DE2621913A1 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere auf die Wand des Strömungskanales für die Arbeitsmediumgase in dem Turbinenabschnitt des Triebwerkes.

In einem Gasturbinentriebwerk wird in einer Brennkammer Kraftstoff in verdichteter Luft verbrannt zur Steigerung der thermischen Energie der durch das Triebwerk strömenden Gase. Die aus der Brennkammer herausströmenden Arbeitsmediumgase durchströmen dann in Axialrichtung einen ringförmigen Strömungskanal in dem Turbinenabschnitt des Triebwerkes. Eine erste Leitschaufelreihe am Einlass der Turbine erteilt den Gasen den richtigen Drall zur Beaufschlagung der Laufschaufeln, welche sich vom Triebwerksrotor nach aussen erstrecken. Ein Ummantelungsring, der am Turbinengehäuse befestigt ist umgibt die Laufschaufelspitzen, um ein Entweichen der Gase aus dem Strömungskanal zu verhindern. Eine zweite Leitschaufelreihe liegt axial hinter den Laufschaufeln und dem Ummantelungsring, um den Arbeitsmittelgasen erneut den richtigen Drall zu erteilen. Während dem Betrieb des Triebwerkes stellt sich der Ummantelungsring stromabwärts

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in Anlage mit den Leitschaufeln ein, um ein Lecken der Gase zwischen den Leitschaufeln und dem Ummantelungsring zu vermeiden.

Der Ummantelungsring besteht üblicherweise aus mehreren Teilen falls grosse Veränderungen der thermischen Ausdehnung zwischen dem Ring und dem Gehäuse zu erwarten sind. Ein Umfangsspalt zwischen den benachbarten Teilen des Ringes ist vorgesehen damit unabhängige Ausdehnungen des Gehäuses und des Ummantelungsringes auftreten können, ohne dadurch örtliche Spannungen hervorzurufen. Die Anzahl der Teile eines ummantelungsringes hängt von der zu erwartenden Temperaturdifferenz zu beiden Seiten des Teiles des Ummantelungsringes ab. Die Temperatur des Ringes ist während dem Betrieb des Triebwerkes auf der Seite der strömenden Arbeitsmediumgase am höchsten und dies bewirkt ein Aufweiten der Teile des Ringes. Ein zu starkes Aufweiten der Ringteile hat ein Festklemmen derselben in ihren Führungen zur Folge und dies verhindert, dass sie sich später gegen die Plattformen der stromabwärtsliegenden Leitschaufeln anlegen können.

Die Laufschaufeln, welche unmittelbar stromabwärts des Ummantelungsringes liegen sind in verschiedenen Gruppen zusammengefasst. Jede Laufschaufelgruppe umfasst mehrere Laufschaufeln, die an ihren Plattformen festgeschweisst sind. Die Zusammenfassung von zwei oder mehreren benachbarten Schaufeln verringert die Schaufelverdrillung, innerhalb der für den Zusammenbau zulässigen Toleranz, welche normalerweise infolge der Temperaturdifferenz an jeder Schaufel auftritt. Die Anzahl der Schaufeln, welche in den Gruppen zusammengefasst werden können ist durch die Steifheit der dadurch entstehenden Gruppen beschränkt, denn bei zu hoher Steifheit entstehen grosse thermische Spannungen in dem Schaufelwerkstoff während dem Betrieb des Triebwerkes. Bei den bekannten Triebwerken besteht kein Zusammenhang zwischen der Anzahl der Teile des Ummantelungsringes und der Anzahl der stromabwärts des Ummantelungsringes liegenden Leitschaufelgruppen.

Kühlluft strömt üblicherweise durch Leitungen in dem Turbinenabschnitt, um eine Ueberhitzung der verschiedenen Turbinenbauteile zu vermeiden und um die thermische Dehnung des Turbinengehäuses möglichst klein zu halten. Eine solche Leitung besteht

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üblicherweise zwischen dem Turbinengehäuse und dem an den Leitschaufel-plattformen anliegenden ümmantelungsring, welcher radial innerhalb des Turbinengehäuses angeordnet ist. Das Lecken aus der Kühlluftleitung wird herabgesetzt durch Ausführungsbeispiele wie z.B. entsprechend der US Patentschrift 3 860 358, wobei auch ein Festklemmen der Ummantelungsringteile in ihren Führungsnuten vermieden wird damit sich die Teile des Ummantelungsringes einzeln nach hinten gegen die Plattformen der hinter den Teilen des Ringes angeordneten Leitschaufeln anlegen können.

Trotz dieser Einstellung der Teile des Ummantelungsringes ist ein wesentlicher Leckverlust zwischen dem Ümmantelungsring und den LaufSchaufelplattformen zu beklagen. Man versucht deshalb den Verlust der Kühlmittelströmung zwischen den Teilen des Ummantelungsringes und den stromabwärts davon angeordneten Leitschaufeln noch weiter herabzusetzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin den Wirkungsgrad und die Lebensdauer eines Gasturbinentrxebwerkes durch bessere Ausnutzung der Kühlluft in dem Turbinenabschnitt des Triebwerkes zu verbessern, oder die Leckströmung der Kühlluft in den Arbeitsmediumströmungskanal zwischen den aneinanderliegenden Rändern des Ummantelungsringes für die Laufschaufelspitzen und die stromabwärtsliegenden Leitschaufelgruppen herabzusetzen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Bearbeitungstoleranzen der Turbinenbauteile und die thermische Verformung der Bauteile während dem Betrieb des Triebwerkes eine unebene Fläche hervorrufen, an welcher die Teile des Ummantelungsringes anliegen sollen.

Entsprechend der Erfindung hat der Ümmantelungsring für die Laufschaufelspitzen mehrere bogenförmige Teile und eine stromabwärts davon angeordnete Leitschaufelreihe hat mehrere Leitschaufelgruppen mit einer oder mehreren Laufschaufeln, wobei das Verhältnis der stromaufwärts angeordneten Teile des Ummantelungsringes zu den stromabwärtsliegenden Leitschaufelgruppen ein mathematisches Ganzes ist, und wobei das vordere Ende eines Spaltes zwischen benachbarten Leitschaufelgruppen axial mit dem hinteren Ende eines Spaltes zwischen benachbarten Teilen des

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Ummantelungsringes ausgerichtet ist.

Das ganzzahlige Verhältnis der Teile des Ummantelungsringes für die Laufschaufelspitzen zu den Leitschaufelgruppen ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, denn dadurch wird die Voraussetzung geschaffen für die axiale Ausrichtung der Spalte zwischen benachbarten Leitschaufelgruppen und den Teilen des Ummantelungsringes. Durch Anordnen eines Absatzes an der hinteren Ecke eines jeden Teiles des Ummantelungsringes wird die gesamte Anordnung unempfindlich gegen schlechte Ausrichtungen und man erhält eine Leitung für die Kühlluftströmung, wobei keine örtliche, heisse Stellen an der Verbindungsstelle der Spalte zwischen benachbarten Teilen des Ummantelungsringes und den stromabwärtigen Leitschaufelgruppen auftreten können. Jeder Teil des Ummantelungsringes liegt an einer einzigen Leitschaufelgruppe an.

Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass jeder Teil des Ummantelungsringes an einer einzigen stromabwärts vom Ring angeordneten Leitschaufelgruppe anliegt und zwar unabhängig von der Lage der benachbarten Leitschaufelgruppen. Falls ein Teil des Ummantelungsringes an einer einzigen Leitschaufelgruppe anliegt, so hat man eine Linienberührung mit dieser Schaufelgruppe und man erhält dadurch eine wirkungsvolle Abdichtung. Die Verbesserung der Abdichtung zwischen dem Ummantelungsring und den Leitschaufein gestattet die Wiederverwendung der dem Ummantelungsring zugeführten Kühlluft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden ausführlicher beschrieben, es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teiles des Turbinenabschnittes eines Gasturbinentriebwerkes.

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 nach Fig. 1.

Fig. 3 eine vergrösserte Darstellung in Perspektive zur Erklärung des Zusammenhanges zwischen den Teilen des Ummantelungsringes für die Laufschaufelspitzen und den stromabwärts davon angeordneten Leitschaufelgruppen während dem Betrieb des Triebwerkes.

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Ein Teil eines Gasturbinentriebwerkes mit einem Turbinenabschnitt 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Der Turbinenabschnitt hat einen ringförmigen Strömungsweg 12, der sich axial von der Brennkammer des Triebwerkes erstreckt. In dem Strömungsweg befindet sich eine Turbinenschaufel 14 mit einer Schaufelspitze 16. Mehrere Schaufeln 14 sind in Umfangsrichtung in Abstand voneinander in dem Strömungsweg 12 angeordnet. Ein Ummantelungsring 18, der am Turbinengehäuse 20 in zwei Führungen 22 gehaltert ist umgibt die Spitzen 16 der Schaufeln 14. Eine Turbinenleitschaufel 24 mit einer Plattform 26 liegt axial hinter der Laufschaufel 14 und ist am Gehäuse 20 befestigt. Mehrere Leitschaufeln 24 sind in Umfangsrichtung in dem Strömungsweg 12 angeordnet. Eine ringförmige Kammer 28 befindet sich zwischen den Leitschaufeln und dem Ummantelungsring 18. Bohrungen 30 in dem Ummantelungsring 18 dienen zur Zuführung von Kühlluft aus dem Hohlraum 32 in die Kammer 28. Der Hohlraum 32 liegt radial ausserhalb des Ummantelungsringes.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist sind mehrere Leitschaufeln 24 über ihre Plattformen 26 miteinander verbunden zur Bildung von Leitschaufelgruppen 34. Der Ummantelungsring 18 für die Laufschaufelspitzen besteht aus mehreren einzelnen Teilen 36. Jeder Teil hat ein hinteres Ende 38, welches am vorderen Ende 40 einer Leitschaufelgruppe 34 anliegt. Ein Absatz 42 verläuft radial durch jede hintere Ecke eines jeden Teiles 36 des Ummantelangsringes. Ein Spalt 44 zwischen zwei benachbarten Leitschaufelgruppen ist im wesentlichen axial mit einem Spalt 46 zwischen zwei benachbarten Teilen des Ummantelungsringes ausgerichtet.

Während dem Betrieb des Triebwerkes wird Kraftstoff in der verdichteten Luft in der Brennkammer verbrannt und die Gase strömen aus der Brennkammer in Axialrichtung durch den Strömungsweg 12 in den Turbinenabschnitt des Triebwerkes. Die Turbinenschaufeln 14 entziehen dem Strömungsmedium kinetische Energie. Die Arbeitsgase, welche die Laufschaufeln verlassen werden durch die Leitschaufeln 24 wieder mit dem richtigen Drall in die folgende Laufschaufelstufe der Turbine geleitet. Der Ummantelungsring 18 liegt radial ausserhalb der Spitzen 16 der Laufschaufeln 14,-um den Leckverlust der Arbeitsgase möglichst klein zu halten. Kühlluft

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wird in den Hohlraum 32 zum Kühlen des Gehäuses 20 und des Ummantelungsringes 18 zugeleitet, um den Durchmesser des Ummantelungsringes etwa gleich dem Durchmesser der drehenden Laufschaufelspitzen 16 zu halten. Der Druck der Arbeitsmediumgase ist grosser am vorderen Ende des Ummantelungsringes 18 als an seinem hinteren Ende. Dementsprechend werden die Teile 36 des Ummantelungsringes nach hinten gegen die vorderen Enden 40 der Leitschaufelgruppen gedruckt. Die kleinstmögliche Anzahl der Teile des Ummantelungsringes ist durch die zu erwartenden Temperaturunterschiede festgelegt, wie schon eingangs beschrieben wurde. Die Umfangslänge eines Teiles des Ummantelungsringes ist derart zu wählen, dass die Teile des Ummantelungsringes sich in den Führungen 22 bei starken Temperaturunterschieden nicht festsetzen können. Die tatsächlich verwendete Anzahl der Teile des Ummantelungsringes wird entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung von der kleinstmöglichsten Anzahl bis auf eine Anzahl gesteigert, welche ein mathematisches Ganzes im Verhältnis zu der Anzahl der stromabwärts davon angeordneten Leitschaufelgruppen ist. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel hat der Ummantelungsring 40 Teile und es sind 20 Leitschaufelgruppen von jeweils 2 Leitschaufeln vorgesehen, wobei dann das Verhältnis zwischen den Teilen des Ummantelungsringes und den Leitschaufelgruppen gleich 2 ist. An einer weiter stromabwärtsliegenden Stufe des gleichen Triebwerkes hat der Ummantelungsring 32 Teile und es sind 32 Leitschaufeln von jeweils 3 Schaufeln vorgesehen, das Verhältnis der Teile des Ummantelungsringes zu den Leitschaufelgruppen ist dabei gleich 1. Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist sind die Teile 36 des Ummantelungsringes und die Leitschaufelgruppen 34 in Umfangsrichtung um den Strömungsweg 12 angeordnet und jeder Spalt 44 zwischen den Leitschaufelgruppen ist axial mit einem Spalt 46 zwischen benachbarten Teilen des Ummantelungsringes ausgerichtet. Da die Anzahl der Teile des Ummantelungsringes ein ganzes Vielfaches der Anzahl der Leitschaufelgruppen ist, ist jeder weitere Spalt 44 ebenfalls mit einem Spalt 46 ausgerichtet. Dadurch wird der Leckverlust zwischen den Teilen des Ummantelungsringes und den Leitschaufelgruppen herabgesetzt, da jeder Teil 36 des Ummantelungsringes an einer einzigen stromabwärts davon angeordneten Leitschaufelgruppe

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34 in Linienberührung an ihrem vorderen Ende 40 anliegt. Die heissen Gase strömen axial durch jeden Spalt 46 zwischen den Teilen des Ummantelungsringes von einer Stelle verhältnismässig hohen Druckes am vorderen Ende des Ummantelungsringes zu einer Stelle verhältnismässig niedrigen Druckes am hinteren Ende des Ummantelungsringes, wie in Fig. 3 in Perspektive dargestellt ist. Die durch den Spalt 46 strömenden heissen Gase treffen auf das vordere Ende 40 der benachbarten Leitschaufelgruppe auf und bewirken da eine örtliche heisse Stelle, an welcher die Leitschaufelgruppe schneller beschädigt wird. Die radial verlaufenden Absätze 42 an den hinteren Ecken eines jeden Teiles 36 des Ummantelungsringes sind in Strömungsverbindung mit der Ringkammer 28. Kühlluft strömt durch die Absätze 42 zum Kühlen der vorderen Enden 40 der LaufSchaufelgruppen in dem Bereich der Spalte 46. Dadurch werden die örtlichen, heissen Stellen in dem Werkstoff der Leitschaufelgruppen vermieden. Die radial verlaufenden Absätze 42 verringern desweiteren die Gefahr einer schlechten Ausrichtung zwischen den Teilen des Ummantelungsringes und den Leitschaufelgruppen, so dass sich jeder Teil des Ummantelungsringes sicher auf eine einzige Leitschaufelgruppe aufsetzen kann.

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Gasturbinentriebwerk mit einem Ummantelungsring für die Laufschaufelspitzen, wobei der Ummantelungsring mehrere Teile aufweist und wobei die stromabwärts des Ummantelungsringes angeordneten Leitschaufeln in mehreren Leitschaufelgruppen zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Teile (3 6) des ummantelungsringes (18) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Leitschaufelgruppen (34) ist, und dass jeder Spalt

(44) zwischen benachbarten Leitschaufelgruppen im wesentlichen mit einem Spalt (46)zwischen benachbarten Teilen des ummantelungsringes ausgerichtet ist.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teil (3 6) des Ummantelungsringes (18) an jeder hinteren Ecke einen Absatz (42) aufweist, damit die hintere Kante eines jeden Teiles des Ummantelungsringes an einer einzigen Leitschaufelgruppe (34) anliegt trotz kleiner Fehler der axialen Ausrichtung zwischen den Spalten (44) der Leitschaufelgruppen ·

(34) und den Spalten (46) der Teile des Ummantelungsringes (18)·

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absätze (42) an den hinteren Ecken der Teile (36) des Ummantelungsringes (18) in Verbindung mit einer Kühlluftleitung (28, 32) sind.

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