert 10 bis 30 Radial-µm pro cm Durchmesser (1 bis 3 radial-mil per inch Durchmesser) betragen. Somit kann beispielsweise unter der Annahme eines Durchmessers von 254 cm (100 inches) eines inneren Gehäuses 98 und eines Ausdehnungsbetrags von 12,5 Radial-µm pro cm Durchmesser, der Ausdehnungs-/Zusammenziehungs-Bereich des inneren Turbinengehäuses 98 angenähert 1250 Radial-µm (1,25 Radial-mm) in Bezug auf die Rotationsachse 139 betragen. Ebenso kann, wenn der Ausdehnungsbetrag 20 Radial-µm pro cm Durchmesser ist, der Ausdehnungs-/Zusammenziehungs-Bereich des inneren Turbinengehäuses 98 angenähert 2000 Radial-µm (2 Radial-mm) in Bezug auf die Rotationsachse 139 betragen. Wiederum dürfte erkennbar sein, dass die hierin angegebenen spezifischen Beziehungen nur beispielhaft sind. Tatsächlich können, abhängig von der speziellen Implementation, von Betriebstemperaturen, Materialien und/oder eingesetzten Kühlmitteln, unterschiedliche Ausdehnungs-/Zusammenziehungs-Raten erzielt werden.

[0041] Ferner sollte angemerkt werden, dass eine ähnliche Anordnung von Kühlmittelkanälen in den Haken 110 und 112 implementiert werden kann, um die Abstandssteuerung des radialen Spaltes 92 zu verbessern. Tatsächlich kann, abhängig von der Konfiguration des Turbinentriebwerks 12, die Anordnung der hierin diskutierten Kühlmittelkanäle in einer oder mehreren Turbinenstufen implementiert werden. Zur Vereinfachung sind die Kühlmittelkanäle in Fig. 3 nur in der ersten Stufe der Turbine 20 dargestellt und beschrieben.

[0042] In Fig. 4 ist eine perspektivische Teilexplosionsansicht des inneren Turbinengehäuses 98, der Kühlmitteleinsätze 122 und 124 und des Verbindungsteils 142 gemäss einer Ausführungsform dargestellt. Der erste Einsatz 122, welcher vollständig aus der ringförmigen Nut 128 herausgetreten und mit einer radialen Höhe 184 dargestellt ist, enthält radiale Nuten 166 auf einer stromaufwärts liegenden Seite 160 und radiale Nuten 168 auf einer stromabwärts liegenden Seite 162. Die radialen Nuten 166 und 168 sind fluidführend durch einen axialen Zwischenraum 163 an der Basis des Einsatzes 122 verbunden und definieren somit im Wesentlichen U-förmige Nuten, welche, wenn sie in die ringförmige Nut 118 versenkt sind, mehrere erste U-förmige Kanäle definieren. Ferner können sich in der vorliegenden Ausführungsform die radialen Nuten 166 entlang der gesamten radialen Höhe 164 des Einsatzes 122 erstrecken, während sich die radialen Nuten 168 nur entlang einem Teil der radialen Höhe 164 erstrecken können, sodass das Kühlmittel in entsprechende axiale Nuten 172 auf der Unterseite 173 des Verbindungsteils 142 geleitet werden, welches axiale Kanäle ausbildet, wenn das Verbindungsteil 142 in das innere Turbinengehäuse 98 eingebaut ist.

[0043] Der zweite Einsatz 124 ist als teilweise aus der ringförmigen Nut 120 herausgetreten und mit einer radialen Höhe 178 dargestellt. Abhängig von der Konfiguration des inneren Turbinengehäuses 98 und der Einsätze 122 und 124 können die radialen Höhen 164 und 178 dieselben sein oder sich unterscheiden. Der Einsatz 124 enthält radiale Nuten 180, die mit der gestrichelten Führungslinie auf einer stromaufwärts liegenden Seite 174 bezeichnet sind und enthält radiale Nuten 182 auf einer stromaufwärts liegenden Seite 176. Die radialen Nuten 180 und 182 sind fluidführend durch einen axialen Zwischenraum 183 an der Basis des Einsatzes 124 verbunden und definieren im Wesentlichen U-förmige Nuten, welche, wenn sie in die ringförmige Nut 120 versenkt sind, mehrere zweite U-förmige Kanäle definieren. Ferner können sich, wie dargestellt, die radialen Nuten 180 nur entlang einem Teil der Höhe 178 erstrecken, um so den die axialen Kanäle 172 verlassenden Kühlmittelstrom in der radialen Richtung 138 zu lenken. Die radialen Nuten 182 können sich entlang der gesamten radialen Höhe 178 des Einsatzes 124 erstrecken, um einen Austritt für den Kühlmittelstrom in den ringförmigen Kanal 143 (Fig. 3 ) bereitzustellen.

[0044] Gemäss Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Kühlmitteleinsätze 122 und 124 im Wesentlichen den Umfang der ringförmigen Nuten 118 und 120 überspannen, können aber aus mehreren Segmenten (z.B. 2 bis 100 Segmenten) ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Kühlmitteleinsatz 122 vier bogenförmige Elemente enthalten, wovon jeder 90 Grad des Umfangs der ringförmigen Nut 118 umspannt. In einer Ausführungsform kann jedes von den Segmenten unabhängig durch die Steuerung 46 gesteuert werden. Beispielsweise können getrennte unabhängige Kühlmittelströme entlang den Zuflussleitungen 52 oder 54 bereitgestellt werden und in die U-förmigen Kanäle jedes entsprechenden einzelnen Einsatzsegmentes geleitet werden. Zusätzlich kann, abhängig von den thermischen Eigenschaften des inneren Turbinengehäuses 98, dort, wo sich ein spezielles Einsatzsegment befindet, die Konfiguration der radialen Nuten auf jedem Einsatzsegment variieren. Beispielsweise kann ein Einsatz in einem besonders wärmeempfindlichen Bereich des inneren Turbinengehäuses 98 dafür konfiguriert sein, mehr Kühlmittel als andere Segmente aufzunehmen und/oder kann mehr und/oder tiefere radiale Nuten 166 und 168 enthalten. Zusätzlich können die Nuten 166 und 168 unterschiedliche Zwischenraumanordnungen haben. In einer weiteren Ausführungsform können die radialen Nuten 166 und 168 im Wesentlichen für jedes Segment des Einsatzes 122 gleichförmig sein, und die Steuerung 46 kann unabhängige Kühlmittelströme mit variierenden Temperaturen und/oder Durchsätzen, abhängig von den Wärmeeigenschaften jedes Einsatzsegmentes, vorgeben. Beispielsweise kann, wenn sich ein spezieller Bereich des Turbinengehäuses 98 rascher ausdehnt, die Steuerung 46 einen Kühlmittelstrom aus einer kühleren Verdichterstufe zuführen oder alternativ den Durchfluss des Kühlmittels erhöhen. Ebenso kann, wenn sich ein spezieller Abschnitt des Turbinengehäuses langsamer ausdehnt, die Steuerung einen Kühlmittelstrom aus einer wärmeren oder heisseren Verdichterstufe zuführen oder alternativ einen langsameren Durchfluss des Kühlmittels bereitstellen. In weiteren Ausführungsformen kann das Turbinengehäuse 98 selbst und/oder das Kühlteil 142 mehrere Bereiche enthalten, die durch Schrauben oder irgendeinem anderen geeigneten Befestigungselementtyp verbunden sind.

[0045] Wie bekannt, kann die unabhängige Steuerung des Kühlmittelstroms zu mehreren Bereichen des Einsatzes (welcher segmentiert sein kann), besonders bei der Behandlung von Unrundheitsproblemen, nützlich sein. Beispielsweise kann das Turbinengehäuse 98 während des Betriebs aufgrund des Umstandes verformt werden, dass in einigen Ausführungsformen das Turbinengehäuse 98 in einer durch die Wellenmittellinie (z.B. die Rotationsachse 139) verlaufenden Ebene geteilt sein kann, um einen besseren Zugang zu den internen Komponenten der Turbine 20 beispielsweise während Wartung und Instandhaltung zu ermöglichen. In einer derartigen Konfiguration kann eine horizontale Verbindung verwendet werden, um die zwei Teile der inneren Turbinengehäusestruktur 98 miteinander zu verbinden. Beispielsweise kann die Verbindung zwei Gegenflansche mit Durchgangsschrauben enthalten, die einen Klemmdruck zwischen den Flanschen erzeugen und somit die Teile des Turbinengehäuses 98 miteinander verbinden. Jedoch kann die zusätzliche radiale Dicke aufgrund des Vorhandenseins der Flansche zu einer Wärmereaktion in der unmittelbaren Nähe der Flansche führen, die sich vom Rest des Turbinengehäuses 98 entscheidet, sowie zu einer Diskontinuität in den Umfangsspannungen, die während des Betriebs der Turbine 20 entstehen können. Die kombinierte Auswirkung der thermischen Reaktion und der Spannungsdiskontinuität an den Flanschverbindungen kann bewirken, dass das Turbinengehäuse 98 während des Betriebs der Turbine 20 unrund wird. Somit kann durch Zuführen unabhängig steuerbarer Kühlmittelströme an mehrere Bereiche des inneren Turbinengehäuses 98 die Wärmeausdehnung gesteuert werden, um die Kreisformabweichung des Turbinengehäuses 98 aufgrund der Unrundheit zu minimieren und somit einen geeigneten Abstand um den gesamten Umfang der Turbine 20, trotz einer möglichen Kreisformabweichung des Turbinengehäuses 98 und des Deckbandes 38, einzuhalten.

[0046] Vor der Fortsetzung der Beschreibung sollte angemerkt werden, dass jeder von den Kühlmitteleinsätzen 122 und 124 und das Verbindungsteil 142 einzeln (z.B. durch mechanische Bearbeitung) gefertigt oder hergestellt werden kann. Somit können die Herstellungskosten des inneren Turbinengehäuses 98 durch die Bereitstellung von Kühlmitteleinsätzen 122 und 124 und des Verbindungsteils 142 als diskreten Komponenten verringert werden, die in das Turbinengehäuse 98 in einer modularen Weise unter Verwendung beliebiger geeigneter Befestigungstechniken wie z.B. Bolzen, Schrauben, Schweissnähte usw. eingebaut werden können. In weiteren Ausführungsformen könnte das Verbindungsteil 142 ein einzelnes festes Teil (z.B. nicht modular) sein. Zusätzlich könnte in einer weiteren Ausführungsform das Verbindungsteil 142 als ein ringförmiges Element ohne Nuten 172 bereitgestellt werden, sodass ein ringförmiger Kanal gebildet wird, wenn das Verbindungsteil 142 an den Einsätzen 122 und 124 befestigt wird. In solchen Ausführungsformen tritt der die Einsätze 122 verlassende Kühlmittelstrom in den ringförmigen Kanal (statt in getrennte entsprechend axiale Nuten) ein und strömt in die radialen Kanäle auf den Einsätzen 124. Lediglich beispielsweise könnte in derartigen Ausführungsformen das Verbindungsteil 142 ein ringförmiges Teil aus einem Metallblech sein, das für einen Sitz um das innere Turbinengehäuse 98 in einer konzentrischen Weise angepasst ist, um den ringförmigen Kanal zu definieren, der die radialen Kanäle auf den Einsätzen 122 und 124 verbindet. Ferner dürfte es sich, obwohl die Nuten 172 in der dargestellten Ausführungsform als im Wesentlichen in der axialen Richtung 139 gerade und parallel zueinander verlaufend dargestellt sind, verstehen, dass die Nuten 172 andere Konfigurationen in unterschiedlichen Ausführungsformen haben können. Beispielsweise können die Nuten 172 auch Kanäle definieren, die bogenförmig und/oder v-förmig (nicht parallel zueinander) sind, oder Kanäle, die eine axiale Komponente in Verbindung mit radialen und/oder Umfangs-Komponenten (in Bezug auf die Rotationsachse 139) haben.

[0047] Des Weiteren ist in Fig. 5 ein radialer Teilquerschnitt mit einem Abschnitt des inneren Turbinengehäuses 98 und des Kühlmitteleinsatzes 122 entlang der Schnittlinie 5-5 von Fig. 3 dargestellt. Gemäss Darstellung ist der Kühlmitteleinsatz 122 in der ringförmigen Nut 118 versenkt. Die stromaufwärts liegende Seite 160 des Einsatzes 122 enthält die vorstehend diskutierten mehreren radialen Nuten 166, welche radiale Kanäle ausbilden, wenn sie in der ringförmigen Nut 108 versenkt sind. Für die Zwecke dieser Beschreibung sollen mittels der entsprechenden Nuten auf den Einsätzen 122 oder 124 oder auf dem Verbindungsteil 142 ausgebildete Kühlmittelkanäle mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein.

[0048] In der vorliegenden Ausführungsform sind die radialen Kanäle 166 in Vierer-Gruppen angeordnet, obwohl jede beliebige andere geeignete Anordnung implementiert werden kann. Zwischen jeder Gruppierung der radialen Kanäle 166 kann der Einsatz 122 einen nutenfreien Abschnitt 189 mit einer Öffnung 194 enthalten. Die Öffnungen 194 können für die Aufnahme eines Bolzens oder Schraube oder irgendeines anderen geeigneten Befestigungselementtyps konfiguriert sein, um den Einsatz 122 an dem inneren Turbinengehäuse 98 während des Zusammenbaus zu befestigen. Wie vorstehend diskutiert, wird ein Kühlmittelstrom in jeden von den radialen Kanälen 166 auf der stromaufwärts liegenden Seite 160 des Einsatzes 122 gemäss Darstellung durch Strömungspfeile 190 geführt. Das Kühlmittel strömt radial zu der Rotationsachse 139 (Fig. 3 ) der Welle 24 und durch die axialen Zwischenräume 163 in entsprechende radiale Kanäle 168 auf der stromabwärts liegenden Seite 162 (dargestellt durch gestrichelte Pfeile und Führungslinien). Wie vorstehend diskutiert, können sich die radialen Kanäle 168 nur entlang einem Teil der radialen Höhe 164 erstrecken, um somit den Kühlmittelstrom in entsprechende stromabwärts befindliche axiale Kanäle 172 zu lenken, die auf dem Verbindungsteil 142 ausgebildet sind.

[0049] In Fig. 6 ist ein radialer Teilquerschnitt, der einen Abschnitt des inneren Turbinengehäuses 98 und des Verbindungsteils 142 entlang der Schnittlinie 6-6 von Fig. 3 zeigt, dargestellt. Wie dargestellt, ist das Verbindungsteil 142 auf das innere Turbinengehäuse 98 gebaut, um die axialen Kanäle 172 zu definieren. Das Verbindungsteil 142 kann Öffnungen 196 enthalten, welche zu den Öffnungen 194 auf dem Einsatz 122 ausgerichtet sein können. Somit können sich Befestigungselemente (z.B. Bolzen oder Schrauben), die zum Befestigen des Einsatzes 122 an dem inneren Turbinengehäuse 98 verwendet werden, durch die Öffnungen 196 hindurch erstrecken, um zusätzlich das Verbindungsteil 142 an dem Einsatz 122 und dem inneren Turbinengehäuse 98 zu befestigen. In der dargestellten Ausführungsform sind die axialen Kanäle 172 im Wesentlichen in Vierer-Gruppen angeordnet, sodass sie jeder Gruppe von in Fig. 5 dargestellten radialen U-förmigen Kanälen 1:1 entsprechen. D.h., jeder radiale Kanal 168 (auf der stromabwärts befindlichen Seite 162 des Einsatzes 162) kann fluidführend mit einem entsprechenden von den dargestellten axialen Kanälen 172 verbunden sein.

[0050] In einigen Ausführungsformen können die axialen Kanäle 172 den radialen Kanälen 168 nicht 1:1 entsprechen. Beispielsweise ist in Fig. 7 ein radialer Teilquerschnitt dargestellt, der eine weitere Ausführungsform eines Abschnittes des inneren Turbinengehäuses 98 und des Verbindungsteils 142 entlang der Schnittlinie 6-6 von Fig. 3 darstellt. Hier können die axialen Kanäle 172 zwei oder mehr von den radialen Kanälen 169 entsprechen. Beispielsweise können, wie dargestellt, die axialen Kanäle 172a fluidführend mit zwei radialen Kanälen 168 verbunden sein, und die axialen Kanäle 172b können fluidführend mit einer gesamten Gruppierung von vier radialen Kanälen 168 verbunden sein. Wie vorstehend diskutiert, kann das die radialen Kanäle 168 verlassende Kühlmittel in der axialen Richtung (Richtung 140 in Fig. 3 ) stromabwärts zu mehreren zweiten U-förmigen Kanälen auf dem Einsatz 124 in der ringförmigen Nut 120 strömen. Das Kühlmittel kann die radialen Kanäle 182 auf der stromabwärts liegenden Seite des Einsatzes 124 in einen ringförmigen Kanal 143 verlassen, der durch eine Kühlmitteldichtung 144 und das innere Turbinengehäuse 98 gebildet wird.

[0051] Der Durchflusspfad des Kühlmittels durch die U-förmigen und axialen Kanäle wird besser verständlich, wenn er unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben wird, welche ein detaillierterer axialer Teilquerschnitt des inneren Turbinengehäuses 98 entlang der bogenförmigen Linie 8-8 von Fig. 3 und entlang der Schnittlinie 8-8 von Fig. 5 ist. Gemäss Darstellung in Fig. 8 tritt ein Kühlmittelstrom 133, welcher durch die Kühlmittelzuflussleitungen 52 oder 54 (mittels der Steuerung 46) zugeführt werden kann, in Einlässe 130 ein, welche in Umfangsrichtung entlang dem stromaufwärts liegenden Ende 132 des äusseren Deckbandes 128 angeordnet sein können. Der Kühlmittelstrom 133 tritt in den Hohlraum 198 ein und wird in den radialen Kanal 166 (Pfeil 190) in der Richtung 138 geleitet. Wie vorstehend diskutiert, ist der radiale Kanal 166 durch radiale Nuten auf der stromaufwärts liegenden Seite des Einsatzes 122 definiert, wenn dieser in die ringförmige Nut 118 eingesetzt ist. Das Kühlmittel strömt weiter in der Richtung 138, bis es den axialen Zwischenraum 163 erreicht. Hier kehrt der Kühlmittelstrom um (Pfeil 220) und strömt in der Richtung 136 entlang dem radialen Kanal 168. Aus dem radialen Kanal 168 tritt das Kühlmittel in einen axialen Kanal 172 ein, welcher durch den Aufbau des Verbindungsteils 142 auf das innere Turbinengehäuse 98 ausgebildet werden kann.

[0052] Das Kühlmittel strömt weiter entlang dem axialen Kanal 172 (Pfeil 202) und tritt in einen radialen Kanal 180 auf der stromaufwärts liegenden Seite des Einsatzes 124 ein. Das Kühlmittel wird durch den radialen Kanal (Pfeil 204) in der Richtung 138 geleitet, bis es den axialen Zwischenraum 183 erreicht. Das Kühlmittel strömt dann in Richtung 136 durch den radialen Kanal 182 (Pfeil 206) und verlässt schliesslich den radialen Kanal 182 und tritt in den ringförmigen Kanal 143 ein, welcher, wie vorstehend diskutiert, durch die Aussenoberfläche des inneren Turbinengehäuses 98 und die Kühlmitteldichtung 144 definiert ist. Das Kühlmittel strömt dann weiter stromabwärts (Richtung 140) und tritt schliesslich in den ringförmigen Kanal 142 über einen oder mehrere Einlässe 146 (Fig. 3 ) aus. Wie vorstehend diskutiert, kann eine Zone 150 zwischen dem inneren Turbinengehäuse 98 und dem äusseren Deckband 128 definiert sein.

[0053] Wie vorstehend diskutiert, ermöglicht der Kühlmittelstrom durch die U-förmigen Kanäle eine Wärmeübertragung durch Zwangskonvektionskühlung. Durch die Bereitstellung der radialen Kanäle in den Haken 100 und 102 bietet die vorliegende Technik eine verbesserte Wärmeübertragung in diesen Zonen und eine effektivere Abstandssteuerung. Insbesondere erzeugen die Einsätze 122 und 124 mit U-förmigen radialen Kanälen eine (z.B. in radialer Richtung 138) tiefere Kühlung in die Haken 100 und 102 und erzeugen somit eine grössere prozentuale Kühlung in der radialen Richtung und demzufolge einen grösseren Bereich einer Abstandssteuerung. Im Wesentlichen ermöglicht das grössere Kühlvolumen die Erzeugung einer grösseren Ausdehnung und Zusammenziehung in dem inneren Turbinengehäuse 98. Wie bekannt, kann der Grad der erzeugten Ausdehnung und Zusammenziehung in etwa proportional zu der Tiefe sein, mit welcher sich die U-förmigen radialen Kanäle radial in die Haken 100 und 102 erstrecken. Insbesondere ermöglicht eine tiefere Kühlung (z.B. in die Haken 100 und 102 hinein) eine effizientere Nutzung des Kühlmittels, um eine verbesserte Zusammenziehung/Ausdehnung des Innengehäuseteils 98 bereitzustellen. Eine tiefere Kühlung in den Haken kann eine Wärmebarriere bereitstellen, welche in eine niedrigere Durchschnittstemperatur des inneren Turbinengehäuses 98 übergehen kann. Zusätzlich können die mittels des Verbindungsteils 142 gebildeten axialen Kanäle 172 eine Wärmebarriere dergestalt bereitstellen, dass im Wesentlichen eine konstante Temperatur über dem Zwischenraum zwischen den Einsätzen 122 und 124 und über den axialen Kanälen 172 (z.B. in der radialen Richtung 136) vorliegt.

[0054] Wie vorstehend diskutiert, können von den Sensoren 48 erhaltene Daten durch die Abstandssteuerung 46 genutzt werden, um einen Durchfluss und/oder Temperatur des an einen oder mehrere Bereiche der Turbine 20 gelieferten Kühlmittels zu verändern. Wenn die Steuerung 46 feststellt, dass der Abstand zu verkleinern ist, kann ein Kühlmittelstrom durch die radialen Kanäle 166, 168, den axialen Kanal 172 und die radialen Kanäle 180 und 182 Wärme abführen und somit die Wärmeausdehnung des inneren Turbinengehäuses 98 während des Turbinenbetriebs verringern. Sobald sich das innere Turbinengehäuse 98 zusammenzieht, können sich die Haken 100 und 102 radial zu der Rotationsachse 139 der Welle 24 (Richtung 138) hin zusammenziehen, und somit ebenfalls ein Deckband (z.B. den inneren Deckbandbereich 38a) veranlassen, sich radial zu der Rotationsachse 139 (Richtung 138) hin zu bewegen. Demzufolge wird ein radialer Spalt (z.B. 84) zwischen dem Deckband 38 und den Turbinenschaufeln 36 verringert, um dadurch die Turbinenausgangsleistung und den Wirkungsgrad zu erhöhen.

[0055] Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen auch ein Heizfluid in die radialen Kanäle 166, 168, den axialen Kanal 172 und die radialen Kanäle 180 und 182 eingeführt werden, um die Wärmeausdehnung zu vergrössern oder zu beschleunigen, wie z.B. während Übergangsbetriebszustände. Beispielsweise kann es während eines Hochfahrvorgangs vorteilhaft sein, ein grösseres Abstandsmass bereitzustellen, um die Möglichkeit eines Reibvorgangs wenigstens bis zu dem Zeitpunkt zu vermeiden, bis stabile Betriebszustände erreicht werden.

[0056] In Fig. 9 ist ein Computer-implementiertes Verfahren 212 zum aktiven Anpassen des Abstandes auf der Basis gemessener Parameter des Turbinentriebwerks 12 dargestellt. Das Verfahren 212 kann mit der Überwachung eines oder mehrerer Parameter des Turbinentriebwerks 12 gemäss Darstellung bei dem Block 214 beginnen. Die Parameter können durch die vorstehend diskutierten Turbinensensoren gemessen und dann mit jedem geeigneten Parameter des Turbinentriebwerks 12 in Beziehung gesetzt werden, der dazu verwendet werden kann, einen geeigneten Abstand zu bestimmen. Beispielsweise können sich einige Parameter auf die Temperatur in der Turbine 20 oder von bestimmten Komponenten der Turbine 20 (z.B. der Schaufeln 36, des inneren Turbinengehäuses 98 usw.), auf Schwingungspegel in der Turbine 20, die Drehzahl der Welle 24, die Leistungsabgabe des Turbinentriebwerks 12, einen Durchfluss von Verbrennungsgasen, Druckdaten oder eine beliebige Kombination davon beziehen. Zusätzlich können sich einige Parameter auf ein Steuereingangssignal des Turbinentriebwerks 12 beziehen. Beispielsweise können sich einige Parameter auf einen spezifizierten Leistungspegel oder Betriebszustand des Turbinentriebwerks 12, eine verstrichene Zeitdauer seit dem Hochfahren des Turbinentriebwerks 12 oder einen Hochfahr- und/oder Herunterfahr-Eingabebefehl beziehen.

[0057] Bei dem Block 214 überwachte Parameter des Turbinentriebwerks 12 können dazu genutzt werden, um eine gewünschte Abstandseinstellung bei den Entscheidungsblöcken 216 und 218 zu bestimmen. Beispielsweise kann die Steuerung 46 auf der Basis der im Block 214 gemessenen Parameter bei dem Block 216 bestimmen, ob die Parameter auf einen Übergangszustand des Turbinentriebwerks 12 hinweisen, d.h., einen Zustand, in welchem ein sich ändernder Parameter des Turbinentriebwerks 12 eine Tendenz zu einer raschen Änderung in dem Abstand haben kann. Beispielsweise können einer oder mehrere Parameter eine Temperatur des äusseren Gehäuses 40, inneren Gehäuses 98, der Schaufeln 36 oder irgendeiner anderen Komponente des Turbinentriebwerks 12 betreffen. Wenn eine rasche Änderung der Temperatur festgestellt wird, kann dieses darauf hinweisen, dass sich das Turbinentriebwerk 12 in einem Übergangszustand wie z.B. Hochfahren oder Herunterfahren befindet.

[0058] Wenn ein Übergangszustand detektiert wird, geht das Verfahren 212 zum Block 218 über, bei welchem Steueraktionen implementiert werden, um eine Übergangszustandseinstellung zu erreichen. Beispielsweise können in einer Ausführungsform derartige Steueraktionen eine Vergrösserung oder Beschleunigung der Wärmeausdehnung des inneren Turbinengehäuses 98 bewirken, indem man ein Heizfluid durch die Kühlmittelkanäle in die Turbinenhaken 100 und 102 mit dem Ziel einer Einstellung des Abstandes auf einen maximalen Wert so schnell wie möglich, strömen lässt, um die Möglichkeit eines Kontaktes zwischen den Deckbandabschnitten 38 und den Turbinenschaufeln 36 während des Übergangszustandes zu vermeiden. Danach kann das Verfahren 212 zu dem Block 214 zurückkehren und den/die Betriebsparameter des Turbinentriebwerks 12 weiter überwachen. In einer Ausführungsform kann die Feststellung, ob das Turbinentriebwerk 12 in einem Übergangszustand oder stabilen Betriebszustand arbeitet, auch auf der Basis empirischer Messungen oder theoretischer Abschätzungen unter Berücksichtigung des Zeitbedarfs basieren, den das Turbinentriebwerk 12 zum Erreichen eines stabilen Zustandes nach dem Hochfahren oder nach einer bestimmten anderen Änderung in der Leistungseinstellung des Turbinentriebwerks 12 benötigt. Die empirischen Daten können dann zum Einprogrammieren spezifizierter Zeitkonstanten in die Abstandssteuerung 46 verwendet werden, die den Zeitaufwand repräsentieren, der zum Erreichen stabiler Zustände benötigt wird, nachdem bestimmte Änderungen in der Leistungseinstellung des Turbinentriebwerks 12 initiiert worden sind. Beispielsweise kann, nachdem eine spezielle Änderung in der Leistungseinstellung des Turbinentriebwerks 12 stattgefunden hat, die Abstandssteuerung 46 den Zeitbedarf verfolgen, der seit der Änderung der Leistungseinstellung verstrichen ist, um festzustellen, ob sich das Turbinentriebwerk 12 in einem Übergangszustand oder stabilen Zustand befindet. Wenn die verstrichene Zeit grösser als die spezifizierte Zeitkonstante ist, kann dieses darauf hinweisen, dass das Turbinentriebwerk 12 einen stabilen Betriebszustand erreicht hat. Wenn jedoch die verstrichene Zeit kürzer als die spezifizierte Zeitkonstante ist, kann dieses darauf hinweisen, dass das Turbinentriebwerk 12 sich noch in einem Übergangsbetriebszustand befindet.

[0059] Ferner kann bei dem Entscheidungsblock 216, wenn die überwachten Parameter nicht auf einen Übergangszustand hinweisen, dann das Verfahren 120 mit dem Entscheidungsblock 220 für den stabilen Zustand fortfahren. Wenn beispielsweise festgestellt wird, dass der gemessene Parameter (z.B. die Temperatur) über eine Zeitdauer relativ konstant ist, kann dieses darauf hinweisen, dass das Turbinentriebwerk 12 einen stabilen Betriebszustand erreicht hat. Somit fährt das Verfahren 212 mit dem Schritt 222 fort, bei welchem eine oder mehrere Steueraktionen implementiert werden, um eine Einstellung für den stabilen Zustand zu erzielen. Beispielsweise können derartige Aktionen durch die Steuerung 46 implementiert werden, um den Abstand zwischen dem Deckband 38 und den Turbinenschaufeln 36 zu verringern. Beispielsweise kann die Steuerung 46 einen Kühlmittelstrom einführen, wie z.B. (durch Manipulieren der Ventile 60 und 62) über die Zuflussleitungen 52 oder 54. Wie vorstehend diskutiert, kann das Kühlmittel durch die U-förmigen Kanäle (166 und 168, 180 und 182) und axiale Kanäle 172 strömen und somit die Haken 100 und 102 mittels einer Zwangskonvektionswärmeübertragung kühlen und die Wärmeausdehnung des Turbinengehäuses 98 verringern oder umkehren. Sobald sich das innere Turbinengehäuse 98 zusammenzieht, können sich die Haken 100 und 102 radial (Richtung 138) zu der Rotationsachse der Welle 24 hin zusammenziehen, und somit ebenfalls eine Bewegung der Deckbandes (z.B. des inneren Deckbandbereiches 38a) radial (Richtung 138) zur Rotationsachse hin bewirken. Demzufolge wird ein radialer Spalt (z.B. 84) zwischen dem Deckband 38 und den Turbinenschaufeln 36 verringert, um dadurch Turbinenabgabeleistung und Wirkungsgrad zu erhöhen. Danach kehrt das Verfahren 212 von dem Block 222 aus zu dem Block 214 zurück und fährt mit der Überwachung der Betriebsparameter des Turbinentriebwerks 12 fort. Zusätzlich kann das Verfahren 212 auch von dem Entscheidungsblock 220 zu dem Block 214 zurückkehren und die Überwachung der Turbinenparameter fortsetzen, wenn weder ein Übergangszustand noch ein stabiler Betriebszustand bei den Entscheidungsblöcken 216 oder 220 detektiert werden.

[0060] Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf eine Anordnung von Kühlmittelkanälen in Bezug auf Haken 100 und 102, welche im Wesentlichen der ersten Stufe der Turbine 20 entsprechen, fokussiert hat, dürfte es sich verstehen, dass die vorstehend beschriebenen Techniken auch in anderen Stufen der Turbine 20 angewendet werden könnten. Beispielsweise kann eine ähnliche Anordnung von Kühlmittelkanälen in Haken 110 und 112 der zweiten Stufe der Turbine 20 (Fig. 3 ) vorgesehen sein. Tatsächlich können in einer mehrstufigen Turbine 20 die Kühlmittelkanäle in einer oder mehreren von den Turbinenstufen vorgesehen sein. Ferner dürfte erkennbar sein, dass, obwohl die vorliegenden Beispiele im Wesentlichen die Anwendungen der hierin beschriebenen Abstandssteuerungstechniken unter Bezugnahme auf eine Turbine eines Turbinensystems beschrieben haben, die vorstehenden Techniken auch auf einen Verdichter des Turbinensystems sowie irgendeine andere Art von System angewendet werden kann, das eine feststehende Komponente und eine rotierende Komponente enthält, und in welchen ein Abstand zwischen den feststehenden und rotierenden Komponenten einzuhalten ist.

[0061] Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich der besten Ausführungsart, offenzulegen, und um auch jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung einschliesslich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und umfasst deren Äquivalente.

[0062] Ein System 10 enthält ein Turbinengehäuse 98 mit einem ersten Haken 100, der für eine Vereinigung mit einem zweiten Haken 104 konfiguriert ist, um ein Turbinendeckband 38 um mehrere Turbinenschaufeln 36 herum zu unterstützen. Das Turbinengehäuse 98 enthält einen Kühlmittelkreislauf, der dafür konfiguriert ist, den Abstand zwischen dem Turbinendeckband 38 und den Turbinenschaufeln 36 auf der Basis eines Kühlmittelstroms durch den Kühlkreislauf einzustellen. Der Kühlmittelkreislauf enthält mehrere sich in den ersten Haken 100 erstreckende erste radiale Kühlmittelkanäle 166, 168.

[0063] Bezugszeichenliste <tb>10<SEP>Turbinensystem <tb>12<SEP>Turbinentriebwerk <tb>14<SEP>Einlass <tb>16<SEP>Verdichter <tb>18<SEP>Brennerbereich <tb>20<SEP>Turbine <tb>22<SEP>Abgas <tb>24<SEP>Welle <tb>26<SEP>Verdichterschaufel <tb>28<SEP>Innenwand <tb>30<SEP>Verdichtergehäuse <tb>32<SEP>Verdichtergehäuse <tb>34<SEP>Brenner <tb>36<SEP>Turbinenschaufel <tb>38<SEP>Innenwand <tb>40<SEP>Turbinengehäuse <tb>44<SEP>Steuersystem <tb>46<SEP>Abstandssteuerung <tb>48<SEP>Sensoren <tb>50<SEP>Daten <tb>52<SEP>Zuflussleitung <tb>54<SEP>Zuflussleitung <tb>56<SEP>Wärmetauscher <tb>58<SEP>Fluidquelle <tb>60<SEP>Ventil <tb>62<SEP>Ventil <tb>64<SEP>Steuersignal <tb>66<SEP>Steuersignal <tb>68<SEP>Steuersignal <tb>70<SEP>Brennstoffdüse <tb>74<SEP>Verbrennungsgase <tb>76<SEP>Leiteinrichtung der ersten Stufe <tb>78<SEP>Leiteinrichtung der zweiten Stufe <tb>80<SEP>Leiteinrichtung der dritten Stufe <tb>84<SEP>radialer Spalt <tb>86<SEP>Spitze <tb>92<SEP>radialer Spalt <tb>94<SEP>Spitze <tb>98<SEP>inneres Turbinengehäuse <tb>100<SEP>Haken <tb>102<SEP>Haken <tb>104<SEP>Haken <tb>106<SEP>Haken <tb>110<SEP>Haken <tb>112<SEP>Haken <tb>114<SEP>Haken <tb>116<SEP>Haken <tb>118<SEP>ringförmige Nut <tb>120<SEP>ringförmige Nut <tb>122<SEP>Kühlmitteleinsatz <tb>124<SEP>Kühlmitteleinsatz <tb>128<SEP>Turbinendeckband <tb>130<SEP>Einlass <tb>132<SEP>stromaufwärts liegendes Ende <tb>133<SEP>Kühlmittelstrom (Pfeil) <tb>134<SEP>Dichtungselement <tb>136<SEP>radiale Richtung <tb>138<SEP>radiale Richtung <tb>139<SEP>Rotationsachse <tb>140<SEP>axiale Richtung <tb>141<SEP>Umfangsrichtung <tb>142<SEP>Verbindungsteil <tb>143<SEP>ringförmiger Kanal <tb>144<SEP>Kühlmitteldichtung <tb>146<SEP>Kanal <tb>148<SEP>Hohlraum <tb>150<SEP>Zone <tb>152<SEP>Hohlraum <tb>154<SEP>Einlass <tb>156<SEP>Einlass <tb>160<SEP>stromaufwärts liegende Seite <tb>162<SEP>stromabwärts liegende Seite <tb>163<SEP>axialer Zwischenraum <tb>164<SEP>radiale Höhe <tb>166<SEP>radiale Nuten <tb>168<SEP>radiale Nuten <tb>172<SEP>axiale Nuten <tb>173<SEP>Unterseite <tb>174<SEP>stromaufwärts liegende Seite <tb>176<SEP>stromabwärts liegende Seite <tb>178<SEP>radiale Höhe <tb>180<SEP>radiale Nuten <tb>182<SEP>radiale Nuten <tb>183<SEP>axialer Zwischenraum <tb>189<SEP>nutenfreier Abschnitt <tb>190<SEP>Strömungspfeile <tb>194<SEP>Öffnung <tb>196<SEP>Öffnung <tb>198<SEP>Hohlraum <tb>200<SEP>Strömungspfeil <tb>202<SEP>Strömungspfeil <tb>204<SEP>Strömungspfeil <tb>206<SEP>Strömungspfeil <tb>208<SEP>Strömungspfeil <tb>212<SEP>Verfahren <tb>214<SEP>Block <tb>216<SEP>Entscheidungsblock <tb>218<SEP>Block <tb>220<SEP>Entscheidungsblock <tb>222<SEP>Block

Claims (9)

1. System (10), aufweisend: eine Turbinenkühlbaugruppe, aufweisend: einen ersten Kühlmitteleinsatz (122), der für eine Befestigung in einer ersten Aussparung (118) in einem Turbinenbereich (20) konfiguriert ist, wobei der erste Kühlmitteleinsatz (122) mehrere erste radiale Kühlmittelkanäle (166, 168) enthält; einen zweiten Kühlmitteleinsatz (124), der für eine Befestigung in einer gegenüber der ersten Aussparung (118) axial versetzten zweiten Aussparung (120) in dem Turbinenbereich (20) konfiguriert ist und wobei der zweite Kühlmitteleinsatz (124) mehrere zweite radiale Kühlmittelkanäle (180, 182) enthält; und ein Verbindungsteil (142), das für eine Befestigung an dem Turbinenbereich (20) zwischen den ersten (122) und zweiten (124) Kühlmitteleinsätzen konfiguriert ist, wobei das Verbindungsteil (142) wenigstens einen axialen Kühlmittelkanal (172) aufweist, der mit den mehreren ersten radialen Kühlmittelkanälen (166, 168) und den mehreren zweiten radialen Kühlmittelkanälen (180, 182) verbunden ist, und eine Abstandssteuerung (46), die für eine Veränderung des Abstands im Turbinenbereich (20) mittels Zwangskonvektionskühlung im wenigstens einen axialen Kühlmittelkanal (172) und in den mehreren ersten und zweiten radialen Kühlmittelkanälen (166, 168, 180, 182) konfiguriert ist.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Abstandssteuerung (46) dafür konfiguriert ist, einen Durchfluss, eine Temperatur oder eine Kombination dieser eines Kühlmittelstroms durch die ersten radialen Kühlmittelkanäle (166, 168) des ersten Kühlmitteleinsatzes (122), den wenigstens einen axialen Kühlmittelkanal (172) des Verbindungsteils (142) und die zweiten radialen Kühlmittelkanäle (180, 182) des zweiten Kühlmitteleinsatzes (124) einzustellen, um einen Abstand in dem Turbinenbereich (20) zu verändern.

3. System nach Anspruch 1, aufweisend: eine Welle (24) mit einer Rotationsachse (139); mehrere Schaufeln (36), die mit der Welle (24) verbunden sind; einen inneren Deckbandbereich (38), der in Umfangsrichtung um die Schaufeln (36) herum angeordnet ist, wobei das Deckband (38) einen ersten Haken (104) und einen zweiten Haken (106) aufweist; ein inneres Turbinengehäuse (98), das in Umfangsrichtung um das Deckband (38) herum angeordnet ist, wobei das innere Turbinengehäuse (98) einen mit dem ersten Haken (104) verbundenen dritten Haken (100) und einen mit dem zweiten Haken (106) verbundenen vierten Haken (102) aufweist; ein äusseres Deckbandteil (128), das in Umfangsrichtung um das innere Turbinengehäuse (98) herum angeordnet ist; und wobei der erste Kühlmitteleinsatz (122) zwischen dem inneren Turbinengehäuse (98) und dem äusseren Deckbandteil (128) angeordnet ist und wobei der erste Kühlmitteleinsatz (122) in einer sich radial in den dritten Haken (100) hinein erstreckenden ersten ringförmigen Nut (118) versenkt ist; wobei der zweite Kühlmitteleinsatz (124) zwischen dem inneren Turbinengehäuse (98) und dem äusseren Deckbandteil (128) angeordnet ist, und wobei der zweite Kühlmitteleinsatz (124) in einer sich radial in den vierten Haken (102) hinein erstreckenden zweiten ringförmigen Nut (120) versenkt ist; und wobei das Verbindungsteil (142) sowohl mit den mehreren ersten als auch zweiten radialen Kühlmittelkanälen (166, 168, 180, 182) an gegenüberliegenden axialen Endabschnitten verbunden ist.

4. System nach Anspruch 3, wobei die mehreren ersten und zweiten radialen Kühlmittelkanäle (166, 168, 180, 182) jeweils mehrere U-förmige Kanäle aufweisen, die voneinander in einer Umfangsrichtung (141) in Bezug auf die Rotationsachse (139) versetzt sind.

5. System nach Anspruch 3, wobei: der erste Kühlmitteleinsatz (122) einen ersten Satz radialer Nuten (166), einen zweiten Satz radialer Nuten (168) und einen axial zwischen den ersten und zweiten Sätzen der radialen Nuten (166, 168) angeordneten ersten Teiler aufweist, wobei die erste ringförmige Nut (118) wenigstens im Wesentlichen die ersten und zweiten Sätze radialer Nuten (166, 168) auf gegenüberliegenden axialen Seiten des ersten Kühlmitteleinsatzes (122) schliesst, um die mehreren ersten radialen Kühlmittelkanäle (166, 168) zu definieren; und der zweite Kühlmitteleinsatz (124) einen dritten Satz radialer Nuten (180), einen vierten Satz radialer Nuten (182) und einen axial zwischen den dritten und vierten Sätzen der radialen Nuten (180, 182) angeordneten zweiten Teiler aufweist, wobei die zweite ringförmige Nut (120) wenigstens im Wesentlichen die dritten und vierten Sätze radialer Nuten (180, 182) auf gegenüberliegenden axialen Seiten des zweiten Kühlmitteleinsatzes (124) schliesst, um die mehreren zweiten radialen Kühlmittelkanäle (180, 182) zu bilden.

6. System nach Anspruch 3, wobei das Verbindungsteil (142) einen Satz axialer Nuten (172) aufweist, die gegenüber einer Oberfläche des inneren Turbinengehäuses (98) angeordnet sind, um den wenigstens einen axialen Kühlmittelkanal zu bilden.

7. System nach Anspruch 3, mit einer Kühlmittelhülse (144), die um das innere Turbinengehäuse (98) herum angeordnet ist, wobei sich die Kühlmittelhülse (144) zwischen einer ersten Turbinenstufe (76) und einer zweiten Turbinenstufe (78) erstreckt, und wobei die erste Turbinenstufe den ersten Kühlmitteleinsatz (122), den zweiten Kühlmitteleinsatz (124) und das Verbindungsteil (142) aufweist.

8. System (10) nach Anspruch 1, aufweisend: ein Turbinengehäuse (98) mit einem ersten Haken (100), der für eine Vereinigung mit einem zweiten Haken (104) konfiguriert ist, um ein Turbinendeckband (38) um mehrere Turbinenschaufeln (36) herum zu unterstützen, wobei das Turbinengehäuse (98) einen Kühlmittelkreislauf aufweist, der dafür konfiguriert ist, den Abstand zwischen dem Turbinendeckband (38) und den Turbinenschaufeln (36) auf der Basis eines Kühlmittelstroms durch den Kühlkreislauf einzustellen, und wobei der Kühlmittelkreislauf mehrere erste radiale Kühlmittelkanäle (166, 168) enthält, die sich in den ersten Haken (100) erstrecken.

9. System nach Anspruch 8, wobei der Kühlmittelkreislauf mehrere axiale Kühlmittelkanäle (172) parallel zueinander und zu einer Rotationsachse (139) der Turbinenschaufeln (36) aufweist und die mehreren axialen Kühlmittelkanäle (172) mit den mehreren radialen Kühlmittelkanälen (166, 168) verbunden sind.