DE2532415C2

DE2532415C2 - Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln des Spiels zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln einer Gasturbine und der gegenüberliegenden Wand eines Turbinengehäuses

Info

Publication number: DE2532415C2
Application number: DE2532415A
Authority: DE
Inventors: Claude-Christian L'Hay-Lesroses Hallinger; Robert Melun Kervistin
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1974-07-31
Filing date: 1975-07-19
Publication date: 1982-02-04
Also published as: FR2280791B1; DE2532415A1; US3975901A; GB1491112A; FR2280791A1

Description

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung eine zweite Ringscheibe (32) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rand der ersten Ringscheibe (8 bzw. Sa) mit einem Fuß (15 bzw. lSaJversehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Gas, das den einen Eintrittsdurchgang (4 bzw. 4a) durchströmt, durch Vorsehen eines Ringspaltes (24 bzw. 24aJ zwischen der Hinterkante der trichterförmigen Außenwand (18 bzw. 18ajder Brennkammer (5) und dem Fuß (15 bzw, 15ajder ersten Ringscheibe(8 bzw.8ajvon dem Arbeitsgas der Gasturbine abzweigbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ringscheibe (32) an ihrem inneren Rand mit einem rohrförmigen Flansch (2IaJ verbunden ist, der seinerseits mit der trichterförmigen Außenwand (18 bzw. 18 a)der Brennkammer (5) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterkante der Außenwand (18 bzw. ISa) mit einem Ringwulst (37) versehen ist, der dem inneren Rand der Ringwand (3a) in radialer Richtung gegenübersteht und mit dieser einen radialen Ringspalt (38) bildet, durch den Gas von der Gasquelle niedrigerer Temperatur (7a), welches vorher durch Öffnungen (39) in dem Flansch (2IaJ geströmt ist, dem Gas von der Gasquelle höherer Temperatur (Sa) das zu dem entsprechenden Eintriitsdurchgang strömt, zumischbar ist, und daß der Ringspalt (38) geschlossen ist, wenn sich die zweite Ringscheibe (32) und damit die über den Flansch (2IaJ mit ihr verbundene Außenwand (18 bzw. I8ajausgedehnt haben.

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a) die an der der ersten Ringscheibe (Sa) gegenüberliegenden Seite der Ringwand (3a) radial verschiebbar anliegt,

b) deren Wärmeträgheit kleiner als die der ersten Ringscheibe (8aJ ist,

c) deren innerer Rand von dem Arbeitsgas der Gasturbine umspült ist und

d) die mit dem Eintrittsdurchgang (6a) für das Gas niedrigerer Temperatur derart zusammenwirkende öffnungen (33) aufweist, daß der Eintrittsdurchgang (6aJ für das Gas niedrigerer Temperatur bei kaltem Turbinengehäuse (1) verschlossen ur.d bei maximaler Temperatur des Turbinengehäuses (1) offen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasquelle höhere Temperatur (5 bzw. 5a) die Brennkammer (5) und die Gasquelle niedrigerer Temperatur (7) der Verdichter einer zusammen mit der Gasturbine gebildeten Gasturbinenanlage sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3,

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln des Spiels zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln einer Gasturbine und der gegenüberliegenden Wand eines Turbinengehäuse», mit einer Einrichtung zum Führen von Gas zu der iußeren Oberfläche der genannten Wand zwecks Steuerung ihrer Temperatur, und mit wenigstens einer Ventileinrichtung, mittels welcher die Menge des der äußeren Oberfläche der Wand zugeführten Gases in Abhängigkeit unterschiedlicher Wärmedehnung zwischen der Wand des Turbinengehäuses und einem Steuerorgan gesteuert wird.

Der Wirkungsgrad einer Turbine und insbesondere einer Gasturbine im stabilisierten Betrieb ist eine Funktion des Spiels zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln und der gegenüberliegenden Wand des Turbinengehäuses. Dieses Spiel im stabilisierten Betrieb ist seinerseits abhängig von dem Spiel, welches während der kritischen Übergangsperioden vorhanden ist, d. h. während der Perioden des Startens, der Beschleunigung und der Verzögerung. Beim Starten und/oder bei der Beschleunigung dehnen sich die Rotorschaufeln schneller aus als das Turbinengehäuse. Demgemäß muß das Spiel im kalten Zustand ausreichend sein, damit auch während dieser Übergangsperiode ein minimales Spiel vorhanden ist, um jede Gefahr der Berührung zwischen den Rotorschaufeln und der gegenüberliegenden Wand des Turbinengehäuses zu vermeiden. Im stabilisierten Betrieb, wenn das Turbinengehäuse Zeit genug hatte, sich auszudehnen, wird dann das Spiel zu groß und der Wirkungsgrad der Turbine verschlechtert sich.

Es ist bekannt, das Turbinengehäuse zu kühlen, indem

es dauernd mit relativ kaltem Gas angeströmt wird, um die Ausdehnung der Bauteile des Gehäuses zu begrenzen und auf diese Weise das Spiel im stabilisierten Betrieb auf einen kleineren Wert zurückzuführen. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Turbine verbessert werden, aber das Anströmen mit kaltem Gas verzögert auch die Ausdehnung beim Starten und bei Beschleunigung derart, daß das minimale Spiel im kalten Zustand oder bei der Montage ausreichend groß berechnet werden muß. und daii das Spiel im stabilisierten Betrieb nicht so weit verkleinert werden kann, wie man es hätte erhoffen können. Wenn weiterhin auch die Rotorschaufeln sich bei Verzögerung schnell abkühlen, so trifft dies nicht im gleichen Maße für die Schaufeln abstützende Turbinenscheibe zu, die eine roße Wärmeträgheit hat. Im Gegensatz dazu kühlt sich das Gehäuse, das mit relativ kaltem Gas angeströmt wird, vergleichsweise schnell ab. Da das Gebilde aus Scheibe und Rotorschaufeln sich langsamer zusammenzieht als das Gehäuse, kann das Spiel bei Verzögerung unzureichend werden, wodurch es notwendig wird, die Verkleinerung des Spiels im stabilisierten Betrieb zu begrenzen.

Es ist auch eine Vorrichtung der einleitend genannten Art bekannt (US-PS 30 29 064), bei welcher das Steuerorgan aus einem Gebilde aus Stahlbändern besteht, welches radial außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet ist. Die Stahlbänder bestehen aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials ist, aus welchem die Wand des Turbinengehiiuses gebildet ist. Wenn die Wand des Turbinengehäuses heiß wird, werden die Stahlbänder unter Spannung gesetzt. Diese Spannung der Stahlbänder wird dazu benutzt, Ventile der Ventileinrichtung zu öffnen, wonach Kühlluft in Kühlkammern einströmen kann, die rings um die Wand des Turbinengehäuses angeordnet sind. Die konstruktive Ausbildung der bekannten Vorrichtung ist vergleichsweise kompliziert, wobei insbesondere schaltbare Ventile vorgesehen sein müssen, die unter den schwierigen Betriebsbedingungen leicht versagen können, wie sie bei Strahltriebwerken von Luftfahrzeugen auftreten. Funktionell besteht ein wesentlicher Nachteil der bekannten Vorrichtung darin, daß der Wand des Turbinengehäuses lediglich Kühlluft zugeführt werden kann. Wenn aber lediglich eine Kühlung erfolgen kann, ist es schwierig, die Temperatur der Wand des Turbinengehäuse derart zu regeln, daß in Abhängigkeit von der Temperatur der Turbine und damit der Turbinenschaufeln gleiches Spiel an den Spitzen der Turbinenschaufeln vorhanden ist.

Es ist auch eine Vorrichtung bei Gasturbinen bekannt (US-PS 37 36 751), mittels welcher axiales Spiel zwischen zwei Dichtungsteilen selbsttätig geregelt wird, von denen einer an einer Turbinenschaufel und der andere im Bereich eines offenen Endes eines Rohres angeordnet ist, dessen anderes Ende stromauf der Turbine ortsfest angebracht ist. Auch dieses Rohrende ist offen und es wird mit kalter Luft gespeist. Ausdehnung und Zusammenziehung des Rohres und damit Änderung des Spiels zwischen den beiden genannten Dichtungsteilen werden hervorgerufen durch das Ausmaß des Eintretens heißen Gases in das im Bereich der Dichtungsteile liegende Rohrende, wobei dieses Ausmaß von dem jeweils vorhandenen 6^r> Spiel zwischen den Dichuingsteüen abhängt. Ein Anströmen einer Wand des Turbinengehäuses findet nicht statt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels welcher das Spiel zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln einer Gasturbine und der gegenüberliegenden Wand des Turbinengehäuses im wesentlichen konstant gehalten wird. Geiöst wird diese Aufgabe gerr.äß der Erfindung, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art dadurch, daß die oder jede Ventileinrichtung eine radial zur Achse der Gasturbine gerichtete, mit der Wand des Turbinengehäuses fest verbundene Ringwand mit wenigstens zwei Eintrittsdurchgängen aufweist, die mit Gasquellen unterschiedlicher Temperatur verbindbar sind, und daß das Steuerorgan eine an eine an der Ringwand radial verschiebbar anliegende erste Ringscheibe ist,

a) deren Wärmeausdehnungskoeffizient größer als jener der Ringwand ist

b) deren innerer Rand von dem Arbeitsgas der Gasturbine umspült ist und

c) die mit den Eintrittsdurchgängen derart zusammenwirkende Öffnungen aufweist, daß aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung von Ringwand und erster Ringscheibe bei kaltem Turbinengehäuse der mit der Gasquelle höherer Temperatur verbindbare Eintrittsdurchgang offen ist und bei maximaler Temperatur des Turbinengehäuses der mit der Gasquelle niedrigerer Temperatur verbindbare Eintrittsdurcngang offen ist.

Durch die Erfindung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß in Abhängigkeit von der Temperatur der Gasturbine und damit der Turbinenschaufeln entweder kalte Luft bzw. kaltes Gas, ein Gemisch aus kaltem Gas und heißem Gas oder nur heißes Gas zugeführt wird und mit diesem Gas die Wand des Turbinengehäuses angeströmt wird. Die Ausführung ist dabei so getroffen, daß die Wand des Turbinengehäuses selbsttätig mit einem Gas richtiger Temperatur angeströmt wird. Erreicht wird dies mit einer vergleichsweise einfachen Ausführung, bei welcher lediglich relative Gleitbewegung zwischen Bauteilen vorhanden ist, die aus Material unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Anfällige schaltbare Ventile od. dgl. sind nicht vorhanden.

Vorteilhatte weitere Merkmale sind in weheren Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 la und 16sind axiale Halbschnittansichten, die schematisch die Arbeitsweise einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigen.

Fig. 2 ist eine axiale Halbschnittansicht eines Teiles einer Gasturbine, die mit einer Regelvorrichtung gemäß den F i g. 1 bis 1 b ausgerüstet ist.

F i g. 2a ist eine der F i g. 2 analoge Ansicht, in welcher die Bauteile in einer Stellung wiedergegeben sind, die sie einnehmen, wenn die Turbine im stabilisierten Betrieb arbeitet.

F i g. 3 3a, 3b und 3c sind den Fig.! bis Ib analoge Ansichten, in denen schematisch die Arbeitsweise einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung dargestellt ist.

F i g. 4 ist eine der F i g. 2 analoge Ansicht, in welcher ein': Ausführungsform gemäß den F i g. 3 bis 3c vorgesehen ist.

F i g. 4a, 4b und 4c sind der F i g. 4 analoge Ansichten, in denen die Stellungen dargestellt sind, die von den Bauteilen eingenommen werden, wenn die Turbine in

verschiedenen Betriebsarten arbeitet.

F i g. 5 ist eine Teilansicht der Fläche eines ringförmigen Absperrorgans, gemäß F i g. 4 nach links gedreht.

In Fig. 1 ist schematisch ein Teil eines Turbinengehäuses 1 und ein Teil des Gehäuses 2 der Brennkammer einer Gasturbine dargestellt, deren Achse durch X-X angedeutet ist. Das Brennkammergehäuse 2 weist eine Ringwand 3 auf, die zur Turbinenachse X-X quer angeordnet und mit einer ersten Reihe von Eintrittsdurchgängen oder Öffnungen 4, die in Kranzform angeordnet sind und mit einer Quelle 5 heißen Gases in Verbindung stehen, und mit einer zweiten Reihe von Eintrittsdurchgängen oder öffnungen 6 versehen ist, die in Kranzform auf einem Kreis liegen, dessen Radius größer als der Radius des Kreises ist, auf welchen die öffnungen 4 angeordnet sind, und die mit einer Queüe 7 kalten Gases in Verbindung stehen. Zwischen den Gehäusen 1 und 2 ist eine Ringscheibe 8 angeordnet, die mit zwei Reihen von öffnungen 9,10 versehen ist, deren jede Reihe in Kranzform angeordnet ist, wobei die Ringscheibe 8 sich mittels Verschiebung entlang der Wand 3 frei ausdehnen kann. Die beiden Reihen von öffnungen 9, 10 münden in eine Kammer 11 des Gehäuses 1, und diese Kammer 11 steht über eine öffnung 12 mit einer Kammer 13 in Verbindung, die größere Abmessungen hat, um in dieser Kammer 13 das Gas zu entspannen, welches dazu dient, die Temperatur der Wand des Stators der Turbine zu regeln, wie es nachstehend erläutert wird.

Im Betrieb liefert die nicht dargestellte Brennkammer in das Turbinengehäuse einen Strom 14 heißer Gase, welcher die Innenwand der Gehäuse 1 und 2 benetzt und welcher einen vergrößerten Fuß 15 umströmt, der am Innenumfang der Ringscheibe 8 vorgesehen ist. Die Ringscheibe 8 ist aus einem Material gebildet, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer als derjenige des die Gehäuse 1 und 2 bildenden Materials ist, so daß der Unterschied in der Ausdehnung zwischen der Ringscheibe 8 und den Gehäusen 1 und 2 sich mit zunehmender Temperatur der Turbine vergrößert. Die öffnungen 9 und 10 befinden sich, wenn die Gasturbine kalt ist, in der in Fig.! vviedergegebenen Stellung, in welcher die öffnungen 9 den Eintrittsdurchgängen 4 gegenüberliegen und die Öffnungen 10 gegenüber den Eintrittsdurchgängen 6 versetzt sind. Wenn die Turbine im stabilisierten Betrieb arbeitet (maximale Temperatur) befinden sich die öffnungen 10 den Eintrittsdurchgängen 6 gegenüber, während die Öffnungen 9 gegenüber den Eintrittsdurchgängen 4 versetzt sind, wie es in F i g. 1 b wiedergegeben ist.

F i g. 1 zeigt die Ausführung, wenn die Turbine sich im Stillstand oder beim Beginn des Startens befindet. Während dieser Periode kann kaltes Gas in die Kammern 11 und 13 nicht eintreten, jedoch strömt heißes Gas gemäß dem Pfeil 16 durch die Eintrittsdurchgänge 4 und die öffnungen 9 hindurch und tritt in die Kammer 13 ein, wo es zum Erwärmen des Gehäuses 1 dient. Der Durchgang für heißes Gas bleibt auf diese Weise während einiger Sekunden teilweise offen. Am Ende eines gewissen Betriebszeitraumes nehmen die Bauteile die in Fig. la wiedergegebene Stellung ein, gemäß welcher die Öffnungen 9 und 10 die Eintrittsdurchgänge 4 bzw, 6 teilweise freigeben. Es kann somit kaltes und heißes Gas durch diese Eintrittsdurchgänge und öffnungen 4,9 bzw. 6,10 gemäß den Pfeilen 16 und 17 hindurchtreten, so daß in der Kammer 13 ein Gemisch aus heißem und kaltem Gas erhalten wird. Nach einigen weiteren Sekunden des Betriebs (F i g. Ib) schließ! die Ringscheibe 8, die fortfährt, sich auszudehnen, zunehmend die Eintrittsdurchgänge 4 und öffnet die Eintrittsdurchgänge6,durch welche hindurch gemäß dem Pfeil 17 kaltes Gas in die Kammer 13 strömt, wo es dazu dient, das Gehäuse 1 zu kühlen. Im Verlauf der Verzögerungsphase der Turbine, während welcher die Ringscheibe 8 sich schneller zusammenzieht als die Gehäuse I₁ 2, ist erneut der Durchtritt heißen Gases zum Gehäuse 1 ermöglicht, um dieses zu erwärmen.

ίο F i g. 2 zeigt einen Teil einer Gasturbine, die mit einer Regelvorrichtung ausgerüstet ist, welche einen Verteiler aufweist, der dem Verteiler ähnlich ist, der in den F i g. 1 bis Ib schematisch dargestellt ist. Diejenigen Bauteile, welche die gleiche Rolle spielen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Quelle 5 hießen Gases ist beispielsweise durch die Brennkammer dargestellt, deren Außenwand teilweise bei 18 dargestellt ist und die eine Strömung 14 heißen Gases liefert, welches die Turbine speist. Bei 19 ist der Verteiler für die heiße Gasströmung schematisch dargestellt, und bei 20 eine Rotorbeschaufelung, die an einer nicht dargestellten Turbinenscheibe befestigt ist. Die Außenwand 18 trennt die Brennkammer 5 von einem Ringraum 7, der die Quelle kalten Gases bildet und der mit kalter Luft gespeist wird, die von dem nicht dargestellten Verdichter der Gasturbine abgenommen ist. Die Wand 3 ist mit einem im wesentlichen zylindrischen Trennelement 22 verbunden, welches die Wand 3 zwischen den Kränzen von Eintrittsdurchgängen 6 und 4 unterteilt und auf diese Weise den Ringraum 7 von einem Ringraum 23 trennt, der mit der Brennkammer 5 über einen Ringspalt 24 in Verbindung steht, der zwischen der stromabwärtigen Kante der Wand 18 und dem Fuß 15 der Ringscheibe 8 gebildet ist. Nicht dargestellte bekannte Zentriermittel, von denen ein Ausführungsbeispiel in Fig.4 wiedergegeben ist, ermöglichen eine Ausdehnung der Ringscheibe 8 bei Aufrechterhaltung gleichachsiger Lage zur Turbine.

Der Fuß 15 bildet einen Flügel allgemein zylindrischer Gestalt, der in die Strömung 14 heißen Gases eintaucht, und das Absperrorgan in Gestalt der Ringscheibe 8 kann sich radial ausdehnen durch Verschiebung zwischen der Wand 3 und einer dazu parallelen Wand 25 des Turbinengehäuses 1. Die Wand 25 bildet eine

Ringkammer 26, in welche die öffnungen 9 und 10 münden und weiche über eine Reihe von Öffnungen 27, die in Kranzform angeordnet sind, mit der Kammer 11 in Verbindung steht. Die Kammer 13 des Turbinengehäuses 1 ist von einer zylindrischen Wand 28 dieses Gehäuses 1, welche die Rotorschaufeln 20 umgibt, durch eine zylindrische Trennwand 29 getrennt, die mit Bohrungen 30 versehen ist. Das kalte oder heiße Gas, welches in die Kammer 13 gelangt, strömt durch diese Bohrungen 30, um Strahlen zu bilden, die auf die zylindrische Wand 28 auftreffen, wobei das Gas anschließend durch öffnungen 31 hindurch austritt, die über nicht dargestellte Mittel mit dem Inneren der Turbine in Verbindung stehen.

Das Spiel / zwischen den Spitzen der Schaufeln 20 und der zylindrischen Trennwand 28 liegt in der Größenordnung von 1 mm, wenn die Turbine kalt ist. Beim Starten der Turbine dehnen sich die Schaufeln 20 schneller aus als die zylindrische Wand 28, wenn die Regelvorrichtung nicht vorhanden ist Mit einer Regelvorrichtung gemäß der Erfindung kann jedoch, da das Absperrorgan in Gestalt der Ringscheibe 8 zu diesem Zeitpunkt noch relativ kalt ist, nur der Strom 16 heißen Gases in die Kammer 13 eintreten, wodurch die

zylindrische Wand 28 erwärmt wird und das Spiel J wiederhergestellt wird, wobei der Strom heißen Gases durch den Ringspalt 24, die Eintrittsdurchgänge 4, die Öffnungen 9, die Kammer 26, die öffnungen 27, die Kammer 11 und die öffnungen 12 hindurchströmt.

Während der Beschleunigungsphase tritt ein Gasgemisch in die Kammer 13 ein, welches mehr und mehr kalt wird, wie es in Verbindung mit F i g. 1 a beschrieben ist. Es ist indessen möglich, die Massen und die Ausdehnungskoeffizienten der Ringscheibe 8 und der Wände 3 und 25 derart zu wählen, daß die öffnungen 9 während der gesamten Zeit sich gegenüber den Eintrittsdurchgängen 4 befinden, während welcher es notwendig ist, die Wand 28 kräftig zu eirwärmen, um das Spiel /oberhalb einer gewissen Grenze zu halten.

Nach einer gewissen Betriebszeit hat sich die Ringscheibe 8 mehr ausgedehnt als die Trennwände 3 und 25, und nur die Eintrittsdurchgänge 6 sind noch offen. Diese Anordnung, die in Verbindung mit F i g. Ib beschrieben ist, ist in Fig.2a wiedergegeben. Der Strom 17 kalten Gases tritt durch die Eintrittsdurchgänge 6, die öffnungen 10 und die Kammer 26 hindurch und tritt in die Kammer 13 ein über den gleichen Weg, dem zuvor der Heißgasstrom 16 folgte. Die !kalten Luftstrahlen gehen durch die Bohrungen 30 hindurch, kühlen die Wand 28 und verhindern die Übertragung von Wärme auf das Turbinengehäuse 1 derart, daß das Spiel / auf einen Wert von 0,07 mm gebracht wird.

Während der Verzögerungsphase kühlt sich das Gebilde aus nicht dargestellter Turbimenscheibe und Schaufeln 20 langsamer ab als das Turbinengehäuse 1, wenn eine Regelvorrichtung nicht vorhanden ist, woraus sich dann die Gefahr ergibt, daß das Spiel J zu klein wird. Indessen kühlt sich die Ringscheibe 8 gleichfalls ab und sie öffnet zunehmend die Eintrittsdurchgänge 4, während die Eintrittsdurchgänge 6 zunehmend geschlossen werden derart, daß die in die Kammer 13 eintretende und auf die zylindrische Wand 28 auftreffende Gasströmung sich zunehmend erwärmt und das Zusammenziehen der zylindrischen Wand 28 verzögert derart, daß das Spiel J oberhalb des gefährlichen Wertes gehalten wird.

Es ist zu bemerken, daß das in den Fig.2 und 2a beschriebene Ausführungsbeispiel abgewandelt werden kann, indem die Kammer 13 durch Rohrleitungen ersetzt wird, welche das Gehäuse umgeben und Löcher aufweisen, welche direkte Kühlung durch Auftreffen von Kühlmittelstrahlen ermöglichen.

F i g. 3, in welcher die Bauteile, die die gleiche Rolle wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 spielen, mit den gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines kleinen a bezeichnet sind, zeigt schematisch einen Verteiler, der eine zweite Ringscheibe 32 aufweist die aus einem Material gebildet ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer als derjenige des Materials der Wand 3a ist, das jedoch eine Wärmeträgheit hat, die geringer als diejenige der Ringscheibe 8a ist Die zweite Ringscheibe 32 kann sich durch Verschiebung an derjenigen Fläche der Wand 3a frei ausdehnen, die der Fläche gegenüberliegt an welcher sich die Ringscheibe 8a verschiebt Die zweite Ringscheibe 32 weist einen Kranz von öffnungen 33 auf, die derart angeordnet sind, daß sie, wenn die Gasturbine kalt ist gegenüber den Eintrittsdurchgängen 6a derart versetzt sind, daß diese durch die Ringscheibe 32 abgesperrt sind, und daß sie sich den Eintrittsdurchgängen 6a gegenüber befinden, wenn die Ringscheibe 32 sich vollständig differentiell bzw. unterschiedlich ausgedehnt hat was während des Arbeitens der Turbine im stabilisierten Betrieb der Fall ist. Diese Stellung ist in 3b wiedergegeben.

Wenn die Gasturbine sich im Stillstand befindet (F i g. 3), ist lediglich der Durchgang 4a, 9a offen, so daß heißes Gas 16a wie im Fall der Ausführungsform gemäß Fig. 1 in die Kammer 13a strömt. Der Durchgang des heißen Gases 16a bleibt demgemäß während einiger Minuten weit offen. F i g. 3a zeigt die Stellungen, die von den Ringscheiben 8a und 32 nach einer gewissen Betriebszeit der Turbine eingenommen werden, wobei sich die Ringscheibe 8a wie im Fall der Ausfülirungsform gemäß Fig. la teilweise ausgedehnt hat derart, daß die Eintrittsdurchgänge 6a etwas geöffnet, und die Eintrittsdurchgänge 4a etwas abgesperrt sind, während die Ringscheibe 32 zufolge seiner geringen Wärmeträgheit sich vollständig ausgedehnt hat derart, daß die Öffnungen 33 sich gegenüber den Eintrittsdurchgängen 6a befinden und diese vollständig freigeben. Die Kammer 13 erhält auf diese Weise ein Gemisch aus heißem Gas 16a und kaltem Gas 17a wie im Fall der Darstellung der Fig. la. Einige Minuten später schließt die Ringscheibe 8a, welche fortfährt, sich auszudehnen, progressiv und vollständig den Durchgang 4a, 9a für heißes Gas und öffnet den Durchgang 6a, 10a für kaltes Gas vollständig. Diese Stellung der Bauteile ist in Fig.3b wiedergegeben. Die Kammer 13a erhält auf diese Weise lediglich kaltes Gas 17a, und die Kühlung des Turbinengehäuses la ist maximal wie im Fall der Darstellung gemäß F i g. Ib.

Beim Beginn der Verzögerungsphase der Turbine wird die Temperatur der Brennkammer schnell verringert und das Turbinengehäuse 1 könnte sich zu schnell zusammenziehen. Dieser Nachteil wird durch die Ringscheibe 32 vermieden, welche sich zufolge ihrer geringen Wärmeträgheit schneller zusammenzieht als die Ringscheibe 8a und welche dadurch den Durchgangsquerschnitt für kaltes Gas 17a verkleinert, wie es aus F i g. 3c ersichtlich ist. Die Ringscheibe 8a zieht sich dann zusammen und gelangt zunehmend in die Stellung, die sie beim Start (F i g. 3) eingenommen hatte, wodurch die Quelle 5a heißen Gases mit dem Turbinengehäuse 1 in Verbindung gebracht wird, um dieses zu erwärmen.

F i g. 4 zeigt eine Gasturbine, die der in Verbindung mit Fig.2 beschriebenen Gasturbine ähnlich ist, und diejenigen Bauteile, die die gleiche Rolle spielen, sind mit den gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines kleinen a bezeichnet Die Vorrichtung zum Regeln des Spiels / zwischen den Spitzen der Schaufeln 20a der Turbine und der zylindrischen Wand 28a des Gehäuses la weist einen Verteiler auf, der dem Verteiler ähnlich ist der in Verbindung mit den F i g. 3 bis 3c beschrieben worden ist wobei die zweite Ringscheibe 32 einen Flssisch am Ende der Trennwand 21a bildet die mit der Wand 18a der Brennkammer 5a verbunden ist

Die ringförmige Querwand 3a weist einen einzigen Kranz von Eintrittsdurchgängen 6a auf, und ihre Innenkante 34 befindet sich, wenn die Turbine kalt ist (Stellung gemäß F i g. 4) auf der Höhe des Außenrandes des Öffnungskranzes 9a. Die Wand 3a ist weiterhin mit einem inneren zylindrischen rückspringenden Rand 35 versehen, der in den Raum 23a frei vorragt und die zylindrische Kante 34 ist radial gegenüber der äußeren zylindrischen Kante 36 eines ringförmigen Wulstes 37 angeordnet der am stromabwärtigen Ende der Wand 18a der Brennkammer 5a gebildet ist

Der Wulst 37 bestimmt mit dem Fuß 15a der Ringscheibe 8a den Spalt 24a. Dieser Fuß 15a ist hier ein einfacher Ringwulst der stromaufwärts gerichtet ist und

ein Ablenkorgan bildet, welches den Eintritt heißen Gases 14a in den Spalt 24a gemäß dem Pfeil 16a begünstigt. Die Außenkante des Wulstes 37 bildet mit der Innenkante 34 der Wand 3a einen Ringdurchgang 38, der den Spalt 24a mit dem Raum 23a verbindet. Weiterhin ist die Trennwand 21a mit einer Reihe von öffnungen 39 versehen, durch welche hindurch kalte Luft gemäß dem Pfeil 40 von dem Raum Ta in den Raum 23a eintreten kann, um an dem zurückspringenden Rand 35 der Wand 3a eine Luftschicht zu bilden, welche diese Wand 3a gegen die Wärme des heißen Gases schützt, welches gemäß dem Pfeil 16a strömt. Auf diese Weise wird die Ausdehnung der Wand 3a verringert, wobei ohne diese Schicht die Gefahr bestünde, daß die differentielle Wärmeausdehnung der Ringscheibe 8a unzureichend ist.

Die auf diese Weise bei 39 in den Raum 23a abgegebene kalte Luft durchströmt den Ringdurchgang 38 und mischt sich mit dem heißen Gas 16a. Die Öffnungen 39 können demgemäß derart dimensioniert werden, daß, falls erforderlich, die Temperatur des heißen Gases eingestellt wird, welches in die Kammer 13a gelangt. Andererseits dehnt sich der hintere Teil der Wand 18a als Ganzes aus derart, daß der Wulst 37 sich der Innenkante 34 der Trennwand 3a nähert, wobei auf diese Weise der Querschnitt des Ringdurchganges 38 verkleinert wird, bis er vollständig geschlossen wird, und zwar abhängig von dem Ausmaß, in welchem die Ringscheibe 32 sich ausdehnt, wie es in den F i g. 4a und 4b dargestellt ist. Weiterhin entfernt sich der Wulst 37 von dem Fuß 15a, wodurch der Durchtrittsquerschnitt des Spaltes 24a (F i g. 4a) vergrößert wird, da die Ringscheibe 32 sich schneller ausdehnt als die Ringscheibe 8a, wobei dann der Fuß 15a sich dem Wulst 37 nähert, wenn die Ringscheibe 8a sich anschließend ausdehnt, wodurch der Durchtrittsquerschnitt des Spaltes 24a (F i g. 4c) verkleinert wird. Diese Besonderheiten können vorteilhaft ausgenutzt werden, um die Durchtrittsmenge und die Temperatur des heißen Gases, welches durch die öffnungen 9a strömt, zu ändern.

Wie aus den Fig.4 und 5 ersichtlich, münden die öffnungen 10a auf der stromaufwärtigen Seite der Turbine in eine Kreisnut 41, die in derjenigen Fläche der Ringscheibe 8a gebildet ist, die an der Wand 3a gleitet. Die Ringscheibe 8a ist mit einer Mehrzahl von Zentrieransätzen 42 versehen, die von ihrem Au3enumfang vorragen und die im Eingriff mit Ausnehmungen einer Rippe 43 der Trennwand 3a stehen, derart daß die Ringscheibe 8a sich unter Aufrechterhaltung gleichachsiger Lage zur Turbine ausdehnen kann.

Wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 dehnt sich die Ringscheibe 8a differentiell aus, indem es sich zwischen den Wänden 3a und 25a verschiebt Die Querwand 3a weist einen Ringteil, der einen Flansch 44 hat der zwischen Flanschen 45 und 46 der Gehäuse la und 2a eingeklemmt ist und einen sich anschließenden kegelstumpfförmigen Teil 47 auf, der eine Verbindung zwischen dem Flansch 44 und der Wand 3a bildet Die Querwand 25a ist mit der Vorderwand 48 der Kammer 13a über einen Verbindungsteil 49 derart verbunden, daß zwischen den Verbindungsteilen 47 und 49 und der Außenwand 51 des Gehäuses la eine Ringkammer 50, und eine weitere Ringkammer 52 zwischen dem Verbindungsteil 49 und dem Verteiler (Leitorgan) 19a einerseits und den Wänden 25a und 48 andererseits gebildet ist Die Ringkammer 52 ist von Rohren 53 durchgesetzt welche die öffnungen 27a mit den öffnungen 12a verbinden und durch welche hindurch heißes oder kalte* Gas von der Kammer 26a in die Kammer 13a strömt. Kalte Luft strömt gemäß dem Pfeil 54 von der Kammer 7a in die Kammer 50 durch

■; Öffnungen 55 des Verbindungsteiles 47 hindurch, dann von der Ringkammer 50 in die Ringkammer 52 durch öffnungen 56 in dem Verbindungsteile 49 hindurch, und sie wird schließlich von der Ringkammer 52 durch öffnungen 57 hindurch in die Turbine abgegeben, und

ίο zwar in bekannter Weise um den Strom 14a heißer Gase herum.

Fig.4 zeigt die Bauteile in einer Stellung, die sie beim Starten der Turbine einnehmen. Die öffnungen 33 der Ringscheibe 32 sind mit Bezug auf die Eintrittsdurchgänge 6a derart versetzt, daß der Eintritt dieser Durchgänge durch die Ringscheibe 32 abgesperrt ist. Die Nut 41 ist in der Ringscheibe 8a derart gebildet, daß die Außenkante dieser Nut 41 sich praktisch gegenüber der Innenkante der Eintrittsdurchgänge 6a in dieser Stellung befindet derart, daß der Austritt dieser Eintrittsdurchgänge 6a von der Ringscheibe 8a abgesperrt ist. Im Gegensatz dazu sind die öffnungen 9a frei derart daß heißes Gas 16a durch den Spalt 24a, die öffnungen 9a die Kammer 26a, die öffnungen 27a, die

-•5 Rohre 53 und die öffnungen 12a in die Kammer 13a strömt, wo es die Wand 28a des Gehäuses la in der in Verbindung mit F i g. 2 beschriebenen Weise erhitzt. Beim Beginn des Startens liegt das Spiel ] in der Größenordnung von 1 mm.

Fig.4a zeigt die Stellungen der Bauteile zwanzig Sekunden nach dem Beginn des Startens. Während dieser zwanzig Sekunden verbleibt die Ringscheibe 8a, welche noch relativ kalt ist, in der Stellung, die sie zu Anfang innehatte, jedoch dehnt sich das stromabwärtige Ende der Wand 18a, die eine geringe Wärmeträgheit hat, schnell aus. Der Wulst 37 beginnt, den Durchgang 38 zu schließen und den Spalt 24a zu vergrößern. Dies führt dazu, daß die Menge heißen Gases 16a, die in die öffnungen 9a eintritt, vergrößert wird, und daß die Menge kalter Luft 40, die durch den Durchgang 38 strömt, um sich mi*, dem heißen Gas zu mischen, verkleinert wird. Das heiße Gas, welches immer heißer und in größerem Überschuß in die Kammer 13a gelangt, erhitzt die Wand 28a immer mehr derart, daß diese sich ausdehnt und von den Spitzen der Turbinenschaufeln 20a entfernt, die sich ohne diese Maßnahmen schneller als die Wand 28a ausdehnen würden.

Die Stellung der Bauteile hundert Sekunden nach dem Starten ist in F i g. 4b dargestellt. Das stromabwärtige Ende der Wand 18a hat nunmehr seine Stellung maximaler Ausdehnung erreicht derart, daß die öffnungen 33 der Ringscheibe 32 sich nunmehr in Ausrichtung mit den Eintrittsdurchgängen 6a der Trennwand 3a befinden, und daß der Wulst 37 den Durchgang 38 vollständig geschlossen hat wodurch der Austritt von kalter Luft aus dem Raum 23a abgesperrt ist Andererseits hat die Ringscheibe 8a sich derart ausgedehnt daß die Kante 34 der Trennwand 3a die Öffnungen 9a teilweise abdeckt und daß die Außenkante der Nut 41 die Eintrittsdurchgänge 6a teilweise freigibt Hierdurch wird die Liefermenge an heißem Gas 16a, welches die öffnungen 9a durchströmt verkleinert und es kann kalte Luft 17a durch die öffnungen 33, die Eintrittsdurchgänge 6a, die Nut 41 und die öffnungen 10a in der Kammer 26a strömen. Diese kalte Luft 17a mischt sich mit der heißen Luft 16a, und dieses weniger heiße Gemisch 58 gelangt in die Kammer 13a, so daß die Wand 28a sich nicht weiter ausdehnt

Fig.4c zeigt die Stellung der Bauteile, wenn die Turbine im stabilisierten Betrieb arbeitet, beispielsweise etwa dreihundert Sekunden nach dem Starten. Die Ringscheibe 8a dehnt sich weiter aus derart, daß die öffnungen 9a durch die Trennwand 3a vollständig ■> abgesperrt sind, und daß die Eintrittsdurchgänge 6a, deren Eintritt von den öffnungen 33 vollständig freigegeben ist, mit ihrem vollen Querschnitt in die Nut 41 münden. Somit gelangt lediglich kalte Luft 17a in die Kammer 13a, wodurch die Wand 28a kräftig gekühlt wird und verhindert wird, daß Wärme auf das Turbinengehäuse Xa übertragen wird, so daß das Spiel / auf einen sehr kleinen Wert in der Größenordnung von 0,07 mm zurückgeführt wird.

Bei Verzögerungsbetrieb kühlt sich das Gebilde aus is nicht dargestellten Turbinenscheiben und Turbinenschaufeln 20a langsamer ab als die Wand 28a des Turbinengehäuses la. Indessen besteht keine Gefahr, daß das Spiel / als Folge eines zu schnellen Zusammenziehens der Wand 28a zu klein wird, da das stromabwärtige Ende der Wand 18a der Brennkammer 5a eine Wärmeträgheit hat, die geringer als die Wärmeträgheit der Ringscheibe 8a ist. Die Ringscheibe 32 zieht sich unmittelbar zusammen und sperrt die Eintrittsdurchgänge 6a teilweise ab, wodurch die Liefermenge an kalter Luft 17a verkleinert wird. Die Kühlung der Wand 28a wird auf diese Weise verzögert, weil die Ringscheibe 8a bei ihrem Zusammenziehen die öffnungen 9a absperrt und heißes Gas in die Kammer 13a strömen läßt, um das normale Spiel / zwischen der 3" Wand 28a und den Spitzen der Turbinenschaufeln 20a wiederherzustellen.

Der Ringscheibe kann, anstatt ihr einen Ausdehnungskoeffizienten zu geben, der größer als derjenige der Wand ist, an welcher sie angebracht ist, ein Ausdehnungskoeffizient gegeben werden, der kleiner als der genannte Koeffizient ist, indem die Stromkreise derart geändert werden, daß die Ringscheibe gekühlt wird, da es die unterschiedliche Ausdehnung zwischen diesen beiden Bauteilen ist, welche die Funktion der Regelung gewährleistet.

Es können auch die beiden Reihen von öffnungen 9, 10 die in Kranzform in der ausdehnbaren Ringscheibe 8 gebildet sind, durch Kreisspalte ersetzt werden, wobei dann eine große Durchsatzmenge für eine relativ geringe Verschiebung erhalten ist.

Es ist schließlich zu bemerken, daß die beschriebene Ausführung für die Belüftung einer Turbinenscheibe verwendet werden kann mit dem Ziel, die Wärmegradienten in den Übergangsbetriebsbereichen zu verkleinern.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei Gasturbinen beschränkt. Beispielsweise kann der Dampfstrom, der eine Dampfturbine speist, dazu verwendet werden, unterschiedliche Ausdehnung einer Ringscheibe gemäß der Erfindung zu gewährleisten, wobei die durch den Dampfstrom an die Ringscheibe gelieferte Wärme im Übergangsbetrieb kleiner als im stabilisierten Betrieb ist.

Hierzu 7 Blatt Zeichnunsien

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln des Spiels zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln einer Gasturbine und der gegenüberliegenden Wand eines Turbinengehäuses, mit einer Einrichtung zum Führen von Gas zu der äußeren Oberfläche der genannten Wand zwecks Steuerung ihrer Temperatur, und mit wenigstens einer Ventileinrichtung, mittels welcher die Menge des der äußeren Oberfläche der Wand zugeführten Gases in Abhängigkeit unterschiedlicher Wärmedehnung zwischen der Wand des Turbinengehäuses und einem Steuerorgan gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Ventileinrichtung eine radial zur Achse (X-X") der Gasturbine Serichtete, mit der Wand des Turbinengehäuses (1) fest verbundene Ringwand (3) mit wenigstens zwei Eintrittsdurchgängen (4, 6 bzw. 4a, 6a) aufweist, die mit Gasquellen (5, 7 bzw. 5a, 7a) unterschiedlicher Temperatur verbindbar sind, und daß das Steuerorgan eine an der Ringwand (3) radial verschiebbar anliegende erste Ringscheibe (8) ist,

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a) deren Wärmeausdehnungskoeffizient größer als jener der Ringwand (3) ist,

b) deren innerer Rand von dem Arbeitsgas der Gasturbine umspült ist und

c) die mit den Eintrittsdurchgängen (4, 6 bzw. 4a, 6a) derart zusammenwirkende öffnungen (9,10 bzw. 9a, 1OaJ aufweist, daß aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung von Ringwand (3) und erster Ringscheibe (8) bei kaltem Turbinengehäuse (1) der mit der Gasquelle höherer Temperatur (5 bzw. 5a) verbindbare Eintrittsdurchgang (4 bzw. 4aJ offen ist und bei maximaler Temperatur des Turbinengehäuses (1) der mit der Gasquelle niedrigerer Temperatur (7 bzw. 7 a) verbindbare Eintrittsdurchgang (6bzw.6ajoffenist.