DE2907769A1

DE2907769A1 - Mantelhalterung mit aufprallkuehlung

Info

Publication number: DE2907769A1
Application number: DE19792907769
Authority: DE
Inventors: Terry Thomas Eckart
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-06-05
Filing date: 1979-02-28
Publication date: 1979-12-13
Anticipated expiration: 1999-03-01
Also published as: IT1110149B; FR2428141A1; DE2907769C2; IT7920610A0; FR2428141B1; JPS54159516A; GB2035466A; GB2035466B; JPH0228683B2; US4303371A

Description

Mantelhalterung mit Aufprallkühlung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf die Halterung und Kühlung des Rotormantels der Turbine.

Gasturbinentriebwerke arbeiten bei einem besseren Wirkungsgrad, wenn die Betriebstemperaturen der Turbine auf sehr hohe Werte erhöht werden. Da die bevorzugten Temperaturen ein gutes Stück über den Temperaturen liegen, die für gegenwärtig in den Strömungswegen verwendeten Metallen zulässig sind, müssen diese Teile gekühlt werden, damit sie eine annehmbare Lebensdauer besitzen. Die Turbinenschaufeln, die in der Hauptgasströmung arbeiten, werden normalerweise durch Konvektions-, Aufprall- oder Filmkühlung oder durch eine Kombination dieser drei Formen gekühlt. Die Mäntel, die die Turbinenschaufeln umgeben und dabei eine stationäre äußere Strömungsbahn bilden, werden gewöhnlich dadurch gekühlt, daß Kühlluft, wie beispielsweise Abzapfluft von dem Kompressor, direkt auf die äußere Oberfläche des Mantelelementes aufprallt, üblicherweise wird der Aufprall von Luft gegen die äußere Oberfläche des Mantels durch eine Aufprallanordnung herbeigeführt, die auf der äußeren Oberfläche der Mantelstruktur in der Weise angebracht ist, daß die Leitanordnung oder die Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Leitsegmenten eine gemeinsame Grenzschicht bilden zwischen der radial inneren Niederdruckkammer, wo die aufgeprallte Luft bleibt, und der radial äußeren Hochdruckkammer, die teilweise durch die Mantelhalterung gebildet ist und die die einen relativ hohen Druck aufweisende Luft von dem Verteiler der Kompressorablaßluft oder ähnlichem empfängt. Bei einigen Konstruktionen ist geschätzt worden, daß die Menge an Leckageluft in einem derartigen System in der Größenordnung von 40 % der gesamten zugeführten Mantelkühlluftströmung liegt. Diese Leckage tritt in einer Anzahl von

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Leckagepfaden auf. Da eine Reihe zusammenpassender Teile vorgesehen sein muß, wie beispielsweise die Mantelhalterungsnuten und die Mantelflansche, die in diese Nuten hineinpassen, besteht eine Tendenz für die einen hohen Druck aufweisende Kühlluft, aus der Kammer auszutreten, ohne durch die Aufprallanordnung hindurch getreten zu sein. Weiterhin sind die Mäntel in Seg_mente unterteilt, so daß das thermische Ansprechverhalten der Mantelanordnung durch die Mantelhalterung gesteuert ist, und da die .Mäntel eine gleiche Umfangslänge besitzen, so daß thermische Beanspruchungen, die eine Segmentbegradigung erzeugen, während des Triebwerkbetriebes auf ein Minimum gehalten sind, besteht notwendigerweise eine wesentliche Leckage zwischen den Mantelsegmenten.Höhere Drucke vergrößern selbstverständlich die Kühlwirkung des Systems, aber auf der anderen Seite wird auch die Leckage vergrößert. Es gibt einen bestimmten Kammerdruck, der die Mantelmetalltemperatur auf ein Minimum reduziert. Da die von dem Mantel abgezogene Wärme eine Funktion der Äufprallströnung multipliziert mit der Wärmeaufnahme der Aufpralluft (Kühlwirkungsgrad) ist, besteht ein Kammerdruck, wo die verbesserte Kühlwirksamkeit eines höheren Kammerdruckes nicht ausreicht, um die Verkleinerung der Aufprallströmung auszugleichen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mantelkühleinrichtung mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufprall-Leitanordnung direkt an der Mantelhalterung befestigt, so daß die Teile zusammen eine Hochdruckkammer bilden, die relativ frei von Leckagepfaden ist. Diese Hochdruckluft kann dann durch die Leitanordnung strömen, um für eine effektive und effiziente Aufprallkühlung zu sorgen, wobei die aufgeprallte Luft, die sich auf einem niedrigen Druck befindet, dann entweder in Bereich strömen kann, die anderenfalls Pfade mit hoher Leckage gewesen wären, oder durch FiIm- bzw. Schleierlöcher austreten kann, ohne daß ein wesentlicher Verlust an Turbinenwirkungsgrad auftritt.

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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Aufprall-Leitanordnung einen kontinuierlichen Ring aufweisen, der an der Mante!halterung durch einen Pestsitz befestigt ist, um eine im wesentlichen leckfreie Hochdruckkammer zu bilden, die auf wirksame Weise für eine Aufprallkühlung sorgt.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Aufprall-Leitanordnung ein Ring mit einem U-förmigen Querschnitt, wobei der eine Schenkel an dem einen Teil des Mantelhalterungselementes und der andere Schenkel an einem anderen Teil davon angreift, so daß die Aufprall-Leitanordnung wenigstens einen Teil von jeder der drei Seiten der Hochdruckkammer bildet. In dem radial inneren Schenkel der Aufprall-Gleitanordnung können Löcher vorgesehen sein, so daß Luft auf wirksame Weise gegen den Mantel prallen kann. Der radial äußere Schenkel der Leitanordnung wirkt als eine Wärmeabschirmung, um die kältere Hochdruckluft von dem relativ warmen Mante!halterungselement zu trennen.

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

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht der Mantelhalterungsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Figur 2 ist eine Längsschnittansicht der in Figur 1 gezeigten Mantelhalterungsstruktur.

Figur 3 ist eine Längsschnittansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung

In Figur 1 ist die Mantelhalterung gemäß der Erfindung insgesamt bei 10 dargestellt, wobei eine Reihe von Turbinenschaufeln 11, die in der Hauptgasströmung drehbar angeordnet sind, in engem Abstand von einer Anzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Mantelsegmente 12 umgeben sind, die die äußere Strömungsbahn der heißen Gase an diesem Punkt bilden, üblicherweise sollte der Mantel 12

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so nahe wie möglich an der Schaufelreihe angeordnet sein, ohne mit diesen tatsächlich in Berührung zu kommen. Es wird jedoch angenommen, daß es Perioden gibt, in denen Turbinenschaufeln an dem Mantel reiben, und für diesen Fall kann die radial innere Seite der Mantelsegmente aus einem abreib baren Material hergestellt sein oder alternativ können die Schaufelspitzen aus einem schleifbaren Material hergestellt sein.

Die Mantelsegmente 12 bilden einzelne Ringräume, die durch Gießen oder spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden können. Auf der radial äußeren Seite sind nach vorne und nach hinten ragende Plansche 13 und I¹J ausgebildet, die ein Mittel zur Halterung und zum Anordnen der Mantelsegmente bilden. In dem radial inne- ' ren Abschnitt der Mantelsegmente 12 sind zahlreiche Löcher 16 ausgebildet, die den Durchtritt von Niederdruckluft gestatten, wie es im folgenden noch näher erläutert wird.

Radial außen von dem Mantel 12 ist ein Mante!halterungselement angeordnet, das an einem nicht gezeigten Turbinengehäuse durch einen hinteren Flnasch 18 befestigt ist und das an seinem vorderen Ende an einem nicht gezeigten Brennergehäuse befestigt ist. Zusätzlich zu dem hinteren Flansch 18 ist ein mittlerer Flansch vorgesehen_s der vorzugsweise eine wesentliche Masse besitzt., so daß die thermische Trägheit des Mantelhalterungssegmentes erhöht wird. Dieses Merkmal ist wünschenswert zur transienten Steuerung der Mantelposition durch die Anwendung selektiver Kühlung und Erwärmung der Mante!halterung nach bekannten Prinzipien.

Das Mantelhalterungssegment 17 bildet einen durchgehenden Ring mit inneren Flanschen 21 und 22, die sich nach innen und vorne bzw. nach innen und hinten erstrecken. Die Flansche schrumpfen und wachsen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen des Mante1-halterungssegmentes 17 und da sie die Basis der Halterung für den Mante! 12 sind₉ ist es ihre Position bzw. Lage_s die den Spielraum zwischen dem Mantel 12 und dem Rotor 11 bestimmt.

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An einem vorderen zylindrischen Abschnitt 23 des Mantelhalterungssegmentes 17 ist durch mehrere Bolzen 24 ein Halterungsbügel 26 befestigt, der als einzelne Umfangssegmente mit einem horizontalen Abschnitt 28 und einem radialen Abschnitt 29 gebildet ist. Der horizontale Abschnitt 28 weist eine hintere Verlängerung 31 auf, die über den inneren Plansch 22 des Mantelhalterungssegmentes 17 paßt und durch diesen gehaltert ist. Der radiale Abschnitt 29 weist mehrere darin ausgebildete Öffnungen 32 auf, die in einer noch zu beschreibenden Weise Kühlluft führen. Weiterhin sind auf dem radialen Abschnitt 29 äußere und innere nach hinten ragende Plansche 33 und 3*1 ausgebildet, die zusammen eine Nut oder Rille 36 bilden zur Aufnahme des nach vorne ragenden Flansches I3 des Mantels 12. Somit wird der Mantel 12 an seinem vorderen Ende durch die Nut bzw. Rille 36 des HalterungsbügeIs 26 und an seinem hinteren Ende durch eine U-förmige Klemme 37 in seiner Lage gehalten, wobei sich diese Klemme über den nach hinten erstreckenden Flansch 14 des Mantels 12 und den inneren Flansch 21 des Mantelhalterungselementes 17 erstreckt und diese zusammenhält.

Weiterhin ist an dem Mante!halterungselement 17 eine Aufprall-Leitanordnung 38 befestigt und von diesem getragen, welche Leitanordnung im wesentlichen eine U-Form hat und von Schenkeln 39, *il und 42 gebildet ist. Die Auf ρ rall-Le it anordnung 38 ist als ein zusammenhängender Ring gebildet und so bemessen, daß, wenn sie sich in ihrer eingebauten Position befindet, wie sie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, der Schenkel 43 fest in die innere Oberfläche des inneren Flansches 22 und der Schenkel 39 fest in die innere Oberfläche des nach hinten ragenden äußeren Flansches 33 des Halterungsbügels 26 paßt. Die Aufprall-Leitanordnung kann in dieser Position durch Punktschweißen oder Löten oder ähnliches befestigt sein. Auf diese Weise wird eine im wesentlichen leckfreie Kammer 43 durch den Halterungsbügel 26_; das Mantelhalterungselement 17 und die Aufprall-Leitanordnung 38 gebildet. Dieser Kammer wird dann einen hohen Druck aufweisende Abzapfluft von dem Kompressor über die öffnungen 32 zugeführt, und diese Luft strömt durch die Löcher 44 in dem Schenkel 39 der Leitanordnung, um auf die äußere Oberfläche des Mantels 12 zu

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Kühlzwecken aufzuprallen. Die Schenkel 4l und 42 dienen auch zur Trennung der Kühlluft in der Kammer 40 von dem relativ warmen Mantelhalterungselement 17, das benachbart dazu angeordnet ist.

Wenn die Hochdruckluft durch die Löcher 44 der Aufprall-Leitanordnung 38 strömt, besteht ein wesentlicher Druckabfall, so daß sich die aufgeprallte Luft dann auf einem relativ niedrigen Druck befindet und aus den Löchern 16 herauszuströmen versucht. Ein Teil dieser Niederdruckluft kann entlang den Leckagepfaden zwischen den Mantelsegmenten oder zwischen dem Mantel und den Mantelhalterungselementen strömen. Da diese Luft jedoch bereits für eine effiziente Aufprallkühlung verwendet worden ist und da sich die Luft nun auf einem niedrigen Druck befindet, hat diese Leckage nur minimale Konsequenzen.

In Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die .Aufprall-Kühlanordnung 46 ein flaches Ringelement aufweist, das an seinem vorderen Ende an dem Plansch 33 des Halterungsbügels 26 und an seinem hinteren Ende an dem inneren Plansch 21 des Mantelhalterungselementes 17 befestigt ist. Wiederum ist die Aufprall-Leitanordnung so bemessen, daß sie im eingebauten Zustand einen Festsitz mit diesen zusammenpassenden Elementen bildet. Sie kann weiterhin durch Punktschweißen oder ähnliches befestigt sein.

Die Wärmeabschirmung 47 ist unabhängig von der Aufprall-Leitanordnung 46 und weist einen zusammenhängenden Ring auf, von dem das eine Ende fest gegen die eine Oberfläche des inneren Flansches 22 des Mantelhalterungselementes 17 paßt und dessen anderes Ende fest gegen die innere Oberfläche einer Lippe 48 paßt, die auf dem Mantelhalterungselement 17 ausgebildet ist. Somit ist die Kammer 43 durch den Halterungsbügel 26, das Mantelhalterungselement 17» die Aufprall-Leitanordnung 46 und die Wärmeabschirmung 47 gebildet und ist im wesentlichen in der gleichen Weise wirksam ,wie es vorstehend beschrieben wurde, damit unter hohem Druck stehende Luft gegen den Mantel 12 prallt, wobei nur eine geringe Leckage aus der Kammer 43 auftritt.

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Claims

Ansprüche

1. jHalterungsstruktur für einen Turbinenmantel, die teilweise

eine Kühlluftkammer umgibt und eine Halterung für einen radial innen davon angeordneten Mantel bildet, dadurch gekennzeichnet , daß eine mit Löchern (44 ) versehene Aufprall-Leitanordnung (38) an der Halterungsanordnung befestigt ist, die den verbleibenden Abschnitt der Kühlluftkammer bildet und für den Aufprall von Kühlluft auf den Mantel sorgt.

2. Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprall-Leitanordnung (38) eine im wesentlichen runde Form besitzt.

3. Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufprall-Leitanordnung (46) ein zusammenhängendes, sich über 360° erstreckendes Band aufweist.

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¹I. Halterungs an Ordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufprall-Leitanordnung durch einen Reibsitz an der Halterung befestigt ist.

5. Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufprall-Leitanordnung an einer radial inneren Oberfläche der Halterung befestigt ist.

6. Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufprall-Leitanordnung durch Löten an der Halterung befestigt ist.

7. Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufprall-Leitanordnung durch Schweißen an der Halterung befestigt ist.

8. Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mantelhalterung (17) zwei im Abstand angeordnete Plansche (21, 22) aufweist und die Aufprall-Leitanordnung an diesen Flanschen befestigt ist,

9. Halterungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die zwei Plansche (21, 22) axial beabstandet sind.

10. Halterung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die zwei Plansehe (21, 22) radial beabstandet sind.

11. Halterungsanordnung nach Anspruch 1, dad. urch gekennzeichnet , daß die Aufprall-Leitanordnung eine Wärmeabschirmung (47) aufweist, die sich zwischen dem mit Löchern versehenen Abschnitt und Halterung erstreckt.

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12. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , da& die Aufprall-Leitanordnung (38) im axialen Querschnitt im wesentlichen U-förmig ist und die Kühlluftkammer (43) auf drei Seiten wenigstens teilweise durch die Aufprall-Leitanordnung begrenzt ist.

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