DE3037329A1 - Vorrichtung zum regeln des spiels zwischen den schaufeln und dem ring einer turbine - Google Patents

Vorrichtung zum regeln des spiels zwischen den schaufeln und dem ring einer turbine

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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/24Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Tires In General (AREA)

Description

SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION 2.1ο.19 8ο
{S.N.E.C.M.A.)
2, boulevard Victor
P-75015 Paris / Prankreich
Vorrichtung zum Regeln des Spiels zwischen den Schaufeln und dem Ring einer Turbine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des Spiels zwischen den umlaufenden Schaufeln und dem Ring einer Turbine, und sie richtet sich darauf, ein vermindertes und bei Leistungsänderungen der Turbine im wesentlichen konstantes Spiel aufrechtzuerhalten, wobei die Vorrichtung einen inneren Reifen, der eine Dichtung trägt, eine zylindrische perforierte Trennwand, die den Reifen umgibt, sowie einen äußeren Reifen aufweist, der einen Raum begrenzt, welches Luft aufnimmt, die zum Kühlen oder Erwärmen des Rings nach ihrem Durchgang durch die perforierte Trennwand bestimmt ist.
Der Wirkungsgrad einer Turbine ist eine Punktion einer bestimmten Anzahl von Parametern, und zwar insbesondere des Spiels zwischen den Enden der Schaufeln und dem Stator. Dieses Spiel wird konstruktiv auf einen bestimmten geringen Wert eingeregelt. Um zufällige Reibberührungen
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während des Umlaufens zu vermeiden, trägt der Turbinenring in der Regel eine Dichtung aus einem verschleißbaren Material, welches einen zerstörungsfreien Kontakt mit den Schaufeln zuläßt. Solche Reibberührungen resultieren aus Unterschieden in den Wärmedehnungen zwischen den Scheiben und Schaufeln der Turbine einerseits und dem den Ring tragenden Gehäuse andererseits. Das konstruktiv vorgegebene Spiel ändert sich also mit raschen Veränderungen in der Leistung und in der Temperatur der Turbine. In den Anlauf- oder Beschleunigungsphasen erwärmen sich die Schaufeln der Turbine und der Ring rascher als die Scheibe, was zu einer Ausdehnung des Ringes und zu einer Vergrößerung des Spiels zwischen den Schaufeln und dem Ring führt. In der Verzögerungsphase kühlen sich die Schaufeln und der Ring schneller ab als die Scheibe, und das Spiel wird minimal, wobei die Gefahr besteht, daß es zu einer Berührung zwischen den Schaufeln und dem Ring kommt. Um die . Änderungen des Spiels auf ein Minimum zu reduzieren, wenn nicht sogar ganz auszuschalten, waren die Konstrukteure bestrebt, die Dimensionsänderungen des Rotors und des Stators gleichzeitig ablaufen zu lassen, und zwar durch Wahl des Wärmedehnungskoeffizienten der Materialien und durch Steuerung der Temperatur des Rings bzw. der den Ring tragenden Struktur.
Dementsprechend beschreibt auch die PR-PS 20 64 889 einen Dichtring, der von einem ringförmigen Träger gehalten wird. Der Träger steht mit der vom Verdichter geförderten Druckluft in Verbindung und weist einen Rand auf, der eine wesentliche thermische Masse besitzt. Durchlässe in der Wand des Trägers richten die Luft gegen den Rand, und zwar innerhalb einer Kammer, die andererseits von einer perforierten Wand abgeschlossen wird. Diese perforierte Wand begrenzt mit der Wand des Rings eine zweite Kammer.
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Die Druckluft dient anfänglich dazu, den Träger des Rings zu erwärmen oder zu kühlen. Sodann wird dieselbe Luft dazu verwendet, den Ring selbst zu erwärmen oder zu kühlen, und zwar dadurch, daß beim Durchgang durch die perforierte Wand der zweiten Kammer Strahlen gebildet werden, die eine hohe Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zwischen der Luft und dem Ring gewährleisten. Aufgrund der Tatsache, daß der Ring segmentiert ist und von Rändern gehalten wird, die an seinen beiden Enden liegen, läßt sich die Gefahr einer nicht gleichzeitigen Wärmedehnung der Endabschnitte nicht ausschließen. Die Verbindungen zwischen den Segmenten und den Trägern gestatten keine angemessene Abdichtung, und die Luftverluste machen die Temperatursteuerung schwierig. Andererseits ist die mechanische Montage kompliziert, was beträchtliche Stillstandszeiten bei der Instandsetzung des Rings zur Folge hat.
Die FR-PS 22 93 594 beschreibt eine Vorrichtung, bei der der Dichtring, der aus Segmenten mit VorSprüngen und Rändern besteht, von einem ersten ringförmigen Element gehalten wird, welches von Bolzen getragen wird, die mit ihren äußeren Ende in Löchern des Gehäuses sitzen. Das erste ringförmige Element weist Öffnungen für den Durchgang von Luft unter hohem Druck auf, die aus dem Verdichter kommt. Ein zweites ringförmiges Element, dessen Masse beträchtlicher als die des ersten Elements ist, wird durch eine Blende gegen die unter hohem Druck stehende Luft abgeschirmt. Bei Last- oder Drehzahländerungen geht die Dehnung oder die Zusammenziehung des zweiten, massiven ringförmigen Elements, das von der Blende geschützt wird, weniger schnell vor sich als die des ersten Elements und gestattet daher eine Steuerung der Dehnung des Trägers des Rings und folglich eine Beibehaltung des Spiels. Die Nachteile dieser Ausführungsform sind im wesentlichen die
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gleichen, wie sie im Zusammenhang mit der erstgenannten PR-PS angegeben wurden.
Die Erfindung richtet sich auf die Schaffung einer Vorrichtung, bei der die Verluste an Kühl- oder Heizluft vollkommen vorbestimmt bzw. festgelegt sind. Außerdem sollen der Träger des Rings und die Kammern zur Lieferung der Luft eine abgedichtete Anordnung bilden, die durch ein einziges Element verbunden sind, welches gleichzeitig den Durchgang der Luft und die Verbindung mit dem Gehäuse gewährleistet sowie in der Lage ist, eine präziese Führung zu bieten. Nach einem weiteren Merkmal soll die Heiz- oder Kühlluft direkt zum Einlaß der Kammern gelangen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Regeln des Spiels zwischen den Schaufeln und dem Monoblock-Ring einer Turbine geschaffen, mit einem inneren Reifen, der eine Dichtung trägt, einer zylindrischen perforierten Trennwand, die den Reifen umgibt und an ihm befestigt ist, und einer Umfangswand, die eine Verteilerkammer für die zum Erwärmen oder Kühlen des Rings dienende Luft begrenzt, und zwar ist diese Vorrichtung gekennzeichnet durch rohrförmige Körper, die in Radialrichtung einen Raum mit der Verteilerkammer verbinden und den Durchlaß der Heiz- oder Kühlluft von der Verteilerkammer zum Raum gewährleisten, wobei letzteres von dem inneren, die Dichtung tragenden Reifen und von einer gegenüberliegenden Wand gebildet wird, die Bohrung zur Aufnahme eines Endes der rohrförmigen Körper aufweist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden. Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:
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Figur 1 einen axialen Halbschnitt des Turbinenbereichs mit der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die Zuführung der Luft dargestellt ist;
Figur 2 einen axialen Halbschnitt der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die Luftabführung dargestellt ist;
Figur 3 einen Querschnitt eines Teils der Turbine mit der erfindungsgemäßen Anordnung.
Figur 1 zeigt im Längs-Halbschnitt denjenigen Teil der Strahlturbine, der die Turbine enthält. Schaufeln 1 sind in an sich bekannter Weise auf einem (nicht dargestellten) Rotor montiert. Sie werden von der Strömung des heißen Gases getroffen, welches aus der Brennkammer kommt. Die Turbine ist mit einem Verdichter gekoppelt, der Luft zur Brennkammer und zu verschiedenen Kühlvorrichtungen der Strahlturbine liefert. Gegenüber den umlaufenden Schaufeln 1 ist eine Vorrichtung 2 zum Regeln des Spiels zwischen den Schaufeln und dem Turbinenring angeordnet. Diese Vorrichtung weist, betrachtet von der Achse der Strahlturbine radial nach außen, folgende Bauteile auf: Einen Turbinenring, bestehend aus einem zylindrischen Reifen 33 auf dem ein Material 4 befestigt ist, das mindestens teilweise durch die Spitzen der Schaufeln bei Dehnungen oder zufälligen Vibrationen abgearbeitet werden kann und einen sogenannten Monoblock-Dichtring bildet, aus einer zylindrischen perforierten Trennwand 5 und aus einer Wand 6, die Bohrungen 7 trägt; rohrförmige Körper 8; und eine Verteilerkammer 9. Die rohrförmigen Körper 8 wirken mit einem Ende mit der Wand 6 und mit dem anderen Ende mit der Verteilerkammer 9 zusammen.
Die perforierte Trennwand 5 unterteilt ein Raum - 10, wel-
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ches von dem Reifen 3 und der Wand 6 gebildet wird, in zwei Kammern 1OA und 1OB. Die Kammer 1OA nimmt die aus der Verteilerkammer 9 kommende Kühl- oder Heizluft auf und verteilt sie über der perforierten Trennwand 5, wo die Luft in Strahlen aufgegliedert wird. Diese Strahlen treten in die Kammer 1OB hinein und treffen auf die Rückseite des das Dichtmaterial 4 tragenden Reifens 3 auf, und sie ermöglichen einen raschen und wirksamen Wärmeaustausch. Die in die Kammer 1OB hineintretende Luft wird anschließend durch Einrichtungen abgeführt, die im weiteren noch genauer beschrieben werden sollen.
Die Bauteile, die den Raum 10 bilden, sind bei verschweißt, und die Außenränder 12 des Reifens 3 liegen in Ebenen senkrecht zur Achse der Strahlturbine und gleiten auf ringförmigen Führungen, von denen die Führung fest und die Führung 14 lösbar angeordnet ist. Die Führungen 13 und lh gewährleisten die Zentrierung des Rings in Längsrichtung. Ansätze 15 und 16 des Reifens dienen dazu, die aerodynamische Kontinuität des Gehäuses aufrechtzuerhalten .
Die Verteilerkammer 9 wird zumindest teilweise von dem Turbinengehäuse 17 gebildet, welches Ansätze 17A und 17B trägt, die im wesentlichen parallel zu einer Ebene senkrecht zur Turbinenachse liegen. Ferner wird die Verteilerkammer 9 von einer Umfangswand 18 begrenzt, die an den Enden der Ansätze befestigt ist. Derjenige Abschnitt des Turbinengehäuses 17, an dem die Führung 14 zur Anlage kommt, trägt eine Randbegrenzung für den Durchgang der ringförmigen Wand 6 während der Montage. Die Doppelwand, die von dem Turbinengehäuse 17 und von der Umfangswand gebildet wird, weist koaxiale Bohrungen 19 und 20 auf, die zur Befestigung und zur Führung der rorhförmigen Kör-
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per 8 dienen. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der rohrförmige Körper 8 durch einen Boden verschlossen, der einen umlaufenden Bund 22 trägt, welcher die Befestigungn des Körpers auf der Verteilerkammer 9 gestattet. Der rohrförmige Körper 8 trägt Öffnungen 23, die den Durchgang der Luft zulassen. Der mittlere Abschnitt der rohrförmigen Körpers wirkt derart mit der in der Kammerwand ausgebildeten Bohrung 19 zusammen, daß er sich in Radialrichtung verschieben kann. Das Ende des Körpers 8 tritt in die Bohrung 7 des Raumes 10 ein und bildet eine Führung bei Dimensionsänderung des Ringes. Aufgrund der Tatsache, daß sich die Bohrungen in Form von Hülsen verlängern, sind die Berührungsflächen zwischen den hohlen Körpern und den Bohrungen relativ beträchtlich, und sie gewährleisten gleichzeitig eine gute Führung und gestatten eine angemessene Abdichtung zwischen den verschiedenen Elementen, woraus eine präzise Steuerung der Temperaturen resultiert. Die Verteilerkammer 9 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels an Versorgungsleitungen für Heiz- und Kühlluft angeschlossen. Diese Luft kann wahlweise aus kalten oder heißen Zonen stammen und unter geringen oder hohen Drücken der Verdichterstufen stehen, und sie kann sogar direkt aus der Umgebung des Turbinengehäuses kommen. Die Liefermenge der Luft und ihre Temperatur können durch einen dehnbaren Ring gesteuert werden, ähnlich dem, wie er in der FR-PS 22 80 791 beschrieben ist.
Die Ausführungsform eines Auslasses, wie ihn Figur 2 zeigt, gestattet die Verwendung eines Kühl- oder Heizfluids, welches vollständig von der Strömung der.Abgase getrennt ist und dessen Kennwerte bezüglich Druck und Temperatur perfekt definiert sind.
Diese Anordnung macht eine Luftversorgung mit beträcht-
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lichem Druckniveau überflüssig, erleichtert in allen Fällen die Steuerung der Temperaturen und ergibt eine beachtliche Wirkungsgradsteigerung.
In der perforierten Trennwand, die d en Raum * 10 in die beiden Kammern unterteilt, wird eine Öffnung 26 vorgesehen, in die eine Düse 27 eintritt, die einen Teil eines rohrförmigen Auslaß-Körpers 28 bildet. Dieser Körper 28 besitzt die Form eines Rohres, welches durch die Bohrungen 19 und 20 hindurch die Verteilerkammer 9 durchquert und durch die Bohrung 7 in den Raum 10 eintritt. Es trägt an seinem mit der Bohrung 20 zusammenwirkenden Ende einen Bund 22, der eine Abdichtung sichstellt und den Anschluß des Rohres an eine Auslaßleitung 29 ermöglicht, deren Austrittsöffnung an irgend einem beliebigen Punkt der Sekundärströmung oder in der Atmosphäre mündet, immer allerdings in einer Zone verminderten Drucks.
Figur 3 zeigt die Anordnung der als Zuführung und als Auslaß dienenden rohrförmigen Körper rings um den Turbinenring.
Die heiße oder kalte Luft, die aus einer nicht gezeigten Steuervorrichtung kommt, wird durch die Versorgungsleitung 2h zugeführt, tritt in die Verteilerkammer 9 ein und gelangt sodann durch die öffnungen 23 des rohrförmigen Einlaß-Körpers 8 in die Kammer 1OA, wo sie durch die perforierte Trennwand 5 in Strahlen unterteilt wird, um in die Kammer 1OB einzutreten und auf den Reifen 3 aufzutreffen. Die Luft entweicht also tangential nach beiden Seiten der Auftreffzone bis zur Auslaßzone, wo sie die in der perforierten Trennwand vorgesehene Düse 27 und den rohrförmigen Auslaß-Körper 28 passiert, um die Kammer 1OA und die Verteilerkammer 9 zu durchqueren und unter Zwischenschaltung
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einer Auslaßleitung 29 die für den Austritt vorgesehene Zone zu erreichen. Der Auslaß kann in einer Unterdruck-Zone liegen oder an Unterdruck-Einrichtungen angeschlossen sein, was zur Folge hat, daß die Strömung der Luft von der Kammer 1OA zur Kammer 1OB sowie die Rückgewinnung der Luft durch die Düsen 27 erleichtert werden.
Die Vorrichtung zum Regeln des Spiels zwischen den Schaufeln und dem Ring der Turbine funktioniert folgendermaßen. Während der Beschleunigung unterliegt die Turbinenscheibe, solange sie sich erwärmt, einer geringen. Dehnung, wohingegen der Turbinenring aktiv gekühlt wird, um das Spiel zu kompensieren; im stabilisierten Betriebsbereich" vergrößert sich die Dehnung der Scheibe, und man kompensiert mittels der Dehnung des Rings, dessen Durchsatz an Kühlluft vermindert wird; bei der Verzögerung kühlt sich der Ring 4 schneller ab als die Scheibe. Um jede Gefahr einer Berührung zwischen den Schaufeln und dem Ring zu vermeiden, erwärmt man den Ring, oder aber, viel einfacher, man stellt im Falle von kleinen Strahlturbinen die Kühlung des Ringes ab.
Vorzugsweise wählt man beim vorliegenden Ausführungsbeispiel für den Ring ein Material mit geringem Wärmedehnungskoeffizienten, beispielsweise eine Legierung, wie sie unter der Bezeichnung "Inco 903" vertrieben wird; gleiches gilt für die rohrförmigen Körper. Da der Ring vom Turbinengehäuse, mit dem er lediglich über die rohrförmigen Körper in Verbindung steht, unabhängig ist, ist seine Dehnung völlig unabhängig von der des Turbinengehäuses; letzteres kann daher aus einem Material bestehen, das weniger hochwertig ist als das des Ringes. Dabei sorgen die rohrförmigen Körper für eine radiale Zentrierung des Ringes, und zwar entsprechend einer Aufhängung mittels
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strahlenförmiger Rohre.
Die Verbindung zwischen der Luft-Verteilerkammer und dem Turbinenring mittels rohrförmiger Körper ergibt nur sehr verminderte Verluste und folglich eine verbesserte Steuerung der thermischen Regelung. Der Auslaß der Regelungsluft durch die rohrförmigen Körper zum statischen Lüfter oder zur Atmosphäre gestattet eine Versorgung bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur und damit eine gute Kühlung sowie geringe Leistungsverluste.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet also für die Kühlung die einfache Verwendung von Luft mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur oder sogar von Luft, die direkt aus der Umgebung stammt. Der Ausstoß dieser Luft erfolgt statisch, sei es in die Sekundärströmung, sei es in die Atmosphäre, sei es in eine druckverminderte Ejektionszone.
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Claims (10)

  1. SOCIETE NATIONALE D1ETUDE ET DE
    CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION;
    {S.N.E.C.M.A.?
    2, boulevard Victor 2.1ο.198ο
    F-75015 Paris / Frankreich
    Patentansprüche
    (l ·) Vorrichtung zum Regeln des Spiels zwischen den Schaufeln und dem Monoblock-Ring einer Turbine, mit einem inneren Reifen, der eine Dichtung trägt, einer zylindrischen perforierten Trennwand, die den Reifen umgibt und an ihm befestigt ist, und einer Umfangswand·, die eine Verteilerkammer für die zum Erwärmen oder Kühlen des Rings dienende Luft begrenzt, gekennzeichnet durch rohrförmige Körper (8), die in Radialrichtung einen Raum (10) mit der Verteilerkammer (9) verbinden und den Durchlaß der Heiz- oder Kühlluft von der Verteilerkammer (9) zum Raum (10) gewährleisten, wobei letzteres von dem inneren, die Dichtung (4) tragenden Reifen (3) und von einer gegenüberliegenden Wand (6) gebildet wird, die Bohrungen (7) zur Aufnahme eines Endes der rohrförmigen Körper (8) aufweist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Verteilerkammer (9) zwei Reihen
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    von koaxialen, im Abstand zueinander liegenden Bohrungen (19, 20) aufweist, wobei eine erste Reihe der Bohrungen (20) zur Befestigung der rohrförmigen Körper (8) und die andere Reihe der Bohrungen (19) zu deren abdichtender Führung bei Langenanderungen, hervorgerufen durch thermische Dehnung, dient.
  3. 3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (19, 20) in zwei einander gegenüberliegenden Wänden (17, 18) der Verteilerkammer (9) angeordnet sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß jeder rohrförmige Körper (8) an einem Ende einen Boden (21) und einen umlaufenden Bund (22) trägt, wobei letzterer mit der Wand (18) der Verteilerkammer (9) zusammenwirkt, um den rohrförmigen Körper (8) zu halten.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder rohrförmige Körper (8) in der durch die Verteilerkammer (9) hindurchgehenden Wand öffnungen (23) für den Durchlaß der Luft aufweist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerkammer (9) an eine die Heiz- oder Kühlluft zuführende Leitung (24) angeschlossen ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 unter Verwendung von rohrförmigen Körpern (8) zur Luftversorgung der Verteilerkammer (9), gekennzeichnet durch weitere rohrförmige Körper (28) für den Auslaß der Luft.
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  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 73 dadurch gekennzeichnet, daß jeder rohrförmige Auslaß-Körper (28) an dem im Raum (10) mündenden Ende eine Düse (27), die mit einer Öffnung (26) in der perforierten Trennwand (5) zusammenwirkt, und an dem außerhalb der Verteilerkammer (9) mündenden Ende eine Einrichtung (22) zum Anschluß an eine Auslaßleitung (29) trägt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß von jeweils zwei rohrförmigen Körpern der eine (8) zur Luftversorgung der Verteilerkammer (9) und der andere (28) zum Auslassen der Luft verwendet wird.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenring (3 bis 5, 6) und die rohrförmigen Körper (8, 28) jeweils aus einem Material mit geringem Wärmedehnungskoeffizienten bestehen.
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