DE19734216A1 - Turbinenschaufel-Spielsteuersystem - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Kühlung eines Gasturbinentriebwerkes und insbesondere auf das Steuern des Spiels zwischen einer sich drehenden Turbi­ nenschaufel und einer stationären Ummantelung.

Hochleistungs-Gasturbinentriebwerke erfordern Kühldurch­ lässe und Kühlströmungen, um die Zuverlässigkeit und den Lebensdauerzyklus von einzelnen Komponenten innerhalb des Triebwerkes sicherzustellen. Beispielsweise werden zur Verbesserung von Brennstoffausnutzungscharakteristiken Triebwerke bei höheren Temperaturen betrieben, als den physischen Materialeigenschaftsgrenzen, mit denen die Mo­ torkomponenten konstruiert sind. Wenn diese höheren Tem­ peraturen nicht kompensiert werden, oxidieren sie Motor­ komponenten und verringern die Komponentenlebensdauer. Kühldurchlässe werden verwendet, um einen Luftfluß zu solchen Triebwerkskomponenten zu leiten, um die hohe Temperatur der Komponenten zu verringern, und um die Komponentenlebensdauer durch Begrenzung der Temperatur auf ein Niveau zu verlängern, welches den Materialeigen­ schaften solcher Komponenten entspricht.

Gewöhnlicherweise wird ein Teil der komprimierten Luft aus dem Triebwerkskompressorabschnitt ausgelassen, um diese Komponenten zu kühlen. Somit wird die Luftmenge, die aus dem Kompressorabschnitt ausgelassen wird, gewöhn­ licherweise begrenzt, um sicherzustellen, daß der Haupt­ teil der Luft zur Motorverbrennung übrig bleibt, um nütz­ liche Arbeit auszuführen.

Ein übermäßiges Spiel zwischen der Turbinenrotorschaufel­ spitze und einer entsprechenden stationären Ummantelung kann bewirken, daß der Turbinenstufenwirkungsgrad verrin­ gert wird, was zur Folge hat, daß der spezifische Brenn­ stoffverbrauch und die Leistungsausgabe der Turbine ver­ schlechtert werden. Um das Spitzenspiel während des Vollastbetriebes zu minimieren, wird die Turbinenummantelung gewöhnlicherweise gekühlt. Wenn das Spitzenspiel relativ klein ist, kann ein Schaufelspitzenreibvorgang bzw. eine Berührung auftreten, und zwar auf Grund relativer transi­ enter thermischer Verschiebung der Stator-Rotor-Elemente.

Das US-Patent 3 975 901, ausgegeben am 24. August 1976 an Claude Christian Hallinger und Robert Kervistin verwendet ein thermisch betätigtes sich radial bewegendes perfo­ riertes Plattenventil, welches abwechselnd bzw. alter­ nierend kaltes oder heißes Strömungsmittel zum Turbinen­ düsengehäusehohlraum liefert. Das System weist auch eine zweite Komponente des Kühlflusses auf, die kontinuierlich über das Steuerplattenventil läuft und an den Spitzenum­ mantelungshohlraum geliefert wird. Auf Grund der Schwie­ rigkeit, das Plattenventil zu positionieren, des Mangels an Systemsteuerung und der Konsequenzen eines kontinuier­ lichen Bypaß- bzw. Vorbeileitungsflusses, besitzt diese Vorrichtung eine sehr begrenzte Fähigkeit. Zusätzlich muß die Vorrichtung für jede Stufe einer mehrstufigen Turbine angewandt werden.

Das englische Patent 1 248 198, ausgegeben am 29. Septem­ ber 1971 an Rolls-Royce Limited besitzt eine externe au­ tomatische Strömungsmitteltemperatursteuervorrichtung, die eine Mischung von kaltem und heißem Strömungsmittel um die Turbinenspitzenummantelung herum liefert. Teile des gemischten heißen und kalten Strömungsmittels und folglich die Endtemperatur der Mischung wird gesteuert auf der Basis eines Druckes, der in einem sehr kleinen gesteuerten Spiel zwischen der Schaufelummantelung und der Statorummantelung gesteuert wird. Die Vorrichtung kann nur für ummantelte Turbinenschaufeln verwendet wer­ den und hat einen zusätzlichen Kühlmittelverlust durch das gesteuerte Spiel zur Folge. Zusätzlich scheint es ziemlich schwierig, das kleine gesteuerte Spiel während sowohl der Montage als auch des Betriebes vorzusehen.

Da die Betriebstemperaturen der Triebwerke gesteigert werden, um den Wirkungsgrad und die Leistung zu steigern, ist entweder mehr Kühlung von kritischen Komponenten oder bessere Verwendung der Kühlluft erforderlich.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung weist ein System zum Steuern eines Radialspieles zwischen einer Spitze einer Turbinenschaufel und einer stationären Um­ mantelung ein Traggehäuse auf, welches innerhalb eines Gehäuses positioniert ist und einen Haupthohlraum da­ zwischen bildet. Das Traggehäuse trägt die stationäre Um­ mantelung und definiert einen Traggehäusehohlraum da­ zwischen, der ein Wärmeübertragungsaußenende definiert. Das Traggehäuse besitzt einen Durchlaß, der darin defi­ niert ist, der den Haupthohlraum mit dem Traggehäusehohl­ raum verbindet. Der Durchlaß besitzt ein voreingerich­ tetes Querschnittsgebiet. Die stationäre Ummantelung de­ finiert eine Innenfläche, die einen Teil des Wärmeüber­ tragungsaußenendes definiert. Der Traggehäusehohlraum ist in Verbindung mit dem Traggehäusehohlraum und eine Außen­ fläche bildet ein Außenende der Schnittstelle. Ein Strö­ mungsmittelfluß ist mit dem Haupthohlraum verbunden und wird durch den Durchlaß geleitet und ist in Wärmeüber­ tragungsbeziehung mit dem Wärmeübertragungsaußenende des Traggehäusehohlraums. Mittel zur Steuerung der thermi­ schen Übertragungsrate zum Haupthohlraum oder dem Trag­ gehäusehohlraum sind vorgesehen und die Mittel weisen ei­ ne Flußsteuervorrichtung auf, die den Strömungsmittelfluß eines Kühlströmungsmittelflusses oder eines heißen Strö­ mungsmittelflusses steuert.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung besitzt ein Gasturbinentriebwerk ein Außengehäuse, einen Kompressor­ abschnitt und einen Turbinenabschnitt, der betriebsmäßig darin verbunden bzw. angeschlossen ist. Der Kompressor­ abschnitt definiert einen Kühlströmungsmittelfluß davon und in dem Turbinenabschnitt ist eine Turbinenschaufel, die eine Spitze definiert und durch die ein heißes Strö­ mungsmittel hindurchgeht, welches in einem Auslaßluftraum bzw. Auslaßraum gesammelt wird, nachdem es dort hindurch gelaufen ist. Eine Düsen- und Ummantelungsanordnung wird vom Außengehäuse getragen. Die Düsen- und Ummantelungsan­ ordnung besitzt eine stationäre Ummantelung, die beweg­ lich darin positioniert ist, wodurch eine Innenfläche und eine Außenfläche definiert wird. Die Außenfläche ist ra­ dial außerhalb der Turbinenschaufel und der Spitze posi­ tioniert. Ein Haupthohlraum wird zwischen der Düsenumman­ telungsanordnung und dem Außengehäuse geformt. Ein Trag­ gehäusehohlraum wird zwischen der stationären Ummantelung und der Düsen- und Ummantelungsanordnung gebildet. Ein Durchlaß verbindet den Haupthohlraum und den Traggehäuse­ hohlraum. Und Mittel zum Steuern der Wärmeübertragungs­ rate des Flusses zum Traggehäusehohlraum sind darin vor­ gesehen.

Fig. 1 ist eine allgemeine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks, welches die vorliegende Er­ findung verkörpert;

Fig. 2 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Teils eines Gasturbinentriebwerks, welches die vorlie­ gende Erfindung verkörpert; und

Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Fig. 2 entlang der Linien 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 ist ein alternatives System, welches in einer ver­ größerten Schnittansicht eines Teils der Fig. 2
entlang der Linien 3-3 der Fig. 2 verkörpert wer­ den würde.

Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 zeigt ein Gasturbinenmotor 6 ein System 8 zum Steuern einer Schnittstelle oder eines Radialspiels 10 zwischen einer Spitze 12, einer Turbinen­ schaufel 14 und einer stationären Ummantelung 16. Das Gasturbinentriebwerk 6 ist teilweise geschnitten worden, um das System 8 weiter zu zeigen. Ein Kühlluftliefersy­ stem 18 ist gezeigt, um Komponenten eines Turbinenab­ schnittes 20 des Triebwerks 6 zu kühlen. Das Triebwerk 6 weist ein Außengehäuse 22, einen Brennerabschnitt 24, ei­ nen Kompressorabschnitt 26 und einen Kompressorauslaß­ luftraum 28 auf, der strömungsmittelmäßig das Luftliefer­ system 18 mit dem Kompressorabschnitt 26 verbindet. Der Kompressorabschnitt 26 ist in dieser Anwendung ein mehr­ stufiger Axialkompressor. Der Brennerabschnitt 24 weist eine ringförmige Brennkammer 32 auf, die innerhalb des Luftraums 28 von einem Träger 34 getragen wird. Eine Vielzahl von Brennstoffdüsen 36 ist in der Brennkammer 32 positioniert. Der Turbinenabschnitt 20 weist eine Viel­ zahl von Turbinenstufen 38 auf, wie beispielsweise eine Turbine der ersten Stufe, die innerhalb eines Turbinendü­ sentraggehäuses 40 angeordnet ist. Eine Düsen- und Umman­ telungsanordnung 40 wird vom Gehäuse 22 in herkömmlicher Weise getragen.

Das Kühlluftliefersystem 18 besitzt beispielsweise einen Strömungsmittelflußpfad 64, was den Kompressorauslaß- bzw. Kompressorentladungsluftraum 28 mit dem Turbinenab­ schnitt 20 verbindet. Während des Betriebes ist ein Kühlströmungsmittelfluß, von den Pfeilen 66 bezeichnet, im Strömungsmittelflußpfad 64 verfügbar. Der Fluß 66 wird vom Kompressorabschnitt 26 zum Turbinenabschnitt 20 in herkömmlicherweise geleitet. Die Brennkammer 32 ist ra­ dial in beabstandeter Beziehung zum Gehäuse 22 angeordnet und besitzt ein Spiel dazwischen, damit der Fluß 66 hin­ durchgeht.

Wie am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ist der Tur­ binenabschnitt 20 von im allgemeinen herkömmlicher Kon­ struktion. Beispielsweise weist jede der Turbinenstufen 38 eine Rotoranordnung 70 auf, die axial benachbart zur Düsen- und Ummantelungsanordnung 40 angeordnet ist. Die Rotoranordnung 70 ist im allgemeinen von herkömmlicher Konstruktion und besitzt eine Vielzahl von Turbinenschau­ feln 14, die die Turbinenspitze 12 definieren, die darauf positioniert ist. Jede der Turbinenschaufeln 14 ist aus irgendeinem herkömmlichen Material hergestellt, jedoch könnte jede der Vielzahl von Schaufeln aus einem Keramik­ material hergestellt werden, ohne den Kern der Erfindung zu verändern. Bei dieser Anwendung weist jede der Düsen- und Ummantelungsanordnungen 40 eine Vielzahl der statio­ nären Ummantelungen 16 auf, die integral mit der Düse ausgebildet sind oder als eine Alternative davon getrennt sind und eine Ummantelungsanordnung 80 bilden. Jede sta­ tionäre Ummantelung 16 definiert ein erstes Ende 82, ein zweites Ende 84, eine Innenfläche 86 und eine Außenfläche 88, wodurch ein Außenende des Radialspiels 10 gebildet wird. Ein Düsenflügel 90 erstreckt sich radial nach innen von der stationären Ummantelung 16 der Ummantelungsanord­ nung 40 nahe dem ersten Ende 82. Zwischen dem ersten Ende 82 und dem zweiten Ende 84 der einzelnen Ummantelungsan­ ordnungen 40 ist eine Dichtfläche 92 angeordnet, die der Außenfläche 88 entspricht. Die Spitze 12 der Turbinen­ schaufeln 14 ist radial innerhalb der Dichtfläche 92 po­ sitioniert und bildet jeweils ein inneres und äußeres Au­ ßenende der Schnittstelle oder des Radialspiels 10 dazwi­ schen. Weiter ist in dieser Anwendung jede der Düsen- und Ummantelungsanordnungen 40 an einem Düsentraggehäuse 100 angebracht. Beispielsweise besitzt das Düsentraggehäuse 100 ein erstes Ende 102, welches am Außengehäuse 22 ange­ bracht ist, einen Körper 104 und definiert ein kantile­ verartiges bzw. hebelartiges zweites Ende 106. Zwischen dem ersten Ende 102 und dem zweiten Ende 106 ist eine Vielzahl von Hängegliedern 108 angeordnet. Jedes der Vielzahl von Hängegliedern bzw. Aufhängungen 108 besitzt ein Ende 110, welches sich radial nach innen vom Körper 104 des Traggehäuses 100 erstreckt.

Die Düsen- und Ummantelungsanordnungen 40 weisen eine Dü­ sen- und Ummantelungsanordnung 120 der ersten Stufe auf, eine Düsen- und Ummantelungsanordnung 122 der zweiten Stufe und eine Düsen- und Ummantelungsanordnung 124 der dritten Stufe. Die Düsen- und Ummantelungsanordung 122 der ersten Stufe wird durch einen Teil der Düsenanordnung 80 geformt, in der das erste Ende 82 der Umman­ telungsanordnung 80 an dem kantileverartigen zweiten Ende 106 des Düsentraggehäuses 100 angebracht ist. Und das er­ ste Ende 82 der Ummantelungsanordnung 80 ist an dem Ende 110 der jeweiligen der Vielzahl von Aufhängungen 108 an­ gebracht und bildet die Düsen- und Ummantelungsanordnung 122 der zweiten Stufe. Die Düsen- und Ummantelungsanord­ nung 122 der zweiten Stufe wird durch einen Teil der Um­ mantelungsanordnung 80 gebildet, in der das erste Ende 82 der Ummantelungsanordnung 80 am Ende 110 der jeweiligen einen der Vielzahl von Aufhängungen 108 angebracht ist und die Düsen- und Ummantelungsanordnung 122 der zweiten Stufe bildet. Und das erste Ende 82 der Ummantelungsan­ ordnung 80 ist am Ende 110 der einen der Vielzahl von Aufhängungen 108 angebracht und bildet die Düsen- und Um­ mantelungsanordnung 124 der dritten Stufe.

Ein Haupthohlraum 130 wird zwischen dem Außengehäuse 22 und dem Düsentraggehäuse 100 gebildet. Ein perforiertes bzw. durchbrochenes Schild 131 ist im Haupthohlraum 130 positioniert und ist zwischen dem Außengehäuse 22 und dem Düsentraggehäuse 100 angeordnet. Eine Vielzahl von Trag­ gehäusehohlräumen 132 ist jeweils zwischen der Düsen- und Ummantelungsanordnung 120 der ersten Stufe, der Düsen- und Ummantelungsanordnung 122 der zweiten Stufe und der Düsen- und Ummantelungsanordnung 124 der dritten Stufe und der Ummantelungsanordnung 80 angeordnet. Jeder der Vielzahl von Traggehäusehohlräumen 132 definiert ein Wär­ meübertragungsaußenende 133, welches teilweise von der Innenfläche 86 gebildet wird. Eine Vielzahl von Durchläs­ sen 134 mit einem voreingerichteten Gebiet bzw. Quer­ schnitt verbindet den Haupthohlraum 130 und einzelne der Vielzahl von Traggehäusehohlräumen 132. Jede der Vielzahl von Durchlässen 134 könnte als eine Alternative ein ande­ res voreingerichtetes Gebiet bzw. einen anderen voreinge­ richteten Querschnitt besitzen oder als eine weitere Al­ ternative könnte er von variabler Konfiguration sein, um die Rate des Flusses 66 zu steuern, die in jedem der Vielzahl von Traggehäusehohlräumen 132 eintritt.

Das System 8 zur Steuerung der Schnittstelle oder des Ra­ dialspiels 10, wie es am besten in Fig. 3 gezeigt ist, weist Mittel 138 auf, um die Wärmeübertragungsrate oder die Wärmeleitwirksamkeit des Flusses 66 zu steuern. Das System 8 weist eine Leitung 140 auf, die den Kompressor­ abschnitt 26 und den Haupthohlraum 130 verbindet. Eine zweite Leitung 141 verbindet den Haupthohlraum 130 und den Auslaßluftraum 148. Eine variable Flußsteuervorrich­ tung, wie beispielsweise ein Zwei-Positionen-Ventil, ein Klappenventil oder ein Ableitungsventil 142 ist innerhalb der Leitung 140 positioniert und variiert den Fluß 66 ei­ nes Kühlströmungsmittels 144 in einem Kühlbetriebszustand 146 zwischen einer offenen Position (an) und einer ge­ schlossenen Position (aus). Bei dieser Anwendung ist das Kühlströmungsmittel 144 Kompressorauslaßluft. Als eine Alternative könnte das System 8 die Flußrichtung des Strömungsmittels 66 im Traggehäusehohlraum 132 und den Durchlässen 134 umkehren, wodurch der Kühlluftfluß durch einen aufgeheizten Luftfluß 150 ersetzt wird, und zwar in einem Heizbetriebszustand 152, der jeweils mit unterbro­ chenen Linien gezeigt ist, und zwar aus einem Turbinen­ gaspfad oder einem Auslaßluftraum 154.

Bei einer weiteren Alternative, wie sie am besten in Fig. 4 gezeigt ist, könnte eine zusätzliche Flußsteuervorrich­ tung oder ein Steuerventil 156 hinzugefügt werden, und zwar in einer Verbindung mit einer Leitung 158 zwischen dem Steuerventil 156 und dem Auslaßluftraum 154. Das Ven­ til 156 steuert, wenn es zwischen einer geschlossenen Po­ sition und einer offenen Position bewegt wird, den Fluß 66 des heißen Strömungsmittels 150 zum Haupthohlraum 130. Somit können die Leitungen 140 und die zweite Leitung 141 getrennt oder in Kombination verwendet werden, wie es das Ventil 142 und das Ventil 156 können.

Wenn im Betrieb das Triebwerk belastet wird, werden das gesteuerte kalte Kühlströmungsmittel 144 und das heiße Heizströmungsmittel 150 nicht abgeleitet und beeinflussen nicht den Wirkungsgrad und die Leistung des Gasturbinen­ triebswerkes 6, während die Langlebigkeit der Komponenten gesteigert wird, die innerhalb des Gasturbinentriebwerkes 6 verwendet werden. Während transienter Start- oder Ab­ schaltvorgängen, wenn die Spitzenspiele 10 dort ein Mini­ mum einer Steuerung eines thermischen Zustandes der Um­ mantelungsanordnung 80 erreichen können, ist es erforder­ lich, ein Reiben bzw. Anstoßen der Schaufelspitzen 12 zu vermeiden. Die Anwendung des Systems 8 zum Steuern der Radialposition des Düsentraggehäuses 100 und der statio­ nären Ummantelung 16 mit kaltem Kühlströmungsmittel 144 und heißem Heizströmungsmittel 150 beeinträchtigt nicht den Rest der Turbinenkomponenten (Schaufeln, Düsen und Scheibe). Während des normalen Betriebes wird ein Teil der komprimierten Luft vom Kompressorabschnitt 26 davon abgeleitet, um den Fluß 66 des Kühlströmungsmittels 144 zu bilden, der verwendet wird, um die Komponenten des Gasturbinentriebwerkes 6 zu kühlen, und das System 8 ar­ beitet funktionell im Kühlbetriebszustand 146. Die Luft tritt aus dem Kompressorabschnitt 26 in die Leitung 140 ein und wenn das Auslaß- bzw. Ableitungsventil 142 in der geschlossenen Position ist, läuft die Kühlluft 144 durch das Ableitungsventil 142 und tritt in den Haupthohlraum 130 ein. Ein Teil des Flusses 66 der Kühlluft 144 wird verwendet, um zu kühlen und um das Eintreten bzw. die Aufnahme von heißen Gasen in die inneren Komponenten des Gasturbinentriebwerkes 6 zu verhindern, und um die physi­ sche Größe der Schnittstelle oder des Radialspieles 10 zu steuern. Beispielsweise läuft die Kühlluft 144, die vom Kompressorabschnitt 26 abgeleitet wird, die zum Haupthohlraum 130 geleitet wird, durch den Durchlaß 134 und tritt in den Traggehäusehohlraum 132 ein. Abhängig von den Betriebszuständen des Gasturbinentriebwerkes 6 kann das Steuerventil 142 die Menge der Kühlluft 144 re­ gulieren, die vom Kompressorabschnitt 26 abgeleitet wird, und zwar indem es zwischen der geschlossenen Position und der offenen Position moduliert wird. Somit wird die Menge der Kühlluft 144, die zu dem einzelnen Traggehäusehohl­ raum 132 geleitet wird, variiert, und die Radialposition der einzelnen bzw. individuellen stationären Ummantelung 16 der Ummantelungsanordnung 80 wird gesteuert. Die Folge ist dabei, daß das gesteuerte Spitzenspiel oder die Schnittstelle oder das Radialspiel 10 zwischen der Dicht­ fläche 92 der stationären Ummantelung 16 die Ummante­ lungsanordnung 80 der Düsenummantelungsanordnung 40 und die Turbinenspitze 12 der Turbinenschaufel 14 ausgleicht bzw. ausfüllt. Somit verhindert das gesteuerte Spitzen­ spiel 10 ein Schmieren bzw. Gleiten oder Reiben oder eine Interferenz bzw. Einwirkung der Außenfläche 88 oder der Dichtfläche 92 und der Turbinenspitze 12, genau so wie sie den Raum dazwischen steuert, um die Existenz eines übermäßigen Raums oder eines Spieles zu verhindern. Der übermäßige Raum oder das Spiel würden den Wirkungsgrad verringern, während die Steuerung des Spiels 10 den Wir­ kungsgrad und die Wirksamkeit des Gasturbinentriebwerks 6 aufrechterhält. Der Fluß 66 durch den Durchlaß 134 wird gesteuert durch vordefinieren des voreingerichteten Quer­ schnittsgebietes, welches erforderlich ist, um wirkungs­ voll das Strömungsmittel (kühlend und aufheizend) 144, 150 in Wärmeleitbeziehung mit dem Traggehäuse 100 und der stationären Ummantelung 16 zu leiten. Beispielsweise wird die Düsen- und Ummantelungsanordnung 120 der ersten Stufe eine größere Variation des Flusses daran erfordern, da die Turbine der ersten Stufe bei einer höheren Temperatur arbeitet als die Turbinenstufen stromabwärts. Somit ist ein größeres Querschnittsgebiet erforderlich, als das Querschnittsgebiet des Durchlasses 134, welches der letz­ ten Turbinenstufe entspricht.

Zusätzlich kann das Spitzenspiel 10 weiter mit dem System 8 im Heizbetriebszustand 152 gesteuert werden, und zwar durch Schließen des Kühlventils 142 und durch Betätigen des Steuerventils 156, welches in der zweiten Leitung 141 positioniert ist, die den Haupthohlraum 130 und den Tur­ binengaspfad 148 des Gasturbinentriebwerkes 6 verbindet. Wenn das Steuerventil 156 von der offenen Position in die geschlossene Position moduliert bzw. gestellt wird, wird der aufgeheizte Luftfluß 150 vom Turbinengaspfad 148 in den Traggehäusehohlraum 132 eingeleitet, geht durch den Durchlaß 134 und tritt in den Gehäusehohlraum 130 ein. Abhängig von den Betriebszuständen des Gasturbinentrieb­ werkes 6 regelt das Steuerventil 156 die Menge des heißen Strömungsmittels 150, welches an den Turbinengaspfad 148 abgeleitet wird. Somit wird die Menge des heißen Strö­ mungsmittels 150, die an den individuellen bzw. einzelnen Traggehäusehohlraum 132 geleitet wird, steuerbar variiert und die physische Radialposition der individuellen bzw. einzelnen stationären Ummantelung 16, die die jeweilige Ummantelungsanordnung 80 bildet, wird gesteuert. Das Er­ gebnis ist das gesteuerte Spitzenspiel 10 zwischen der Außenfläche 88 oder der Dichtfläche 92 der Ummantelungs­ anordnung 80 der Düsenummantelungsanordnung 40 und der Turbinenspitze 12 der Turbinenschaufel 14. Somit verhin­ dert das gesteuerte Spitzenspiel 10 ein Verschmieren bzw. Gleiten oder Reiben oder eine Interferenz bzw. Gegenwir­ kung der Dichtfläche 92 und der Turbinenspitze 12, genau so wie sie den Raum dazwischen steuert, um das Auftreten eines übermäßigen Raums oder eines Spiels zu verhindern Der anderenfalls erforderliche übermäßige Raum oder das Spiel würde den Wirkungsgrad verringern, während das ge­ steuerte Spiel 10 den Wirkungsgrad und die Leistung des Gasturbinentriebwerkes 6 steigert.

Da Steigern des Flusse 66 von kaltem Kühlströmungsmittel 144 im Kühlbetriebszustand 146 zur stationären Ummante­ lung 16 bewirkt, daß die stationäre Ummantelung 16 sich radial nach innen zur Spitze 12 der Turbinenschaufel 14 bewegt, und das Steigern des Flusses 66 von heißem Heiz­ strömungsmittel 150 im Heizbetriebszustand 152 bewirkt, daß sich die stationäre Ummantelung 16 radial nach außen weg von der Spitze 12 der Turbinenschaufel 14 bewegt. Durch Modulieren des Flusses 66 von kaltem Kühlströmungs­ mittel 144 und heißem Heizströmungsmittel 150 wird somit wirkungsvoll die Beabstandung oder Größe des Radialspiels oder der Schnittstelle 10 steuern.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön­ nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Frühere Gasturbinentriebwerke sind mit einer Vielzahl von Systemen hergestellt worden, die versucht haben, das va­ riierende Radialspiel oder die Schnittstelle zwischen ei­ ner Spitze einer Turbinenschaufel und einer sie umge­ benden Ummantelung zu kompensieren. Solche Systeme sind mit großen Spielen ausgelegt worden, verwendeten spe­ zielle Spitzen auf Schaufeln und sahen abreibbare Struktu­ ren vor. Das vorliegende System steuert ein Radialspiel oder eine Schnittstelle oder eine beabstandete Distanz zwischen einer Spitze einer Schaufel und einer statio­ nären Ummantelung. Das System weist die Einleitung eines kalten Strömungsmittelflusses oder eines heißen Strö­ mungsmittelflusses oder einer Kombination von kaltem Strömungsmittel und heißem Strömungsmittel in einem Trag­ gehäusehohlraum auf. Der Fluß wird durch Modulieren bzw. Einstellen einer Flußsteuervorrichtung gesteuert, und durch Steuern der Expansion eines Düsentraggehäuses und einer stationären Ummantelung relativ zur Position der Spitze der Turbinenschaufel. Das System verbessert den Wirkungsgrad, die Langlebigkeit und den Betrieb des Gas­ turbinentriebwerks.

Claims (15)

1. System zum Steuern eines Radialspiels zwischen einer Spitze einer Turbinenschaufel und einer stationären Ummantelung, welches folgendes aufweist:
ein Traggehäuse, welches innerhalb eines Gehäuses positioniert ist und einen Haupthohlraum dazwischen bildet, wobei das Traggehäuse die stationäre Umman­ telung trägt und einen Traggehäusehohlraum dazwi­ schen definiert, der ein Wärmeübertragungsaußenende definiert, wobei in dem Traggehäuse ein Durchlaß de­ finiert ist, zur Verbindung des Haupthohlraums mit dem Traggehäusehohlraum, wobei der Durchlaß ein vor­ eingerichtetes Querschnittsgebiet besitzt;
wobei die stationäre Ummantelung eine Innenfläche definiert, die einen Teil des Wärmeübertragungs­ außenendes des Traggehäusehohlraums definiert, und zwar in Verbindung mit dem Traggehäusehohlraum, und eine Außenfläche, die ein Außenende des Radialspiels bildet;
einen Strömungsmittelfluß, der mit dem Haupthohlraum verbunden ist und durch den Durchlaß hindurchgelei­ tet und in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Wärme­ übertragungsaußenende des Traggehäusehohlraums ist; und
Mittel zum Steuern der thermischen Übertragungsrate des Strömungsmittels zum Haupthohlraum oder dem Traggehäusehohlraum, wobei die Mittel eine Fluß­ steuervorrichtung aufweisen, die den Strömungsmit­ telfluß von einem kalten Strömungsmittelfluß und ei­ nem heißen Strömungsmittelfluß steuert.

2. System zum Steuern des Radialspiels nach Anspruch 1, wobei die Flußsteuervorrichtung das Kühlströmungs­ mittel steuert.

3. System zum Steuern des Radialspiels nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kühlströmungsmittel die Außenflä­ che der stationären Ummantelung um einen Abstand zur Spitze der Schaufel hin bewegt.

4. System zum Steuern des Radialspiels nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Flußsteuervorrichtung das heiße Strö­ mungsmittel steuert.

5. System zum Steuern des Radialspiels nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei das heiße Strömungsmittel die Außenfläche der stationären Ummantelung um einen Abstand weg von der Spitze der Schaufel bewegt.

6. System zum Steuern des Radialspiels nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei das voreingerichtete Querschnittsgebiet des Durchlasses den Strömungsmittelfluß dadurch defi­ niert.

7. System zum Steuern des Radialspiels nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, wobei ein kleineres voreingerichtetes Quer­ schnittsgebiet des Durchlasses einen kleineren Strö­ mungsmittelfluß definiert.

8. System zum Steuern des Radialspiels nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, wobei ein größeres voreingerichtetes Quer­ schnittsgebiet des Durchlasses einen größeren Strö­ mungsmittelfluß definiert.

9. System zum Steuern des Radialspiels nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die stationäre Ummantelung beweglich inner­ halb des Traggehäuses getragen wird.

10. Gasturbinentriebwerk mit einem Außengehäuse, einem Kompressorabschnitt und einem Turbinenabschnitt, der betriebsmäßig darin angeschlossen bzw. verbunden ist, wobei der Kompressorabschnitt einen Fluß von Kühlströmungsmittel davon definiert, und wobei in dem Turbinenabschnitt eine Turbinenschaufel vorge­ sehen ist, die eine Spitze definiert und durch die heißes Strömungsmittel hindurchgeht und in einem Turbinengaspfad nach dem Hindurchlaufen dadurch ge­ sammelt wird, wobei das Triebwerk folgendes auf­ weist:
eine Düsen- und Ummantelungsanordnung, die von dem Außengehäuse getragen wird, wobei die Düsen- und Um­ mantelungsanordnung eine stationäre Ummantelung be­ sitzt, die beweglich darin positioniert ist, die ei­ ne Innenfläche und eine Außenfläche definiert, wobei die Außenfläche radial außerhalb von der Turbinen­ schaufel und der Spitze positioniert ist;
einen Haupthohlraum, der zwischen der Düsen- und Um­ mantelungsanordnung und dem Außengehäuse ausgebildet ist;
ein Traggehäusehohlraum, der zwischen der stationä­ ren Ummantelung und der Düsen- und Ummantelungsan­ ordnung ausgebildet ist;
ein Durchlaß, der den Haupthohlraum und den Tragge­ häusehohlraum verbindet; und
Mittel zum Steuern der Wärmeübertragungsrate des Flusses an den Traggehäusehohlraum.

11. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Mittel zum Steuern der Wärmeübertragungsrate des Flusses zum Traggehäusehohlraum eine Leitung auf­ weisen, die den Kompressorabschnitt und den Haupt­ hohlraum verbinden, und wobei eine Flußsteuervor­ richtung innerhalb der Leitung positioniert ist.

12. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Mittel zum Steuern der Wärmeübertragungsrate des Flusses eine Leitung aufweisen, die den Haupthohl­ raum und den Turbinengaspfad verbindet.

13. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Mittel zum Steuern der Wärmeübertragungsrate des Flusses zum Traggehäusehohlraum eine Leitung aufwei­ sen, die den Kompressorabschnitt und den Haupthohl­ raum verbinden und wobei eine Flußsteuervorrichtung innerhalb der Leitung positioniert ist, und eine zweite Leitung, die den Haupthohlraum und den Turbi­ nengaspfad verbindet, und wobei eine zusätzliche Flußsteuervorrichtung innerhalb der zweiten Leitung positioniert ist.

14. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei der Fluß des Kühlströmungsmittels in Wärmeübertragungs­ beziehung mit der Innenfläche ist, was bewirkt, daß sich die stationäre Ummantelung radial nach innen zur Spitze der Turbinenschaufel hin bewegt.

15. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei der Fluß des heißen Strömungsmittels in Wärmeübertra­ gungsbeziehung mit der Innenfläche ist, was bewirkt, daß die stationäre Ummantelung sich radial nach au­ ßen von der Spitze der Turbinenschaufel bewegt.