DE2907749A1

DE2907749A1 - Einrichtung zur minimierung und konstanthaltung der bei axialturbinen vorhandenen schaufelspitzenspiele, insbesondere fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2907749A1
Application number: DE19792907749
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Trappmann; Wolfgang Dipl Ing Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1979-02-28
Filing date: 1979-02-28
Publication date: 1980-09-04
Also published as: GB2043794A; FR2450345B1; JPS55117011A; JPS6316565B2; FR2450345A1; GB2043794B; US4439981A; DE2907749C2

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 6. Februar 1979

Einrichtung zur Minimierung und Konstanthaltung der bei Axialturbinen vorhandenen Schaufelspitzenspiele, insbesondere für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Minimierung und Konstanthaltung der bei Axialturbinen zwischen den äußeren freien Turbinenlaufschaufelenden oder zwischen einem äußeren Deckband der Turbinenlaufschaufeln und einem angrenzenden Turbinengehäuse befindlichen Spalte, insbesondere für Gasturbinentriebwerke.

Gasturbinentriebwerke kleinerer Leistung, sowohl Wellentur-* binen als auch Strahltriebwerke, werden häufig mit einer Umkehrringbrennkammer und einer axial durchströmten Turbine gestaltet. Anzustrebende hochwertige Kreisprozesse, d.h. hohe spezifische Leistungen bzw. hohe spezifische Schübe in Verbindung mit niedrigen spezifischen Brennstoffverbrauchen, führen dabei automatisch zu kleinen Abmessungen u.a. der Verdichterturbine. Folglich gewinnt der Radialspalt zwischen Laufrad und Gehäuse einen hohen Einfluß auf Leistung bzw.

_T_₅₈₈ . 030036/0353 _ ₅ _ .

Schub und Wirkungsgrad;. Werden derartige Gasturbinentriebwerke zusätzlich noch häufigen, schroffen Lastwechseln unterworfen, so ist es notwendig, die Schaufelspitzenspiele nicht nur während der stationären Betriebszustände, sondern auch während der instationären Betriebszustände beim übergang auf andere Leistungsniveaus klein zu halten. Erschwerend ist in diesem Zusammenhang bei Maschinen der eingangs erwähnten Art, daß durch die konzeptionsbedingte Auslegung der Verdichterturbine mit relativ niedrigem Naben-* verhältnis in Verbindung mit einem meist hohen Verhältnis von Nabenbohrungs- zu Kranzdurchmesser der Scheibe der Wärmedehnungsanteil der Laufschaufeln an der Gesamtdehnung des Laufrads oft mehr als ein Drittel beträgt. Da aber die Wärmedehnung der Laufschaufeln - ähnlich wie die Wärmedehnung der Leitschaufeln und des Gehäuses - sehr rasch der Temperaturänderung des Arbeitsgases folgt, die Wärmedehnung der Radscheibe aber mit einer deutlichen zeitlichen Verzögerung hinterherhinkt, führen bekannte Bauweisen zur Klein- und Konstanthaltung der Schaufelspitzenspiele - wie z.B. die Leitschaufelträgerbauweise - nicht zu befriedigenden Ergebnissen.

Im Rahmen des vorstehend behandelten Problemkreises liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei Axialturbinen für Strömungsmaschinen, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, die Schaufelspitzenspiele über einen möglichst weiten Betriebs-

06.02.1979 - 6 -

030036/0353

bereich, und zwar auch unter Berücksichtigung instationärer Betriebszustände, verhältnismäßig klein sowie konstant halten zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfxndungsgegenstandes gehen aus den Patentansprüchen 2,3, 4 und 5 hervor.

Die vorteilhafte Wirkungssweise des Erfxndungsgegenstandes wird nachfolgend erläutert.

Der segmentierte Anlaufring weist im kalten Zustand und unter Leerlaufbedingungen ein definiertes Spiel in ümfangsrichtung zwischen den einzelnen Segmenten auf. Desgleichen liegt ein definiertes Radialspiel zwischen den Schaufelspitzen und dem Anlaufring vor. Mit steigender Leistungsabgabe der Maschine wobei die zeitliche Änderung der Leistungsabgabe zunächst als vernachlässigbar klein angesehen wenden soll - wachsen Turbinengehäuse bzw. Leitschaufelträger und elastische Hülse mehr oder minder in Abhängigkeit von der Verdichterendtemperatur^in radialer Richtung, während die Ringsegmente mehr oder minder mit der Turbineneintrittsternperatur in ümfangsrichtung wachsen. Der Durchmesser des Anlaufrings wird bis zu einem defilierten Teillastpunkt von der Wärmedehnung des Turbinen-

06.02.1979 - 7 -

030036/03B3

gehäuses bzw» Leitschaufelträgers bestimmt. Dieser Teillastpunkt ist je nach den Einsatzbedingungen wählbar und dann erreicht, wenn das Spiel in ümfangsrichtung zu Null geworden ist. Bei steigender Leistungsabgabe über diesen Punkt hinaus verhält sich der segmentierte Aalaufring wie ein geschlossener Ring; seine Wärmedehnung, deren Betrag größer ist als die des Turbinengehäuses, bzw. des Leitschaufelträgers und der damit mehr oder minder temperaturgleichen elastischen Hülse, bedingt eine elastische Aufweitung des letzteren Bauteils in der Ebene der Aufhängung des segmentierten Anlaufrings.

Bei einer Abregelung der Maschine auf eine niedrigere Leistungsabgabe ist der Verlauf der Wärmedehnung des segmentierten Anlauf rings entsprechend_; umgekehrt»

Bei einem schroffen Lastwechsel, z.B. bei einem Beschleunigungsvorgang von einem niedrigeren Leistungsniveau auf ein höheres, folgen die Segmente des Anlaufrings wie auch die Turbinenlaufschaufeln sehr rasch der dem neu eingeregelten Betriebszustand entsprechenden Beharrungstemperatür. Sie dehnen sich zunächst in Dmfangsrichtung, bis das Spiel zwischen den einzelnen Segmenten in ümfangsrichtung zu Null geworden ist. Bis zu diesem Zeitpunkt wird der Durchmesser des segmentierten Anlaufrings durch die Wärmedehnung der elastischen Hülse im Bereich der Aufhängung der Segmente bestimmt, die mit Luft vom Ende des Verdichters beaufschlagt ist. Da die Verdichterendtemperatur spontan dem neuen Lastpunkt des Triebwerks folgt, erfolgt

T-588 030036/0353

06.02.1979 - 8 -

dieser Wärmedehnungsvorgang mit verhältnismäßig kleiner Zeitkonstante, d.h. ähnlich schnell wie die Wärmedehnung der Laufschaufeln. Bei einer weiteren Erwärmung des segmemtierten Anlaufrings wirkt dieser wie ein geschlossener Ring, seine Wärmedehnungen verursachen jetzt eine elastische Aufweitung der elastischen Hülse. Mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung entsprechend der gegenüber den Laufschaufeln ebenfalls zeitlich verzögerten Erwärmung 'der Laufradscheibe erfolgt die gegebenenfalls durch Wärmeisolationsmaßnehmen beeinflußbare Erwärmung und die damit einhergehende Wärmedehnung des Turbinengehäuses bzw. Leitschaufelträgers, verbunden mit einer teilweisen, gegebenenfalls auch vollständigen Rückbildung der elastischen Deformation der elastischen Hülse. Im letzteren Falle stellt sich dann wieder ein Spiel in Umfangsrichtung zwischen den Segmenten des Anlaufrings ein. Durch die Beaufschlagung der elastischen Hülse mit Luft vom Verdichterende ist es fernerhin möglich, die Druckkräfte in ümfangsrichtung an den Stoßstellen der Segmente zu begrenzen.

Bei einem schroffen Lastwechsel von einer höheren zu einer niedrigeren Laststufe erfolgen die einzelnen Abläufe wiederum in umgekehrter Reihenfolge: Zunächst folgen die Segmente des Anlaufrings etwa mit derselben-Zeitkonstante wie die Laufschaufeln der dem neuen Betriebszustand entsprechenden Beharrungstemperatur und schrumpfen. Solange die elastische Hülse noch deformiert ist, geht deren Deformation zurück. Dies hat zur Folge, daß der Durchmesser des segmentierten

oi!o2.1979 030036/03B3

Anlaufrings wiederum etwa mit der Zeitkonstante der Laufschaufeln kleiner wird. Wird dabei der Punkt erreicht, bei dem Spiel in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Segmenten auftritt, bewirkt die Kühlung der elastischen Hülse mit Luft vom Verdichterende ein Schrumpfen im Bereich der Segmentaufhängung, was wiederum in einer Verringerung des Durchmessers des segmentierten Anlaufrings mit kleiner Zeitkonstante resultiert, d.h. ähnlich schnell wie die Schrumpfung der Laufschaufeln.

Somit ist bei einer derartigen Gestaltung des Turbinenstators sichergestellt, daß das betreffende Gasturbinentriebwerk über einen weiten Bereich auch bei instationären Betriebszuständen mit kleinen Schaufelspitzenspielen betrieben werden kann, was sich automatisch positiv auf Leistung und Wirkungsgrad auswirkt.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig» 1 einen Teillängsschnitt eines mit den für die

Erfindung wesentlichen Bauteilen ausgestatteten Gasturbinentriebwerks und

Fig. 2 einen Triebwerksabschnitt nach der Schnittlinie II-II der Fig. 1.

Q30036/0363

Zum Gasgenerator des Triebwerks nach Fig. 1 gehört ein Radialverdichter 1, dem ein Radialdiffusor 2 nachgeschaltet ist, aus dem die Strömung aus dem Verdichter V über einen um etwa 90° abgewinkelten Krümmer 3 in axialer Richtung abgelenkt und einem sich an den Krümmer 3 anschließenden Axialleitgitter 4 zugeführt wird. Vom Axialleitgitter 4 aus gelangt die Verdichterluft V zunächst in einen ersten Ringkanal 5 und nach Umströmung des Brennkammerkopfes in einen zweiten Ringkanal 6, die beide koaxial zur Triebwerkslängsachse 7 angeordnet sind. Der erste . und der zweite Ringkanal 5 und 6 werden von der Flammrohrbewandung 8 einer koaxial zur Triebwerkslängsachse 7 angeordneten Ring-Umkehr-Brennkammer 9 einerseits sowie einer äußeren Gehäusewand 10 und einem als Fortsetzung dieser Gehäusewand 10 mit dieser verbundenen Leitschaufelträger 11 gebildet.

Die in der Zeichnung nicht weiter dargestellte, gewölbte Flammrohrrückwand wird im wesentlichen von der mit Abstand parallel dazu verlaufenden Gehäusewand 10 ummantelt. Ein Teil der zugeführten Verdichterluft V wird über mehrere gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordnete^, mit der Flammrohrrückwand verbundene Verdampferrohrkörper, z.B. 12, dem Verbrennungsprozeß zugeführt.

Aus dem Ringraum 6 strömt die Verdichterluft V in einen sich daran anschließenden, gegenüber der Flammrohrbewandung 8 radial aufgeweitet ausgebildeten Ringkanal 13, von wo sie in später noch näher erläuterten Weise diversen Kühlzwecken zugeführt

_T_₅₈₈ 030036/03S3

06.02.1979 - 11 -

Zum Gasgenerator des Triebwerks gehört ferner eine zweistufige Verdichterantrxebsturbxne ο -.η zugehörige Leit- und Laufschaufeln der Reihe nach - von links nach rechts - mit 14, 15 bzw. 16, 17 bezeichnet sind. Die zweistufige Verdichterantrxebsturbxne umfaßt außerdem zwei u.a. durch eine Umfangsverzahnung drehfest untereinander verbundene Turbinenradscheiben 19, 20, wobei die Turbinenradscheibe 19 über weitere Rotorbauteile 21, 22 sowie eine Umfangsverzahnung 23 mit der Radscheibe 24 des Radialverdichters 1 gekoppelt ist.

Mit 25 ist in Fig. 1 eine hohlwellenartig ausgebildeter Zuganker für die Gaserzeugerbaugrupnen bezeichnet, durch welchen eine Hohlwelle 26 geführt ist, über welche die von einer der Verdichterantrxebsturbxne mechanisch unabhängig nachgeschalteten Nutzturbine abgegebene Leistung auf ein stirnseitig am Triebwerk angeordnetes Getriebe übertragbar ist.

Gemäß Fig. 1 ist am Turbinenleitschaufelträger 11 ein ringförmiges, hülsenartiges Bauteil 27 radial-elastisch verformbar aufgehängt, das mittels der vom Verdichterende entnommenen Luft V beaufschlagbar ist, die aus dem Ringkanal 13 über eine belochte Hülse 28 in Form hochenergetischer Luftstrahlen A gegen das hülsenartige Bauteil 27 gerichtet ist (Aufprallkühlung). Die belochte Hülse 28 ist ferner sowohl mit dem hülsenartigen Bauteil 27 als auch mit einem Umlenkbogen 8' verbunden und

06.02.1979 - 12 -

030036/03 B'3

-yf-

fungiert zusammen mit dem hülsenartigen Bauteil 27 als Halterungsmittel für die Turbineneintrittsleitschaufeln 14. Der Umlenkbogen 8' ist an seinem stromaufwärtigen Ende lose in einem gabelförmigen Abschnitt G der Plammrohrbewandung 8 aufgehängt. Die Teile 8', 14, 27 und 28 bilden eine bauliche Einheit. Aus dem zwischen der belochten Hülse 28 und dem hülsenartigen Bauteil 27 eingeschlossene Ringraum 29 fließt ein Teil der zugeführten Verdichterluft als Kühlluft {Pfeil K) in die hohlen Leitschaufeln 14 ab, aus denen sie nach vollzogenem Kühlprozeß wieder dem Gasstrom zugeführt wird.

Weiter ist ein Anlaufring 30 am hülsenartigen Bauteil 27 befestigt und in Segmente 31, 32, 33 (Fig. 2) aufgeteilt, welche im kalten Zustand sowie unter Leerlaufbedxngungen unter Belassung eines definierten ümfangspiels S zwischen den jeweils benachbarten Stoßkanten angeordnet sind; hierbei sind die einzelnen Segmente 31, 32, 33 des Anlaufrings 30 mittels Verbindungslaschen 34 umfangsseitig gegeneinander abgedichtet. Oberhalb eines wählbaren Betriebsbereiches soll dieses erwähnte Umfangsspiel S zu Null werden und bei weiterem

fr

Temperaturanstieg eine elastische Deformation des hülsenartigen Bauteils 27 bewirken.

Gemäß Fig. 2 ist der Anlaufring in entsprechend zugeordneter Folge segmentiert und mit Schaufelanlaufbelägen 35, 36, versehen.

06.02.1979 - 13 -

030036/0353

Wie in Fig. 1 weiter erläutert, ist dem segmentierten Anlaufring 30 ebenfalls eine Aufprallkühlung {Pfeile B) zugeordnet, wozu ein übriger Teil der am Verdichterende entnommenen, aus dem Ringkanal 13 gemäß Pfeilrichtung R,in einen Ringraum 38 abfließenden Luft verwendet wird. Dieser Ringraum 38 wird zwischen einer weiteren belochten Hülse 39, dem hülsenartigen Bauteil 27 sowie einem Tragring 40 gebildet, der am Leitschaufelträger 11 befestigt ist. An diesem Tragring 40 sind das hintere Ende des Anlaufrings 30 sowie die Turbinenleitschaufeln 16 abgestützt. Ferner stützt sich an diesem Tragring 40 das hintere Ende der weiteren belochten Hülse 39 ab. Ein aus dem zwischen dem Anlaufring 30 und der weiteren belochten Hülse 39 gebildeten Ringkanal abfließender Restluftstrom R¹ übernimmt einerseits eine Sperrluftfunktion und bewirkt ferner eine Filmkühlung entlang der den Schaufelenden zugewandten Fläche des Anlaufrings 30. Ein* weiterer aus dem Ringkanal 13 abgezweigter Luftanteil T teilt sich u.a. in einen Kühlluftfluß ü für die Leitschaufeln 16 sowie in einen weiteren Sperrbzw. Filmkühlfluß W für die zweite Turbinenstufe auf.

Wie ferner aus Fig. 1 entnehmbar ist, ist der segmentierte Anlaufring 30 mit axial vorspringenden Enden 41 am kragenartig vorstehenden Absätzen 42 des hülsenartigen Bauteils 27 aufgehängt.

06.02.1979 - 14

Q30036/0353

Im Rahmen der Erfindung sind hierbei weiter die gekreuzt schraffiert dargestellten, stirnseitigen Bereiche des segmentierten Anlaufrings 30 sowie die unmittelbare Aufhängung desselben (Ende 41) an dem elastischen hülsenartigen Bauteil 27 so dimensioniert, daß ein in seinem zeitlichen Verlauf auf die Wärmedehnung der Turbinenradscheibe 19 abgestimmter Verlauf der Aufheizung und damit eine wärmeelastische Aufweitung des hülsenartigen Bauteils 27 gewährleistet ist.

Gemäß Fig. 1 wird der Turbinenleitschaufelträger 11 ebenfalls mittels der vom Verdichterende entnommenen Luft V beaufschlagt und gekühlt, wobei eine Wärmeisolationsschicht Js zweckmäßig auf der vom Verdichterluftstrom V abgewandten Seite am Leitschaufel tr agar 11 angeordnet ist. Auch der segmentierte Anlaufring 30 kann mit einer derartigen Wärmeisolationsschicht Js¹ - hier zweckmäßig an der den Laufschaufelenden zugewandten Fläche - ausgerüstet sein. Die erwähnten Wärmeisolationsschichten Js, Js' können zur zeitlichen Verzögerung der Temperaturbeeinflussung durch die vom Verdichterende entnommenen Luft vorgesehen'sein. Im übrigen können diese Wärmeisolationsschichten Js, Js¹ aus Keramik bestehen.

Zum Stand der Technik wird auf die DE-PS 859 089 sowie auf die US-PS 3,583,824 verwiesen. Durch die DE-PS 859 089 ist es für sich bekannt, einen den äußeren Turbinenlaufschaufelenden

06.02.1979 - 15 -

Q30036/0353

zugewandten Änlaufring in Segmente zu zergliedern und diese Segmente mit Umfangsspiel zuzuordnen.

Durch die US-PS 3,583,824 ist es für sich bekannt, einen an die äußeren Turbinenlaufschaufelenden angrenzenden Änlaufring mit einer Äufprallkühlung auzustatten.

T-588
06.02.1979

Q3QQ36/03S3

Claims

MOTOREN- UND TURBINPN-C⁷NION

München, den 6.Februar 1979

Patentansprüche

Einrichtung zur Mininmierung und Konstanthaltung der bei Axialturbinen zwischen den äußeren freien Turbinenlaufschaufelenden oder zwischen einem äußeren Deckband der Turbinenlaufschaufeln und einem angrenzenden Turbinengehäuse befindlichen Spalte, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Am äußeren Turbinengehäuse oder an einem zugehörigen Turbxnenlextschaufelträger (11) ist ein ringförmiges, hülsenartiges Bauteil (27) radial-elastisch verformbar aufgehängt, das mittels vom Verdichterende entnommener Luft beaufschlagbar ist;

b) ein Anlaufring (30) ist am hülsenartigen Bauteil (27) befestigt und in Segmente (31, 32, 33) aufgeteilt, welche im kalten Zustand sowie unter Leerlaufbe-

T-588 - 2 -

0300 3 6/03B3

dingungen unter Belassung eines definierten Umfangsspiels (S) zwischen den jeweils benachbarten Stoßkanten angeordnet sind;

c) oberhalb eines wählbaren Betriebsbereichs wird das unter b) genannte Spiel zu Null und bewirkt bei weiterem Temperaturanstieg eine elastische Deformation des hülsenartigen Bauteils;

d) die stirnseitigen Bereiche des segmentierten Anlaufrings (30) sowie die unmittelbare Aufhängung desselben am elastischen, hülsenartigen Bauteil (27) sind so dimensioniert, daß ein in seinem zeitlichen Verlauf auf die Wärmedehnung der Turbinenradcheibe abgestimmter Verlauf der Aufheizung, und damit eine wärmeelastische Ausweitung des hülsenartigen Bauteils

(27) gewährleistet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß des Turbinengehäuse, bzw. der Turbinenleitschaufelträger (11) ebenfalls mittels vom Verdichterende entnommener Luft beaufschlagbar ist.
3. Einrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse, bzw. der Turbinenleitschaufelträger (11) und/oder der segmentierte Anlaufring (30) mit einer Wärmeisolation (Js, Js¹) ausstattbar sind.

06.02.1979 030036/0353 _ ₃ _
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitschaufelträger (11) Bestandteil des Brennkammeraußengehäuses einer koaxial zur Triebwerksachse angeordneten, die Turbine umschließenden Ring-Umkehr-Brennkammer (9) ist.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem hülsenartigen Bauteil (27) und/oder dem segmentierten Anlaufring (30) eine Aufprallkühlung zugeordnet ist.

06.02.1979 . - 4 -

030 036/0 55