DE2811478A1

DE2811478A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2811478A1
Application number: DE19782811478
Authority: DE
Inventors: Henry Tubbs
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1977-03-17
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1978-09-21
Also published as: IT1093366B; JPS53131313A; DE2811478C3; IT7821288A0; FR2384111B1; US4199300A; JPS5613162B2; DE2811478B2; FR2384111A1; GB1548836A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

j Dipl.-lng. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

2811478 Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 16. Mär ζ I978

Unser Zeichen: Iß

Anmelder: Rolls-Royce Limited

Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnung: Gasturbinentriebwerk

809838/0931

•5' 281Η78

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere auf die Turbine eines solchen Triebwerks.

Die Turbine eines solchen Gasturbinentriebwerks besitzt gewöhnlich aufeinanderfolgend Rotorstufen und Statorstufen, bestehend aus ringförmigen Anordnungen stromlinienförmiger Schaufeln. Auf diese Schaufeln wirken die heißen Gase ein, die aus der Brennkammer oder den Brennkammern des Triebwerkes austreten. Die Rotorstufen solcher Turbinen arbeiten unter sehr hohen Temperaturen mit hohen Drehzahlen, so daß die stromlinienförmigen Abschnitte der Schaufeln großen Zugbelastungen unterworfen sind. Es werden Messungen vorgenommen um zu gewährleisten, daß diese sich drehenden Schaufeln nicht unter dieser Last brechen, aber unglücklicherweise tritt doch zuweilen ein solcher Bruch auf. Wenn ein solcher Bruch dazu führt, daß eine Schaufel oder ein Schaufelteil abgeschleudert wird, dann wandert ein solcher abgeschleuderter Teil häufig geschwind durch die restlichen Turbinenstufen und führt auf diesem Wege zu einer beträchtlichen Beschädigung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbine für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei der die Möglichkeit des Auftretens derart schwerer folgender Schäden verhindert ist.

Die Erfindung geht aus von einer Turbine für ein Gasturbinentriebwerk, die mit einer Rotorstufe ausgestattet ist, welche eine ringförmige Anordnung von stromlinienförmigen Schaufeln besitzt, wobei ein Schaufelring koaxial zu der Rotorstufe um diese herum angeordnet ist. Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Schaufelring hohl ausgebildet und mit einer den Schaufelspitzen benachbarten Wand ausgestattet ist* die von einer abgeschleuderten Schaufel oder einem Schaufelteil

809838/0931

durchdrungen werden kann, und daß der Schaufelring so dimensioniert ist, daß jede abgeschleuderte Schaufel oder jeder abgeschleuderte Schaufelteil, der die Wand durchschlägt, in das hohle Innere des Schaufelrings eintritt und dort zurückgehalten wird.

Diese Wand des Schaufelrings kann sich etwas weiter stromab erstrecken als die stromlinienförmig gestalteten Schaufeln.

Der Schaufelring kann die Form eines Wärmerohres haben.

Unter dem Begriff "Wärmerohr" soll eine Wärmeübertragungsvorrichtung verstanden werden, die aus einem abgedichteten Behälter besteht, der sowohl einen kondensierbaren Dampf und Kapillarmittel enthält, die den Transport des kondensierten Dampfes aus einem kühleren Bereich des Behälters nach heißeren Flächen bewirken, wobei der kondensierbare Dampf von den heißeren Stellen nach den kühleren Stellen durch den Dampfdruckgradienten zwischen den beiden Orten überführt wird und wobei der Dampf an der kühleren Stelle kondensiert.

Die Bewegung des Dampfes von dem heißeren Bereich nach dem kühleren Bereich, die auf diese Weise erfolgt, hat einen Druckverlust zur Folge, der eine Folge von a) Reibung und b) einer unvollkommenen dynamischen Druckwiedergewinnung im kühleren Bereich ist. Die Änderung des Dampfdruckes bei Temperaturen von Substanzen wie Wasser, Ammoniak, Quecksilber, Caesium, Natrium, Kalium, Lithium und Blei ist derart, daß eine Temperaturänderung von nur 1 oder 2⁰C eine sehr große Änderung des Dampfdruckes zur Folge hat. Infolgedessen sind die Temperaturdifferenzen, die über der Länge des Wärmerohres auftreten, so klein daß das Wärmerohr im wesentlichen isotherm verbleibt. Ih der Praxis ist die wirksame thermische Leitfähigkeit eines Wärmerohres etwa 500 mal größer als die einer massiven Kupferstange

809838/0931 ./.

281U78

von der gleichen Masse. Die Prinzipien eines solchen Wärmerohres sind im einzelnen in folgender Literaturstelle erläutert: "Structures of Very High Thermal Conductance", Grover, Cotter and Erickson, Journal of Applied Physics Vol. 35, 1990 (Juni 1964).

Der kondensierbare Dampf innerhalb des Schaufelrings ist vorzugsweise Natrium.

Der Grund der Wahl von Natrium besteht darin:

a) Er besitzt eine hohe Oberflächenspannung, wodurch ein zufriedenstellender Kapillarvorgang erzeugt wird.

b) Er besitzt eine gute Benetzungscharakteristik in Verbindung mit der Kapillarvorrichtung, und zwar wiederum infolge der hohen Oberflächenspannung.

c) Natrium besitzt eine niedrige Viskosität, wodurch die Pumpwirkung des flüssigen Natriums längs der Kapillaren unterstützt wird.

d) Es ist eine hohe latente Verdampfungswärme vorhanden, die die Wärmeübertragung unterstützt.

e) Es ist eine hohe thermische Leitfähigkeit vorhanden, welche die Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Natrium, der stationären Wand und den Kapillaren unterstützt.

f) Erstarrungspunkt und Kochpunkt sind den Temperaturbereichen angepaßt, denen die Turbine eines Gasturbinentriebwerks mit Wahrscheinlichkeit ausgesetzt sind.

80 9838/0931 ./«

·«· 281U78

g) Es ist eine hohe Dichte vorhanden, wodurch der Strömungswiderstand verringert wird.

h) Es ist eine chemische Stabilität vorhanden.

Die Kapillaranordnung innerhalb des Schaufelrings besteht vorzugsweise aus einem Gewebe aus rostfreiem Stahl.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer nach der Erfindung ausgebildeten Gasturbine;

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teilschnitt des Triebwerks nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Turbinenteils nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 mit einem Kompressor 11, einer Verbrennungseinrichtung 12 und einer Turbine 13. Das Gasturbinenstrahltriebwerk 10 arbeitet in der üblichen Weise, d.h. es wird durch den Kompressor 11 komprimierte Luft mit Brennstoff vermischt und in der Verbrennungseinrichtung 12 verbrannt. Die hieraus resultierenden heißen Gase,dehnen sich in der Turbine 13 nach der Atmosphäre hin aus und dadurch wird die Turbine 13 angetrieben, die ihrerseits den Kompressor 11 über eine nicht dargestellte Hauptwelle antreibt.,

Die Turbine 13 weist hintereinander abwechselnd Rotorstufen

809838/0931

281Η78

und Statorstufen mit ringförmig angeordneten stromlinienförmigen Schaufeln auf. Ein Teil einer solchen Rotorstufe 14 ist in Fig. 1 ersichtlich und diese Rotorstufe weist eine Turbinenseheibe 15 auf, von der nur der Umfangsabschnitt sichtbar ist und die eine ringförmige Anordnung von stromlinienförmigen Schaufeln 16 trägt. In diesem Falle ist jede der Schaufeln 16 mit einem Tannenbaumfuß 17 versehen, der in entsprechende Ausnehmungen am Umfang der Scheibe 15 eingreift. Dies stellt jedoch nur eine mögliche Befestigung der Schaufeln an der Scheibe dar und es können auch andere Verfahren zur Befestigung benutzt werden, z.B. eine Befestigung mittels Stiften oder dgl.

Die heißen, aus der Verbrennungseinrichtung 12 abströmenden Gase fließen in der durch den Pfeil 18 gekennzeichneten Richtung über die Stromlinienoberflächen 19 der Schaufeln 16 ab. Um zu gewährleisten, daß der größte Teil der Heißgase über diese Stromlinienoberfläche abströmt, sind sie in einem Ringkanal angeordnet, der durch Plattformen 20 an jeder Schaufel 16 am Schaufelfuß und durch einen Schaufelring 21 definiert wird. Die Plattformen 20 benachbarter Schaufeln 16 stoßen aneinander und bilden so eine im wesentlichen ununterbrochene Oberfläche und der Schaufelring 21 ist mittels eines Verbindungsringes 22 am Gehäuse (in Fig. 2 nicht dargestellt) der Turbine 13 festgelegt.

Der Schaufelring 21 hat einen etwa quadratischen Querschnitt und ist hohl ausgebildet. Die Wand 22 des Schaufelringes, die den Spitzen der Schaufeln 16 benachbart liegt, hat eine solche Dicke, daß sie in der Lage ist, von einer Schaufel 16 oder einem Schaufelteil durchdrungen zu werden, die von der Rotorstufe 14 abgeschleudert wurden«, Der Schaufelring 21 ist so dimensioniert, daß dann wenn eine Schaufel 16 oder ein Schaufelteil die Wand 22 durchdringt, dieser Teil in das Innere 23

809838/0931 ./.

- ff -

des Schaufelrings gelangt und darin zurückgehalten wird. Die Schaufelringwandung 24, die radial außerhalb der Wand 22 liegt, hat eine genügende Dicke, eine solche Schaufel oder einen Schaufelabschnitt aufzufangen. Infolgedessen tritt eine abgeschleuderte Schaufel oder ein Teil hiervon in den Schaufelring 21 ein und wird darin aufgefangen, wodurch eine Beschädigung der übrigen stromabwärts gelegenen Abschnitte der Turbine 13 verhindert wird.

Wenn eine Schaufel 16 oder ein Teil hiervon abgeschlagen wird, dann kann sie sich ein wenig stromab bewegen, bevor sie mit dem Schaufelring 21 in Berührung gelangt. Um diese Bewegung zu kompensieren und zu gewährleisten, daß die abgeschleuderte Schaufel 16 oder der Teil auch in das Innere des Schaufelrings 23 eindringt, erstreckt sich der Schaufelring 21 etwas über das stromabwärtige Ende der Schaufeln nach hinten.

Die Innenwände des Schaufelrings 21 besitzen eine Schicht aus einem Gewebe aus rostfreiem Stahl,das durch Punktschweißung befestigt ist. Das Innere 23 des Schaufelrings 21 ist evakuiert und enthält eine geringe Menge Natrium. Der Schaufelring arbeitet daher in Form eines Wärmerohres, welches in der vorbeschriebenen Weise wirken kann.

Da der Schaufelring 21 die Gestalt eines Wärmerohres besitzt, verbleibt er im Betrieb des Triebwerks im wesentlichen auf gleicher Temperatur. Obgleich ein thermischer Gradient über der Schaufelringwandung 22 als Folge der Arbeit auftritt, die aus den heißen Gasen abgezogen wird, die die Schaufeln 16 durchlaufen, wird infolgedessen durch die isothermischen Eigenschaften des Schaufelrings 21 dieser Gradient vermindert. Bisher hatte die Benutzung massiver oder luftgekühlter Schaufelringe zur Folge, daß der Spitzenspielraum der Schaufeln 16

809838/0931 ·/·

.44- 281H78

genügend groß gemacht werden mußte, um die Verzerrung des Sehaufelringes in Rechnung zu stellen, die als Folge des thermischen Gradienten über dem Schaufelring auftritt. Durch Benutzung eines Schaufelrings 21 in Form eines Wärmerohres wird eine Verzerrung als Folge der isothermischen Eigenschaften beträchtlich vermindert. Infolgedessen wird ein geringeres Spitzenspiel möglich, wodurch der Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert wird.

Es ist klar, daß dann wenn die Schaufelringwand 22 von einer abgeschleuderten Schaufel 16 oder einem Schaufelabschnitt durchdrungen wird, nicht langer als Wärmerohr fungieren kann. Dies hat jedoch keine große Bedeutung, da nach Abschleudern einer Schaufel das Triebwerk aus Sicherheitsgründen im allgemeinen abgeschaltet wird, um eine weitere Beschädigung zu verhindern.

In gewissen Fällen kann es erwünscht sein, das Innere 33 des Schaufelrings in eine Reihe einzelner Wärmerohre 25 zu unterteilen, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Diese einzelnen Wärmerohre 25 wirken auch als Aufnahmebehälter für abgeschleuderte Schaufeln 16 oder Schaufelabschnitte, und sie gewährleisten darüber hinaus, daß eine gleichförmige Verteilung kondensierbaren Dampfes unter Bedingungen hoher Beschleunigung aufrechterhalten wird.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Schaufelring 21 erläutert, der die Form eines Wärmerohres besitzt. Es ist jedoch klar, daß ein Schaufelring der nicht die Gestalt eines Wärmerohres hat, ebenso in der Lage sein kann, wirksam eine Schaufel aufzufangen.

809&38/Q931

Le

e r s e ι t e

Claims

Patsntanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. 6ünther Koch

2811478 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 16. Mär Z 1978

Unser Zeichen: 16 170 - K/Ap

Patentansprüche

Γΐ. Turbine für ein Gasturbinentriebwerk , die mit Rotorstufen versehen ist, welche eine ringförmige Anordnung stromlinienförmiger Schaufeln und Schaufelringe aufweist, die koaxial zu den Rotorstufen angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaufelring (21) hohl ausgestattet ist und benachbart zu den Schaufelspitzen der Schaufeln (16) mit einer Wand (22) ausgestattet ist, die von einer abgeschleuderten Schaufel (16) oder einem Schaufelteil durchdrungen werden kann, und daß der Schaufelring (21) so bemessen ist, daß jede auf diese Weise abgeschleuderte Schaufel (16) oder ein Schaufelabschnitt, der die Wand (22) durchdringt, in das hohle Innere des Schaufelrings (21) eindringt und dort zurückgehalten wird.

2. Turbine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (22) des Schaufelringes (21) sich weiter stromab erstreckt als die ringförmige Anordnung der stromlinienförmigen Schaufeln (16)_o

INSPECTED

.A 609838/0931

281 U78

J5. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelring (21) die Gestalt eines Hitzerohres besitzt.

4. Turbine nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der kondensierbare Dampf,der in dem Schaufelring (21) eingeschlossen ist, Natriumdampf ist.

5. Turbine nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarmittel (24), die in dem Schaufelring (21) enthalten sind, von einem Gewebe aus rostfreiem Stahl gebildet sind.

6. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere (23) des Schaufelringes in mehrere einzelne Hohlräume (25) unterteilt ist, und daß jeder dieser Hohlräume (25) die Gestalt eines Wärmerohres besitzt.

7. Turbine nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der kondensierbare Dampf, der in jedem der Hohlräume (25) eingeschlossen ist, aus Natrium besteht.

8. Turbine nach Anspruch J,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarmittel (24) in jedem der Hohlräume

(25) aus rostfreiem Stahlgewebe hergestellt sind.

909838/0931

281H78

Gasturbinenstrahltriebwerk, dadurch gekennzei chnet, daß es mit einer Turbine gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 ausgestattet ist.

809838/0931