DE3028137C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spaltsteuerung für eine Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Spaltsteuerung ist aus der DE-OS 25 56 519 bekannt.

Da Strömungsmaschinen aufgrund von Weiterentwicklungen der Verfahrensweisen, Konstruktion und Materialien immer be­ triebssicherer und wirtschaftlicher werden, müssen auch den Spaltweiten zwischen dem Rotor und dem Gehäuse sowie dem Rotor und dem Stator mehr Beachtung geschenkt werden, weil zu große Spalte unerwünschte Verluste hervorrufen. Bisher hat man hauptsächlich dem Problem einer Beeinflussung der Spaltweite zwischen der Turbine und ihrer Verkleidung Beachtung geschenkt, aber derartige Überlegungen lassen sich auch für einen Spalt zwischen Rotor und Verkleidung eines Verdichters anstellen.

Viele Turbomaschinen müssen unter den verschiedensten Betriebs­ bedingungen arbeiten, wobei Dauerbetrieb zu bestimmten gleich­ bleibenden Bedingungen mit Übergangszuständen abwechseln. Solche Betriebsfälle ergeben sich insbesondere bei Flugzeug­ triebwerken. Es ist dort insbesondere nowendig, daß der Pilot jederzeit auf eine von ihm gewünschte Geschwindigkeit über­ wechseln kann. Diese sich dadurch ergebenden Temperatur- und Drehzahländerungen des Rotors können dazu führen, daß sich die Abmessungen des Rotors in bezug auf die umgebende Verkleidung oder den Stator verändern. Diese Veränderung der Größenverhält­ nisse muß beeinflußt werden, um den gewünschten Wirkungsgrad der Maschine aufrechtzuerhalten. Einerseits ist hierbei auf einen möglichst kleinen Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor zu achten, andererseits muß ein gegenseitiges Berühren von Rotor und Stator vermieden werden, weil sonst Abrieb ent­ stünde, der in anderen Betriebszuständen zu einer über­ mäßigen Spaltweite führen würde. Bei der Betrachtung der beschriebenen Übergangsbedingungen stellen die Veränderungen der gegenseitigen Größenverhältnisse unter thermischen Ein­ flüssen zwischen dem Rotor und der Verkleidung ein sehr schwieriges Problem dar. Wenn die Maschine nur unter unver­ änderlichen Bedingungen arbeiten müßte, dann wäre es relativ einfach, den gewünschten dichten Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator herzustellen, um den größtmöglichen Wirkungs­ grad zu erhalten, ohne daß es zu einer reibenden Berührung zwischen den gegeneinander bewegten Elementen käme. Wenn jedoch Übergangsbedingungen berücksichtigt werden müssen, dann wird die Maschine im allgemeinen so dimensioniert, daß sie noch während der ungünstigsten gegenseitigen Größenver­ hältnisse einen ausreichenden Abstand zwischen den gegenein­ ander bewegten Teilen sicherstellt. Solche ungünstigen Bedin­ gungen liegen beispielsweise bei Rotorrebursts vor. Bei Triebwerken für Flugzeuge herrschen jedoch die zeitlich langen, unveränderlichen Betriebsbedingungen vor und für diese sollte eigentlich die Maschine optimal dimensioniert werden. Unter Berücksichtigung der vorerwähnten, für die Über­ gangsbedingungen einzuhaltenden Dimensionen ist in der Praxis für den Dauerbetrieb die Spaltbreite jedoch zu groß, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen.

Ein Verfahren zur Minimisierung der Spaltweite an den Schaufelrändern einer Turbomaschine besteht darin, die unter­ schiedlichen Materialien so zu wählen, daß deren thermische Eigenschaften dazu beitragen, den Abstand zwischen Rotor und Verkleidung bei den verschiedensten Betriebsbedingungen gleich zu halten. Der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Verkleidung unter der des Trägers für die Verkleidung ist daher eine bei der Konstruktion der Maschine zu beach­ tende wichtige Größe. Dies allein reicht aber in der Praxis nicht aus, um die gewünschten Spaltweiten einzuhalten.

Man hat auch schon versucht (sh. eingangs genannte DE-OS 25 56 519), Kühlluft über die Verkleidung oder deren Trag­ konstruktion zu leiten, um deren thermische Ausdehnung besser an die des Rotors anzupassen. So wurde die Temperatur oder die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft verändert, bei­ spielsweise durch Verwendung von Verdichterluft, deren Förderleistung oder Temperatur sich mit der Drehzahl der Maschine verändert. Ein solches passives System bringt zwar gewisse Verbesserungen hinsichtlich der Erzielung geeigneter Spaltweiten, reicht jedoch für die Erzielung optimaler Er­ gebnisse und bester Wirkungsweise nicht aus.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Spaltsteuerung für den Verdichter einer Strömungsmaschine zu schaffen, die die Spaltweite aktiv in Abhängigkeit von gewählten Betriebsbe­ dingungen beeinflußt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß die Temperatur des Stators und der Ver­ kleidung und daher die thermische Ausdehnung dieser Bau­ elemente beeinflußt werden kann, um den Spalt, den diese Bauelemente mit dem Rotor bilden, zu steuern.

Vorteilhafterweise ist ein Ventil vorgesehen, das so be­ tätigt werden kann, daß es selektiv die Kühlluftströmung aus der Verteilerleitung während Betriebswechseln so ableitet, daß die Temperatur von Stator und Verkleidung zunimmt, um eine thermische Ausdehnung hervorzurufen oder Wärme zurückzuhalten und mechanische und thermische Ver­ größerung des Rotors während dieser Betriebsbedingungen zu erleichtern.

Die Kühlluft wird aus dem Verdichter in eine Füllkammer abgeleitet, von der aus sie dann selektiv entweder durch die Kühlluftverteilerleitung und in einen Auslaßkanal zum Kühlen anderer Komponenten geleitet werden kann, oder sie wird direkt in den Auslaßkanal geleitet, unter Umgehung der Verkleidung. Es ist aber auch möglich, die Kühlluft­ strömung in zwei entsprechende Teilströmungen aufzuteilen, die sich in dem Auslaßkanal wieder vereinigen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbinen­ maschine mit den Merkmalen der vorliegenden Er­ findung, und

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Verdichterbereich der Maschine nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist der von der Erfindung umfaßte Bereich im ganzen mit 10 bezeichnet. Die Erfindung ist an einer Turbomaschine 11 verwirklicht mit einer Kernmaschine 12, die aus einem Ver­ dichter 13, einem Brenner 14 und einer Hochdruckturbine 16 besteht. Der Verdichter 13 ist mit der Hochdruckturbine 16 durch einen Kernrotor 17 verbunden und wird so betrieben, daß er Kühlluft unter relativ geringem Druck am Einlaß 18 auf­ nimmt und sie am Auslaß 19 unter vergrößertem Druck und er­ höhter Temperatur wieder abgibt. Die so verdichtete Luft wird dann mit Kraftstoff gemischt und im Brenner 14 verbrannt, wo­ durch die Temperatur weiter ansteigt, bevor die verbrannten Gase in die Hochdruckturbine 16 abgegeben werden. Nach dem Durchströmen der Hochdruckturbine 16 durchläuft das Gas dann eine Niederdruckturbine 22, die wiederum den Rotor 23 eines Vorverdichters über eine Welle 24 antreibt.

Der Axialverdichter 13 ist detailliert in Fig. 2 dargestellt. Er umfaßt einen Rotor 26, bestehend aus einer Vielzahl im Abstand zueinander angeordneter Scheiben 27, die an ihren äußeren Umfängen jeweils eine Reihe von Verdichterschaufeln 28 tragen. Alternierend zwischen benachbarten Schaufelreihen sind Reihen im Umfang verteilt angeordneter Leitschaufeln 29 angeordnet, die an einem zylindrischen Gehäuse bzw. einer Ständerkonstruktion 31 befestigt sind. Die Leitschaufeln 29 sind an der Ständerkonstruktion 31 in üblicher Weise befestigt, beispielsweise durch Einsetzen der Schaufelfüße 32 in im Quer­ schnitt T-förmige Umfangsschlitze 33 in der Ständerkonstruktion.

An der radial innen liegenden Seite des Verdichterströmungs­ weges 34 weist der Grenzbereich zwischen den stationären Leit­ schaufeln 29 und den Rotorschaufeln 28 eine Dichtungsanordnung auf, die aus einer Bienenwabenstruktur 36, die an den Enden der Leitschaufeln 29 befestigt ist, und einer mehrzähnigen Labyrinthdichtung 37 am Rotor 26 besteht. Die Zähne der Labyrinthdichtung 37 greifen in Rillen der Bienenwaben­ struktur 36 und stellen eine Barriere gegen Axialströmung von Verdichterluft zwischen den Leitschaufeln und dem Rotor dar.

An der Außenseite des Strömungsweges 34 ist eine solche Dich­ tungsanordnung nicht zweckmäßig. Obgleich es bei Niederdruck­ anwendungen, beispielsweise bei einer Niederdruckturbine mög­ lich ist, eine Schaufelverkleidung an den äußeren Enden der Schaufeln anzubringen, die mit einer Bienenwabenstruktur an einer stationären Verkleidung zusammenwirken, lassen sich derartige Maßnahmen bei schnellumlaufenden Verdichterrotoren nicht leicht anbringen. Es tritt demnach in dem zuletzt er­ wähnten Bereich, aber auch im achsnahen Bereich eine gewisse Lechströmung zwischen dem Rotor und dem Stator auf, die den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt. Die vorliegende Erfindung bringt eine Verbesserung in diesem Bereich.

Die erfindungsgemäße Einrichtung umfaßt eine Kühlluftverteiler­ leitung 38, die an der Außenseite eines Teils der Ständer­ konstruktion 31 befestigt ist und diese umgibt. Die Verteiler­ leitung 38 weist am vorderen Ende bei 39 eine Zuführeinrich­ tung auf, mit deren Hilfe Luft zum vorderen Ende der Verteiler­ leitung 38 zugeführt werden soll. Bei 41 weist sie einen Aus­ laß auf, aus welchem die von der Verteilerleitung abgegebene Luft austritt. Kühlluft wird der Verteilerleitung 38 selektiv in Abhängigkeit von einer Regeleinrichtung 42 zugeführt, die eine Ventileinrichtung 43 mit Hilfe konventioneller Mittel, wie beispielsweise einer hydraulischen oder pneumatischen Stellvorrichtung 44, beeinflußt. Alternativ kann die Steuer­ einrichtung 42 durch entsprechende Ventilstellung bewirken, daß die Kühlluft direkt längs des Strömungsweges 47 in einen Auslaßkanal 46 strömt. Die Ventileinrichtung 43 kann auch in eine Zwischenstellung gebracht werden, um eine Kombination von Strömungen in der Verzweigungsleitung 38 und in der Zuführeinrichtung 39 hervorzubringen. Der Auslaßkanal 46 be­ kommt demnach Kühlluft entweder von der Verteilerleitung 38 aus deren Auslaß 41 oder direkt entlang des Strömungsweges 47 von der Zuführungsrichtung 38, oder auch von beiden. Diese Luft fließt dann stromabwärts weiter und wird zur Kühlung der Hochdruckturbine und/oder der Niederdruckturbine in üblicher Weise verwendet.

Die Steuereinrichtung 42 arbeitet in Abhängigkeit von den gewählten Betriebsparametern der Maschine. In einer bevor­ zugten Ausführungsform fühlt ein Sensor 48 die Kerndrehzahl und das daraus gewonnene Signal wird der Steuereinrichtung 42 und über die Leitung 51 dem Stellantrieb 44 zugeführt. Spezielle Details der Betriebsweise werden später noch er­ läutert.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, enthält die Kühlluftverteiler­ leitung 38 einen Strömungsteiler oder ein vorderes Leitblech 52 und Zwischenleitbleche 53 und 54, die an der Außenseite 56 der Ständerkonstruktion 31 befestigt sind und sich radial nach außen gegen einen Deckel 57 erstrecken, der die äußere Begrenzung der Luftströmung durch die Verteilerleitung 38 dar­ stellt. Im vorderen Leitblech 52 und in den Zwischenleitblechen 53 und 54 sind mehrere Löcher ausgebildet, um die Kühlluft von einer Zuführkammer 58 durch die Verteilerleitung 38 längs der Außenseite 56 der Ständerkonstruktion nach hinten in eine Auslaßkammer 59 zu leiten, die Teil der Kühlluftauslaßeinrich­ tung 41 ist. Eine Strömungsverbindung zwischen der Verteiler­ leitung 38 und der Auslaßkammer 59 ist an einer Auslaßöffnung 61 vorhanden, die zwischen dem Deckel 57 und einem rückwärtigen Flansch 62 gebildet wird, welch letzterer sich von der Ständerkonstruktion 31 nach außen erstreckt. Die Auslaß­ kammer 59 wird nach hinten und nach außen von Gehäusewänden 63 und 64 begrenzt, nach innen von dem schon erwähnten Deckel 57. An der äußeren Gehäusewand 64 ist eine Öffnung 66 ausgebildet, die eine Strömungsverbindung zwischen der Auslaßkammer 59 und dem Auslaßkanal 46 über die Ventilein­ richtung 43 herstellt. Die Luftströmung durch diese Öffnung wird in später noch zu beschreibender Weise beeinflußt.

Die Luftzuführkammer 58 wird von der Ständerkonstruktion 31, dem vorderen Leitblech 52 und der äußeren Gehäusewand 64 be­ grenzt. Durch eine Mehrzahl von Eintrittsöffnung 67 in der Ständerkonstruktion 31 fließt Kühlluft in die Einlaßkammer 58. Die Kühlluft strömt vom Verdichter durch die Schaufel­ reihe 68, die Einlaßöffnungen 67 in die Einlaßkammer 58, von wo sie entweder in die Verteilerleitung 38 einströmt oder über eine Öffnung 69 direkt in den Auslaßkanal 46 ge­ leitet werden kann, je nach Stellung der Ventileinrichtung 43.

Zur Beeinflussung des Strömungsweges der Kühlluft zwischen den beiden möglichen Wegen ist in dem Auslaßkanal 46 eine Klappe 71 oder ein gleichwertiges Umschaltelement vorgesehen. Die Klappe ist schwenkbar an einem ringförmigen Flansch 72 gelagert und kann zwischen der aktiven Stellung, die in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien eingezeichnet ist, in eine inaktive Stellung verschwenkt werden, die in Fig. 2 ge­ strichelt eingezeichnet ist. In der aktiven Stellung liegt die Ventilklappe 71 an dem Anschlag 73 an und blockiert die Luftströmung aus der Öffnung 69 in den Auslaßkanal 46 und zwingt die Luft durch die Verteilerleitung 38 in die Auslaß­ kammer 59. Von dort gelangt sie durch die Öffnung 66 in den Auslaßkanal 46. Wenn sich die Ventilklappe 71 in der inaktiven Stellung befindet, wie in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet ist, dann wird die Kühlluft aus der Einlaßkammer 58 sogleich abgezweigt und gelangt durch die Öffnung 69 direkt in den Auslaßkanal 46. Zwischenstellungen der Ventilklappe 71 erzeugen entsprechende Teilströmungen durch die Verteiler­ leitung hindurch oder direkt in den Abgaskanal.

Im normalen Dauerbetrieb der Maschine bringt die Steuer­ einrichtung 42 die Ventilklappe 71 in die aktive Lage, so daß die Kühlluft über die Außenseite 56 des Ständers strömt und auf die Bleche der Ständerkonstruktion auftrifft und diese somit kühlt. Die Folge davon ist eine Verringerung der Größe des Ständergehäuses 31 und eine Verringerung der Spaltbreite zwischen dem Stator und dem Rotor. Während Änderungen der Betriebszustände, beispielsweise während Drosselchops, Bursts und Rebursts, registriert der Sensor 48 Drehzahländerungen und das von ihm gelieferte Signal ge­ langt zur Steuereinrichtung 42, die das System so beeinflußt, daß die Ventilklappe 71 zwischen der aktiven und der inaktiven Lage hin und her bewegt wird. Beispielsweise wird während stärkerer Beschleunigungen Kühlluft zunächst durch die Ver­ teilerleitung 38 geleitet. Wegen des sich ergebenden Druck­ anstieges heizt sie den Ständer auf und bringt ihn zu thermi­ scher Ausdehnung. Während stärkerer Abbremsungen wird die Strömung durch die Verteilerleitung 38 unterbunden und der Ständer kann seine Wärme behalten und schrumpft daher nur langsam.

Das System bringt somit reduzierte Spaltweiten im Dauer­ betrieb und einen entsprechend verbesserten Wirkungsgrad, gewährt aber während Übergangsbetriebszuständen ausreichend weite Spaltweiten, um Abrieb zu vermeiden.

Es versteht sich, daß viele andere Konstruktionen und Aus­ führungsformen möglich sind, um die Erfindung zu verwirk­ lichen. Beispielsweise kann man die Steuereinrichtung so dimensionieren, daß sie auf die Drosselklappenstellung, Temperatur, Druck, Spaltweiten oder mit Zeitverzögerung anspricht. Die Ventileinrichtung kann auch in anderer Weise als durch eine Ventilklappe realisiert sein und kann entweder hydromechanisch, pneumatisch, elektronisch oder anders betätigt sein.

Obgleich hier das Ventil als Umschaltventil beschrieben ist, kann es doch auch in anderen Positionen betrieben werden. Wenn es beispielsweise wünschenswert ist, daß immer eine gewisse Luftmenge durch die Verteilerleitung fließt, dann darf das Ventil nicht immer völlig geschlossen sein, wie es gestrichelt eingezeichnet ist. Das Ventil kann Stellungen einnehmen, die zwischen den gezeichneten Stellungen liegen. Obgleich die Erfindung hier so beschrieben ist, daß sie im Dauerbetrieb als "aktiv" und in Übergangsbedingungen als "inaktiv" gilt, kann das Kühlsystem doch auch so geregelt sein, daß es auf andere Parameter oder Betriebsbedingungen anspricht. Beispielsweise kann im Steigflug das System ein­ geschaltet sein, obgleich die Maschine hierbei nicht mit jenen Bedingungen arbeitet, die im Dauerbetrieb vorherrschen.

Obgleich hier die Verkleidungen als Teil eines festen Gehäuses eingezeichnet sind, kann die Verkleidungsreibfläche aus ge­ trennten beschichteten und segmentierten Bändern bestehen, die ähnlich wie die Schaufelfüße gehalten sind oder sie können als Vorsprünge an den Schaufelfüßen ausgebildet sein. In diesem Falle wird die Steuerung der Spaltweite hauptsäch­ lich durch selektives Kühlen der die Verkleidung tragenden Konstruktion durchgeführt.

Claims (11)

1. Spaltsteuerung für eine Strömungsmaschine mit mehreren mit axialem Abstand angeordneten Stufen, die von einem in geringem radialem Abstand angeordneten Gehäuse umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Verdichter (13) der Strömungsmaschine eine Steuer­ anordnung (42 bis 44) zum aktiven selektiven Steuern einer Kühlluftströmung entlang der äußeren Oberfläche des Gehäuses (31) vorgesehen ist.

2. Spaltsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung (42 bis 44) mit einer Kühlluftverteilerleitung (38) verbunden ist, die sich axial längs der Verdichterstufen erstreckt und die einen Einlaß (39) und einen Auslaß (41) aufweist.

3. Spaltsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (39) mit dem Ver­ dichter (13) in Strömungsverbindung steht.

4. Spaltsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (39) eine Öffnung (67) radial durch das Gehäuse (31) aufweist.

5. Spaltsteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (13) Schaufeln (68) aufweist und die Kühllufteinlaßöffnung (67) für eine radiale Kühlluftströmung über Teile der Verdichterschaufeln (68) sorgt.

6. Spaltsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (69) zum selektiven Ableiten der axialen Kühlluftströmung von der äußeren Oberfläche des Gehäuses (31) aufweist.

7. Spaltsteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableiteinrichtung (69) einen Ableitkanal (46) und ein Durchflußsteuerventil (71) aufweist.

8. Spaltsteuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableitkanal (46) mit der Kühllufteinlaßöffnung (39) in Strömungsverbindung steht.

9. Spaltsteuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußsteuerventil (71) in dem Ableitkanal (46) angeordnet ist.

10. Spaltsteuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußsteuerventil (71) zugleich den Kühlluftstrom in der Kühlluftleitung (38) und in dem Ableitkanal (46) steuert.

11. Spaltsteuerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußsteuerventil (71) in einer ersten Stellung den Kühlluftstrom in einen ersten Teilstrom, der längs der äußeren Oberfläche des Gehäuses (31) strömt, und einen zweiten Teilstrom (47) aufteilt, der an dem Gehäuse (31) vorbei strömt und sich mit dem ersten Teilstrom in einem Auslaßkanal wieder vereinigt.