DE2654300A1

DE2654300A1 - Turbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2654300A1
Application number: DE19762654300
Authority: DE
Inventors: Vincent Paul Laurello; Jun Ira Henry Redinger; David Sadowsky; Philip Stanley Stripinis
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1975-12-05
Filing date: 1976-11-30
Publication date: 1977-06-08
Also published as: IN146515B; BR7608084A; GB1561115A; FR2333953A1; IL51008A; ES453959A1; NL7613312A; BE849054A; FR2333953B1; AU1985876A; JPS6020561B2; SE433377B; DE2654300C2; AU517469B2; US4069662A; SE7613019L; CA1079646A; PL112264B1; IT1077099B; IL51008A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere eine Einrichtung zum Steuern des Zwischenraums zwischen der äußeren Turbinenluftdichtung und der Spitze des Tu rbinenläufers.

Bekanntlich hat der Zwischenraum zwischen der Spitze der Turbine und der äußeren Luftdichtung eine große Bedeutung, weil jeglicher Leckverlust an Turbinenluft einen Verlust an Turbinenleistungsgrad darstellt und dieser Verlust direkt als ein Verlust an Kraftstoff veranschlagt werden kann. Ideal sollte dieser Zwischenraum ohne begleitenden Turbinenluftleckverlust oder Verlust an Turbinenleistungsgrad auf Null gehalten werden. Wegen der aggressiven Umgebung an dieser Stelle des Gasturbinentriebwerkes kann

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jedoch ein solcher Idealzustand nicht erreicht werden. Im Stand der Technik gibt es viele Versuche zur Optimierung dieses Zwischenraums, um den Spalt so nahe wie möglich bei Null zu halten.

Es gibt zwar eine Außenkühlung des Triebwerksgehäuses, diese Kühlung ist bislang jedoch mit Luft erfolgt, die während des gesamten Triebwerksbetriebes unterschiedslos über das Gehäuse strömt. Um von dieser Luftkühlvorrichtung vorteilhaften Gebrauch machen zu können, müßte das Triebwerksgehäuse typischerweise modifiziert werden, so daß es Kühlrippen aufweist, um eine ausreichende Wärmeübertragung zu erzielen. Diese Art der Kühlung stellt bei manchen Doppelstrom-Düsentriebwerken, bei denen die Gebläseluft stromabwärts der Turbine abgelassen wird, kein Problem dar, da sie nur eine Frage des richtigen Leitweges der Gebläseauslaßluft ist. In anderen Anlagen ist die Gebläseauslaßluft von dem Turbinengehäuse entfernt und es wären andere Vorrichtungen erforderlich, um eine Spaltkontrolle zu erzielen, die demgemäß typischerweise durch Innenkühlung erfolgt ist.

Noch wichtiger ist, daß das oben beschriebene System, welches eine unterschiedlose Kühlung verlangt, nicht die Spaltkontrolle maximiert, weil es nicht in der Lage ist, eine andere Zwischenraumbetriebskennlinie unterhalb des Zustandes maximaler Triebwerksleistung (Start) zu Hefern. Das wird am besten verständlich, wenn man sich vor Augen hält, daß der minimale Zwischenraum bei maximaler Leistung auftritt, da das der Fall ist, wenn das

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Triebwerk am heißesten und mit maximaler Drehgeschwindigkeit läuft. Da das Gehäuse in diesem Betriebsbereich gekühlt wird, ist es bereits in dem Schrumpf- oder Teüschrumpfzustand, so daß, wenn die Turbine bei einer niedrigeren Temperatur und/oder niedrigerer Drehzahl arbeitet, das Gehäuse und die Turbine bestrebt sind, sich zurück auf ihre normale Abmessung ■ zusammenzuziehen. In Fig. 2 ist das durch ein Diagramm dargestellt, in welcher der Spalt über der Verdichtet— drehzahl aufgetragen ist.

Das Diagramm zeigt, daß der Punkt A auf der Linie B der minimale Zwischenraum ist und daß jeder Punkt darunter zu einer Berührung zwischen der Turbine und der Dichtung führen wird. Offenbar ist das der Punkt größten Wachstums aufgrund von Zentrifugal— und Wärmekräften und ergibt sich bei dem Start des Flugzeugs in Meeresnöhe. Somit wird das Triebwerk so ausgelegt, daß der minimale Zwischenraum beim Start auftritt. Ohne Durchführung einer Kühlung werden sich die Teile in einer durch die Linie B dargestellten Weise zusammenziehen, so daß der Spalt größer wird, wenn die Triebwerks— Umgebung weniger aggressiv wird. Die Kurve C zeigt den Spalt, wenn eine Kühlung erfolgt.

Da die Linie C zu einem Schließen des Spalts und zum Schleifen der Turbine an der Dichtung führt, wenn sich das Triebwerk dem Startbetriebszustand in Meereshöhe nähert, muß das Triebwerk so ausgelegt werden, daß das nicht passiert. Bei unterschiedloser

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Kühlung, wie beschrieben, müßte die Linie C aufwärts verschoben werden, so daß sie durch den Punkt A in dem aggressivsten Betriebszustand hindurchgeht. Wenn das gemacht wird, ergibt sich bei dem Betrieb des Triebwerkes im wesentlichen ein größerer Spalt bei den weniger aggressiven Triebwerksbetriebszuständen.

Die Erfinder haben festgestellt, daß das oben angegebene Problem vermieden werden kann und die Turbinenluftverluste minimiert werden können, indem die thermische Steuerung optimiert wird. Das erfolgt durch Ein- und Ausschalten des Kühlluft— Stroms bei einem gewissen Triebwerksbetriebszustand unterhalb des Startbetriebes. Vorzugsweise ist ein maximaler Reiseflug der beste Punkt zum Einschalten der Kühlluft. Die Ergebnisse dieses Prinzips werden anhand des Diagramms von Fig. 2 sichtbar. Wie erwähnt, ist der minimale Zwischenraum für den Startzustand ausgelegt, wie durch den Punkt A auf der Kurve B dargestellt. Der Zwischenraum wird längs der Kurve B zunehmen, wenn die Triebwerksleistung verringert wird. Wenn im wesentlichen bei maximalem Reiseflug der Kühlluftstrom eingeschaltet wird, ergibt sich eine Schrumpfung des Trieb— werksgehäuses, was durch die Kurve D dargestellt ist. Wenn eine volle Kühlung erreicht ist, führt eine weitere Verringerung der Triebwerksleistung zu einer weiteren Zusammenziehung der Turbine (aufgrund von geringerem Wärme— und, Zentrifugalwachstum),wodurch der Spalt vergrößert wird, wie durch die Kurve C dargestellt..

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Die Ein/Aus-Steuerung ist unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit der Bauteile erwünscht. In Anlagen, in welchen eine größere Ausgefeiltheit und Komplexität zugelassen werden können, kann die Steuerung eine modulierende Steuerung sein, so daß der Luftstrom zwischen Voll-Ein und Aus beeinflußt werden kann, um eine diskrete thermische Steuerung zu erzielen, die zu einem Wachstumsprofil führt, das einen im wesentlichen konstanten Zwischenraum ergibt, wie durch die gestrichelte Linie E dargestellt.

Die Erfindung benutzt einen zuverlässigen Parameter, der die Steuerung eines Ein/Aus-Absperrorgans bewirkt. Die Erfinder haben festgestellt,daß eine Messung der Verdichterdrehzahl ein solcher Parameter ist und, da er typischerweise durch vorhandene Kraftstoff regler gemessen wird, ist er mit geringer Modifizierung derselben - falls überhaupt eine erforderlich ist — zugänglich. Es ist klar, daß auch andere Parameter für den gleichen Zweck benutzt werden könnten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Einrichtung zur Steuerung des Spalts zwischen der Spitze der Turbine und der umgebenden Dichtung zu schaffen.

Die Erfindung schafft eine Einrichtung zur Steuerung des Luftstroms zu dem Triebwerksgehäuse in Abhängigkeit von dem Triebwerksbetrieb.

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Weiter schafft die Erfindung eine Einrichtung zur äußeren Kühlung des äußeren Gehäuses, um das thermische Wachstum zu steuern und um die Kühleinrichtung zu steuern, so daß die das Wachstum über dem Triebwerksbetrieb darstellende Kurve während des Flugzeugbetriebes zwischen Start und Teilreiseflug verschoben wird, wobei in einer Ausführungsform die Steuerung eine Funktion der Verdichterdrehzahl ist.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht

die Erfindung in Verbindung mit einem Zweikreis-TL-Triebwerk ,

Fig. 2 in einem Diagramm den Spalt

in Abhängigkeit von der Flugzeugleistung, die als eine Funktion der Verdichterdrehzahl aufgefaßt werden kann,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer be

vorzugten Ausführungsform, und

Fig. 4 eine Teilansicht eines Zweikreis-TL-

Triebwerks, die Einzelheiten der Erfindung zeigt.

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Das in Fig. 1 schematisch dar-gestellte Zweikreis-TL-Triebwerk, das in seiner Gesamtheit mit der Bezugszahl 10 bezeichnet und ein Axial-TL-Triebwerk ist, enthält einen Verdichterabschnitt, einen Brennerabschnitt und einen Turbinen— abschnitt (nicht dargestellt), die in einem Triebwerksgehäuse 9 angebracht sind, und einen Mantelstromkanal 12, der das Gebläse (nicht dargestellt) umgibt. Ein geeignetes Zweikreis— TL-Triebwerk wäre beispielsweise das von der Fa. Pratt & Whitney, einer Tochterfirma der Anmelderin, hergestellte Triebwerk JT-9D, auf das bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.·

Das typische Triebwerk hat einen Kraftstoff regler 14, der auf überwachte Parameter anspricht, wie etwa einen Gashebel 16 und die Verdichterdrehzahl, wie durch eine Linie 18 dargestellt, und in seinem Rechnerabschnitt diese Parameter verarbeitet, so daß die erforderliche Kraftstoffmenge für eine optimale Triebwerksleistung geliefert wird. Demgemäß wird Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 20 durch eine Pumpe 22 unter Druck gesetzt und dem Brennerabschnitt über eine Leitung 24 zugemessen. Ein geeigneter Kraftstoff regler ist beispielsweise der Regler JFC-60, der von der Fa. Hamilton Standard, einer Tochterfirma der Anmelderin, hergestellt wird und in der US-PS 2 822 666 beschrieben ist.

Es genügt anzugeben, daß mit der Darstellung eines Kraftstoffreglers bezweckt wird, die Tatsache auszudrücken, daß er bereits

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die Verdichterdrehzahl abfühlt, welche ein geeigneter Parameter für die Verwendung in dieser Ausführungsform ist. Es ei— fordert somit nur eine geringe Modifizierung, falls überhaupt eine, um diesen Parameter zu benutzen, wie die folgende Beschreibung zeigen wird. Wie oben erwähnt, wird gemäß der Erfindung Kühlluft zu dem Triebwerksgehäuse in dem heißen Turbinenabschnitt geleitet und diese Kühlluft wird in Abhängigkeit von einem geeigneten Parameter ein— und ausgeschaltet. Zu diesem Zweck leitet das Rohr 30, welches einen trichterförmigen Einlaß 32 hat, der sich auf einer Seite in den ringförmigen Gebläsekanal 12 erstreckt, einen statischen, unter Druck stehenden Luftstrom zu dem Verteilerabschnitt 34, der mit mehreren in gegenseitigem axialem Abstand angeordneten konzentrischen Rohren oder Sprühleitungen 36 in Verbindung steht, die das Triebwerksgehause ganz oder teilweise umschließen. Jedes Rohr hat mehrere Öffnungen, durch die Kühlluft auf das Triebwerksgehäuse gespritzt wird.

Die vorstehenden Darlegungen zeigen, daß die aus dem Gebläsekanal entnommene und auf das Triebwerksgehause auftreffende Luft zum Verringern seiner Temperatur dient* Da die äußere Luftdichtung an dem Gehäuse befestigt ist, wird durch eine Verringerung des thermischen Wachstums des Gehäuses die äußere Luftdichtung effektiv zum Schrumpfen gebracht und der Luftdichtungsspalt reduziert. Bei der typischen Konstruktion der äußeren Luftdichtung sind die Dichtungselemente'auf dem Umfang der Turbine in Segmente unterteilt und die Kraft, die durch

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das Gehäuse aufgrund der niedrigeren Temperatur ausgeübt wird, verringert konzentrisch den Dichtungsdurchmesser. Offenbar ist die Größe der Luftspaltverringerung durch- die Menge der auf das Triebwerksgehäuse auftreffenden Luft gegeben.

Es würde keine Verbesserung mit sich bringen, wenn während des gesamten Flugzeugbetriebes oder Leistungsbereiches des Pumpens lediglich Luft auf das Triebwerksgehäuse gesprüht würde. Der Zweck der Kühleinrichtung ist es, den Spalt bei Reiseflug oder unterhalb der Maximalleistung zu verringern. Die Verringerung des Spalts bei Reiseflug wird erreicht, indem die normale Differenz von thermischem Wachstum des Triebwerksgehäuses zu thermischem Wachstum des Läufers bei Reiseflug relativ zum Start (Maximalleistung) verringert wird. Das ist wieder in Fig. 2 dargestellt, die die Verschiebung von der Kurve B zur Kurve C oder E längs der Linie D zeigt. Die Erzielung der Spaltverringerung bei Reiseflug erfolgt somit durch Einschalten des Luftstroms an diesem Betriebspunkt. Wenn der Strom beeinflußt wird, so daß größere Ströme eingeleitet werden, wenn die Leistung abnimmt, ergibt sich ein Spalt, der im wesentlichen konstant ist, wie durch die gestrichelte Linie E dargestellt. Wenn die Steuerung eine Ein/Aus-Steuerung ist, ergibt sich der durch die Kurve C dargestellte Spalt. Die Ein/Aus- oder modulierende Steuerung der Kühlluft kann zwar in Abhängigkeit von dem Spalt zwischen der äußeren Luftdichtung und der Spitze der Turbine arbeiten, eine solche

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Steuerung würde jedoch äußerst aufwendig sein und eine Komplexität hervorrufen.

Gemäß der Erfindung wird ein zuverlässiger Parameter benutzt, der den Leistungswert oder den Flugzeugbetriebszustand angibt, bei welchem die Kühleinrichtung ein- und ausgeschaltet werden sollte. Die Auswahl des unter dieses Kriterium fallenden Parameters hängt von der Verfügbarkeit, der Komplexität, der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit desselben ab. Der Punkt, an welchem die Steuerung ein- und ausgeschaltet wird, hängt offenbar von der Anlage und von dem Einsatz des Flugzeuges ab. Ein solcher Parameter, der diesem Zweck dient, ist die Triebwerksdrehzahl (entweder die des ND-Verdicht ers oder die des HD-Verdichters in einem Zweikreistriebwerk) oder die Temperatur längs irgendeiner der Triebwerksstationen, d.h. vom Verdichtereinlaß zur Auslaßdüse.

Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 1 wird die Istdrehzahl durch den Kraftstoffregler festgestellt und ein Drehzahlsignal, das an einem oder unterhalb eines Bezugsdreh— zahlwertes liegt, der in einem Summierungsknotenpunkt 40 festgestellt wird, veranlaßt einen Stellantrieb 42, ein Absperrorgan 44 zu öffnen. Ein barometrischer Schalter 46, der auf das Barometer 48 anspricht, wird das System unterhalb einer vorbestimmten Höhe abschalten. Dadurch wird verhindert, daß das System am Boden während des Betriebes mit geringer Leistung eingeschaltet wird, wenn es nicht benötigt wird und begreiflicherweise eine gegenseitige Berührung zwischen der Läuferspitze

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und der äußeren Luftdichtung verursachen könnte, wenn das Triebwerk auf Meereshöheleistung beschleunigt wird.

Fig. 3 zeigt die Einzelheiten <Jer Sprühröhren und ihre Verbindung mit dem Gebläseauslaßkanal. Zur Erleichterung des Zusammenbaus ist ein flexibler Balg 48 zwischen dem trichterförmigen Einlaß 32 und dem Absperrorgan 44 angeordnet, welches in geeigneter Weise an dem Rohr 30 mittels Befestigungsflanschen befestigt ist. Die Sprühröhren sind jeweils mit dem Verteiler verbunden und jeweils in einem bestimmten gegenseitigen axialen Abstand angeordnet.

Gemäß Fig. 4 paßt jede Sprühröhre 36 zwischen Flansche 50, die von dem Triebwerksgehäuse ausgehen. Bei Düsentrieb— Werkskonstruktionen ist die in Segmente unterteilte äußere Luft— dichtung 52 neben der Spitze der Turbinenlaufschaufeln mittels geeigneter Tragringe 58, die mit einem von dem Triebwerks— gehäuse vorstehenden Arm 60 verschraubt sind, und durch das Halteteil 62 gehaltert, das mit der feststehenden Leitschaufel verschraubt ist. Jede Dichtung ist in gleicher Weise gehaltert und der Einfachheit halber wird eine Beschreibung jeder Dichtung hier weggelassen. Offenbar hängt die Anzahl der Dichtungen von dem besonderen Triebwerk ab und die Anzahl der Sprühröhren wird der besonderen Triebwerkskonstruktion und dem besonderen Einsatz des Flugzeuges entsprechen. Es wird vor allem bezweckt, den Spalt X auf einem in Fig. 2 dargestellten Wert zu halten.

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Zu diesem Zweck sind die Öffnungen in jeder Sprühröhre 36 so angeordnet, daß die Luft auf die Seitenwände 70 der Flansche 50 auftrifft. Das Besprühen des Gehäuses 10 an jeder anderen Stelle würde nicht die erforderlichen Schrumpfungen erzeugen, die bewirken, daß der Spalt 54 seinen Sollwert behält.

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Claims

Patentansprüche:

Turbinentriebwerk, mit einem Triebwerksgehäuse und einem darin drehbar gelagerten Turbinenabschnitt sowie mit einer Dichtungsanordnung an der Spitze der Turbine, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Steuern des Spalts zwischen der Spitze der Turbine und der Dichtungsanordnung, wobei diese Einrichtung Vorrichtungen enthält zum Sprühen von Kühlluft auf das Triebwerksgehäuse, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Kühl luftsp rühvor richtung.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühvorrichtung außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Haltern der Dichtungsanordnung an dem Gehäuse.
4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auf einen Triebwerksbetriebsparameter anspricht.
5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf die Höhe anspricht und die Spaltsteuereinrichtung unterhalb einer vorbestimmten Höhe außer Betrieb setzt.

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6. Triebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Triebwerksbetriebsparameter die Verdichterdrehzahl ist.
7. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Verteilerrohr, das mit der Kühlluftquelle verbunden ist und Kühlluft in die Nähe der Luftdichtung leitet, und durch ein Absperrorgan in dem Verteilerrohr, das die Strömung in diesem reguliert und durch die Steuereinrichtung gesteuert wird.
8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung für das Absperrorgan eine Ein/Aus—Steuerung vornimmt.
9. Triebwerk nach Anspruch 7, mit einem Gebläseauslaßkanal, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerrohr mit dem Gebläseauslaßkanal verbunden ist.
10. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerksgehäuse in gegenseitigem axialem Abstand angeordnete Flansche hat und daß wenigstens ein Rohr umfangsmäßig um das Triebwerksgehäuse herum neben den Flanschen angeordnet ist, wodurch die Kühlluft auf die Seitenwand der Flansche geleitet wird, und daß die Flansche ausreichend gegliedert sind, so daß die Kühlwirkung das Triebwerksgehäuse zum Schrumpfen bringt und der Durchmesser der Luftdichtung und der Spalt zwischen der Turbinenspitze und

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der Luftdichtung verringert werden,
11. Triebwerk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mit dem Verteilerrohr einen Einlaß aufweist, der in dem Gebläseauslaßkanal angebracht und quer zu der Strömung der Gebläseluft angeordnet ist.
12. Triebwerk nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen flexiblen Balg , der in d&r Verbindung angeordnet ist.

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