DE3038603A1

DE3038603A1 - Gasturbine mit einer einrichtung zur konstanthaltung des schaufelspitzenspielraumes zwischen einem laufrad und einem dieses umgebenden stroemungskanalwandabschnitt

Info

Publication number: DE3038603A1
Application number: DE19803038603
Authority: DE
Inventors: Derek Aubrey Bristol Roberts
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-10-24
Filing date: 1980-10-13
Publication date: 1982-03-04
Also published as: FR2467979A1; GB2061396A; DE3038603C2; FR2467979B1; JPS5666408A; GB2061396B

Description

PATBNTANWAIjT

DIPL. ING. K. EOLSEB

-WBIiSBB ■ STBASBH14

AUGSBUJBG

TELEFON 6164711

eessoapatold

R. 1063

Augsburg, den 10. Oktober 198Ο

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Gasturbine mit einer Einrichtung zur Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraumes zwischen einem Laufrad und einem dieses umgebenden Strömungskanalwandabschnitt

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einer _: Einrichtung zur Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraumes zwischen einem Laufrad und dem dieses umgebenden Strömungskanalwandabschnitt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aft * * <· A

Beim Anfahren eines Gasturbinentriebwerks sowie bei Triebwerksbeschleunigungen läuft die Wärmedehnung des Turbinenläufers gegenüber der Wärmedehnung des Turbinengehäuses verzögert ab. Im stationären Triebwerkslauf gleicht sich die Wärmedehnung des Turbinengehäuses besser der Wärmedehnung des Turbinenläufers an, und bei Triebwerksverzögerungen oder beim Abstellen des Triebwerks zieht sich das Gehäuse schneller als der Turbinenläufer zusammen.

Wenn keine besonderen Maßnahmen zur Anpassung bzw. Kompensation der an sich unterschiedlichen Wärmedehnungs- und -zusammenziehungsgeschwindigkeiten des Turbinengehäuses und des Turbinenläufers getroffen werden, muß der Schaufelspitzenspielraum der Laufschaufeln so ausreichend groß gewählt werden, daß ein Schleifen der Laufschaufelspitzen an dem sie umschließenden Strömungskanalwandabschnitt auch während tibergangsbetriebszuständen mit unterschiedlich schneller Wärmebewegung von Gehäuse und Läufer vermieden wird. Jedoch ist dann der Schaufelspitzenspielraum im stationären Triebwerkslauf zu groß und bedingt eine Verschlechterung des Triebwerkswirkungsgrades, d.h. einen Leistungsverlust und einen höheren spezifischen Brennstoffverbrauch.

Es sind bereits zahlreiche Vorschläge zur Steuerung des Schaufelspitzenspielraumes im Sinne einer Konstanthaltung bekannt geworden. Diese reichen von einem Anblasen des Turbinengehäuses bzw. der mit den Laufschaufelspitzen zusammenwirkenden Stromungskanalwandkonstruktion mit aus dem Verdichter abgezweigter kalter Luft zur Verzögerung der Ausdehnung des Turbinengehäuses bis zum Rückleiten heißer Verbrennungsgase aus dem durch die Turbine hindurchverlaufenden Treibgaskanal zum Zwecke der Erwärmung der Gehäuse- bzw. Wandkonstruktion zwecks Verzögerung von deren Zusammenziehung bei einer Triebwerksverzögerung.

Bei den beiden eben erwähnten bekannten Vorschlägen sind eine Ventileinrichtung und eine Steuereinrichtung erforderlich und hinsichtlich des Triebwerkswirkungsgrades wird ein Kompromiß geschlossen. Durch Abzweigen kalter Luft aus dem Verdichter geht Verdichternutzleistung verloren, und durch Abzweigen heißer Luft aus der Turbine wird der Turbinenwirkungsgrad verschlechtert. Außerdem ermöglicht keiner der bekannten Vorschläge eine ausreichende Steuerung des Schaufelspitzenspielraumes zwischen den Laufschaufeln und der sie umgebenden Strömungskanalwand während aller möglicher Betriebszustände, d.h. sowohl während Beschleunigungsvorgängen₃ während des stationären Triebwerkslaufs als auch während Verzögerungsvorgängen.

O ψ· t

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbine mit einer Einrichtung zur Steuerung des Schaufelspitzenspielraumes der eingangs genannten Gattung deren Konstruktion im Sinne der Erzielung einer genaueren Anpassung des Wärmebewegungsverhaltens von Turbinenläufer und Strömungskanalwand in allen auftretenden Betriebszuständen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Mit dieser erfindungsgemäßen Konstruktion wird gleichzeitig der Vorteil erreicht, daß der mit den Laufschaufelspitzen zusammenwirkende Strömungskanalwandabschnitt nicht durch belastungsbedingte oder thermisch induzierte Verformungen des Triebwerksgehäuses beeinflußt wird.

Bei der stromab des Laufrads befindlichen Haltekonstruktion kann es sieh um ein weiteres segmentiertes Leitrad handeln, das einer weiteren Laufradstufe des gleichen Turbinenläufers oder einem weiteren Turbinenläufer zugeordnet ist.

Die Leitradsegmente können außen radial gleitbeweglich an radial verlaufenden Anschlagflächen des Turbinen-

gehäuses anliegen, wobei diese Anschlagflächen gleichzeitig als axiale Widerlager zur Aufnahme der auf die LeitradSegmente wirkenden Gaskräfte dienen. Alternativ dazu können die Leitradsegmente jeweils gelenkig mit Bezug auf das Turbinengehäuse angeordnet sein, wobei der den Leitradsegmenten zugeordnete Ring derart relativ zu diesen angeordnet ist, daß er jeweils ein Drehmoment auf die einzelnen Leitradsegmente im Sinne einer Radialbewegung der daran gehalterten Segmente des Strömungskanalwandabschnitts ausübt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen

Fig. 1 in schematischem Axialhalbschnitt

ein Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk mit einer nach der Erfindung aus-" gebildeten Turbine, und

Fig. 2 die Hochdruckturbine des in Fig.

gezeigten Triebwerks in näheren Einzelheiten zeigt.

Tn Fig. 1 ist ein Dreiwellen-Gasturbinentriebwerk einer Zweistrom-Bauart dargestellt. Das Triebwerk 10 umfaßt, strömungstechnisch in Reihe angeordnet, ein in einem Gebläsekanal 12 wirkendes Gebläse 11, einen mehrstufigen Mitteldruck-Axialverdichter 13» einen Hochdruck-Axialverdichter 14, eine Brenneinrichtung 15» eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17» eine Niederdruckturbine 18 und ein Strahlrohr 19·

Die Hochdruckturbine 16 ist in Fig. 2 in näheren Einzelheiten dargestellt und weist ein Turbinenlaufrad auf, das aus einer ringförmigen Laufradscheibe 20 mit verdicktem Nabenteil 21 und einer Vielzahl von am Laufradscheibenumfang gehalterten Laufschaufeln 22 besteht. Die Laufschaufeln 22 haben übliche Tannenbaumfüße, die in entsprechende Haltenuten der Radscheibe 20 eingesetzt sind. Mit der Radscheibe 20 sind Flansche 23 verbunden, über welche sie mit der zugehörigen Welle verbunden ist, über welche der Hochdruckverdichter Ik angetrieben wird.

Das stromauf des Turbinenlaufrads angeordnete und diesem zugeordnete Leitrad 25 der Hochdruckturbine besteht aus einer Anzahl von Leitradsegmenten 26, die jeweils mehrere Leitschaufeln 27 umfassen, die zwischen einer radial

• · W w · ο' *

. - ίο -

inneren Plattform 28 und einem radial äußeren Deckbandsegment 9 verlaufen. An ihrer Unterseite sind die ,", Plattformen 28 der Leitradsegmente jeweils mit zwei einen gegenseitigen Axialabstand aufweisenden und radial einwärts ragenden Planschen 29 versehen, in denen Bohrungen zur Aufnahme eines oder mehrerer Stifte 30 gebildet sind.

Die Stifte 30, die außerdem durch radial orientierte Langlöcher eines in den Zwischenraum zwischen den beiden Planschen 29 jedes Leitradsegments hineinragenden Radialflansches 32 hindurchverlaufen, halten die Leitradsegmente radial beweglich auf dem Radialflansch 32, der seinerseits an der Flammrohrkonstruktion 33 der Brennkammer des Triebwerks gehaltert ist.

Radial außen sind die Leitradsegmente 26 im Bereich der Leitschaufeleintrittskanten mittels hakenförmiger Ansätze 3^ am Turbinengehäuse 36 gehaltert, wobei die hakenförmigen Ansätze 3^ an einer am Turbinengehäuse 36 gebildeten Anschlagfläche 34 anliegen. Auf die Leitschaufeln wirkende axiale Gaskräfte werden also über die Hakenansätze 3** vom Gehäuse 36 aufgenommen, und ein Kippen der Leitradsegmente um ihre Hakenansätze 3^ wird durch die radial innere Festlegung der Leitradsegmente mittels

■■> ■·*

- ιι -

der Stifte 30 auf dem Radialflansch 32 und auf einem Ring 44 im wesentlichen verhindert. Stromab des Hochdruckturbinenlaufrads 20, 22 befindet sich ein weiteres Leitrad 37, das der Mitteldruckturbine zugeordnet ist, deren Laufrad in Fig. 2 nicht dargestellt ist. Dieses weitere Leitrad 37 ist ähnlich wie das Leitrad 25 der Hochdruckturbine aufgebaut und besteht aus einer Mehrzahl von Segmenten 38, die jeweils mehrere Leitschaufeln 39 umfassen, die zwischen einer radial inneren Plattform 40 und einem äußeren Deckbandsegment 4l verlaufen.

Die Segmente 38 des weiteren Leitrads 37 sind radial außen im Bereich der Leitschaufelaustrittskanten mittels eines Radialflansches 42, der an einer Anschlagfläche 43 des Turbinengehäuses 36 anliegt, an diesem gehaltert. Die auf die Leitschaufeln 39 wirkenden axialen Gaskräfte werden über die Radialflansche 42 der Leitradsegmente 38 auf das Turbinengehäuse 36 übertragen.

Sowohl dem der Hochdruckturbine zugeordneten Leitrad 25 als auch dem der Mitteldruckturbine zugeordneten Leitrad 37 ist jeweils ein Ring 44 bzw. 45 zugeordnet, der hinsichtlich seines Wärmebewegungsverhaltens auf dasjenige des Hochdruckturbxnenlaufrads abgestimmt ist.

Mit dem Ring 44 sind sämtliche Segmente 26 des Hochdruckturbinenleitrads 25 mittels der- Stifte 30 verbunden, und zwar unterhalb der jeweiligen Plattform 28 und im Austrittskantenbereich der Leitschaufeln 27. Bei radialen Wärmedehnungen und Zusammenziehungen des Ringes nimmt dieser die Leitradsegmente 26 mit und bewegt sie radial auswärts oder einwärts, wobei er ein Drehmoment auf die Leitradsegmente 26 um deren radial äußere Hakenansätze 34 herum ausübt. In entsprechender Weise haben radiale Wärmedehnungen und Zusammenziehungen des Ringes eine Mitnahme der Leitradsegmente 38 des Mitteldruckturbinenleitrads radial auswärts oder einwärts zur Folge, wobei jeweils ein Drehmoment um die Radialflansche 42 auf diese Leitradsegmente ausgeübt wird.

Die Segmente 26 des Hochdruckturbinenleitrads 25 sind in der rückwärtigen Stirnfläche ihrer Deckbandsegmente jeweils mit einer Aussparung 47 versehen, in welche ein als Hohlkonstruktion ausgebildeter segmentierter Strömungskanalwandabschnitt 48, 49 mit seinem stromaufseitigen Ende eingreift. Das stromabseitige Ende des Strömungskanalwandabschnittes 48, 49 greift in entsprechende Aussparungen 50 in der stromaufwärtigen Stirnfläche der Deckbandsegmente 4l des Mitteldruckturbinenleitrads 37 ein. Der als Hohlkonstruktion ausgebildete Strömungskanalwandabschnitt besteht aus

einer segmentierten Wandschale 48 und aus einem luftbestrichenen äußeren Mantel 49. Zwischen dem Mantel 49 und einer Dichtungsfläche 52 des Turbinengehäuses 36 ist eine Dichtungsplatte 51 angeordnet, welche radiale Relativbewegungen des Stromungskanalwandabschnittes zuläßt.

Der luftbestrichene äußere Mantel 79 kann mit abwechselnd von beiden Stirnenden aus eingeschnittenen Schlitzen versehen sein, die ihm eine ausreichende Flexibilität verleihen, damit er den radialen Bewegungen der Deckbandsegmente 9 und 41 der Leiträder 25 und 37 folgen kann. Außerdem ist der Mantel 49 mit einer Vielzahl von Durchbrüchen versehen, durch welche Kühlluft von außerhalb des inneren Brennkammergehäuses zu der segmentierten Wandschale 48 hin durchtreten und diese kühlen kann.

Die beiden Ringe 44 und 45 sind jeweils in Form von verkleinerten Turbinenlaufradscheiben ausgebildet und haben jeweils eine Nabenverdickung 533 obwohl sie feststehende Ringe sind. Die Nabenverdickung 53 dient jedoch als thermisch träge Masse zur Steuerung des thermischen Ansprechverhaltens der Ringe 44 und 45. Außerdem sind die beiden Ringe 44 und 45 aus solchen Werkstoffen hergestellt, die zusammen mit der Gestaltung dieser Ringe

sicherstellen, daß ihre wärmebedingten radialen Dehnungen und Zusammenziehungen den entsprechenden Wärmebewegungen des Turbinenlaufrads entsprechen. Zur Steuerung des thermischen Ansprechverhaltens der beiden Ringe 44 und sind diese jeweils durch eine äußere Abdeckung 54 bzw. abgeschirmt. Die dem Ring 44 zugeordnete Abdeckung 54 ist an der feststehenden Triebwerkskonstruktion 56 angeschraubt und hält die Stifte 30 so, daß eine gewisse Kippbewegung der Le-itradsegmente 26 um ihre Hakenansätze möglich ist, wozu ein gewisses axiales Bewegungsspiel der Flansche 29 erforderlich ist, beispielsweise indem man eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Konstruktion 56 zuläßt. Die Durchbrüche des Radialflansches 32 der feststehenden Konstruktion. 56, durch welche die Stifte 30 hindurchverlaufen, sind, wie schon erwähnt, als radial orientierte Langiöcher ausgebildet, um radiale Bewegungen des Ringes 44, der Stifte 30 und der Leitradsegmente 26 zu ermöglichen. Die dem Ring 45 zugeordnete Abdeckung 55 ist einerseits mittels der dem Mitteidruckturbinenleitrad 37 zugeordneten Stifte an diesen gehaltert und andererseits über einen radial beweglichen Ansatz 58 an den Segmenten des Leitrads 37 abgestützt. Die Durchbrüche in der Abdeckung 55» durch welche die Stifte 46 hindurchverlaufen, sind wiederum Langlöcher, so daß eine radiale Bewegung des Ringes 45, der Stifte 46 und der Leitradsegmente 38 relativ zur Abdeckung 55 und deren Tragkonstruktion 57 möglich ist. Die

Abdeckung 55 und ihre Tragkonstruktion 57 bilden außerdem den feststehenden Teil einer Labyrinthdichtung.

Die Wirkung der Ringe 44 und 45 im Betrieb besteht darin, daß sie die Segmente der Leiträder 25 und 37 bei ihren eigenen Wärmebewegungen mitnehmen und über diese die segmentierte Strömungskanalwandschale 48 radial bewegen, um den jeweils richtigen Schaufelspitzenspielraum zwischen ihnen und den Spitzen der Laufschaufeln 22 aufrechtzuerhalten. Da das thermische Ansprechverhalten der beiden Ringe 44 und 45 genau auf dasjenige des Turbinenlaufrads abgestimmt ist, werden die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden der Segmente der Strömungskanalwandschale 48 jeweils gemeinsam radial bewegt und der Schaufelspitzenspielraum zwischen ihnen und den Laufschaufeln 22 mit größerer Genauigkeit konstant gehalten, als es bisher möglich war.

Die Bewegung der Leitradsegmente 26 und 38 erfolgt jeweils in Form einer Kippbewegung um ihre Anlägesteilen am äußeren Turbinengehäuse 36, d.h. die Leitradsegmente werden zur Vergrößerung des Schaufelspitzenspielraumes im Gegenuhrzeigersinn und die Leitradsegmente 38 im Uhrzeigersinn jeweils um eine zur Zeichenebene senkrechte Kippachse und zur Verringerung des Schaufelspitzenspielraums in umgekehrten Sinne gekippt.

Gemäß einer nicht dargestellten alternativen Ausführung smöglichkeit können die Verbindungen der Leitradsegmente 26 und 38 mit den zugeordneten Ringen 44 und 45 so ausgebildet sein, daß sie einer Kippbewegung der Leitradsegmente entgegenwirken, wozu beispielsweise jeweils zwei Ringe 44 und 45 vorgesehen sein können, von denen jeweils einer mit dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende der inneren Plattformsegmente bzw. 40 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Festlegungen der Leitradsegmente am Turbinengehäuse radial gleitbeweglich ausgeführt.

Gemäß einer weiteren Alternative kann der Strömungskanalwandabschnitt 48 mit seinem stromabseitigen Ende an einer Haltekonstruktion gehaltert sein, bei welcher es sich nicht um ein weiteres Leitrad handelt, die jedoch in der gleichen Weise radial beweglich ist wie das Leitrad 37. In diesem Fall ist der Ring 45 derart mit der Haltekonstruktion verbunden, daß er in der gleichen Weise wie auf das Leitrad 37 ^auf diese einwirkt. Eine solche alternative Konstruktion kann im Falle einer einstufigen Turbine bzw. im Falle einer einfachen Turbine zweckmäßig sein, der keine weitere Turbinenstufe nachgeschaltet ist.

Lee

'rillt

Claims

Patentansprüche

Λ Gasturbine mit einer Einrichtung zur Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraumes zwischen einem Laufrad und dem dieses umschließenden Strömungskanalwandabschnitt, wobei;der als Hohlkonstruktion ausgebildete, segmentierte Strömungskanalwandabschnitt stromaufseitig von einem dem Laufrad zugeordneten, segmentierten und bezüglich des Turbinengehäuses radial bewegungsfähigen Leitrad und stromabseitig von einer stromab des Laufrads angeordneten, ebenfalls bezüglich des Turbinengehäuses radial bewegungsfähigen Haltekonstruktion gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Leitrad (25) und der Haltekonstruktion (37) jeweils ein radial innerhalb davon konzentrisch angeordneter Ring (44, 45) zugeordnet ist, der hinsichtlich seines Wärmedehnungsverhaltens in Anpassung an dasjenige des Laufrads (20) ausgelegt ist und bei Wärmedehnungs- und -zusammenziehungsbewegungen die Leitradsegmente (26) bzw. die Haltekonstruktion und folglich die stromaufseitigen Enden bzw. die stromabseitigen Enden der Segmente des Strömungskanalwandabschnittes (48, 49) mitnimmt.

♦ ·■
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromab des Laufrads (20) angeordnete Haltekonstruktion (37) ein weiteres segmentiertes Leitrad ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Leitrad (37) einer weiteren Laufradstufe zugeordnet ist.
4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Leitrad (37) einem weiteren Turbinenlaufrad zugeordnet ist.
5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitradsegmente (26, 38) außen radial gleitbeweglich an radial verlaufenden Anschlagflächen (35» 43) des Turbinengehäuses (36) anliegen, die als axiales Widerlager für die auf die Leitradsegmente wirkenden Gaskräfte dienen.
6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitradsegmente (26, 38) jeweils bezüglich des Turbinengehäuses (36) gelenkig angeordnet sind und der ihnen zugeordnete Ring (44, 45)

ein Drehmoment im Sinne einer radial gerichteten Bewegung der Segmente des Strömungskanalwandabschnitts (48, 49) auf die einzelnen Leitradsegmente ausübt.
7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitradsegmente (26, 38) jeweils eine radial innere Plattform (28, 40) und eine oder mehrere damit verbundene Leitschaufeln (27, 39) aufweisen, und daß der den Leitradsegmenten zugeordnete Ring (44, 45) mit der radial einwärts weisenden Seite der Plattform in Wirkungsverbindung steht.