DE3023609C2

DE3023609C2 - Turbine für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3023609C2
Application number: DE3023609A
Authority: DE
Inventors: Derek Aubrey Glew Alveston Bristol Ledges; Terence Ralph Watford Hertfordshire Pellow
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-06-30
Filing date: 1980-06-24
Publication date: 1984-08-09
Also published as: GB2051962A; IT1132095B; FR2465874B1; DE3023609A1; FR2465874A1; JPS6147290B2; CA1117429A; JPS5612020A; IT8022725A0; GB2051962B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine solche Turbine ist beispielsweise aus der GBPS 13 30 893 bekannt. Die bei derartigen Turbinen benutzten Mantelringe können als Einzelbauteil mit relativ kleinen Toleranzen hergestellt werden, so daß das Spitzenspiel und der über die Spitzen der Turbinenschaufeln abfließende Leckstrom gering gehalten werden können. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bei der Abstützung des Mantelringes im Turbinengehäuse. Selbst wenn der Mantelring aus einem Werkstoff hergestellt ist, der den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der für das Turbinengehäuse benutzte Werkstoff besitzt lassen sich thermische Spannungen zwischen Mantelring und Turbinengehäuse nicht vermeiden. Diese Spannungen sind bedingt durch die unterschiedlichen Massen und den unterschiedlichen Temperaturen, denen Mantelring bzw. Turbinengehäuse ausgesetzt sind. Durch diese thermischen Spannungen kann der Mantelring deformiert werden, was zu einem über dem Umfang ungleichmäßigen Schaufelspitzenspiel oder sogar zu einer Berührung zwischen Schaufelspitzen und Mantelring führen kann. Außerdem kann das Turbinengehäuse durch diese thermischen Spannungen beschädigt werden. Diese Obelstände können auch nicht dadurch völlig beseitigt werden, daß Teile des Mantelrings zusätzlich erwärmt oder abgekühlt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abstützung für einen, insbesondere aus Keramikmaterial bestehenden Mantelring hn Turbinengehäuse zu schaffen, durch weiche eine Übertragung thermischer Spannungen zwischen Mantelring und Turbinengehäuse vermieden wird.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch die bürstenartige Trägeranordnung wird erreicht daß bei voller Aufrechterhaltung der Konzentrizität durch die Federkraft der einzelnen Borsten gewisse Differenzen im Abstand zwischen Mantelring und Gehäusering ausgeglichen werden können, ohne daß zwischen diesen beiden Teilen eine wesentliche Kraftübertragung stattfinden kann. Aus diesem Grunde ist die erfindungsgemäße Abstützung insbesondere auch für Mantelringe aus Keramikmaterial geeignet, die selbst eine an sich sehr geringe Wärmeausdehnung aufweisen und deshalb in besonderem Maße zur Ummantelung der Läuferschaufeln geeignet sind, um deren Spitzenspiel klein zu halten.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Teils eines Gasturbinentriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Turbine;

F i g. 2 einen Schnitt der Turbine nach der Linie A-A gemäß F i g. 1;

F i g. 3 einen axialen Teilschnitt einer Turbine in einer abgewandelten Ausführungsform;

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß F i g. 3.

Der in Fig. 1 dargestellte Teil 10 des Gasturbinentriebwerks umfaßt eine Brennkammer 11 und eine Turbine 12. Die Turbine 12 besteht wiederum aus einem Gehäuse 13, welches den radial äußeren Mantel des ringförmigen Gaskanals 14 definiert. Der Gaskanal 14 weist in Strömungsrichtung hintereinander stationäre Düsenleitschaufeln 15, rotierende Hochdruckturbinenschaufeln 16, Niederdruckstatorschaufeln 17 und Niederdruckläuferschaufeln 18 auf. Die Läuferstufen 16 und 18 werden von Scheiben 19 bzw. 20 getragen. Die Düsenleitschaufeln 15 und die Läuferschaufeln 16 bilden den Hochdruckteil der Turbine 14 und die Statorschau-

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fein 17, und die Läuferschaufeln 18 bilden den Nieder- der heißen Abgase, die durch die Düsenleitschaufeln 15 druckteil. Die Plattformen 21,22,23 und 24 der Düsen- der Läuferstufe 16 zugeführt werden, durch das Gehäuleitschaufeln 15, der Läuferschaufeln 16, der Stator- se 25 in die Ringkammer 28 entweichen. Die Borste» 33 schaufeln 17 und der Läuferschaufeln 18 definieren die und 34 verhindern, daß diese Gase über die Ringkamradial innere Wand des Gaskanals 14. 5 mer 28 in den ringförmigen Gaskanal stromab der Läu-

Das Turbinengehäuse 13 ist axial geteilt, und zwar ferstufe 16 gelangen. Infolgedessen findet der einzige radial außerhalb der Hochdruckläuferstufe 16, um ein mögliche Gasleckstrom in der Läuferstufe 16 an den sich in Umfangsrichtung erstreckendes Gehäuse 25 für Schaufelspitzen statt.

einen aus Siliciumnitrid bestehenden Mantelring 26 zu Unter gewissen Umständen sind die Temperaturen,

schaffen. Das Gehäuse 25 besitzt eine genügeade axiale io denen die Turbine eines Gasturbinentriebwerks ausge-Erstreckung, damit der Mantelring 26 radial gegenüber setzt ist, so hoch, daß sich der Mantelring 26 in einem der Drehachse der Turbine 10 »schwimmen« kann. Die solchen Ausmaß aufheizt, daß die Borsten 33 und 34 Wände des Gehäuses 25 erstrecken sich radial nach au- Gefahr laufen, durch Hitze beschädigt zu werden. In Ben, um mit einem allgemein T-förmig im Querschnitt diesen Fällen ist es zweckmäßig, einen Mantelring zu ausgebildeten Ring 27 zusammenzuwirken, so daß sie 15 benutzen, der verbesserte Wärmeisolationsfähigkeit bezusammen eine Ringkammer 28 bilden. Der radial äuße- sitzt und ein solcher Mantelring 26a ist in den F i g. 3 und re Mantel 29 der Kammer 28 isi mit einer Ausnehmung 4 dargestellt

30 versehen, in die ein Tragring 31 einpaßt, der zwei Der Mantelring 26a weist einen aus Siliciumnitrid beringförmige Anordnungen von vorstehenden radial stehenden Keramikring 36 auf, der dem Ring 26 entnach innen verlaufenden Borsten 33 und 34 aus einer 20 spricht Die radial äußere Oberfläche des Keramikrings Nickellegierung trägt Die freien Enden der Borsten 33 36 ist jedoch mit einem segmentiale.r Ring aus Keramik- und 34 greifen an der radial äußeren Oberfläche des blöcken 37 umgeben. Die Keramikbiöcke 37 sind wie-Mantelrings 26 an und stützen diesen ab, ^o daß der derum von einem metallischen Haltering 38 umschlos-Mantelring 26 radial im Abstand vom Turbinengehäuse sen, der dazu dient, die Keramikblöcke 37 rings um den 13 liegt, axial jedoch durch die Wände des Gehäuses 25 25 Siliciumnitridring 36 festzuhalten, festgelegt ist Demgemäß bilden die Borsten 33 und 34 Die Keramikblöcke 37 sind mit Ausschnitten 39 und

und der Trägerring 31 eine Bürstendichtung, die die 40 an ihren radial inneren bzw. äußeren Oberflächen einzige radiale Abstützung des Mantelrings 26 ist versehen. Diese Ausschnitte 39 und 40 wirken mit dem

Die Borsten 33 verlaufen allgemein in radialer Rieh- Keramikring 36 bzw. dem Haltering 38 zusammen, um tung, jedoch sind sie gegenüber dem Radius des Mantel- 30 isolierende Luftspalte 41 und 42 zu schaffen. Demgemäß rings 26 im Winkel angestellt, wie dies aus F i g. 2 er- gewährleisten die Luftspalte 41 und 42 zusammen mit sichtlich ist Die Borsten 34 sind ebenfalls gegenüber den Keramikblöcken 37, daß die Borsten 33 und 34 nicht dem Radius des Mantelrings 26 angestellt, jedoch in der überhitzt werden.

entgegengesetzten Richtung. So wirken die Borsten 33 Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Ver-

und 34 gegeneinander und verhindern, daß sich der 35 bindung mit der Hochdruckstufe einer Turbine be-Mantelring 26 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzei- schrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch für gersinn dreht jede andere Turbinenstufe Anwendung finden kann.

Die Borsten 33 und 34 haben eine doppelte Aufgabe.

Einmal dienen sie zur Abstützung des Mantelrings 26 in Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

der Weise, daß die radialen Dimensionsänderungen des 40

Turbinengehäuses 13 infolge thermischer Ausdehnung
oder Zusammenziehung nicht auf den Mantelring 26
übertragen werden. Alle Änderungen im radialen Abstand zwischen dem Turbinengehäuse 13 und dem Mantelring 26, die von relativen radialen Ausdehnungen 45
oder Zusammenziehungen herrühren, bewirken ein
Auswandern der Borsten nach Art von Federn, so daß
diese Abmessungsänderungen aufgenommen werden.
Infolgedessen ist Kraftübertragung auf den Mantelring
26 gering, so daß der Mantelring 26 aus einem spröden 50
Material, beispielsweise Siliciumnitrid hergestellt werden kann.

Da Kei dmikmateriaiien allgemein und Siliciumnitrid
insbesondere niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, ist zu erwarten, daß sie sich während 55
des Betriebes der Turbine in ihren Abmessungen sehr
wenig verändern. Daraus folgt, daß während des Betriebs der Zwischenraum zwischen den Spitzen der sich
drehenden Turbinenschaufeln 16 und riem Mantelring
26 sich nur um jenen Betrag ändert, um den sich die 60
Schaufeln 16 und die sie tragende Scheibe thermisch in
Radialrichtung ausdehnen bzw. zusammenziehen. Demgemäß bleibt dieser Spitzenzwischenraum unbeeinflußt
von dem Ausmaß der thermischen Expandierung oder
Zusammenziehung des Turbinengehäuses 13. 65

Die zweite Aufgibe, die den Borsten 33 und 34 zukommt, besteht in einer axialen Gasabdichtung über
dem Mantelring 26. Im i'ietrieb wird ein gewisser Anteil

Claims

Patentansprüche:

1. Turbine für ein Gasturbinentriebwerk mit einem die Spitzen der Läuferschaufeln umschließenden, vom Turbinengehäuse getragenen und relativ hierzu in radialer Richtung wärmedehnbar angeordneten Mantelring, der einen Abschnitt der radial äußeren Wand des ringförmigen Gaskanals bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Keramikmaterial bestehende Mantelring (26) radial vom Turbinengehäuse (13) über eine ringförmige Anordnung vorstehender Borsten (33, 34) abgestützt und im Abstand gehalten ist, die am Turbinengehäuse (13) derart angeordnet sind, daß sie eine ringförmige Bürstendichtung (31,33,34) bilden.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (13) den Mantelring (26) unter Bildung einer Ringkammer (28) zangenartig an seinen Stirnflächen umgreift, und daß die ringförmige Bücsiiendichtung (31, 33, 34) innerhalb der Ringkanirner (28) zwischen ihrer radial äußeren Wand und der radial äußeren Oberfläche des Mantelrings (26) liegt

3. Turbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Bürstendichtung (33, 34) einen Tragring (31) aufweist, der wenigstens eine ringförmige Anordnung vorstehender Borsten (33) aufweist, die gegenüber dem Radius des Mantelrings (26) im Winkel angestellt sind.

4. Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Bürstendichtung zwei im axialen Absrand zueinander angeordnete Borstenringe (33,34) aufweist.

5. Turbine nach Anspruch 4, dauurch gekennzeichnet, daß die Borsten der Borstenringe (33,34) in entgegengesetzter Richtung gegenüber dem Radius des Mantelringes (26) angestellt sind.

6. Turbine nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (31) der Borstenringe (33,34) an der radial äußeren Wand der Ringkammer (28) montiert ist, die durch das Turbinengehäuse (13) gebildet ist.

7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Borsten der Borstenringe (33,34) aus einer Nickellegierung bestehen.

8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelring (26) aus Silicium-Nitrid besteht.

9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelring (26a) aufgebaut ist aus einem inneren Keramikring (36), einem diesen umgebenden segmentierten Ring aus Keramikblöcken (37) und einem äußeren Haltering (38) für die Keramikblöcke (37), wobei zwischen diesen Ringen (36,37,38) die Berührungsflächen durch Isolierluftspalte (41,42) unterbrochen sind.