DE3019920A1

DE3019920A1 - Einrichtung zur minimierung und konstanthaltung des schaufelspitzenspiels von axialturbinen fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3019920A1
Application number: DE19803019920
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing.(grad.) 8069 Reichertshausen Krüger; Klaus Dipl.-Ing. 8060 Dachau Trappmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1980-05-24
Filing date: 1980-05-24
Publication date: 1982-01-21
Also published as: US4460311A; JPS5710710A; JPS6253684B2; FR2483008A1; GB2076475B; GB2076475A; DE3019920C2; FR2483008B1

Description

sr/sd

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, 23. Mai 1980

Einrichtung zur Minimierung und Konstanthaltung des Schaufelspitzenspiels von Axialturbinen

für Gasturbinentriebwerke

^ Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung-zur ■ Minimierung und Konstanthaltung des bei Axialturbinen für Gasturbinentriebwerke zwischen den äußeren freien Laufschaufelenden und einem angrenzenden gehäuse-

seitigen Mantelring wirksamen Schaufel spitzenspiels. 20

Laufräder von Axialturbinen sind von einem als "Mantelring" bezeichneten ringförmigen stationären Bauteil umgeben, dessen Aufgabe es ist, zur Erzielung konstant hoher Turbinenwirkungsgrade einen engen Spalt zu den Laufschau-

feiköpfen in allen Betriebszuständen und über einen langen Einsatzzeitraum hinweg aufrecht zu halten.

Die Forderungen, die zur Erfüllung dieser Aufgabe an ManteTringe moderner Gasturbinentriebwerke gestellt werden, sind:

- Anpassung des Hantelringdurchmessers an die vom Betriebsv^zustand abhängige Dehnung des Laufrades

- Erosions- und korrosionsfeste Oberfläche der dem Gasstrom ausgesetzten Innenseite des Ringes mit gleichzeitig

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guten Einlaufeigenschaften, die ein Abschleifen der Laufschaufelköpfe bei örtlichem Anstreifen des Laufrades - beispielsweise als Folge einer hohen Manöverlast - verhindern sollen.

Die Erfüllung dieser Forderungen macht bei herkömmlichen Mantelringkonstruktionen mit steigenden Gastemperaturen zunehmend Schwierigkeiten: Hohe Külluftmengen beeinträchtigen die Wirkungsrade, und ausreichende Erosions- und Korrosionsfestigkeit der dem Heißgasstrom ausgesetzten Oberfläche läßt sich mit der Forderung nach guten Einlaufeigenschaften praktisch kaum vereinbaren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zügrunde, die im Rahmen des eingangs behandelten Problemkreises genannten Schwierigkeiten zu beseitigen, d.h., vorrangig zu erreichen, daß bei Gasturbinentriebwerken die Turinenschaufelspitzenspiele über einen möglichst weiten Betriebsbereich, und zwar auch unter Berücksichtigung instationärer Betriebszustände, verhältnismäßig klein und konstant gehalten werden können.

Im Rahmen der gestellten Aufgabe soll .die hierfür vorzusehene Einrichtung auf verhältnismäßig einfache Weise herstellbar und montierbar sein.

Aufgabengemäß sollen ferner gute Einlaufeigenschaften

erzielbar sein. . .

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes

ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 16.

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Zusammengefaßt soll also beim Erfindungsgegenstand die dem Gasstrom zugekehrte Innenseite des Metall ringes durch eine Packung von Elementen aus hochwarmfester, c korrosions- und erosionsbeständiger Keramik gebildet werden, die formschlüssig in einem Metallring aufgehängt, oder st off Schluss i g (durch Löten oder Kleben) über /meinen dehnungsfähigen ."Meta 1-1 filz mit ihm verbunden sind. ' Hocheffiziente Wärmedämmschichten und minimale Kontakt-IQ flächen zwischen"_: Met a Tiring und Keramik-Elementen drosseln

den Wärmeström in den Ring, so daß der Kühll.uftaufwand . . gering bleibt.

Zur Anpassung an die Dehnung des Laufrades wird die Tempe- ;"15 ratur - und damit die Dehnung - des Metall ringes.in bekannter Weise ("active clearance control") durch Anblasen mit Luft entsprechender Temperatur gesteuert. Die mit dem Metall ring verbundenen Kerannkelemente folgen den ; Dehnungen des Metallringes und_: gewährleisten dadurch ein glei chblei bend enges Schaufelkopfspiel. Die aufgrund \\ der ünterschi ed I ichen Wärinedehnung zwi sehen Metall und : Keramik im Betrieb zu erwartenden Spalte zwischen den einzelnen Keramikelementen (die im kalten Zustand dicht gepackt sind) haben nur einen vernachlässigbar kleinen Leckverlust zur Folge.

Die Keramik hat eine sehr harte Oberfläche und erfüllt damit die Forderung nach hoher Erosionsfestigkeit. Gute Einlaufeigenschaften werden erzielt durch Ausnutzung der .hOh-en/Sprödi-gk-ei-t. der Keramik: Das den Lauf schaufelköpfen zugekehrte Ende der Keramikelemente läuft schneidenförmig zu; beim Einlaufen schlagen die Laufschaufeln die Schneiden bis zur Einlauftiefe ab, ohne selbst abgeschliffen zu werden.

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

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Mantelringes

der Einrichtung ,

Fig. 2 einen Abschnitt dieses Mantelringes genä'3 Blickrichtung V der Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Mantelringes

genä'3 Schnitt III-III der Fig. 1;

Fig. 4 einen vergrößert wiedergegebenen Schneidkanteneini aufabschnitt in einer

ersten Ausführungsform,

Fig. 5 einen vergrößert wiedergegebenen Schneidkantenanlaufabschnitt in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 6 einen Axialschnitt eines Mantelringes in einer zweiten Ausführungsförm,

Fig. 7 eine Schnittansicht des ManteTrings

gemäß Schnitt VII-VII der Fig. 6,

Fig. 8 einen Axialschnitt eines Mantelringes der Einrichtung in einer dritten Ausführungsform,

Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8 und

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-_ Fig. 10 einen Axialschnitt eines Mantelringes der Einrichtung in einer vierten Ausführungsform. .

Die Fig. 1 bis.10 veranschaulichen verschiedene Einrichtungen zur Minimierung und Konstanthaltung des bei Axialturbinen für Gasturbinentriebwerke zwischen den äußeren freien Laufschaufelendenund einem angrenzenden geh ausesei tig e η Ma η te!ring w i rk s a men Schaufelspitzenspiels.

Gemäß; Fig. 1 besteht die dem Hei gasstrom sowie den äußeren Enden der Laufschaufeln 1 (Fig. 3) zugekehrte Partie des Mantelringes 2 aus einer Packung 3 von EIementen aus hochv/armf ester, erosionsbeständi ger Kerami k. Der Mantelring 2 wird hierbei teilweise von einem Metallring 4 gebildet, mit welchem die Keramikelementpackung formschlüssig Verbunden ist. Zwischen der schaufelseitig abgewandten Innenseite der Keramikelementpackung 3 und ""2O' dem MetalTring 4 befindet sich ein in letzteren im wesentlichen ganz! ich eingebetteter, als hocheffiziente Wärmedrossel wirkender Isolator 5. Eine koaxiale Innenwand 4* des Metallringes 4 soll ferner zur Anpassung der Dehnung des Metallringes an die Dehnung des betreffenden ^ZD Turbinenrades mit von Verdichter des Triebwerks entnommener Luft anblas bar sein.

Die zum Anblasen der Innenwand 4¹ verwendete Luft kann am Verdichterende des Gasgenerators entnommen werden,

wobei z.B. davon ausgegangen wird, daß die dem Mantelring 2 zugeordneten Laufschaufeln 1 zur ersten Stufe der Verdichterantriebsturbine gehören sollen. Die am Verdichterende entnommene Blasluft gelangt in zwei koaxial am Mantel fing 4 angeordnete Luftleitungen 6, 7, aus

denen sie über gezielt verteilte öffnungen 8, 9 in Richtung auf die Innenwand 4' ausgeblasen wird (Pfeil F).

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Wie aus Fig. 2, insbesondere aber Fig. 4 und 5 erkennbar, weist die den äußeren·. Schaufel enden zugekehrte Seite der Keramikelementpackung 3 jeweils schneidenförmig radial vorstehende Endkanten 9 bzw. 10 auf, wobei die schneidenförmig radial vorstehenden Endkanten 10 zusätzlich mit Soll brachste!1 en S ausgestattet sind, um das Abschlagen dar Schneidkanten ohne Abschliff der Schaufelköpfe im Interesse eines guten Ein!aufVerhaltens weiter zu erleichtern.

Gemäß Fig. 1 und 3 kann, ferner die Keramikelementpackung 3 mittels in Achsrichtung verlaufender Bolzen 11 am Metallring 4 festgelegt sein., welche durch eine vordere und eine hintere jeweils radial verlaufende Stirnwand des Metallringes 4 hindurchgeführt sind.

Im Interesse einer hohen Temperaturbeständigkeit der Einrichtung ist es weiter vorteilhaft,, die Bolzen 11. aus einem keramischen Werkstoff herzuzstellen.

Gemäß Fig. 1 ist ferner zwischen der jeweils gemeinsamen vorderen und der jeweils gemeinsamen hinteren Stirnfläche der Keramikelementpackung 3 einerseits, und der jeweils benachbarten vorderen bzw. hinteren Stirnwand des Metallringes 4 andererseits ebenfalls jeweils ein hocheffizienter Wärmeisolator 12 angeordnet.

Wie ferrrer aus Fig. 1 und 3 entnommen werden kann, soll die Keramikelementpackung 3 aus Ringsegmenten 13 zusammengesetzt sein, die - wie aus Fig. 3 entnehmbar - im umfangsseitigen Stoßbereich die Bolzen 11 gabelförmig umgreifen. Die Ringsegmente 13 sind ferner auf der dem Isolator 5 zugekehrten Seite mit Einsenkungen 13' versehen.

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Im zusammengebauten Zustand sind hierbei weiter die Stoßkanten jeweils einander benachbarter Ringsegmente 13 in Radialrichtung (Fig. 3) sowie in Achsrichtung A (Fig. 2) zueinander versetzt angeordnet.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen unveränderte Bauteile veranschaulichen die Fig. und 7 eine weitere Mantelringvariante, bei der die Ringle Segmente 14 einer jeweiligen Keramikelementpackung mit hammerkopfartigen Fußpartien 15 in Umfangsnuten 16 des Isolators 5 eingesetzt sind. Wie aus Fig. 6 erkennnbar, sind diese Umfangsnuten 16 zur Aufnahme von Bestandteilen von Bolzen-, Niet- oder Schraubverbindungen 17 des Isolators 5 mit der koaxialen Innenwand 4' des Metall ringes 4 radial aufgeweitet ausgebildet.

Zwecks optimaler Kompensation temperaturbedingter Wärmespannungen und Verformungen soll der Isolator 5 nach Fig. 7 aus in Umfangsrichtung aneinandergereihten Segmenten gebildet sein.

Bei der weiteren Mantelringvariante nach Fig. 8 und 9 soll der Isolator 5¹ entweder aus einem Metallgewebe

oder aus einem Metallfilz gefertigt sein. Hierbei sollen durch Verleitung (Lötstellen L) sowohl der Isolator 5¹ mit der Innenwand 4' des Metall ringes 4 als auch die keramischen Ringsegmente 18 mit dem Isolator 5* verbunden sein. Zumindest eine dieser beiden zuletzt

genannten Lötverbindungen könnte auch durch eine Klebverbindung ersetzt werden. Gemäß Fig. 9 ist der Isolator 5¹ hier unsegmentiert ausgebildet.

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Flg. 10 weicht von den Flg. 8 und 9 lediglich dahingehend ab, daß die keramischen Ringsegmente 18 unter Zwischenschaltung einer zusätzlichen, hocheffizienten Wärmedämmschicht 19 mit dem aus einem Metall gewebe oder aus einem Metallfilz bestehenden Isolator verbunden sind, wobei jedoch die keramischen Ringsegmente 18 ihrerseits durch Klebung (Position K) mit der Wärmedämmschicht 19 verbunden sind. 10 Der Erfindungsgegenstand ist selbstverständlich bei Turbinenstrahltriebwerken Wie auch bei allen anderweitigen Strömungsmaschinentypen anwendbar,, bei denen

durch Heißgas beaufschlagte Axial turbinen vorgesehen sind. 15

Der Erfindungsgegenstand ist im übrigen unter Zugrundelegung folgender Werkstoffe bzw. Werkstoffzusammensetzungen für die beispielhaft nachstehend aufgeführten

Bauteile bzw. Komponenten vorteilhaft einsetzbar. 20

1. Metallring 4·: Inconel

2. Isolator 5: SiO₂ + Al₂O₃

3. Keramikelenentpackung 3: SiC (Siliziumkarbid) gesintert

4. Metall gewebe bzw. -filz 5': Inconel X

5. Wärmedämmschicht 19: ZrO»

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Leerseite

Claims

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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-U^QNv ^: '-MÖNCHEN GMBH ■■'"" ⁱ⁵ ;■ ";.*;; '

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Patentansprüche

i. Einrichtung zur Minimierung und Konstanthaltung des bei Äxialturbinen für Gasturbinentri ebv/erke zwischen den äußeren freien Laufschaufelenden und einem angrenzenden gehäuseseitigen Mantelring wirksamen Schaufel spitzenspiels, gekennzeichnet

durch folgende Merkmale:

a) Die dem Heißgasstrom sowie den äußeren Laufschaufelenden zugekehrte Partie des Mantel -

ringes (2) besteht aus einer Packung (3)

von Elementen aus hochwarmfester, erosionsbeständiger Keramik;

b) der Mantelring (2) wird teilweise von einem

Metallring (4) gebildet, mit welchem die 30

Keramikelementpackung (3) formschlüssig verbunden ist;

c) zwischen der dem Gasstrom abgewandten Außenseite der Keramikelementpackung (3) und dem Metallring (4) befindet sich ein in letzteren

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im wesentlichen gänzlich eingebetteter, als hocheffiziente Wärmedrossel wirkender Isolator (5);
5

d) eine koaxiale Innenwand (4¹) des Met all ringes (4) ist zur Anpassung der Dehnung des Metallringes an die Dehnung des betreffenden Turbinenrades mit (vom Verdichter entnommener) Luft anblasbar;

e) die den äußeren Schaufelenden zugekehrte Seite der Keramikpackung (3) weist schnei denförmi g.

radial vorstehende Endkanten (9) auf. 15
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schneidenförmig radial vorstehenden Endkanten (10) mit Sollbruchstellen (S) ausgestattet sind.
^^υ 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerarni kelementpackung (3) mittels in Achsrichtung verlaufender Bolzen (11) am Metallring (4) festgelegt ist, welche durch eine vordere und eine hintere jeweils radial verlaufende Stirnwand des Metallringes hindurchgeführt sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen (11) aus einem keramischen Werkstoff

gefertigt sind.
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5. Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der jeweils gemeinsamen vorderen und der jeweils gemeinsamen hinteren Stirnfläche der Keramikelementpackung (3) einerseits und der jeweils benachbarten vorderen bzw. hinteren

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Stirnwand des Metallringes (4) andererseits ebenfalls jeweiTs ein hocheffizienter Wärmeisolator (12) angeordnet ist. ·
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5^ dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikelementpackung (3) aus Ringsegmenten (13) zusammenge-

..... "..." setzt ist.
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7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (13) auf der dem Isolator (5) zugekehrten Seite mit Einsenkungen (13') versehen sind. _::
8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (13) im umfangsseitigen Stoßbereich die Bolzen (11) gabelförmig umgreifen.
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9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

: 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im zusammengebautenZustand die Stoßkänten der einander benach-■■■--..:" barten Ringsegmente (13) in Radial- sov/ie in Achsrichtung zueinander versetzt sind.
10.; Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (14) einer jeweiligen Keramikelementpackung

mit hammerkopfartigen Fußpartien (15) in Umfangsnuten (16) des Isolators (5) eingesetzt sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsnuten (16) zur Aufnahme von Bestandteilen einer Bolzen-, Niet- oder Schraubverbindung

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(17) des Isolators (5) mit der koaxialen Innenwand (4¹) des Metallringes (4) ausgebildet sind.
12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) aus in Unfangsrichtung aneinandergereihten Segmenten besteht.

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13. Einrichtung nach einem oder mehreren d&r vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ^: Isolator (5¹) aus einem Metall gewebe oder aus einem Metallfilz gefertigt ist und hierbei durch Verlötung sowohl der Isolator (5¹) mit der Innenwand (4') des

'^ Metallringes (4) als auch die keramischen Ringsegmente (IS) mit dem Isolator (5') verbunden bzw. verbindbar sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,. ^ daß zumindest eine der beiden Lötverbindungen durch

eine Klebverbindung ersetzbar ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 13 und/oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Ringsegmente

(18) unter Zwischenschaltung einer zusätzlichen, hocheffizienten Wärmedämmschicht (19) mit dem Isolator (5¹) verbunden und hierbei mit der Wärmedämmschicht (19) verklebt sind.

16. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, da3 dem Mantelring (2) am äußeren Umfang wengistens eine koaxiale Luftleitung (6 bzw. 7) zugeordnet ist, mittels in derselben enthaltener Ausblaseöffnungen (3, 9) die koaxiale Innenwand (4¹) des Metall ringes (4) gezielt anblasbar ist.

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