DE2811934A1

DE2811934A1 - Variabler mantelring fuer eine turbomaschine

Info

Publication number: DE2811934A1
Application number: DE19782811934
Authority: DE
Inventors: William Roy Patterson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1978-03-18
Publication date: 1979-01-11
Also published as: IT7821546A0; JPS616243B2; JPS5410817A; FR2395403A1; US4127357A; GB1548148A; IT1093607B; FR2395403B1; DE2811934C2

Description

Variabler Mantelring für eine Turbomaschine

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, um den radialen Spielraum zwischen dem Rotor und dem Mantelring auf ein Minimum zu bringen, indem die Position des Mantelringes in Abhängigkeit von gewissen vorbestimmten Betriebsbedingungen des Triebwerkes automatisch und selektiv verändert wird.

Da die Turbinentriebwerke durch Veränderungen in den Methoden, Gestaltungen und Materialien immer zuverlässiger und wirksamer werden, werden Verluste, die durch überhöhte Spielräume zwischen relativ zueinander umlaufenden Teilen auftreten, immer wichtiger bei den vielen Konstruktionen. Bei vielen Anwendungsfällen von Turbinentriebwerken ist es erforderlich, bei variablen stationären Drehzahlen zu arbeiten und im normalen Betrieb nach Wunsch zwischen diesen Drehzahlen zu wechseln. Beispielsweise ist

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es bei einem Strahltriebwerk, wie es zum Antrieb von Flugzeugen verwendet wird, erforderlich, daß die Bedienungsperson bzw. der Pilot bei Bedarf auf eine gewünschte Drehzahl übergehen kann. Die dabei auftretenden Veränderungen in der Temperatur und Rotordrehzahl bedingen ein relatives Wachsen zwischen dem Rotor und dem diesen umgebenden Mantelring, und um den gewünschten Wirkungsgrad beizubehalten, muß dieses relative Wachsen irgendwie aufgenommen werden. Das primäre Interesse ist dabei, einen minimalen Spielraum zwischen dem Stator und dem Rotor beizubehalten, während jeder Reibungseingriff zwischen diesen Teilen verhindert werden soll, der einen Abrieb und eine daraus resultierende Vergrößerung des radialen Spielraumes während des nachfolgenden Betriebes bewirken würde. Wenn die vorstehend erörterten transienten Betriebserfordernisse betrachtet werden, stellen die relativen mechanischen und thermischen Wachstumsvorgänge des Rotors und des Mantelringes ein sehr schwieriges Problem dar.

Es sind verschiedene Anordnungen entwickelt worden, um den stationären Mantelring in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Triebwerkes variabel anzuordnen, um auf diese Weise diesen Spielraum zwischen dem Rotor und dem Mantelring zu verkleinern. Eine derartige Anordnung ist in der US-PS 3 966 354 gezeigt und darin

dxe
wird~y~Kühlluftmenge geregelt, die über die Turbinenmantelhalterung in Abhängigkeit von der Temperatur der Kühlluft geleitet wird.

Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein effizientes Turbinentriebwerk zu schaffen, das zwischen verschiedenen Drehzahlen wechseln kann, während ein minimaler Spielraum zwischen seinem Rotor und dem Mantelring aufrechterhalten wird.

Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Turbinentriebwerkes für die selektive Anpassung der Mantelposition, um so den Spielraum zwischen dem Mantel und dem Rotor während des Betriebes unter verschiedenen Bedingungen auf ein Minimum zu reduzieren. Dabei soll die Position eines Rotormantels in Ab-

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hängigkeit von variablen stationären und transienten Betriebsbedingungen selektiv verändert bzw. moduliert werden. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, automatisch für eine sichere und variable Positionierung eines Mantelringes in bezug auf einen davon umgebenen Rotor zu sorgen, um während variabler Betriebsbedingungen einen minimalen Spielraum zwischen diesen Teilen aufrechtzuerhalten.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist jedes Mantelsegment des Gasturbinentriebwerkes durch ein Paar in Umfangsrichtung beabstandeter exzentrischer Wellen gehaltert, die bei variablen Betriebsparametern gedreht werden, um automatisch die radiale Stellung des Mantels zu verändern und dadurch den Spielraum zwischen dem Mantel und dem davon umschlossenen Rotor auf Minimum zu reduzieren. Die exzentrischen Abschnitte der Welle stehen durch Reibung mit radial nach außen verlaufenden Befestigungsbügeln von den Mantelsegmenten in Eingriff, um so die Drehbewegung der Welle in eine im wesentlichen lineare radiale Richtung umzusetzen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Drehbewegung auf die Welle durch Zahnräder übertragen, die daran befestigt sind und die durch einen einzelnen Zahnradring gedreht werden, der seinerseits in Abhängigkeit von den Parameteränderungen des Triebwerkes gedreht wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Zahnradring so ausgebildet, daß er in Umfangsrichtung durch ein Betätigungsglied bewegt wird, dessen Länge von der Kühlluft abhängt, der er ausgesetzt ist, wobei die Temperatur der Kühlluft der Drehzahl des Triebwerkes proportional ist. Das thermische Betätigungsglied ist vorzugsweise ein Teilring aus einem Material mit größerer oder kleinerer thermischen Ausdehnung als das Mantelstützelement, mit dem das eine.Ende des Betätigungsgliedes verbunden ist. Das andere Ende ist selbstverständlich an dem Zahnradring befestigt, um dieses bei einem thermischen Wachstum zu drehen.

Durch die richtige Auswahl der Exzentrizität der Welle und der Länge des Betätigungsgliedes können verschiedene Kombinationen

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von Bewegungen in Abhängigkeit von der Temperatur erhalten werden. Zusätzlich können durch richtige Einstellung der Masse des äußeren Mantels und der Lage der Halterung des thermischen Betätigungsgliedes verschiedene Kombinationen von transienten Ansprechverhältnissen erhalten werden. Bei den richtigen Kombinationen ist es möglich, die Position des Mantelringes so zu verändern bzw. zu modulieren, daß der Spielraum zwischen Rotor und Mantelring während transienter und stationärer Betriebsbedingungen auf einem Minimum gehalten wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist eine Teilschnittansicht des Turbinen/Mantelabschnittes eines Strahltriebwerkes mit der erfindungsgemäßen Halterung.

Figur 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2 - 2 in Figur 1,

Figur 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3 " 3 in Figur 1.

In Figur 1 ist die erfindungsgemäße Halterung allgemein bei 10 gezeigt, die auf ein Gasturbinentriebwerk anwendbar ist, das eine Reihe in Umfangsrichtung beabstandeter- Turbinenschaufeln umfaßt, die von mehreren in umfangsrichtung beabstandeten und sich überlappenden Mantelsegmenten 12 umgeben sind. Die Mantelsegmente 12 weisen an ihrem Innenumfang ein abschleifbares Material 13 auf, wie beispielsweise ein Honigwabenmaterial oder

um.

ähnliches",V" eine gelegentliche Störung und eine daraus resultierenden Abrieb durch die Schaufeln 11 unter gewissen Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Wie bei einem üblichen Betrieb einer einstufigen Hochdruckturbine strömen die heißen Austrittsgase aus dem Brenner (nicht gezeigt) durch die Reihe der Hochdruckdüsen 14, durch die Reihe der Turbinenschaufeln 11, um diesen eine Drehbewegung zu erteilen, und stromabwärts durch die Reihe

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der Niederdruckdüsen 16. Die Kühlluft wird den Hochdruckdüsen 14 und den Niederdruckdüsen l6 durch Kühlluftkammern 17 bzw. 18 zugeführt, wie es allgemein bekannt ist.

Die Kühlluft für das System wird in der Weise erhalten, daß Luft von dem Verdichter abgezweigt und über zahlreiche Abzweigöff-r nungen 19 eingeführt wird, die Kühlluft in eine Kammer 21 einführen, die teilweise an der Außenseite durch einen Verteiler 22 gebildet ist. Ferner wird die Kammer 21 an ihrer Innenseite durch einen Mantelhalterungsring 23 gebildet, der am stromabwärtigen Ende des Verteilers 22 durch mehrere Bolzen 24 befestigt ist. Von der Mantelhalterung 23 erstreckt sich radial nach außen ein Paar Flansche 26 und 27,die die Masse der Mantelhalterung 23 und deshalb deren thermische Trägheit vergrößern. Es sei bemerkt, daß die Größe dieser Flansche und ihre Anzahl variiert werden kann, um irgendein gewünschtes thermisches Verhalten der Mantelhalterung zu erzielen. Von dem Hauptkörper der Mantelhalterung führt ein vorderer Flansch 28 nach innen, der darin ausgebildete, in Umfangsrichtung beabstandete Löcher 29 aufweist zur drehbaren Aufnahme eines zylindrischen Abschnittes 31 einer Halterungswelle 32.

Stromabwärts von dem vorderen Flansch 28, nahe dem Flansch 26, befindet sich ein hinterer L-förmiger Flansch 33, dessen axialer Schenkel 34 teilweise eine Umfangsnut 36 bildet. Ein Aufhängering 37, der einen T-förmigen Querschnitt mit einem axialen Abschnitt 38 und einem radialen Abschnitt 39 aufweist, ist fest an der Mantelhalterung 23 angebracht, indem das eine Ende des axialen Abschnittes 38 in den Schlitz 36 eingesetzt und das andere Ende an der Mantelhalterung 23 durch in Umfangsrichtung beabstandete Bolzen 41 befestigt ist.

In dem radialen Abschnitt 39 des T-förmigen Aufhängebügels 37 sind in Umfangsriehtung beabstandete Löcher 42 ausgebildet zur Aufnahme eines stromabwärtigen zylindrischen Abschnittes 43 der Halterungswelle 32. Zwischen den zylindrischen Abschnitten 31 und 43 ist ein langgestreckter, zylindrischer Nockenabschnitt 44

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angeordnet, der den übrigen Abschnitt der Halterungswelle 32 bildet und dessen Achse gegenüber derjenigen der zylindrischen Abschnitte versetzt ist, wie es aus Figur 3 zu ersehen ist.

Die Mantelsegmente 12 sind an einem Paar Halterungswellen 32 an deren Nockenabschnitt 44 befestigt und durch diese gehaltert. An jedem Umfangsende von jedem Mantelsegment 12 befindet sich ein Paar axial beabstandeter Plansche 46 und 47 mit Kreislöchern 48 bzw. 49j die darin zur Aufnahme des Nockenabschnittes 44 der Halterungswelle 32 ausgebildet sind.

Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, hat die exzentrische Halterungswelle die Funktion, das Mantelsegment 12 wie folgt radial einzustellen. Wenn die Halterungswelle 32 auf der Achse des zylindrischen Abschnittes 43 aus der gezeigten Position herausgedreht wird, folgt der Nockenabschnitt 44 einer exzentrischen Bahn, um das Mantelsegment sowohl in Umfangsrichtung als auch radial nach außen zu bewegen. Eine fortgesetzte Rotation bewegt dann das Mantelsegment in Umfangsrichtung in der anderen Richtung und radial nach innen. Durch richtige selektive Anordnung des Nockenabschnittes in seinem Drehwinkel kann man die gewünschte radiale Bewegung des Mantels erhalten, um den richtigen Spielraum aufrechtzuerhalten. Da alle Segemente gemeinsam bewegt werden, bewirkt exneUmfangsbewegung nur, daß die Segmente sich gemeinsam drehen und deshalb ihr Dichtungsexngrxff nicht unterbrochen wird.

Um die Halterungswellen 33 zu drehen, wird auf den stromabwärtigen zylindrischen Abschnitt 43 ein Drehmoment durch ein Zahnrad 51 ausgeübt, das durch Kraftpassung und ähnliches darauf befestigt ist. Jedes Mantä-segment 12 weist weiterhin ein Paar in Umfangsrichtung beabstandeter Flansche 47 mit zugehörigen Halterungswellen 32 und Zahnrädern 51 auf. Die gemeinsame Drehung der Zahnräder 51 wird durch einen einzelnen Zahnradring 52 herbeigeführt, der an seinem Innenumfang mit den Zahnrädern 51 in Eingriff steht. Die Drehung des Zahnradringes 52 wird durch einen bogenförmigen Betätigungsring 53 herbeigeführt, der nahe an dem Außenumfang des Zahnradringes angeordnet ist und von dem das eine Ende 54 durch

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Bolzen 56 fest an dem Zahnradring 52 angebracht ist und von dem das andere Ende 47 durch einen Bolzen 58 fest an dem axialen Abschnitt des T-förmigen Aufhängebügels 37 befestigt ist.

Obwohl das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel einen Betätigungsring 53 für jedes Mantelsegment 12 aufweist, sei 'darauf hingewiesen, daß eine kleinere Anzahl von Betätigungsgliedern vorgesehen sein kann und trotzdem genügend Drehmoment auf den Zahnradring 52 für dessen Drehung übertragen werden kann. Um den Zahnradring und den Betätigungsring zusammen sicher in einer axialen Position zu halten, wird ein L-förmiger Befestigungsring 59 durch mehrere Bolzen 41 in einer nahegelegenen axialen Relation gehalten.

Es sei bemerkt, daß der Betätigungsring 53 dazu dient, den Zahnradring 52 in Abhängigkeit von der thermischen Umgebung, der er ausgesetzt ist, zu drehen. Demzufolge ist es erforderlich, daß der thermische Ausdehungskoeffizient des Betätigungsringes unterschiedlich ist von demjenigen der Mantelhalterung 23_S da es gerade die Mantelhalterung oder eine Verlängerung davon, der T-förmige Aufhängebügel 37, ist, an der das Betätigungsglied an ihrer Basis oder dem befestigten Ende 57 befestigt ist. Das andere Ende des Betätigungsringes ist selbstverständlich frei für ein Wachsen relativ zur Mantelhalterung 23 in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, um dadurch den Zahnradring 52 zu drehen.

Im Betrieb wird Kühlluft, die von dem Kompressor abgezweigt wird, so daß ihre Temperatur von der Drehzahl des Triebwerkes abhängig ist, über die Leitung 19 in die Kanuner 21 eingeführt, wo sie direkt mit der Mantelhalterung 23 in Kontakt kommt, um die Temperatur und deshalb deren Größe zu ändern. Ein Teil der Luft wird durch die Löcher 61 gerichtet, um die Niederdruckdüsen 16 zu kühlen. Da die Mantelhalterung 23, der T-förmige Aufhängebügel und der Betätigungsring 53 alle so nahe zusammengehören, haben sie im wesentlichen die gleiche Temperatur. Da sich ferner der thermische Ausdehnungskoeffizient für die Mantelhalterung 23 und den Betätigungsring 53 unterscheidet, wächst oder schrumpft der

Betätigungsring 53 in bezug auf die Mantelhalterung 23_S wenn sich

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deren Temperaturen ändern. Dieses relative thermische Wachsen oder Schrumpfen dreht seinerseits den Zahnradring 52 und die Zahnräder 51, um eine radiale Bewegung des Mantelelementes 12 in einer Bahn bzw. einem Muster zu bewirken, das die Aufrechterhaltung des kleinen Spielraumes zwischen Mantel und Rotor für alle stationären und transienten Betriebsbedingungen des Triebwerkes erleichtert. Durch eine richtige Auswahl der Exzentrizität der Halterungswelle 32 und der Länge der einzelnen Betätigungsglieder 53j können verschiedene Anpassungen der Bewegung an die Temperatur erhalten werden. Zusätzlich können durch richtige Einstellung der Masse der Mantelhalterung 23 und derjenigen des thermischen Betätigungsgliedes 53 verschiedene Kombinationen von transientem Ansprechverhalten erhalten werden. Durch diese Auswahl der Konstruktion für eine Anpassung an die Leistungserfordernisse kann der Spielraum für alle Phasen des Betriebes auf ein Minimum reduziert werden.

Obwohl vorstehend nur ein Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, sind noch verschiedene andere Konstruktionen und Konfigurationen möglich. Beispielsweise ist der Nockenabschnitt 44 der HaI-terungswelle in der Weise beschrieben worden, daß er einen zylindrischen Abschnitt darstellt, der gegenüber einem anderen zylindrischen Abschnitt versetzt ist, aber diese Form des Nockenabschnittes kann auch verändert werden, um die gewünschte Bewegung in Abhängigkeit von den Mantelsegmenten aufzunehmen. Ferner kann die Drehung der Halterungswelle 32 durch andere Mittel als durch einen Zahnradring 52 und mehrere bogenförmige Betätigungsringe 53 erreicht werden. Beispielsweise könnte an thermostatisch betätigter Mechanismus, wie beispielsweise ein Motor oder ähnliches, verwendet werden, um die einzelnen Halterungswellen 32 zu drehen.

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Claims

4637-13DV-6816

General Electric Company

Ansprüche

[Ij Mantelhalterung für eine Turbomaschine mit einem Rotor, der mit kleinem radialen Abstand zu ihn umgebenden Mantelsegmenten angeordnet ist, die durch eine äußere Mantelhalterungsstruktur gehaltert sind, gekennzeichnet durch eine Welle (32), die die Mantelsegmente (12) und die HalterungsStruktur bewegbar miteinander verbindet und die innerhalb der Halterungsstruktur auf einer zur Rotorachse parallelen Achse drehbar ist und die eine exzentrische Oberfläche aufweist, mit der ein Mantelsegment in Reibeingriff steht und die ein Mantelsegment haltert, und durch Mittel (51j 52) zum Drehen der Welle bei vorbestimmten Betriebsparametern des Triebwerkes, um die radiale Position des Mantelelementes selektiv anzupassen.
2. Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Mantelsegment (12) an wenigstens zwei Stellen durch Bügel (46, 47) gehaltert ist, die von diesem radial nach außen verlaufen.
3. Mantelhalterung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Bügel (46, 47) eine Welle (43) aufweist, mit der er in Reibeingriff steht und die ihn haltert.
4. Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehmittel einen Bimetallmeehanismus umfassen, der einem zur Kühlung der Halterungstruktur verwendeten Strömungsmittel ausgesetzt ist.
5. Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehmittel ein Zahnrad (51)a das auf dem einen Ende der Welle ausgebildet ist, und einen damit in Eingriff stehenden Zahnradring (52) umfassen,

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der sich in Abhängigkeit von Änderungen in den vorbestimmten Triebwerksparametern dreht.
6. Mantelhalterung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß der Zahnradring (52) mit einem Betätigungsring (53) verbunden ist und durch diesen gedreht ist, wobei die Länge des Betätigungsringes variabel ist in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels, dem er ausgesetzt ist.
7. Mantelhalterung für ein verstellbares Anordnen eines in Umfangsrichtung verlaufenden Mantelsegmentes in geringem radialen Abstand zu einer Reihe Laufschaufeln, gekennzeichnet durch ein Paar in Umfangsrichtung beabstandeter Befestigungsbügel, die an dem Mantelsegement befestigt sind und von dort radial nach außen verlaufen, ein Paar Wellen, die jeweils in einem der Bügel drehbar angeordnet sind, die jeweils auf einer zur Achse der Laufschaufeln parallelen Achse drehbar sind und die einen exzentrischen Abschnitt aufweisen, der mit einem der Bügel in Reibeingriff steht, und durch Mittel zum Drehen des Wellenpaares in Abhängigkeit von vorbestimmten Änderungen in Betrieb spar ame tern des Triebwerkes, um die radiale Lage des Mantelsegmentes selektiv zu verändern.
8. Mantelhalterung nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet , daß der exzentrische Abschnitt im Querschnitt im wesentlichen zylindrisch und von der Halterungsachse axial versetzt ist.
9. Mantelhalterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß derjenige Abschnitt des Bügels, der mit dem exzentrischen Abschnitt der Welle in Reibeingriff steht, eine Kreisfläche aufweist.
10. Mantelhalterung nach Anspruch 7₃ dadurch gekennzeichnet , daß die Drehmittel einen Bi-

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metallmechanismus umfassen, der auf die Temperatur eines Strömungsmittels anspricht, dem die Halterungsstruktur ausgesetzt ist.
11. Mante!halterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehmittel Zahnräder, die auf den Enden der Wellenpaare ausgebildet sind, und einen damit in Eingriff stehenden Zahnradring umfassen, der sich in Abhängigkeit von vorbestimmten Änderungen in Betriebsparametern des Triebwerkes dreht.
12. Mantelhalterung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Zahnradring mit einem Betätigungsring verbunden und dur-ch diesen gedreht ist, wobei die Länge des Betätigungsringes in Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl variabel ist.
13. Verfahren zum Verkleinern des radialen Spielraumes zwischen einem Turbomaschinenrotor und einem ihn umgebenden Mantelring einer Turbomaschine, die über einem variablen stationären und transienten Betriebsbereich arbeitet_s dadurch gekennzeichnet _s daß das Mantelsegment auf exzentrischen Wellen aufgehängt wird und die Wellen in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsparametern des Triebwerkes gedreht werden, um die radiale Position des Mantelsegmentes selektiv anzupassen bzw. zu modulieren, damit es über einem Bereich der variablen Betriebsbedingungen mit denjenigen des Außenumfanges des Rotors übereinstimmt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen durch einen Bimetallmechanismus gedreht werden, der einem Strömungsmittel ausgesetzt wird, dessen Temperatur ein Maß- für die Triebwerksdrehzahl ist.

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15. Verfahren nach Anspruch 13 ₃ dadurch gekenn zeichnet , daß die Welle durch ein Paar Zahnräder, die den Wellen zugeordnet sind, und einen Zahnradring gedreht wird, der mit den Zahnrädern in Eingriff steht und sich in Abhängigkeit von Änderungen in der Triebwerksdrehzahl dreht.

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