DE2847012A1

DE2847012A1 - Kombinierte turbinenmantel- und schaufelhalterung

Info

Publication number: DE2847012A1
Application number: DE19782847012
Authority: DE
Inventors: Melvin Bobo; Charles Frederick Riedmiller
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-10-31
Filing date: 1978-10-28
Publication date: 1979-05-03
Also published as: FR2407342A1; IT7829034A0; JPS5477818A; US4177004A; GB1600722A; IT1099440B

Description

Kombinierte Turbinenmantel- und Schaufe!halterung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Mittel zur radialen Halterung für die Turbinenkomponenten eines Gasturbinentriebwerkes.

Der Wirkungsgrad einer Turbine ist weitgehend abhängig von der Einhaltung eines engen Spielraumes zwischen den rotierenden Schaufeln und den diese umgebenden stationären Mänteln. Um also eine gute Leistungsfähigkeit zu erhalten und beizubehalten, ist es notwendig, gut eingehaltene und wiederholbare enge Spielräume zwischen diesen Komponenten zu haben. Weite Spielräume stellen Leistungsverluste dar, während Eingriffsrelationen, die durch in Umfangsrichtung ungleichförmige mechanische oder thermische Radialbelastungen hervorgerufen werden können, dazu neigen, eine ungleichförmige Abnutzung des Mantels zu bewirken, die anschließend zu einer verschlechterten Leistungsfähigkeit führen kann. Es ist deshalb wünschenswert, daß der Mantel rund und von derartigen in Umfangsrichtung ungleichförmigen mechanischen und thermischen Radialbelastungen relativ getrennt gehalten wird.

Um die Anzahl der Bauteile zu begrenzen und den Aufbau eines Gasturbinentriebwerkes zu vereinfachen, ist es wünschenswert,

eine einzige Halterungsstruktur zum Haltern sowohl des Turbinenstationären

mantels als auch derVTurbinenschaufel unmittelbar stromaufwärts davon zu haben. Aus den genannten Gründen ist es weiterhin wünschenswert, eine radiale Anordnung des Mantels mit engem Spiel-

FuRrungsschaufal raum zur Verfügung zu haben. Die andererseits erfordert nur eine Halterung in axialer Richtung, da ihre radiale Anordnung durch eine andere Struktur erhalten werden kann. Aufgrund der hohen axialen Belastung und insbesondere bei hohen Drehzahlen kann jedoch jede radiale Bewegung der Schaufel auf die Halterungsstruktur und von dort auf den gehalterten Mantel übertragen

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werden, wodurch deren kritische Justierung beeinflußt wird. Eine Ungleichförmigkeit in der Umfangsform des Mantels kann somit aus ungleichförmigen radialen Belastungen (wie sie entweder durch mechanische und thermische Störungen bewirkt werden) hervorgerufen werden, die durch die Halterungsstruktur von der Schaufel auf den Mantel übertragen werden.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halterungsstruktur für den Turbinenmantel zu schaffen, die enge radiale Spielräume und die Gleichförmigkeit des Mantels in Umfangsrichtung beibehält.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Düsenhalterungselement mit dem Turbinenmantel verbunden, um für dessen radiale Anordnung mit kleinem Spielraum zu sorgen, und es ist mit der Schaufel durch eine Gelenkverbindung verbunden, die für eine axiale Anordnung der Schaufel mit kleiner Toleranz sorgt, aber eine radiale Bewegung der Schaufel ohne eine damit verbundene Bewegung des Düsenhalterungselementes gestattet.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die flexible Gelenkverbindung einen Ring auf, der sowohl axiale als auch radiale Belastungen zum Düsenhalterungselement überträgt .

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeter Löcher in dem Ring vorgesehen, um eine Strömungsverbindung für die Kühlluftströmung durch den Ring hindurch zur Außenfläche des Mantels zu schaffen. Auf diese Weise ist das stromaufwärtige Ende des Ringes, das mit dem Düsenhalterungselement in Eingriff kommt, relativ getrennt bzw. isoliert von den thermischen Änderungen, die an dem stromabwärtigen Ende des Ringes neben der Schaufelstruktur auftreten können.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausfüh-

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- 6 rungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine axiale Teilschnittansicht der Turbine und einem Schaufelabschnitt einer Turbomaschine, in dem die vorliegende Erfindung verkörpert ist.

Figur 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Halterungsringabschnittes.

Figur 3 ist eine perspektivische Teilansicht des Halteringabschnittes.

Figur H ist eine vergrößerte Ansicht des C-Klemmen-Mantelabschnittes der in Figur 1 gezeigten Einrichtung.

Figur 5 ist eine Schnittansicht davon entlang der Linie 5-5 in Figur 4.

In Figur 1 ist die Erfindung allgemein bei 10 in Verbindung mit dem Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerkes gezeigt. Eine die erste Stufe bildende Hochdruckdüse oder Schaufel 11 empfängt Hochdruckgas aus dem Brenner und richtet dieses auf die erste Stufe von Hochdruck-Turbinenschaufeln 12, die die thermische Energie in kinetische Energie umwandeln, indem die Turbinenscheibe 13 in üblicherweise in Drehung versetzt wird. Die die erste Stufe bildende Düse 11 ist an ihrem Innenband 16 mit der Halterung 17 für die erste Stufe verschraubt, die sowohl für eine radiale als auch eine axiale Halterung sorgt und weiterhin die Innenwand für den Strömungspfad von dem hinteren Verdichterrahmen zur Düse bildet. Eine axiale Halterung wird auch an dem Außendurchmesser der Schaufel 11 durch einen Ring 18 geschaffen, der an der Rückseite des Außenbandes 19 angreift. Die hohlen Schaufeln 11 werden durch aus dem Verdichter austretende Luft gekühlt, die in die Kammer 21 eintritt, die an ihrer Außenseite durch den hinteren Verdichterrahmen 22 begrenzt ist, und die Verdichterluft strömt dann durch eine Prallplatte 23 hindurch in eine Kammer 2*1, um in die Hohlschaufeln einzutreten und aus

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einer Vielzahl von Vorderkantenlöchern.seitlich angeordneten Löchern und Hinterkantenschlitzen in bekannter Art auszutreten. Die Prallplatte 23 ist durch Bolzen 26 an einer Dichtung 27 befestigt, die ihrerseits durch Bolzen 28 an der Düsenhalterung für die zweite Stufe befestigt ist. Die Dichtung 27 ist eine ringförmige Vorrichtung, die sich radial nach außen erstreckt, um mit einem /Streifen 31 auf dem hinteren Verdichterrahmen 22 in Eingriff zu kommen, um dadurch von der Kammer 21 eine hintere Kammer 32 abzutrennen, die Kühlluft auf einem kleineren Druck und einer niedrigeren Temperatur gegenüber der Kammer 21 enthält. .*. Puffer oder

Radial außen von der Reihe der Laufschaufeln 12 ist eine Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Mantelsegmente 33 angeordnet. Die Mantelsegmente 33 sind mit engem Abstand zu den Turbinenschaufeln 12 angeordnet, um eine Leckage von heißen Gasen zwischen diesen Teilen zu verhindern, und sie umfassen direkt der Türbinenschaufelreihe gegenüberliegend einen Materialabschnitt 3*f> der so aufgebaut ist, daß er einen gelegentlichen Reibeingriff zwischen den Komponenten ohne eine damit verbundene Abnutzung der Turbinenschaufeln gestattet, wodurch anderenfalls instabile Abnutzungszustände auftreten würden. Die Halterung für die.Mantelsegmente 33 wird an dem Vorderende durch eine Mehrzahl von Mantelhalterungselementen 36 bewerkstelligt, die durch Befestigungsglieder 28 mit der Düsenhalterung 29 der zweiten Stufe verbunden sind und die sich radial nach innen erstrecken, um in einem axialen Flansch 37 zu enden, der in eine vordere Rille 38 des Mantels paßt, um für eine sichere radiale Anordnung bzw. Justierung des Mantels zu sorgen. Me Halterung am hinteren Ende des Mantelsegmentes erfolgt durch einen Rand 39, der einstückig mit der Düsenhalterung 29 für die zweite Stufe ausgebildet ist und von dort radial nach innen verläuft und äußere und innere Flansche 4l und 42 aufweist. Als weiterer Bestandteil der Halterungsstruktur ist eine C-förmige Klemme Hj> vorgesehen, die einstückig mit dem Außenband 44 der Düse Ik der zweiten Stufe ausgebildet ist und sich von dort nach vorne erstreckt. Der Innenflansch 42 des Randelementes 39 liegt an der

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Außenseite der Mantelsegmente-33 an und die C-förmige Klemme 43 paßt in der Weise in diese Teile, daß ihr äußerer Flansch 46 eng an der Außenseite des äußeren Flansches 4l des Randelementes 39 angreift,und ihr innerer Flansch 47 paßt in die hintere Rille 48 des Mantelsegmentes. Auf diese Weise hält die C-förmige Klemme 43 den Mantel 33 und die Düsenhalterung 29 der zweiten Stufe zusammen, so daß sich der Mantel 33 mit der Düsenhalterung 29 in radialer Richtung bewegt. In ähnlicher Weise ist das vordere Ende des Mantels 33 ebenfalls mit der Düsenhalterung 29 radial positioniert aufgrund des stabilen Mantelhalterungssegmentes 36» Somit ist die radiale Lage des Mantels 33 abhängig von der radialen Lage der zur zweiten Stufe gehörigen Düsenhalterung 29 ^ die ihrerseits vorwiegend von ihrer Temperatur abhängig ist. Allgemein gesprochen ist bei kleineren Drehzahlen die Verdichterausgangsluft kälter und die Düsenhalterung 29 nimmt dann eine relativ innenliegende Position ein, wogegen bei höheren Drehzahlen, wenn die Verdichterausgangsluft sich auf einer höheren Temperatur befindet, die Düsenhalterung 29 eine relativ weit außenjliegende Position einnimmt. Für den stationären Betrieb wird eine ähnliche Charakteristik in der Betriebsposition der Turbinenschaufeln angenommen, so daß ein minimaler Spielraum zwischen den zwei Komponenten eingehalten wird.

Die Mantelsegmente 33 werden durch Kühlluft gekühlt, die durch eine Vielzahl kleiner Löcher in einer Prallplatte 51 eintritt, die an der Außenseite des Mantelsegmentes 33 durch Schweißen oder ähnliches befestigt ist. Die Luft tritt dann in die Kammer 52 ein und prallt auf die Außenseite des Mantelsegmentes 33, um diese zu kühlen. Die Kühlluft geht von dem Verdichter aus und strömt durch Öffnungen 53 in dem Mantelhalterungssegment 36 hindurch, um in die die Leitplatte 51 umgebende Kammer 54 einzutreten.

Wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, weist der Ring 18 einen axial ausgerichteten Abschnitt 56 und vordere und hintere radiale Abschnitte 57 bzw. 58 auf, um einen im allgemeinen S-förmigen Querschnitt zu bilden. Der axial ausgerichtete Abschnitt 56 weist einen vergrößerten Abschnitt 59 auf, dessen äußerer Umfang ein

Auflager 6l bildet für einen engen Eingriff in einem Festsitz mit der Düsenhalterung 29 an deren Innenseite. Gleichzeitig liegt die hintere Oberfläche des radialen Abschnittes 57 fest gegen die Vorderfläche der Düsenhalterung 29 an. Auf diese Weise werden sowohl die radialen als auch die axialen Stellungen des Ringes 18 durch die Halterung 29 fixiert. Die axiale Länge des Abschnittes 56 ist so eingerichtet, daß die vordere Oberfläche 60 des hinteren radialen Abschnittes 58 gegen die Rückseite 65 des äußeren Schaufelbandes 19 anliegt, um so eine axiale Halterung dafür zu bilden. Wenn also die Schaufel 11 belastet wird, wird die axiale Belastung durch den hinteren radialen Abschnitt 5Q_y den axialen Abschnitt 56 und den vorderen radialen Abschnitt 57 des Ringes 18 auf die Düsenhalterung 29 übertragen. Da die rückseitige Oberfläche 65 des äußeren Schaufelbandes 19 über die vordere Oberfläche 60 des hinteren radialen Abschnittes 58 gleiten kann, ist gleichzeitig die Neigung für die radialen Belastungen, von der Schaufel auf den Ring und von dort auf die Halterung 29 übertragen zu werden, auf ein Minimum reduziert.

Wie aus Figur 2 hervorgeht, ist durch den Ring 18, die Düsenhalterung 29 und die Mantelhalterungsegmente 36 eine Kammer 62 gebildet..Eine Strömungsverbindung zwischen dieser Kammer 62 und der in Figur 1 gezeigten Kammer 2Ί ist durch eine Anzahl von Löchern 63 hergestellt, die für eine Zumessung der Luft richtig bemessen sind, die durch die Öffnungen 53 und die Kammer 5¹I hindurchströmt, um die Mantelstruktur zu kühlen. Wie aus Figur 3 zu ersehen ist, hat diese Lochreihe zusätzlich die Wirkung, das stromaufwärtige Ende des axialen Ringabschnittes 56 von den thermischen Änderungen in seinem stromabwärtigen Ende zu trennen bzw. zu isolieren. Da also der hintere radiale Abschnitt 58 des Ringes teilweise der heißen Gasströmung ausgesetzt ist, ist er Temperaturänderungen und ungleichförmigen, in Umfangsrichtung verlaufenden Temperaturgradienten ausgesetzt. Die Reihe der Löcher 63 hat jedoch die Neigung, eine Barriere bzw. Grenze zu bilden, die verhindert, daß diese Temperaturen zum vergrößerten Abschnitt 59 des Ringes und von dort zur Düsenhalterung 29 wandern, um eine Ungleichförmigkeit in der Umfangsausdehnung der Düsenhai-

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terung 29 und der Mantelsegmente 33 hervorzurufen. Die Lage der Löcher 33 könnte stromaufwärts oder stromabwärts auf dem Ring verschoben werden oder die Löcher könnten in der Düsenhalterung 29 selbst angeordnet werden.

In den Figuren 4 und 5 ist gezeigt wie der Innenflansch 47 der C-förmigen Klemme 43 in einer engen Passung mit der hinteren Mantelrille 48 steht, um dadurch das Anklemmen des Mantelsegmentes 33 an dem Innenflansch 42 des Randelementes 39 zu unterstützen, wodurch die radiale Lage des Mantels 33 gesteuert wird. Diese fest

passende, verriegelnde Relation zwischen dem Mantel und dem Innenflansch 47 des Randelementes verhindert ferner, daß Gase aus dem heißen Strömungspfad radial nach außen in die Kammer 64 strömen, die durch die C-förmige Klemme 43 und das Randelement gebildet ist. Deshalb bleiben die Kammer 64, der Rand 39 _s die Halterung 29 und desgleichen der benachbarte Außenflansch 41 des Randelementes 39 auf einer gleichförmigen kalten Temperatur, um die Schaufel und den Mantel in einer im wesentlichen stabilen radialen Position zu halten. Da der Innenflansch 47 der C-förmigen KLernme 43 nahe an der Hauptgasströmung angeordnet ist, sind die übergangskammern im wesentlichen eliminiert und eine Rezirkulation heißer Gase ist verhindert, wodurch die Bewegungsenergie Ln der heißen Gasströmung eingeschlossen bleibt.

Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, gibt es einen Bereich zwischen dem Mantelsegment 33 und dem äußeren Schaufelband 44, wo die rotierende Stufe verlassendes heißes Gas leicht an der Vorderkante der Düse stagniert. Um dies jedoch zu verhindern, wird die Luft, die zum Kühlen des Mantels verwendet wird, weiterhin dazu benutzt, diese Rezirkulation von heißem Gas zu verhindern oder zu reduzieren. In dem Mantel sind axial verlaufende, in Umfangsrichtung beabstandete Löcher 66 ausgebildet, um die Kammer 52 strömungsmäßig mit der hinteren Mantelrille 48 zu verbinden. Weiterhin sind axial verlaufende, in Umfangsrichtung beabstandete Schlitze 67 in dem inneren Rand des Innenflansches 47 der C-förmigen Klemme 43 ausgebildet, um eine Strömungsverbindung zwischen der hinteren Mantelrille 48 und den Vorderkanten der Schaufeln

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der zweiten Stufe herzustellen. Piese Struktur gestattet, daß Kühlluft von der Außenseite des Mantels durch die Löcher 66, in Umfangsrichtung um die hintere Mantelrille 48 herum, durch die Schlitze 67 und in den Bereich strömt, wo anderenfalls die Rezirkulation heißer Gase auftreten würde. Die Kühlluft strömt dann um die Vorderkanten des äußeren Bandes herum, um für eine zusätzliche Heißpunktkühlung zu sorgen, und tritt dann wieder in den Gasstrom ein, um zusätzliche nutzbare Arbeit zu vollbringen. Eine richtige Ausrichtung der Schlitze 67 mit dem für Luftstagnation empfindlichen Bereich führt dazu, daß diese Bereiche ausgespült werden und dadurch gleichförmige Temperaturen und radiale Positionen des Mantels und der Halterungsstrukturen beibehalten werden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

Halt er ungs anordnung zur radialen Halterung des Vorderendes eines Turbinenmantels und zur axialen Halterung des Außenbandes einer Führungsschaufel, gekennzeichnet durch ein Mantelhalterungssegment (36), das den Mantel (33) und ein diesen umgebendes Halterungselement (29) verbindet, das einen Vorderflansch aufweist, der sich von dem Punkt, wo das Mantelhalterungssegment (36) mit dem Mantelelement (33) verbunden ist, unabhängig nach vorne erstreckt, und durch einen zwischen dem Außenband (19) der Führungsschaufel (11) und dem Halterungselement (29) angeordneten Ring (l8) mit einem axialen Schenkel (56), dessen Vorderende an dem vorderen Flansch des Halterungselementes anliegt, und mit einem radialen Schenkel (58), der einstückig an dem hinteren Ende des axialen Schenkels (56) befestigt ist und von dort radial nach innen verläuft für einen Reibungseingriff mit dem Außenband (19) der Führungsschaufel (11) und für dessen axiale Halterung.

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2. Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (63, 53, 49) zur Zufuhr von Kühlluft zur äußeren Oberfläche des Mantels (33) vorgesehen sind.
3. Haiterungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Zufuhr von Kühl-Luft Mittel (63) zur Einführung von Kühlluft an einem Punkt zwischen dem radialen Schenkel (58) und dem Punkt umfassen, wo das Mantelsegment (36) mit dem Mantelelement (33) verbunden ist.
Ί. Halterungsariordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Zufuhr von Kühlluft eine Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Löcher (63) in dem King (18) umfassen, durch die eine Kühlluftströmung hindurch leitbar ist.
[>. Halterungsariordnung für eine Turbomaschine zur gleichzeitigen radialen Halterung eines Turbinenmantels und einer axialen Halterung einer Turbinenschaufel, die vor dem Mantel angeordnet ist, gekennzeichnet durch ein Halterungselement (29), das radial außen von sowohl dem Mantel (33) als auch der Schaufel (11) angeordnet ist, ein relativ starres Halterungssegment (36), das den Mantel (33) und das Halterungselement (29) miteinander verbindet, und eine relativ flexible Verbindung (18), die die Turbinenschaufel mit dem Halterungselement (29) derartfverbindet, daß eine radiale Bewegung der Schaufel durch eine Biegung des relativ flexiblen Verbindungsgliedes aufgenommen ist anstatt durch eine Bewegung des Halterungselementes.
6. Halterurigsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das flexible Verbindungsglied unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt ist und ferner Mittel (63)zur Kühllung eines Abschnittes davon aufweist.

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7. Halterungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet j daß die Kühlmittel eine Kühlluftquelle und eine Vielzahl von Löchern umfassen, die in dem
flexiblen Verbindungsglied ausgebildet sind zur Hindurchleitung von Kühlluft.
8. Halterungsanordnung nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet j daß das flexible Verbindungsglied (l8) einen im wesentlichen axial verlaufenden Abschnitt (56) aufweist.
9. Halterungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der im wesentlichen axial verlaufende Abschnitt (56) einen Ring bildet, an dessen hinterem Ende ein radial verlaufender Schenkel (58) befestigt ist.
10. Halterungsanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennze-ichnet , daß das flexible Verbindungsglied eine integrale- Verlängerung des Halterungselementes aufweist.

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