DE2737622C2

DE2737622C2 - Turbinenmantel

Info

Publication number: DE2737622C2
Application number: DE2737622A
Authority: DE
Inventors: Robert James Cincinnati Ohio Corsmeier; Ambrose Andreas Wyoming Ohio Hauser; Martin Carl Hemsworth
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-11-22
Filing date: 1977-08-20
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE2737622A1; CA1083970A; US4087199A; IT1083915B; FR2371575B1; JPS5365516A; FR2371575A1; GB1574981A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenmantel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiger Turbinenmantel ist aus der CH-PS 3 73 063 bekannt.

Die in Gasturbinentriebwerken erzeugte Wärme stellt eine Herausforderung für Gasturbinentriebwerkskonstrukteure dar. Dieses Problem ist besonders gravierend bei denjenigen Turbinenteilen eines Triebwerkes, die den hohen Temperaturen stromaufwärts des Brenners ausgesetzt sind Beispielsweise sind die den Kcißgas-Strömungskanal einer Turbine umgebenden Bauteile den Verbrennungsprodukten ausgesetzt, so daß es bei Brennertemperaturen von mehr als 1090⁰C zunehmend schwieriger wird, diese Bauteile so auszugestalten, daß sie solchen Umgebungseinflüssen widerstehen können. Das Problem liegt insbesondere bei Gasturbinentriebwerken für Flugzeuge vor, wo ein geringes Gewicht eine wesentliche Konstruktionsbedeutung hat.

Um das Problem zwnindest teilweise zu lindern, wurden grundsätzlich zwei Lösungen in Betracht gezogen. Einerseits wurden verschiedene Verfahren einer Fluidkühlung des Turbinenmantels angewendet. Solche Verfahren werden allgemein als Konvektions-Prall- und Filmkühlung bezeichnet. Diese Verfahren sind beispielsweise aus der US-PS 38 00 864 bekannt. Alle diese Verfahren neigen zu einem Reduzieren der Spitzenwerte der Metalltemperaturen und der Temperaturgradienten durch die Verwendung eines Kühlfluiu (üblicherweise Luft), wodurch eine Verwendung höherer Turbineneinlaßtemperaturen möglich ist. Wenn die Brennertemperaturen ansteigen, steigt auch die zum Aufrechterhalten zulässiger Metalltemperaturen erforderliche Kühlluftmenge. Da Kühlluft solche Luft ist, die sonst zur Schuberzeugung ausgenutzt werden kann, und da das Abziehen der Luft für Kühlzwecke die Gesamtleistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad des Triebwerks ungünstig beeinflußt, ist es erwünscht, den Kühlmittelstrom so klein wie möglich zu halten.

Die zweite Lösung zum Erzielen einer hohen Turbinenbetriebstemperatur besteht in der Schaffung eines Materials, das die hohen Temperaturen mit geringer oder ohne Fluidkühlung aushalten kann. Ein Materialtyp, der solche Temperaturen aushalten kann, ist Keramik. Moderne warmgepreßte Keramik, wie Siliziumkarbid und Siliziumnitrid, besitzt bei erhöhten Temperaturen eine sehr große Festigkeit. So ist bei der Strömungsmaschinen-Spaltdichtung gemäß der eingangs genannten CH-PS 37 30 063 in einer Ringnut des Gehäuses der Gasturbine ein Schleifwerkstoff mit Elektrokorundkörnern angeordnet, die in keramischer Bindemasse eingebettet sind. Dieser Schleifwerkstoff soll Temperaturen von etwa 800°C aushalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Turbinenrnantel der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß radial außen der umlaufenden Turbinenschaufcln Materialien angeordnet sind, die sehr hohen Temperaturen standhalten und die durch unterschiedliche ihcr-

mische Expansionskoeffizienten hervorgerufene Bewegungen aufnehmen können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Hochtemperaturfestigkeit der keramischen Blöcke wenig oder keine Kühlluft erforderlich macht, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine verbessert wird. Außerdem sind diese Materialien relativ billig und haben ein vergleichsweise geringes Gewicht. Zwar haben keramische Materialien eine recht geringe Duktilität und sind deshalb brächig, aber die Aufhängung der keramischen Blöcke gemäß der Erfindung sorgt für eine sichere Halterung in der die thermischen Ausgleichsbewegungen aufgenommen werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 im Querschnitt einen Teil eines Gasiarbinentriebwerkes mit einem Turbinenmantel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht längs der Linie2-2inFig. 1,

F i g. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht längs der Linie 3—3 in Fig.2, wobei Dichtungen zwischen angrenzenden Mantelblöcken dargestellt sind,

F i g. 4 einen vergrößerten Teil des Turbinenmantels gemäß F i g. 1, wobei die Mittel zum Halten der keramischen Mantelblöcke genauer dargestellt sind,

Fig.5 ein anderes Ausführungsbeispiel des Turbinenmantels und

Fig.6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Turbinenmantels.

In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Stützrahmen 12 gezeigt. Das Triebwerk enthält eine Brennkammer 13 im Bereich 14, wobei unmittelbar stromabwärts eine ringförmige Reihe von stationären Turbineneinlaß-Leitschaufeln 16 folgt, (aus Klarheitsgründen ist nur eine derselben dargestellt), die von entsprechenden inneren und äußeren Düsenbändern 18 und 20 getragen werden. Stromabwärts von den Leitschaufeln 16 befindet sich eine erste Reihe von Laufschaufeln 22 (wiederum ist nur eine derselben dargestellt), wobei jede dieser Schaufeln einen Flügelabschnitt 24 und eine sich quer erstreckende Plattform 26 am Umfang eines umlaufenden Turbinenrades 28 aufweist. Die Schaufeln 22 sind von einem Turbinenmantel 30 umgeben. Eine zweite Reihe von Leitschaufeln 32 (von denen nur eine dargestellt ist) befindet sich stromabwärts von den Laufschaufeln 22 und wird zwischen inneren und äußeren Strömungsbegrenzungsbändern 34, 36 getragen. Ein ringförmiger Heißgaskanal 38 ist somit von den Bändern 18,34 sowie der Plattform 26 an der Innenseite und Bändern 20,36 sowie dem Turbinenmantel 30 an der Außenseite begrenzt. Bekanntlich ist jedes dieser den Heißgaskanal 38 begrenzenden Bauteile der intensiven Hitze unterworfen, die mit den aus dem Brenner 13 austretenden Verbrennungsprodukten verbunden ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines Turbinenmantels ist in den Figuren 1 bis 4 dargestellt. Dort weist der Turbinenmantel 30 mehrere keramische Blöcke 40 auf, die eine allgemein rechtwinklige bzw. rechteckige ebene Form haben, sowie in einem Ring ..'ngeordnet sind und wobei jeder Block mit einer gewölbten inneren Oberfläche 42 versehen ist die teilweise den Heißgas-Stromungskanai 38 begrenzt. Moderne warmgepreßte Keramik, wie Siliziumkarbid und Siliziumnitrid, sind beispielsweise geeignete Materialien, jeder Block ist dick (in der radialen Richtung) für eine volle Schlag- bzw. Stoßbelastbarkeit von Keramiken, wobei die Hauptquellen für eine Stoßbzw. Schlagbeschädigung in dem Heißgasstrom mitgerissene Trümmer und ein Reiben der Spitzen der Laufschaufeln 22 an dem Mantel während eines Übergangsbetriebes der Turbine sind. Die Dicke und das Volumen eines jeden Blockes sollten so groß wie möglich sein, wobei der thermische Belastungsgradient, das Gewicht das verfügbare Spiel und Implikationen des Weilbull-Parameters berücksichtigt werden müssen, der in bekannter Weise einen Zusammenhang zu der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Risses in dem keramischen Material hat. Die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ränder eines jeden Blockes sind so gestaltet bzw. gefonpt daß zwei Schwalbenschwanzoberflächen 44 und 46 gebildet werden die unter fx-em spitzen Winke! zur inneren gewölbten Oberfläche *2 angeordnet sind. Die verbleibenden seitlichen Ränder eines jeden Blocks sind mit zwei halbrunden Vertiefungen bzw. Nuten 48 versehen, wobei die aufeinander zu weisenden Nuten vcn in Umfangsrichtung benachbarten Blöcken zusammenarbeiten, um axiale Hohlräume 50 (s. F i g. 2 und 3) zu bilden. In diesen Hohlräumen 50 eingebaute metallische oder keramische Dichtungen 52 verringern eine Gasleckage zwischen den Blöcken 40 in radialer Richtung.

Der Turbinenmantel 30 bildet auch eine Abstützung für die Blöcke durch zwei mit axialem Abstand angeordnete Halteteile bzw. Ringglieder 54 und 56, die durch einen Ring von Schrauben 58 miteinander verbunden sind, um ein Gebilde mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt zu bilden. Das stromabwänige Stützglied 56 weist mehrere sich radial nach innen erstreckende flexible Finger 60 auf, wobei einer oder mehrere Finger einem jeden keramischen Block zugeordnet sind und an dessen Schwalbenschwanzoberfläche 46 angreifcii (s. F i g. 2 und 4). Eine dem Ringglied 54 zugeordneie, sich radial nach innen erstreckende, ringähnliche Verlängerung 66 ist relativ fester als die Finger 60 und greift an der Schwalbenschwanzoberflädie 44 an. Das Ringglied 56 ist seinerseits mit dem Stützrahmen 12 über einen allgemein konischen Arm 68 sowie eine Schraubverbindung 70 verbunden, während das Ringglied 54 mit dem mit dem konischen Arm 68 einstückigen Flansch 72 verbunden ist.

Der Abstand zwischen den Fingern 60 und der Verlängerung 66 des Ringgliedes 54 ist etwas kleiner als der axiale Abstand zwischen den Schwalbenschwanzoberflächen ?.n ihrem Eingriffspunkt im statischen Kaltzustand. Somit erfolgt während der Montage und des Festziehens der Schrauber! 58 ein leichtes Abbiege*) der in Segmente unterteilten Finger 60, wenn diese an den Blöcken längs der Schwalbenschwanzoberflächen angreifen. Diese Vorbelastung ist erforderlich, um die Blöcke einzuklemmen und zu halten, ohne daß die Notwendigkeit besteht, die Blöcke direkt an dem Stützrahmen anzuschrauben oder sie hiermit mittels Nut- und Federverbindungen zu verbinden. Die Schwalbenschwanzoberflächen bilden im Vergleich zu den Schraub- oder Nut- und Federbefestigungsmitteln eine belastungskonzentrationsarme Befestigung. Zusätzlich nehmen die vorgespannten Finger das relativ zu den metallischen Ringgliedern 54, 56 kleinere thermische Wachstum der Blöcke auf. das sich anfcrmnH Hpc nip/HrL

geren thermischen Expansionskoeffizienten von keramischen Materialien im Vergleich zu Metallen ergibt. Da jeder Block seinen bzw. seine eigenen, ihm zugeordneten Finger hat, wird ein fester Griff an jedem Block sichergestellt, obwohl die Blöcke nicht alle exakt diesel- s be Größe haben, und zwar infolge zulässiger Herstellungstoleranzen und infolge von Unterschieden in der Betriebstemperatur als ein Ergebnis von Gastemperaturveränderungen in Umfangsrichtung.

Da die vorgespannten federähnlichen Finger 60 auf abgewinkelte Schwalbenschwanzoberflächen einwirken, erzeugen sie auf die Blöcke auch eine Kraftkomponente, die die Blöcke radial nach außen zu drücken neigt. Dementsprechend sind die ringförmigen Stützglieder 54 und 56 mit Stopp- bzw. Anschlagmitteln in Form von beiderseits bzw. gegenseitig weisenden, sich axial erstreckenden Schultern 74 und 76 (s. F i g. 4) versehen, gegen die die Blöcke 40 durch die Finger 66 und die abgewinkelten Schwalbenschwanzoberflächen durch Keilwirkung gedrückt sind und die die passende radiale Position der Blöcke herstellen. Somit sorgen die Finger 60 und die Ringverlängerun^-66 des Ringgliedes 54 für ein axiales Einklemmen der Blöcke und sie stellen in Verbindung mit den Schultern 74, 76 eine passende radiale Ausrichtung der Blöcke sicher.

Wegen der extrem hohen Temperaturen, die in dem Heißgaskanal 38 auftreten können, sind Mittel zum Bilden einer thermischen Grenze vorgesehen, um große Wärmeflüsse von den keramischen Blöcken in den metallischen Rahmen zu vermeiden. Zu diesem Zweck verkleinern mehrere Zähne 78, 80, 82 und 84. die in die Finger 60, die Ringverlängerung 66 und die Schultern 74. 76 eingearbeitet sind (und die das einzige, mit den keramischen Blöcken in Berührung befindliche metallische Gebilde sind) die Berührungsfläche, durch die Warme fließen kann. Es können in einigen Anwendungsfällen auch mit Umfangsabstand angeordnete axiaie Schlitze in den Zähnen (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um eine Luftzirkulation zwischen den Blöcken 40 und den Stützgliedern 54, 56 zu ermöglichen und hierdurch die Temperatur längs der Rückseite der Blöcke wie auch die Temperatur der Abstützung zu reduzieren. Zusätzlich könnten mehrere Löcher 86 vorgesehen sein, um eine Luftzirkulation vom Raum 88 hinter den Blökken in den Hohlraum 90 zu ermöglichen, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Diese kleine Kühlluftmenge ist ausreichend, um die Finger 60 zu kühlen und ihre ständige Verformung zu vermeiden. In einem solchen Fall könnte sich der Raum 88 in bekannter Weise in Strömungsverbindung mit einem Kühlfluid (wie Kompressorabzapfluft) befinden.

Ein ringförmiger Hitzeschild 9Z der eine axiale Verlängerung der Schulter 74 aufweist, vermindert eine Wärmeübertragung durch Strahlung und Leitung zwischen den keramischen Blöcken 40 und dem Teil 94 des Stützgliedes 56, das die Basis der U-förmigen Klemmstruktur bildet Der Hitzeschild 92 wird an seinem stromabwärtigen Ende von einer Lippe 96 abgestützt, die von dem Schulterteil 76 des Stützgliedes 56 vorsteht. Ein Loch 98 ermöglicht ein Abführen von Kühlluft aus dem Raum 88 und ein Kühlen der Rückseite der Blöcke 40.

F i g. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit alternativen Möglichkeiten zum Reduzieren des Wärmeflusses von den keramischen Blöcken 40 zu der metallischen Stützstruktur. Dabei ersetzen zylindrische Oberflächen 100,1OZ 104 und 106 entsprechend die Dichtungszähne 78, 80, 82 und 84 und ermöglichen nur eine Linienberührung zwischen den metallischen und keramischen Elementen. Diese etwas vereinfachte Lösung vermeidet den kostspieligeren Bearbeitungsvorgang zur Ausbildung der Dichtungszähne. Zur Vermeidung eines Wärmeübergangs bzw. einer Wärmeübertragung ist ferner eine metallische Wärmeabschirmung 108, die der Schwalbenschwanzform der keramischen Blöcke 40 angepaßt ist, zwischen den Blöcken und den metallischen Stützgliedern 54,56 angeordnet. Diese Abschirmung 108 kann aus einem geschichteten Aufbau mit zwei Verkleidungsstreifen 110, 112 bestehen, die durch einen wabenartigen oder gewellten Kern 114 gestrennt sind, um dazwischen eine freie Kühlluftzirkulation zu ermöglichen. Eine solche Abschirmung reduziert die durch Leitung und Strahlung erfolgende Wärmeübertragung von einem Block 40 zu den metallischen Stützgliedern 54, 56. Während F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel zeigt, das zum Reduzieren einer Wärmeübertragung nur Zähne benutzt, und F i g. 5 die Verwendung von zylindrischen Oberflächen für einen solchen Zweck darstellt, ist es klar, daß die Wahl des ein«.n oder anderen Verfahrens nicht notwendigerweise ausschließlich ist und daß einige der Berührungsoberflächen in irgendeiner Weise und andere Berührungsflächen anders ausgebildet sein können. Die Wahl wird allgemein durch Hcrstellungs- und Fabrikationsbetrachtungen vorgegeben. In F i g. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt dargestellt. Hierbei unterscheidet sich die Halterung der Blöcke 40 etwas von derjenigen gemäß Fig. 1, und zwar dadurch,daß die Blöcke 40 statt der Verkeilung radial nach außen längs der Schwalbenschwanzoberflächen 44, 46 nunmehr radial nach innen verkeilt sind. Zu diesem Zweck weist ein etwas abgewandelter Turbinenaufbau 116 ein Paar ringförmige Stutzglieder 118, 120 auf, die miteinander und mit einem Rahmen weitgehend wie bei dem Ausführüügsbeispie! gemäß Fig.! verbunden sind. Statt mit federähnlichen Fingern sind jedoch die Stützglieder 118, 120 mit relativ starren, sich nach innen erstreckenden, ringförmigen Schenkeln bzw. Stegen 122,124 versehen, die zwischen sich eine Aussparung bzw. Fuge zum Aufnehmen von Blöcken 40 bilden. Von den Stegen stehen zwei zylindrische Oberflächen 126 vor, die an den Blökken 40 gleitend anliegen, wenn diese in die Aussparung eingesetzt sind.

Eine in Segmente unterteilte ringförmige Feder 128 erstreckt sich axial von dem Glied 118 und weist an der radial innenliegenden Seite zwei zylindrische Vorsprünge 130 auf, die so bemessen sind, daß sie die rückseitige Ouerfläche 132 der Blöcke 40 berühren. Die Feder 128 ist so vorbelastet bzw. vorgespannt, daß die Blöcke 40 im kalten statischen Zustand radial nach innen gedrückt werden, wobei die Schwalbenschwanzoberflächen 44, 46 gegen die zylindrischen Oberflächen 126 der Schenkel 122, 124 geklemmt werden. Auch hier ist die Vorspannung erforderlich, um eine Blockhalterung sicherzustellen und trotzdem das kleinere thermische Wachsen der Blöcke relativ zu den ringförmigen Stützgliedern 118,120 aufnehmen zu können. Funktional wirken die Oberflächen 126 als Anschläge zum Herstellen der passenden Radialposition der Blöcke 40 in dem Aufbau wie auch als Mittel zum Haken der Blöcke in dem Aufbau. Anstelle der zylindrischen Oberflächen 126, 130 zum Verringern einer Wärmeleitung könnten auch Zähne wie in Fig.! vorgesehen sein. Ferner hat die Feder 128 eine doppelte Funktion, indem sie eine Vorspannungskraft auf die Blöcke 40 zur Halterung derselben in dem Aufbau und ferner eine Wärmeabschirmung zum

Reduzieren einer Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen den Blöcken 40 und den Basisteilen 134 des Stützgliedcs 120 bildet.

Es sind noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise können vielfältige Schaufelstrukturen 5 verwendet werden. Ferner ist die Erfindung bei Abschnittrn bzw. Grenzflächen anwendbar, wo Keramik in einem im wesentlichen metallischen Gebilde gehalten werden soll und wo große Temperaturänderungen erwartet werden. IO

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

20

25

30

35

40

50

60

65

Claims

Patentansprüche:

I. Turbinenmantel mit einer einen ringförmigen Strömungskanal für heiße Gase umgebenden Innenfläche, in der ein eine Spaltdichtung bildendes, Keramik enthaltendes Material mit schwalbenschwanzförmigem Querschnitt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramischer Block ■(40) radial nach außen gegen starre Anschläge (74, 76; 126) bewegbar ist, an seinen radialen schwalbenschwanzförmigen Seiten (44, 46) gegen ringförmige Stützglieder (54,56; 122,124) anliegt und durch eine Feder (60; 128) mit einer radialen Kraftkomponente gegen die festen Anschläge (74,76; 126) gedrückt ist.

Z Turbinenmantel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere keramische Blöcke (40) in einem Ring angeordnet sind.

3. Turbinenmantel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der zwei mit axialem Abstand angeordneten Stützglieder (54,56) mehrere nach innen ragende flexible Finger (60) aufweist zum Erfassen der keramischen Blöcke (40) und daß Befestigungsmittel (58) die Stützglieder (54,56) gegenseitig verbinden und die Blöcke (40) einspannen.

4. Turbinenmantel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Anschläge (74,76) eine Schulter aufweisen, die sich axial von einem der ringförmigen Stützgiieder (54, 56) erstreckt und radial außen von den keramischen Blöcken (40) angeordnet ist.

5. Turbinenmantel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den rir^förmigen Satzgliedern (54, 56) und den keramischen Blöcken (40) thermische Abschirmungsmiiiei (92; 78, 80; 100-106; 108) angeordnet sind.

6. Turbinenmantel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Abschirmungsmittel einen ringförmigen Hitzeschild (92) aufweist, der die keramischen Blöcke (40) im wesentlichen umgibt und eine axiale Verlängerung eines der Stützglieder (54,56) bildet.

7. Turbinenmantel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Abschirmungsmittel mehrere Zähne (78, 80) aufweist, die an den die keramischen Blöcke (40) halternden Fingern (60,66) ausgebildet sind.

8. Turbinenmantel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Abschirmungsmittel eine zylindrische Oberfläche (100 bis 106) aufweist, die auf den Fingern (122, 124) eine Linienberührung zwischen dieser Oberfläche und den keramischen Blöcken (40) bildet.

9. Turbinenmantel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Blöcke (40) im Grundriß im wesentlichen rechtwinklig bzw. rechteckig sind, wobei die Schwalbenschwanzoberflächen (44,46) an ihren stromaufwärtigen und stromabwärtigen Rändern und zwei Nuten (48) an den übrigen zwei Rändern ausgebildet sind, und aufeinander zu gerichtete Nuten (48) von in Umfangsrichtung benachbarten Blöcken (40) '•'.nen Hohlraum (50) zur Aufnahme einer Dichtung (52) bilden.

10. Turbinenmantel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (50) im wesentlichen rohrförmig ist.

I1. Turbinenmantel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Blöcke (40) radial nach außen gegen die Anschläge (74, 76) gedrückt sind.

IZ Turbinenmantel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Blöcke (40) durch eine ringförmige Feder (128) radial nach innen gegen die Anschläge (126) gedrückt sind.