DE1601559A1

DE1601559A1 - Durch ein kuehlmedium gekuehlter bauteil einer gasturbine

Info

Publication number: DE1601559A1
Application number: DE19671601559
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Corrigan; Larry Wayne Plemmons
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-11-02
Filing date: 1967-07-20
Publication date: 1973-05-24
Also published as: CA952436A; GB1308771A; FR1605166A; NL6709458A; US3728039A

Description

Unser Zeichen: G 1093

Durch ein Kühlmedium gekühlter Bauteil einer Gasturbine

Die Erfindung bezieht sich auf einen Statorbauteil, der durch ein fluides Kühlmittel gekühlt wird und der für ein Turbo-Triebwerk bestimmt ist, welches bei hohen Temperaturen arbeitet. Die Erfindung betrifft insbesondere poröse Turbinengehäuseteile, die durch eine Strömungskühlung auf einer geeigneten Betriebstemperatur gehalten werden.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerkes unter anderen Parametern von der Turbinenbetriebstemperatur abhängt und daß theoretisch der Wirkungsgrad dadurch erhöht werden kann, daß die Betriebstemperatur erhöht wird. In der Praxis ist jedoch die maximale Turbinenbetriebstemperatur durch die Wärmebelastbarkeit der verschiedenen Turbinenelemente begrenzt. Da also der Triebwerkswirkungsgrad durch Betriebstemperaturen begrenzt ist, haben die Triebwerksbauer erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Wärmebelastbarkeit von Turbinenelementen zu erhöhen, welche den heißen Verbrennungsgas en auage-setzt sind, wobei diese Elemente

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die stationären Gehäuseteile umfassen, welche die Turbinenschaufelstufen umgeben und eine unerwünschte Leckströmung um die Schaufelspitzen herum verhindern. Eine gewisse Erhöhung des Triebwerkwirkungsgrades wurde dadurch erreicht, daß man neue Materialien entwickelte und verwendete, die höheren Temperaturen widerstehen konnten. Diese neuen Materialien sind jedoch nicht ganz allgemein in der lage, den außerordentlich hohen Temperaturen zu widerstehen, die in moderaene Gastriebwerken wie Gasturbinen erwünscht sind and auftreten· Es wurden deshalb zahlreiche Kühleinrichtungen für Gehäuseteile und andere Turbinenelemente vorgeschlagen, um die obere Betriebsbereichsgrenze dadurch weiter hinauf zu schieben, daß die Materialien bei den tieferen Temperaturen gehalten werden, denen diese Materialien ohne beschädigung widerstehen können·

Das Kühlen von ringförmigen Turbinengehäuseteilen und ähnlichen Statotbauteilen, wie beispielsweise das Kühlen der Ringe, welche die Enden von Turbinenleitkranzschaufeln tragen und miteinander verbinden, wird im allgemeinen in der Weise durchgeführt, daß dünne Filme von fluiden Kühlmedien über die der Wärme ausgesetzten Oberflächen geleitet werden, um diese Bauteile gegen die heißen Gase zu isolieren. Das fluide Medium, das für diese Art der Kühlung verwendet wird, ist üblicherweise Druckluft, die entweder vom Kompressor oder aus dem

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Brennkammerabschnitt

Brennkammerabschnitt abgezapft -wird. Bs ist theoretisch möglieh, daß der Wirkungsgrad des Triebwerkes durch ein Abziehen von Kühlluft auf diese Weise herabgesetzt wird. Es ist deshalb erforderlieh, daß die Kühlluft in nutzbringender Weise ausgenutzt wird, damit nicht die durch das Abzapfen der Luft bewirkte Abnahme des Wirkungsgrades größer ist als die Zunahme des Wirkungsgrades, die sich aus der höheren Turbinenbetriebstemperatur ergibt· Mit anderen Worten muß das Kühlsystem in der Hinsicht wirksam arbeiten, daß die Kühlluftmenge auf ein Minimum herabgesetzt wird, während natürlich eine ausreichende Kühlung aller Teile der gekühlten Glieder erzielt wird. Zusätzlich solle ein vollauf zufriedenstellendes Kühlsystem die Kühlung durchführen können, ohne daß in nachteiliger Weise die anderen Faktoren beeinflußt werden» welche für die Gesamttriebwerksleistung und für den Gesamttriebwerks-Wirkungsgrad mitbestimmend sind.

Es wurde nun gefunden, daß die Pilmkühleinrichtungen, die bisher zur Kühlung von Turbinegehäuseteilen verwendet wurden, dazu neigten, übermäßig große Kühlluftmengen zu benötigen, und zwar aus Gründen, die in naher Beziehung zu den aerodynamischen Strömungs Charakteristiken in der Turbine stehen· Zur Erläuterung sei darauf hingewiesen, daß an jedem Punkt an der Oberfläche eines typischen Gehäuseringes während einer jeden Minute des Triebwerkabetriebes das Äquivalent von hunderttausenden von Schaufelspitzen vorbeigeht. Die Zahl des Schaufelspitzenäqui-30S821/0354

valents

valents ist die tatsächliche Anzahl der Schaufeln in der Stufe, die von dem Gehäuse umgeben wird, multipliziert mit der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute dieser Stufe. Bs wurde nun in der Praxis gefunden, daß diese Relativbewegung zwischen den Schaufelspitzen und den Gehäuseabschnitten außerordentlich starke turbulente Strömungen und hohe Wärmeübertragungakoeffizienten an der Oberfläche der Gehäuseteile erzeugt. Wegen dieser starken turbulenten Strömung wird der Kühlluftfilm, der längs der Oberfläche des Gehäuseteiles geführt werden soll, außerordentlich schnell zerstört» TJm nun eine ausreichende Kühlungskapazität zu erzielen, war es bisher erforderlich, relativ große Mengen von Kühlluft einzuführen. Wie im vorstehenden dargelegt, können diese großen Kühlluftmengen, die sich in der Größenordnung von ein oder 2$ der Gesamtluftströmung d^rch das Triebwerk bewegen können, den Triebwerkswirkungsgrad, der sonst erreicht werden würde, herabsetzen.

Bs ist deshalb ein Ziel der Erfindung, für mit hohen Temperaturen arbeitenden Turbo-Triebwerke einen verbesserten Statoraufbau zu schaffen, der durch ein Kühlmedium gekühlt wird, welches in einer hochwirksamen Weise ausgenutzt wird.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, für mit hohen Temperaturen arbeitende Turbotriebwerke einen verbesser-

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ten

ten Statoraufbau zu schaffen, der derart aufgebaut ist und so gekühlt wird, daß alle Teile des Statoraufbaues in ausreichender Weise durch eine verhältnismäßig kleine Menge an Kühlmedien gekühlt werden·

Ein weiteres'Ziel der Erfindung ist es, eine Kühlanordnung zur Kühlung von Turbinengehäuse teilen in wirksamer Weise mit einer relativ kleinen Menge von Kühlluft zu schaffen, wobei die verwendete Kühlluftmenge vorzugsweise | weniger als t fi der Gesamtluftströmung durch das Triebwerk beträgt·

Perner ist es Ziel der Erfindung* eine verbesserte Kühlanordnung für den Statoraufbau gemäß den vorstehenden Ausführungen zu schaff en* ohne daß dadurch andere Betriebsparameter» die die Gesamtleistung und den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes mitbestimmen, in nachteiliger Weise beeinflußt werden.

Gemäß der Erfindung ist ein durch ein fluides Medium gekühlter Turbieienabschnitt für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, welches eine Eeihe von in ümfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten lurbinensehaufeln aufweist, die derart montiert sind, daß sie sich um eine Achse drehen, wobei sich die Turbinenschaufeln radial zur Ache durch einen ringförmigen !Durchgangskanal erstrekken, wobei durch diesen ringförmigen Durchgangskanal während des Betriebes des Triebwerkes ein Arbeitsmedium von 309821/Q354

hoher Temperatur hindurehströmt und wobei ein ringförmiger, poröser Gehäuseteil vorgesehen ist, der in Umfangsrichtung die äußeren Spitzen der Turbinenschaufeln in dichtem Abastand zu diesem umgibt, um eine Leckströmung von Arbeitsmedium, welches unter hoher Temperatur steht, um diese Spitzen' während des Betriebes -zu beherrschen, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um Kühlmedium wenigstens einem Teil der äußeren Oberfläche dieses Gehäuseteilea zuzuführen, um diesen Gehäuseteil während des Betriebes des Triebwerkes zu kühlen.

Die Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden* Es zeigen:

Fig«, 1 eine Schnittansicht eines Teiles eines Gasturbinentriebwerkes, welches einen Turbinengehäuse— abschnitt aufweist, der gemäß der Erfindung aufgebaut und gekühlt ist»

!ig· 2 eine vergrößerte Schnittansicht des in Mg. 1 dargestellten Turbinengehäuseabschnittes,

Fig· 5 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Turbinengehäusee und der Halterung,

Pig· 4 eine Ansicht, gesehen von der linie 4-4 der Pig. 2 aus,

Fig» 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4» die eine andere

Auaführungsform des Gehäuseträgers zeigt, 309821/0354

Pig« 6 eine der Pig· 2 entsprechende Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform des Gehäuses und

Pig© 7 eise Ansicht ₉ gesehen von der Linie 7-7 der Pig. β aus.

In Pig. 1 ist ein mit hohen Temperaturen arbeitender Abschnitt eines Axialströmungs-Gasturbinentriebv/erkes 10 dargestellt© Das Triebwerk weist einen äußeren zylindrischen Gehäuseabschnitt 11 auf» der in TJmfangsrichtung . " den mit hohen Temperaturen arbeitenden Abschnitt des Triebwerkes umgibt· Beim dargestellten Gasturbinentriebwerk ist eine ringförmige Brennkammer 12 vorgesehene Diese Brennkammer 12 ist zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und einer inneren Wandung 13 angeordnet. Eine ringförmige Brenrikammerauskleidung weist eine äußere und eine innere Wandung 14a und 14b auf, und diese Auskleidung ist im Raum 12 im Abstand gegenüber dem Gehäuse 11 und der Wandung 13 angeordnet. Die tatsächliche Verbren- ( nung findet innerhalb des Ringraumes 14 statt, welcher von den Wandungen 14a und 14b eingeschlossen wird. Die Ringräume 15 und 16 zwischen den Wandungen 14a und 14b und dem Gehäuse 11 und der Wandung 13 sind mit unter hohem Druck stehender Luft gefüllt, die von einem nicht dargestellten Kompresser abgegeben wird. Diese unter hohem Druck stehende Luft, die im Verhältnis zur Hohnn Temperatur der Verbrennungsgase innerhalb der Brennkammeer 14 sehr kühl ist, wird nun in eingestellter oder gesteuer-

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ter Weise in das Innere der Brennkammer eingeführt, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten und um in dieser Brennkammer eine Kühlung zu bewirken» Gemäß der Erfindung wird diese relativ kühle luft ebenfalls zur Kühlung des Gehäuseäbschnittea 20 einer ersten Turbinenstufe in einer noch zu beschreibenden Weise verwendet«.

Ein ringförmiger Leitkranz 22 ist am stromab gelegenen Ende des Brennkammerabschnittes 12 montiert, um die heißen Verbrennungsprodukte einer ersten Reihe von Turbinenschaufeln 23 unter dem richtigen Winkel und mit der entsprechenden Geschwindigkeit zuzuleiten. Die Turbinenschaufeln 23 sind um den Umfang eines Turbinenlauf " rades 24- herum angeordnet· Dieses Turbinenlaufrad ist zusammen mit der Welle 25 und mit einem zweiten Turbinenlaufrad 26, welches eine zweite Reihe von Turbinenschaufeln 27 trägt, drehbar an der Achse 28 durch geeignete lager gelagert, wobei eine lagereinrichtung 29 vorgesehen ist. Die Turbineneinheit, die die laufräder 24 und 26 und die Welle 25 umfaßt, treibt den nichtdargestellten Kompressor des Triebwerkes 10 an.

Unter Bezugnahme auf die fig· 1 und 2 sei bemerkt, daß das Arbeitsmedium axial durch einen Ringkanal 32 hindurch strömt. Die Schaufeln der leitkränze 22 und 34 und die Turbinenschaufeln 23 und 2? erstrecken sich radial durch diesen Kanal 32 hindurch, Wenn das Gastur-

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binentriebwerk 10 mit einem Wirkungsgrad und mit einer Leistungsabgabe betrieben werden soll, die in modernen Gasturbinentriebwerken erwünscht sind» so müssen die Verbrennungsprodukte aus"der Brennkammer 12 mit Temperaturen abgegeben werden, die höher sind als diejenigen, denen die Turbinenbauteile, die aua gegenwärtig verfügbaren Materialien bestehen, ohne Kühlung widerstehen können. Durch die Erfindung wird ein derartiger Betrieb ermöglicht und zwar dadurch, daß eine entsprechende (

Kühlung in hochwirksamer Weise vor dem Gehäuseabsehnitt 20 der ersten Turbinenstufe vorgesehen ist. Dieser Gehäuseabschnitt 20 umgibt in dichtem Abstand die Turbinenschaufeln 23· Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die »rfindungsgemäße Kühlanordnung lediglich beim ringförmigen Gehäuseteil 20 vorgesehen» Ea sei ;jedoeh bemerkt, daß die Erfindung auch bei dem Gehäuseabschnitt 40 und 30 der zweiten Stufe verwendet werden kann, welcher die lurbinensehaufeln 27 umgibt, oder bei anderen Statorbauteilen, die den Arbeitamedien mit hoher Temperatur ausgesetzt sind. Es ist klar, daß geeignete Kühleinrichtungen ebenfalls in Gasturbinentriebwerken, die bei entsprechend hohen Temperaturen arbeiten, für die tragflächenförmigen Schaufeln der leitkränze 22 und 32 und für die Turbinenschaufeln 23 und 27 vorgesehen sein können.

Es sei nunmehr auf die Pig. 2 bis 4 Bezug genommen. Der in diesen figuren dargestellte gekühlte Gehäuseabsehnitt 309821/0354

aoll nunmehr beschrieben werden. Wie dargestellt, ist der Gehäusebauteil 20 ein relativ, dünner Hing, der eine innere Hingoberfläche 40 aufweist, die dicht die äußeren Spitzen 42 der Turbinenschaufel 23 umgibt. Da es der Zweck des Gehäuseteilea 20 ist, eine leckströmung von Arbeitsmedien um die äußeren Spitzen 42 herum ohne Arbeitseinwirkung auf die Schaufel 23 zu verhindern, sei bemerkt, daß der radiale Abstand 44 zwischen den Spit-

* zen 42 und der inneren Oberfläche 40 während des stationären Betriebes des Triebwerkes so klein als möglich gehalten werden soll, wobei die Expansions- und Kontraktionseigenschaften der verschiedenen Turbinenelemente zu berücksichtigen ist. Obwohl idealerweise der Gehäuseabschnitt 20 ein eingleisiger kontinuierlicher Ring sein sollte, um eine maximale Abdichtung zu erreichen, sei bemerkt, daß tatsächlich, derartige Gehäuseabschnitte in der Praxis aus Segmenten bestehen, die entsprechende Dichtungen aufweisen» um eine leckströmung durch jede der erforderlichen Verbindungsstellen zu verhindern·

Gemäß der Erfindung besteht der Gehäuseabschnitt 20 aus einem poräsen Material, welches eine große Anzahl von kleinen Durchgangakanälen aufweist, welche die innere Ringoberfläche 40 und die äußere Ring oberfläche 46 miteinander verbinden· Diese kleinen Kanäle sind vorzugsweise als integraler Bestandteil des Materials ausgebildet. Es gibt eine Anzahl von bekannten Materialien, die

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willkürlich angeordnete und miteinander verbundene Zwischenräume aufweisen, welche kleine Kanäle von der Art bilden, wie sie für den Gehäuseabschnitt 20 wünschenswert sind« Diese Materialien können willkürlich verteilt angeordnete Drähte oder gewebte Drähte umfassen, die gesintert oder verlötet sind, um einen zusammengesetzten Bauteil zu bilden, der einen gewissen ffrad von Porosität aufweist.

Ausgewählte Teile der äußeren Oberfläche 46 des Gehäuseabschnittes 20 liegen gegen einen ringförmigen Träger 50 an, der radial zwischen dem Gehäuseabschnitt 20 und einer Kammer 52 angeordnet ist« Diese Kammer 52 liegt innerhalb des Gehäuses 11 und bildet eine stromab gelegene Fortsetzung des die Brennkammer umgebenden RaumabsGhnittes 15« Der Träger 50 weist stromauf und stromab gelegene ringförmige Tragflansche 52 und 54 auf, die in entsprechende Flansche 55 und 56 eingreifen, welche sich von einer ringförmigen Halterung 57 aus nach innen erstrecken, um den Gehäuseabschnitt 20 in seiner richtigen Betriebslage relativ zu den Spitzen 42 der Srbinenschaufel 23 anzuordnen. Diese Halterung 57 wird ihrerseits vom Gehäuse 11 getragen. Der ringförmige Träger 50 weist in Umfangsrichtung verlaufende Mppen 58 auf, die sich vom Träger aus nach innen erstrecken und die gegen die äußere Oberfläche 46 des Gehäuseabschnittes 20 anliegen» Wenigstens die äußere stromauf gelegene und stromab ge-

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legene

legene Sippe und vorzugsweise alle Rippen 58 sind an dem Gehäuse 20 durch geeignete Yerbindungsteehniken befestigt, wie beispielsweise mittels Lot- oder Schweißverfahren« Wie deutlich aus den Fig« 2 und 4 zu erkennen ist, bilden das Gehäuse 20 und der Träger 50 eine Anzahl von im wesentlichen abgeschlossenen Ringkammern 62a, 62b und 62c, die mit der Sammelkammer 62 über Öffnungen 63a, 63b und 63c im Träger 50 verbunden .sind. Zusätzlich bilden die Rippen 58 für das poröse Gehäuse 20 an im Abstand voneinander angeordneten Stellen einen entsprechenden Träger, wobei zu bemerken ist, daß dieses Gehäuse 20 wegen seines speziellen Aufbaus eine geringe Festigkeit hat. Falls eine zusätzliche Halterung gewünscht ist, so kann der Träger ebenfalls axiale Rippen 59 aufweisen, wie es in Fig· 5 dargestellt ist und zwar zusätzlich zu den Umfangsrippen 58 und diese Rippenanordnung der Rippen 58 und 59 bildet eine große Anzahl von kleinen gekrümmten Kammern anstatt eine Anzahl von Ringkammern_e

Während des Betriebes wird Luft mit verhältnismäßig geringer Temperatur, die unter dem Kompressoraustrittsdruck steht, und die im Raum 15 zwischen dem Gehäuse und der Wandung Ha vorhanden ist, durch die öffnungen 65 in der Halterung 57 der Kammer 52 zugeführt. Aus der Kammer 52 strömt die verhältnismäßig kalte Luft durch die Öffnungen 63a, 63b und 63c, im Träger 50 in die Kammern 62a, 62b und 62c. Die Öffnungen 63a, 63b und 63c und eventuell auch die Öffnungen 65 sind derart fcemes-

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sen, daß die Kühlluftströmung derart zugeführt wird, daß ein im wesentlichen gleichförmiger Druckgradient durch den Gehäusebau 20 hindurch aufrecht erhalten wird. Es ist bekannt, daß wahrend des Betriebes das stromauf gelegene Ende der inneren Oberfläche 40 des Gehäuseabsehni-t tea 20 unter höherem Druck stehenden Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, als das stromab gelegene Ende und es ist klar, daß die Kühlluft in der Kammer 62a unter einem höheren Druck gehalten werden sollte als in der Kammer 62c. Dies bedeutet, daß die Öffnungen 65c kleiner sein sollten als die Öffnungen 63a, um einen größeren Drosseleffekt auf die Kühlluft auszuüben. Dadurch, daß der Druckgradient gering gehalten wird, und zwar in der Größenordnung von etwa 1,05 kg/cm wird die Druckbelastung, die auf das Gehäusematerial des Gehäuses 20 ausgeübt wird, auf einer annehmbaren Hohe gehalten* Die Öffnungen 63a, 63b und 63c und gegebenenfalls die Öffnungen 65 sollten groß genug sein, um die Drucke in den Kammern 62a, 62b und 62c zu allen Zeiten auf einen höheren Wert zu halten, als die Drucke, die auf die entsprechenden Teile der inneren Oberfläche 40 des Gehäuses 20 einwirken.

Wegen der Durchläaaigkeit des Gehäuses und wegen des Druckdifferentiala im Gehäuse strömt die Kühlluft aus den Kammern 62a, 62b und 62c durch das Gehäuse 20 hindurch zur inneren Oberfläche 40 und in den ringförmigen

Kanal 32, wie es durch die Pfeile in Fig. 2 dargestellt 30982 1/Q3S4

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ist. Das Gehäuse 20 wird auf diese Weise durchsetzt und wird dadurch von der Kühlluft .während des Betriebes gekühlt. Der gleichförmige Druckgradient durch das Gehäuse 20 hindurch sichert eine im wesentlichen gleichförmige Strömung von Kühlmittel durch das Gehäuse. Diese Art der Kühlung, bei welcher ein Wärmeaustauschmedium durch ein gekühltes Glied in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung der Wärmeströmung strömt, wird als strömungskühlend bezeichnete Diese Kühlung wird auch manchmal als sogenannte Effusionskühlung bezeichnet» Die War» me, die von der Kühlluft aufgenommen wird, wird in den Iriebwerkszyklus wieder zurückgeführt, wenn die Luft aus der inneren Oberfläche 4-0 des Gehäuses in den Ringkanal 32 eintritt. Da die Kühlluft tatsächlich vollständig durch das poröse Gehäuse 20 hindurchtritt, ist ea klar, daß hierdurch eine außerordentlich wirksame Wärmeübertragung erzielt wird. Es würde beispielsweise bei einer Anwendung gefunden, daß ein Gehäuseteil, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist und gekühlt wird, bei einer Betriebstemperatur von 1400° ]? gehalten werden kann und zwar mit einer Gesamtluftströmung, die lediglich 0,56$ der Strömung des Arbeitsmediums durch den Kanal 32 au£- macht. Falls das gleiche Gehäuse durch einen PiIm gekühlt werden soll, wobei die Luft innerhalb der inneren Gehäusewandung 40 eingeführt wird, wo. diese luft schnell durch die turbulenten Strömungsbedingungeh abgeleitet werden könnte, so würde der Luftbedarf auf Vj* ansteigen, um das Gehäuse auf einer höheren Betriebstemperatur von 309821/0354

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etwa 1800⁰F zu halten. Untersuchungen haben ergeben, daß die erfindungsgemäße Strömungskühlung zur Stabilisierung der Grenzschicht beiträgt, wodurch die turbulenz vermindert wird, die längs der inneren Gehäuseoberfläche 40 auftritt«, Daraus folgt, daß die Kühlanordnung nicht nur den Wirkungsgrad und die Leistung dadurch erhöht, daß weniger Kühlluft erforderlich ist sondern auch dadurch, daß der gesamte Druckverlust vermindert wird, der bei turbulenten Strömungen auftritt, |

Für einen optimalen Betrieb sollte die Kühlluftströmung durch das Gehäuse 20 derart eingestellt sein, daß sie ausreicht, um das Gehäuse auf der gewünschten Betriebstemperatur zu halten, und die dafür erforderliche Kühlluftströmung sollte nicht überschritten werden· Um die richtige Strömung einzustellen, können eine Anzahl von Parameter verwendet werden, die von dem Turbinenbauer eingestellt oder beherrscht werden können. Beispielsweise kann die Porösität des verwendeten Materials innerhalb bestimmter Grenzen verändert werden, und der lurbinenbauer kann seine Erfahrungen ausnutzen, um ein bestimmtes Material für das Gehäuse 2ß auszuwählen. Weiterhin können die Dicke des Gehäuses, der D.ruckgradient durch das Gehäuse und die Fläche, die der unter hohem Druck stehen-" den Kühlluft ausgesetzt ist, innerhalb bestimmter Grenzen verändert werden, um die gesamte Durchlässigkeit des Gehäusesbaturfceiles zu verändern« Bezüglich der Mög-

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lichkeit der Veränderungen der Oberfläche sei auf Fig.4 verwiesene Es sei "bemerkt, daß lediglich die Bereiche A der äußeren Oberfläche 46 des Gehäusebauteiles 20 mit der unter hohem Druck stehenden Kühlluft in den Kammern 62a, 62b und 62c in Kontakt stehen,, Die Bereiche B liegen gegen die Rippen 58 an und werden dadurch gegen die Kühlluft isoliert· Um heiße Stellen am Gehäuseabschnitt 20 zu verhindern, sollte dieser Aufbau so sein, daß nicht zu große Bereiche gegen die Kühlluft abgesperrt werden. Es ist klar, daß eine gleichförmigere Kühlung dadurch erzielt werden kann, daß verschiedene in gleichem Abstand voneinander angeordnete Bereiche vorgesehen sind, die eine geringere Hache A haben als dadurch, daß ein einzelner Bereich verwendet wird, der die gleiche Gesamtfläche hat. Bs sei bemerkt, daß die Strömung durch den G-ehäuseabschnitt 20 entsprechend der Gesamtdurchlässigkeit des Gehäuses eingestellt oder gesteuert wird, wobei die Gesamtdurchlässigkeit von einer Anzahl von Faktoren abhängt, wobei diese Paktoren den Druckabfall im Gehäuse, die Porösität des Gehäusematerials, die Gehäusestärke und die Fläche umfassen, die der Luft hohen Druckes ausgesetzt ist. Es sei bemerkt, daß äußerste Sorgfalt verwendet werden sollte, um einen übermäßig großen Druckabfall an den Öffnungen 65, 63a, 63b, und 63c auszuschalten, da ein derartiger Druckabfall dazu führen könnte, daß die örtlichen Drucke an der inneren Gehäuse ober fläche höher sind als die entsprechenden Drucke in den Kam-

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mern 62a, 62b und 62c· Dies würde zu einer umgekehrten Strömung in diesen Bereichen führen, was eine schnelle Zerstörung des Gehäuses 20 zur Folge hatte«

Wenn das poröse Material des Gehäuses 20 eine ausreichende festigkeit aufweist, um die Druekbelastungen auf-

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nehmen können, so ist kein Grund vorhanden, daß nicht der gesamte Druckabfall durch das Gehäuse hindurch erzielt werden kann, wobei andere Konstruktionsparameter entsprechend eingestellt werden können, um eine ausreichende, jedoch nicht übermäßige Gesamtströmungsrate zu erzielen. Eine derartige Anordnung würde jedoch nicht alle Torteile der Ausführungsformen aufweisen, die hier dargestellt und beschrieben sind· Beispielsweise würde ein derartiger Gehäutteäbsehnitt keine gleichförmige Strömungsverteilung aufweisen, da die innere Gehäuseoberfläche wie im vorstehenden dargelegt, einer ungleichförmigen Druckverteilung des Arbeitsmedium^ im Kanal 32 ausgesetzt ist. Die Drosselöffnungen 63a, 63b und 63o bilden deshalb einen Weg, Um eine gleichförmige Kühlung durch die verschiedenen Teile des Gehäuses 20 hindurch zu erzielen. Weiterhin wurde gefunden, daß eine Anordnung, bei der eine Drosselung vorgenommen wird, und bei der ein verhältnismäßig geringer Druckabfall im Gehäuse auftritt, weniger zu .Änderungen in der Strömungsrate neigt, falls die kleinen Kanäle des Gehäuses 20 durch Fremdstoffe, wie beispielsweise durch Schmutz verstopft werden, da eine

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derartige

derartige Verstopfung einen Druckanstieg in den Kammern 62a, 62b und 62c erzeugt, wodurch eine größere Strömung durch die unverstopften Kanäle erzeugt wird» Es wurde ferner gefunden , daß diese Anordnung nicht so empfindlich gegen Str ömungsrat enände rungen ist, die sich durch lokalisierte Druckänderungen innerhalb des Arbeitsmediums ergehen, das auf die innere Oberfläche 40 des Gehäuses 20 einwirkt.

Es sei nunmehr auf die Hg. 6 und 7 Bezug genommen· In diesen Figuren ist ein abgeändertes Gehäuse 20* dargestellt, welches gemäß der Erfindung aufgebaut ist· Dieses Gehäuse 20· weist einen porösen Gehäusering 70 auf, der ähnlich ausgebildet ist, wie der in den Pig· 1 bis 5 dargestellte Gehäusering 20 und ferner ist ein ringförmiges Band 72 auö einem Verschleißmaterial vorgesehen beispielsweise aus einem Material, welches eine offene Wabenstruktur aufweist, und dieses Band ist an der inneren Oberfläche 73 des Gehäuseringes 70 durch geeignete Verbindungstechniken, wie beispielsweise durch eine Verlötung, befestigt.

Ehe diese abgeänderte Gehäusekonstruktion diskutiert werden aoll, sei vorher ganz kurz auf bestimmte Übergangsbetriebsbedingungen eingegangen, die in Gasturbinentriebwerken auftreten. Im vorstehenden wurde im Zusammenhang mit 3?ig. 2 dargelegt, daß der radiale Abstand 44 zwischen den ätiSörea Spitzen 42 der Schaufeln 23 und dem 3ÖS821/83S4

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Gehäuseabschnitt 20 während des stationären Betriebes des Triebwerkes so klein als möglich gehalten werden sollte, um eine Leckströmung dös Arbeitsmediums um die Spitzen 42 herum, wobei diese Strömung keine Arbeit an die Schaufel 23 abgibt, auf einen Minimalwert herabzusetzen· Durch die Unterschiede in den Expansions- und Kontraktionswerten zwischen deia Gehäuse und anderen Statorbauteilen und dem Turbinenirotor verändert sich das Spiel 44 bei verschiedenen Betriebsbedingungen, Wenn der in den Pig« 1 bis 5 dargestellte Gehäuseaufbau verwendet wird, ist es wünschenswert, daß kein Heiben zwischen den Schaufelspitzen 42 und der inneren Oberfläche 46 des Gehäuses 20 auftritt, denn es wurde gefunden, daß ein derartiges Reiben die Durchlässigkeit des Gehäuses herabsetzt« Dadurch kann das Gehäuse 20 während des anschließenden Betriebes überhitzt werden, da hierdurch die Wirkung der Strömungskühlung herabgesetzt wird. Um eine derartige Möglichkeit auszuschalten, wird der in den Pig· 1 bis 5 dargestellte Sehäuseabschnitt 20 mit einem Spielraum eingebaut, der ausreicht um sicherzustellen, daß kein Reiben auch bei den schwersten Betriebsbedingungen, auftritt. Dies bedeutet jedoch, daß ein wesentlicher Sicherheitsbereich beim Zusammenbau vorgesehen wird, und das Ergebnis ist der in 3?ig_e. 2 dargestellte Spielraum 44.

Dadurch, daß das Ringband 42 aus einem offenen Wabenmaterial an der inneren Oberfläche 73 des Gehäuseringes 309821/0354

befestigt wird, wie es in den Figo 6 und 7 dargestellt ist, kann ein Reiben zwischen den Schaufelspitzen 42' und diesem Wabenband 72 stattfinden, ohne daß dadurch die Durchlässigkeit des Gehäuseringes 70 beeinträchtigt wird. Daraus ergibt sich, daß das Spiel wesentlich kleiner gehalten werden kann, da der Sicherheitsabstand außer betracht gelassen werden kann. Wenn man annimmt, daß während des Betriebes kein Reiben von der Art stattfindet, welches dem in Figo 2 dargestellten extremen Zwischenraum 44 erforderlich macht, so weist der Gehäusering 20', der in den Fig_e 6 und 7 dargestellt ist, einen wesentlich kleineren Spielraum 44' auf. Das praktische Ergebnis ist, daß die leckströmung an den Spitzen während des Betriebes wesentlich herabgesetzt wird»

Der Gehäusering 72 besteht aus einem metallischen Wabenmaterial mit offenen Zellen und es ist bekannt, daß dieses Abrieb- oder Verschleißeigenschaften aufweisto Die relativ großen Öffnungen dieses Wabenmaterials bilden eine Fortsetzung der kleinen Kanäle des Gehäuseringes und stellen sicher, daß die Kühlluftströmung nicht durch einen Abrieb beeinträchtigt wirdr Es können andere Materialien als metallische Wabenmaterialien verwendet werden, wobei diese Materialien leicht abreibbar sein müssen und wobei diese Materialien hohen Temperaturen widerstehen müssen und verhältnismäßig große Kanäle aufweisen müssen, die nicht durch das Abreiben verstopft werden. Sorgfältig sollte die Verbindungstechnik ausgewählt 3Ö9821/0 3S&

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werden, die zur Befestigung der Wabenstruktur oder des abreibbaren Bandes 72 am porösen Gehäusering 70 verwendet wird, da gewisse Verbindungstechniken in schädlicher Weise die Porösität des Gehäuseringes 70 beeinflussen könnten» Es wurde gefunden, daß es wünschenswert sein kann, den porösen G-ehäusering 70 aus einer nicht homogenen Zusammensetzung mit einer relativ groben Struktur an der Oberfläche zu bilden, wobei an dieser relativ groben Struktur der Wabenbauteil befestigt wird« Diese grobe Struktur ist weniger gegen ein Verstopfen anfällig.

Während des Betriebes .wird der gesamte Gehäuseabschnitt 20', der den porösen Gehäusering 70 und das abreibbare Band 72 umfaßt, durch- eine Strömungskühlung durch die Kühlluft gekühlt, die durch die kleinen Kanäle des porösen Hinges 70 strömt und die durch die großen Kanäle 74 des Wabenringea 72 strömt, wie es durch die Pfeile in den Hg. 6 und 7 dargestellt ist. Die Kühlungseigenschaften und die Bemessungen der in den !ig· 6 und 7 dargestellten Konstruktion sind im wesentlichen die gleichen, wie sie im vorstehenden unter Bezugnahme auf die 3?ig„ 1 bis 5 diskutiert wurden, und sollen deshalb hier nicht wiederholt werden©

Die Erfindung wurde in Verbindung mit G-ehäuseringen 20 und 20^! beschrieben^ welche die Turbinenschaufel?! 23 umgebene Wie bereits dargelegt, sei bemerkt, daß der Qe-

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häusering 55, der die Turbinenschaufel 27 umgibt oder andere Statorbauteile, die dem Arbeitsmedium mit hoher Temperatur ausgesetzt sind, wie beispielsweise die Höhe der leitgrenze 22 und 23 ebenfalls gemäß der Erfindung gekühlt werden können. Zusätzlich können zahlreiche Abänderungen in der beschriebenen Anordnung vorgenommen werden»

Durch die Erfindung wird ein verbesserter Statoraufbau geschaffen, der derart konstruiert und gekühlt ist, daß alle Teile dieses Statoraufbaus in ausreichender Weise durch eine verhältnismäßig geringe Kühlmedienmenge gekühlt werden, ohne daß dadurch andere Triebwerkbetriebsparamter in nachteiliger Weise beeinflußt werden*

Patentansprüche

Claims

Patentansprüche

■1· Gekühlter Abschnitt für eine Gasturbine, die eine Eeihe - von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten Turbinenschaufeln aufweist, die derart montiert sind, daß sich diese um eine Achse drehen, wobei sich die Turbinenschaufeln radial zur Achse durch einen Eingkanal hindurch erstrecken, durch den Arbeitsmedium mit hoher Temperatur während des Betriebes strömt, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges ₉ poröses Gehäuse vorgesehen ist, welches in Umfangs richtung die äußeren Spitzen der Turbinenschaufeln in dichtem Abstand umgibt, um die Leckströmung des Arbeitsmediums mit hoher Temperatur um die Turbinenspitzen während des Betriebes zu beherrschen und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um Kühlmedium wenigstens einem Teil der äußeren Oberfläche dieses Gehäuses zuzuführen um das Gehäuse während des Betriebes zu kühlen»
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem Material besteht, welches als integralen Bestandteil willkürlich angeordnete und miteinander verbundene Zwischenräume aufweist, welche kleine Kanäle bilden, die die äußere und innere Oberfläche des Gehäuses mitefander verbinden«
3. Gasturbinentriebwerk nach· Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß ferner eine Schicht au£ einem abreibbaren MaterM. auf der inneren Oberfläche des Gehäuses vorgesehen ist, daß dieses abreibbare Material verhältnismäßig große Durchlaßkanäle aufweist, damit die Kühlluft unbehindert durchströmen kann, auch wenn eine Reibung zwischen den Spitzen der Turbinensehaufeln und dem Gehäuse stattfindet.
_β Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Zuführung des Kühlmediums zum ringförmigen Gehäuse eine Hauptkammer aufweisen, die radial außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei wenigstens ein Teil der äußeren Oberfläche des Gehäuses mit dieser Hauptkammer in Verbindung steht und wobei Leitungen vorgesehen sind, die mi,t dieser Hauptkammer verbunden sind, um dieser Hauptkammer während des Betriebes Druckluft geringer Temperatur zuzuführen.
5. Gasturbinentriebv/erk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem ringförmigen Träger der radial zwischen dem Gehäusering und der Hauptkammer angeordnet ist, um den Gehäusering zu tragen, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger derart ausgebildet ist, daß er gegen den Gehäusering anliegt und Kanäle aufweist, sodaß lediglich ein Teil der äußeren Oberfläche des Gehäuseringes

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in Verbindung mit der Hauptkammer steht, wobei die Gesamtdurohlässigkeit des Gehäuseringes derart gewählt ist, daß die Gesamtströmung der Luft durch den Gehäusering kleiner ist als ein Prozent der Gesamtströmung des Arbeitsmediums durch das Triebwerk·

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