DE2847013A1

DE2847013A1 - Turbinenmantelhalterung

Info

Publication number: DE2847013A1
Application number: DE19782847013
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: GB1600721A; FR2407343A1; DE2847013C2; US4157232A; FR2407343B1; IT1099439B; JPS5477817A; IT7829033A0

Description

Turbinenmantelhalterung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf eine Spielraumsteuerung des Turbinenabschnittes.

Der Wirkungsgrad einer Turbine besteht in einem direkten Zusammenhang mit der Einhaltung eines minimalen Spielraumes zwischen der umlaufenden Turbine und ihrem zugehörigen stationären Mantel. Überhöhte Spielräume zwischen den Komponenten stellen einen direkten Leistungsverlust dar, und eine Störung bzw. ein Reib eingriff zwischen den Komponenten hat eine Abnutzung an der einen oder beiden Komponenten und einenanschließenden Betrieb mit überhöhtem Spielraum bei anderen Leistungspegeln zur Folge. Idealerweise haben sowohl die Turbinenstruktur als auch ihr umgebender Mantel eine runde Form mit einem minimalen Spielraum zwischen den zwei Komponenten. Wenn jedoch entweder die Turbine oder der Mantel "unrund" wird, tritt ein übergroßer Spalt oder ein Eingriff oder beides auf. Ein derartiger unrunder Zustand kann entweder aufgrund mechanischer oder thermischer Ungleichförmigkeiten in dem Umfang des Mantels oder seiner Halterungsstruktur auftreten. Es ist deshalb wesentlich, in etwa gleichförmige Temperaturen um den Umfang der Halterungsstrukturen herum beizubehalten.

Die Übergangskammern zwischen rotierenden Turbinenstufen und ihren zugehörigen stationären Schaufeln sind der Umwälzung heißer Gase ausgesetzt, die einen Verlust an verfügbarer, nutzbarer Energie darstellt und die stationären Teile ungleichförmigen Umfangstemperaturen aussetzt, die ihrerseits wirken, daß die Teile unrund werden. Zusätzlich zu dem auftretenden Verlust an optimalen Spielräumen erfolgt eine Verfärbung, Erosion und Riß-

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bildung an den stationären Elementen in diesen Stagnationsbereichen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb im wesentlichen darin, eine Turbomaschine mit einem minimalen und im wesentlichen runden Spielraum zwischen einer Turbinenschaufel und dem umgebenden Mantel zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist, kurz gesagt, in der hinteren Kante eines Turbinenmantels eine Nut bzw. Rille ausgebildet zur Aufnahme einer Zunge oder eines Flansches mit einer engen Passung, der von dem Außenband der stromabwärtigen Schaufel nach vorne vorragt. Diese enge Passung bzw, der Pestsitz verhindert, daß heiße Gase aus der Hauptgasströmung zwischen dem Mantel und dem Schaufelband hindurchströmen und hält dadurch die radial außen davon angeordnete Halterungsstruktur auf einer im wesentlichen gleichförmigen Temperatur um ihren Umfang herum. Diese Gleichförmigkeit in der Temperatur sorgt ihrerseits für die Einhaltung eines im wesentlichen runden Profiles und minimaler Spielräume.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Außenbandflansch einen Teil einer C-förmigen Klemme auf, die integral mit dem Außenband verbunden ist, um den Mantel fest an einer umgebenden Düsenhalterungsstruktur festzuklemmen. Die Düsenhalterungsstruktur weist ein Paar sich nach hinten erstreckender Plansche auf, die sandwichartig zwischen dem äußeren Plansch der C-förmigen Klemme und den äußeren Oberflächen des Mantels angeordnet sind. Auf diese Weise sorgt die Düsenhalterungsstruktur für eine radiale Halterung sowohl des Mantels als auch des stromabwärtigen Bandes.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung strömt Kühlluft in die Zungen- und Rillenverbindung, um die Bereiche auszuspülen, die gegenüber der Stagnation empfindlich sind, und dann strömen diese Gase in die Gasströmung, um nutzbare Arbeit zu ergeben. In dem Mantel ist eine Vielzahl axial verlaufender Kanäle ausgebildet, die für eine Strömungsverbindung zwischen der Außen-

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seite des Mantels, und der hinteren Kante der Rille sorgen. Weiterhin ist eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeter, axial verlaufender Schlitze in der Innenseite des Schaufelflansches ausgebildet, um für eine Strömungsverbindung zwischen der Rille und der Vorderkante des Außenbandes der Schaufel zu sorgen. Eine Luftströmung entlang dieses Pfades verhindert weiterhin die Stagnation von Luft in dem Übergangsbereich aufgrund ihrer Spülwirkung. Die Kühlluft, die dann in die Hauptgasströmung eintritt, bildet einen Luftfilm um die Vorderkante des Außenbandes des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes herum, um die Kühlung zu unterstützen.

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

Figur 1 ist eine axiale Teilschnittansicht der Turbine und des Schaufelabschnittes einer Turbomaschine.

Figur 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Halteringabschnittes.

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 entlang der Linie 5 - 5 in Figur k.

In Figur 1 ist die Erfindung allgemein bei 10 dargestellt, wie sie in dem Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerkes verkörpert ist. Eine die erste Stufe darstellende Hochdruckdüse oder Führungs- bzw. Leitschaufel 11 empfängt Hochdruckgas aus dem Brenner und richtet sie auf die erste Stufe von Hochdruck-Turbinenlaufschaufeln 12, die die thermische Energie in kinetische Energie umwandeln, indem die Turbinenscheibe 13 in üblicher·Weise

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in Drehung versetzt wird. Die Düse 11 ist an ihrem Innenband mit einer Halterung 17 der ersten Stufe verschraubt, die sowohl für eine radiale als auch eine axiale Halterung sorgt und weiterhin die Innenwand der Strömungsbahn von dem hinteren Verdichterrahmen zur Düse bildet. Eine axiale Halterung wird auch an dem Außendurchmesser der Schaufel 10 durch einen Ring 18 ausgebildet, der an der Hinterseite des Außenbandes 19 angreift. Die Hohlschaufeln

11 werden durch Ausgangsluft aus dem Kompressor gekühlt, die in die Kammer 21 eintritt, die auf ihrer Außenseite durch den hinteren Verdichterrahmen 22 begrenzt ist. Die Luftjströmt dann durch eine Prallplatte 23 hindurch in eine Kammer 24, um in die Hohlschaufeln einzutreten und durch eine Vielzahl von Löchern an der Vorderkante, seitlichen Löchern und Schlitzen in der Hinterkante auszutreten, wie es allgemein bekannt ist. Die Prallplatte 23 ist durch mehrere Bolzen 26 an einer Dichtung 27 befestigt, die ihrerseits durch Bolzen 28 an der Düsenhalterung der zweiten Stufe befestigt ist. Die Dichtung 27 ist eine ringförmige Vorrichtung, die sich radial nach außen erstreckt, um an einem/Streifen 31 auf dem hinteren Verdichterrahmen 22 anzugreifen, um dadurch von der Kammer 21 eine hintere Kammer 32 abzutrennen, die Kühlluft auf einem kleineren Druck und einer niedrigeren Temperatur gegenüber denjenigen der Kammer 21 enthält. ^Puffer oder

Radial außen von den Turbinenschaufeln 12 ist eine Mehrzahl in Umfangsrichtung. beabstandeter Mantelsegmente 33 angeordnet. Die Mantelsegmente 33 sind im engen Abstand zu den Turbinenschaufeln

12 angeordnet, um eine Leckage heißer Gase zwischen diesen Teilen zu verhindern, und sie enthalten einen Abschnitt aus Material 34 direkt den Turbinenschaufeln gegenüberliegend, wobei dieses Material derart aufgebaut ist, daß eine gelegentliche Störung bzw. ein Eingriff zwischen den Komponenten gestattet ist, ohne daß eine damit verbundene Abnutzung der Turbinenschaufeln und infolgedessen instabile Abnutzungszustände überwiegen. Eine Halterung für die Schaufelsegmente 33 wird an dem Vorderende durch Schaufelhalterungssegmente 36 geschaffen, die durch Be-

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festigungselemente 28 mit der Düsenhalterung 29 für äie zweite Stufe verbunden sind und die radial nach innen ragen, um in einem axialen Plansch 37 zu enden, der in eine vordere Nut oder Rille des Mantels paßt, um für eine sichere radiale Anordnung des Mantels zu sorgen. Die Halterung am hinteren Ende des Mantelsegmentes wird durch einen Rand 39 geschaffen, der einen integralen Bestandteil der Düsenhalterung 29 bildet und von dort radial nach innen ragt und äußere und innere Plansche 41 und 42 aufweist. Ein weiterer Bestandteil der Halterungsstruktur ist eine C-förmige Klemme 43, die einstückig mit dem Außenband 44 der Düse 14 der zweiten Stufe ausgebildet ist und von dem Außenband 44 nach vorne ragt. Der innere Flansch 42 des Randes 39 liegt an der Außenseite der Mantelsegmente 33 an und die C-förmige Klemme 43 paßt derart in diese Kombination, daß ihr äußerer Plansch 46 fest an der Außenseite des äußeren Flansches 41 des Randes 39 angreift, und ihr innerer Plansch 47 paßt in die rückseitige Nut bzw. Rille 48 des Mantelsegmentes. Auf diese Weise hält die C-förmige Klemme 43 den Mantel 33 und die Düsenhalterung 29 der zweiten Stufe derart zusammen, daß sich der Mantel 33 in radialer Richtung mit der Düsenhalterung 29 bewegt. In ähnlicher Weise ist das Vorderende des Mantels 33 ebenfalls radial angeordnet mit der Düsenhalterung 29 aufgrund des starren bzw. stabilen Mantelhalterungssegmentes 36. Somit ist die radiale Position des Mantels 33 abhängig von der radialen Position der Düsenhalterung 29 der zweiten Stufe, die ihrerseits vorwiegend von ihrer Temperatur abhängig ist. Allgemein läßt sich sagen, daß bei niedrigeren Drehzahlen die Verdichterausgangsluft kühler ist und die Düsenhalterung 29 eine relativ innen, liegende Position einnimmt ,wogegen bei höheren Drehzahlen, wenn die Verdichterausgangsluft auf einer höheren Temperatur liegt, die Düsenhalterung 29 eine relativ außenfLiegende Position einnimmt. Für den stationären Betrieb stellt sich eine ähnliche Charakteristik in der Betriebsposition der Turbinenschaufeln ein, so daß ein minimaler Spielraum zwischen den zwei Komponenten eingehalten wird.

Die Mantelsegmente 33 werden durch Kühlluft gekühlt, die durch eine Vielzahl von kleinen Löchern 49 in einer Prallplatte 51 tin-

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treten, die an der Αμββηββ^β 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 dieses zu kühlen. Die Kühlluft geht von dem Verdichter aus und strömt durch eine Vielzahl von öffnungen 53 in dem Mantelhalterungssegment 36» um in die die Prallplatte 51 umgebende Kammer 5¹J einzutreten.

Gemäß den Figuren- 2 und 3 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 Außenumfang ein Auflager 6l bildet für einen engen Eingriff mit einer festen Passung für die Püaenhalterung 29 an ihrer Innenseite. Gleichzeitig liegt die hintere Oberfläche des radialen Abschnittes 57 fest gegen die vordere Oberfläche der Düsenhalterung 29 an. Auf diese Weise werden sowohl die radialen als auch die axialen Positionen des Ringes l8 durch die Halterung 29 festgelegt. Die axiale Länge des Abschnittes 56 ist derart ausgebildet, daß die vordere Oberfläche 6O des hinteren radialen Abschnittes 58 gegen die Rückseite 65 des äußeren Schaufelbandes 19 anliegt, um so eine axiale Halterung für das Außenband zu bilden. Somit wird deutlich, daß, wenn die Pührungsachaufel 11 belastet wird, die axiale Last auf die Düsenhalterung 29 übertragen wird durch den hinteren radialen Absöhnitt ^y58Y den axialen Abschnitt 56 und den vorderen radialen Abschnitt 57 des Ringes 18. Da die hintere Oberfläche 65 des äußeren Schaufelbandes 19 über die vordere Oberfläche 60 des hinteren radialen Abschnittes 58 gleiten kann, wird gleichzeitig die Tendenz, daß radiale Belastungen von der Schaufel auf- den Ring und von dort auf die Halterung 29 übertragen werden, auf ein Minimum reduziert.

Wi* weiterhin aus Figur 2 hervorgeht, wird eine_: Kammer 62 im wtMnt liehen durch den Ring 18 ,die Düsenhalterung 29 und die Ma^telhalterungseemente 36 gebildet. Eine Luftströmung iwiiohtn differ Kamiuer 62 und der in Figur, !gezeigten Kammer 2k wird durqh Löcher.63 hfrrgettel^t, die richtig bemessen sind, um

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Luft zuzumessen, die durch die öffnungen 53 und die Kammer 54 strömt, um die Mantelstruktur zu kühlen. Zusätzlich hat diese Lochreihe, wie sie aus Figur 3 zu ersehen ist, die Aufgabe, das stromaufwärtige Ende des axialen Ringabschnittes 56 von den thermischen Änderungen in dem stromabwärtigen Ringende zu trennen bzw. zu isolieren. Da nämlich der hintere radiale Ringabschnitt 58 teilweise der Strömung heißer Gase ausgesetzt ist, unterliegt er.Temperaturänderungen und ungleichförmigen Umfangstemperaturgradienten. Die Reihe der Löcher 63 bildet jedoch eine Grenze, die verhindert, daß diese Temperaturen zum vergrößerten Abschnitt 59 des Ringes und von dort zur Düsenhalterung 29 wandern, um eine Ungleichförmigkeit im Umfang der Düsenhalterung und der Mantelsegmente 33 hervorzurufen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Lage der Löcher 63 stromaufwärts oder stromabwärts auf dem Ring verschoben werden könnte, oder sie könnten sogar in der Düsenhalterung 29 selbst angeordnet sein.

In den Figuren 4 und 5 ist der Innenflansch 47 der C-förmigen Klemme 43 gezeigt, wie er sich in einer engen Passung mit der hinteren Mantelrille 48 befindet, um dadurch die Anklemmung des Schaufelsegmentes 33 an dem Innenflansch 42 des Randes 39 zu unterstützen, um auf diese Weise die radiale Position des Mantels 33 genau zu steuern. Diese fest passende, verriegelnde Relation zwischen dem Mantel und dem Innenflansch 47 des Randes 39 verhindert weiterhin,daß heiße Gase radial nach außen in die Kammer 64 strömen, die durch die C—förmige Klemme 43 und den Rand 39 gebildet ist. Deshalb bleiben die Kammer 64, der Rand und die Halterung 29 und weiterhin der benachbarte Außenflansch 41 des Randes 39 auf einer gleichförmigen kalten Temperatur, um die Schaufel und den Mantel in einer im wesentlichen stabilen radialen Position zu halten. Da der innere Flansch 47 der C-förmigen Klemme 43 nahe an der Hauptgasströmung angeordnet ist, sind Übergangskammern im wesentlichen eliminiert und eine Umwälzung bzw. Rezirkulation heißer Gase ist verhindert, so daß die Bewegungsenergie innerhalb der Strömungsbahn der heißen Gase eingeschlossen ist.

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Wie aus Figur 4 hervorgeht, befindet sich ein Bereich zwischen dem Mantelbereich 33 und dem äußeren Schaufelband 44, wo das aus der umlaufenden Stufe austretende heiße Gas leicht an der Vorderkante der Düse stagniert. Um dies jedoch zu verhindern, wird die Luft, die zum Kühlen des Mantels verwendet wurde, weiterhin dazu benutzt, um diese Rückströmung heißer Gase zu verhindern oder zu verkleinern. Deshalb sind in dem Mantel axial verlaufende und in Umfangsrichtung beabstandete Löcher 66 ausgebildet, um die Kammer 52 strömungsmäßig mit der hinteren Rille bzw. Nut 48 des Mantels zu verbinden. Weiterhin sind zahlreiche axial verlaufende, in Umfangsrichtung beabstandete Schlitze 67 in dem inneren Rand des inneren Flansches 47 der C-förmigen Klemme ausgebildet, um eine Strömungsverbindung zwischen der hinteren Mantelrille 48 und den Vorderkanten der Schaufeln der zweiten Stufe herzustellen. Diese 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 die Umwälzung heißer Gase anderenfalls auftreten würde. Diese Kühlluft strömt dann um die Vorderkante des Außenbandes herum, um für eine zusätzliche Heißpunktkühlung zu sorgen, und tritt dann wieder in die Gasströmung ein, um zusätzliche nutzbare Arbeit zu ergeben. Eine richtige Ausrichtung der Schlitze 67 mit demjenigen Bereich, der gegenüber der Luftstagnation empfindlich ist, führt dazu, daß diese Bereiche ausgespült werden und dadurch gleichförmige Temperaturen und radiale Positionen des Mantels und der Halterungsstrukturen eingehalten werden.

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Claims

Ansprüche

\\J Dichtungs-und Halterungsanordnung für eine Turbomaschine mit einem Mantel und einem äußeren Schaufelband neben einet⁴ Strömung sb ahn, die zusammen einen Teil der Begrenzung für das Arbeitsmittel bilden, dadurch g e k e η η ζ υ i c h net, daß in dem hinteren Rand des Mantels (33) fin ringförmiger Schlitz (48) ausgebildet ist, radial außen und mit dem Mantel in Eingriff stehend eine Düsenhalterungsstruktur (29) angeordnet ist, die einen Halterurigs flansch aufweist, der von der Halterungsstruktur sich nach hinten erst, reckt, und eine C-förmige Klemme (43) an dem äußeren Schaufe Lband ('Ml) befestigt ist, die einstückig damit ausgebildete äußere und innere Flansche (46, 47) aufweist, von denen der innere Plansch (47) axial nach vorne in den ringförmigen MantelschLitz (48) ragt und von denen der äußere Flansch (46) sich axiaL nach vorne in eine überlappende Relation mit dem ringförmigen HaI-terungsflansch erstreckt derart, daß der Mantel (33) mit der Düsenhalterungsstruktur (29) verklemmt ist.

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?.. Dichturigs- und Halterungsanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem

Mantel (33) zahlreiche Löcher (66) ausgebildet sind, die eine Kühlluftströmung von einer Quelle auf die radial äußere Mantelseite leiten derart, daß die Kühlluft auf den Innenflansch (47) der C-förmigen Klemme (43) aufprallt.

3. Dichturigs- und Halterungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (66) zu dem ringförmigen Schlitz (48) führen.

4. Dichtungs- und Halterungsanordnung nach Anspruch 2,

d a durch gekennzeichnet, daß auf dem rad La L inneren Umfang des inneren Flansches (47) zahlreiche in Umfangsrichtung beabstandete Zacken (bei 67) ausgebildet sind :uir Herstellung einer Strömlings verbindung zwischen den Löchern (36) und dem vorderen Rand des äußeren Schaufelbandes (44).

[·>. Pichtungs- und Halterungsanordnung nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet, daß durch die radial, innere Seite des inneren Flansches (47) für wenigstens einen Teil der Umfangslänge des Flansches ein über-Lappender Kontakt mit einer den ringförmigen Schiita (48) b i ldt.'tideri Oberfläche beibehalten ist.

tj. Dichtung^- und Halterungsanordnung nach Anspruch 5,

d η d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß in der

I-lante 1 halterung zahlreiche Löcher ausgebildet sind zum Leiten eiiit.-r KühL luftströmung von einer Quelle auf ihrer radial üul.'.tift;n Seite zn der radial inneren Seite von Umfangsabsehnitten .Κ.·.; inneren Flansches.

'(. Dichtung;- und Halterungsanordnung nach Anspruch 5, ti a durch gekennzeichnet, daß auf dem inn· rrri Umfang des inneren Flansches sahireiche in Umfangsrichf iitig beabstandete Zacken ausgebildet sind, die in Umfangs-

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richtung Unterbrechungen in dem überlappenden Kontakt mit der den ringförmigen Schlitz bildenden Oberfläche bilden.

8. Dichtungs- und Halterungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mantel zahlreiche Löcher ausgebildet sind zum Leiten der Kühlluftströmung von einer Quelle auf seiner radial äußeren Seite zu den in Umfangsriehtung beabstandeten Zacken.

9. Dichtungs- und Halterungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsriehtung beabstandeten Zacken derart angeordnet sind, daß Kühlluft für einen Aufprall gegen die Vorderkante des äußeren Schaufelbandes austritt.

10. Dichtungs- und Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mantel Löcher ausgebildet sind zum Leiten der Kühlluftströmung von einer Quelle auf seiner radial äußeren Seite zu dem ringförmigen Schlitz.

11. Dichtungs- und Halterungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem inneren Umfang des inneren Flansches zahlreiche in Umfangsriehtung beabstandete Zacken ausgebildet sind, die eine Strömungsverbindung zwischen den Löchern und der das Arbeitsmittel führenden äußeren Strömungsbahn herstellen.

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