DE3040594A1

DE3040594A1 - Spaltsteuervorrichtung fuer eine turbomaschine

Info

Publication number: DE3040594A1
Application number: DE19803040594
Authority: DE
Inventors: Larry Dean Fairfield Ohio Cline; Ambrose Andreas Wyoming Ohio Hauser; James Edgar Cincinnati Ohio Sidenstick; Mark Stephen West Chester Ohio Zlatic
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-10-31
Filing date: 1980-10-29
Publication date: 1981-05-14
Anticipated expiration: 2000-10-30
Also published as: JPS6363721B2; US4363599A; FR2468740B1; IT1134101B; FR2468740A1; CA1139231A; IT8025656A0; JPS5681202A; DE3040594C2

Description

tsteuervorrichtung für eine Turbomaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern des Spalts zwischen rotierenden Turbinenteilen und einer umgebenden Ummantelung in einem Gasturbinentriebwerk.

Die Erfindung schafft ein System, das in einer Turbomaschine zum Steuern des Spalts zwischen rotierenden Turbinentei1tu und einer umgebenden Turbinenummantelung vorgesehen wird, ".um Erfüllen dieses Zweckes werden mehreren Steuerringe mit inneren Kanälen in das Turbinengehäuse integriert und durch ihiumi Fluiddurchfluß durch die inneren Kanäle während des Triebwerksbetriebes thermisch expandiert und kontraktiert, um die Radialpositionierung der Turbinenummantelung zu steuern. Die» Expansion und Kontraktion der Ummantelung ist der Expansion und Kontraktion der rotierenden Turbinenteile angepaßt, um einen engen Spalt aufrechtzuerhalten, wenn das Triebwerk über dem Spektrum von voller Leistung bis geringer Leistung betrieben wird.

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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid, daü benutzt wird, um die Expansion und Kontraktion der Steuerringe hervorzurufen, Verdichterauslaßluft, die einem Gebiet entnommen wird, welches den Brennerabschnitt des Triebwerks umgibt. Zweckmäßig sind Temperatur und Druck dieser Luft eng angepaßt, was für diese Funktion erwünscht, ist. Das System nutzt die Menge und den Druck der Verdichter 1ufL in Kombination mit der Größe, der Lage und dem Aufbau der Steuerringe aus, um die Turbiiienummantelung während geeigneter Perioden des Triebwerksbetriebes zu expandieren und zu kontraktieren.

Kin Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gas

turbinentriebwerks, das teilweise im Längsschnitt und teilweise weggebrochen dargestellt ist,

Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnitfcansi.cht ei

ner HD-Turbine eines Gasturbinentriebwerks mit einer Ausführungsform der Erfindung ,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des WachuLuiiis

des Turbinenstators und des Turbineniotors vom Triebwerksl eex'laufzustand bis zum Vollgaszustand und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Schrump

fung des Turbinenstators und des Turbinenrotors vom VoIlgaszustand bis zum Tr iebwerks1eer1aufzus tand.

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Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Fan-Abschnitt 12, einem Verdichter 14, einem Brenner 16, einer HD-Turbine 18 und einer ND-Turbine 20, die alle in Strömungsrichtung in Reihe angeordnet sind. Innerhalb der HD-Turbine 18 sind Turbinenteile innerhalb von Turbinenummantelungen (turbine shrouds) 22 drehbar gelagert. Diese rotierenden Turbinenteile, die in Fig. 1 gezeigt sind, sind dem Fachmann als Turbinenrotorabschnitt bekannt und sind insgesamt mit der Bezugszahl 24 bezeichnet. Gewisse Hauptbestandteile der HD-Turbine 18 drehen sich nicht und bilden den Turbinenstator 26.

Fig. 2 zeigt ausführlicher die HD-Turbine 18 und zugeordnete Gebilde zusammen mit der hier beschriebenen Erfindung. Der Turbinenstatorabschnitt 26 weist eine Einlaßleitschaufel 28 und eine Zwischenleitschaufel 30 auf. Die Hauptfunktion der Leitschaufeln 28 und 30 ist es, die heißen Turbinengase richtig gegen die Laufschaufeln 32 und 34 zu leiten, so daß die Trägheitskraft der Gase den TurbinenrotorabschnitL 24 in Drehung versetzt. Die Wirksamkeit dieser Übertragung von Trägheitskräften stellt einen Hauptfaktor für den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks dar. Eine Maßnahme zum Verbessern der Wirksamkeit dieser übertragung besteht darin, jedweden Durchfluß von heißen Gasen zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln 32 und 34 und der umgebenden Turbinenummantelung 22 zu verringern. Alle Gase, die diesen Weg nehmen, übertragen sehr wenig Trägheitskraft auf die Laufschaufeln. Das Volumen von Gasen, die diesen unerwünschten Durchflußweg nehmen, wird verringert, indem der Spalt zwischen den Turbinenlaufschaufelspitzen und den Ummantelungen 22 verringert wird, und das ist der Zweck der hier beschriebenen Erfindung.

Der Turbinenspitzenspalt wird durch radiales Expandieren und Kontraktieren der Turbinenummantelungen 22 verringert, um ihn der radialen Expansion und Kontraktion der Spitzen der Tür-

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binenlaufschaufeln 32 und 34 anzupassen. Die Radial position der Ummantelung 22 wird durch thermische Expansion und Kontraktion von relativ massiven Ringgebilden 36, 37, 38 und 39 gesteuert, die sich von einem Turbinengehäuse 40 aus radial nach außen erstrecken.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird Verdichterauslaßluft zum Zweck des thermischen Expandierens und Kontraktierens der Ringe 36, 37, 38 und 39 benutzt. Die Verdichterauslaßluft wird einem den Brenner umgebenden Gebiet entnommen. In einer anderen Ausführungsform könnte auch Zwischenstufenabzapfluft aus stromaufwärtigen Verdichterstufen zum Steuern von sämtlichen oder von ausgewählten Ringen benutzt werden. Der Weg der Luft durch Kanäle in den Ringen ist insgesamt durch die dunklen Pfeile dargestellt. Das System benutzt den bereits verfügbaren Druck dieser Verdichterauslaßluft in Kombination mit zweckmäßig gewählter Größe, Lage und Ausbildung der Steuerringe und Kanäle, um die thermische Auswirkung der Verdichterluft auf die Ringe richtig zu steuern. Die Art und Weise, auf die das erreicht wird, ist weiter unten näher beschrieben.

Die Radialbewegung der Steuerringe 36, 37, 38 und 3 9 wird über Ummantelungsträger 42 und 43 körperlich auf die Turbinenummantelung 22 übertragen. Jeder Ummantelungsträger ist mit einem Teil der Ummantelung 22 körperlich so verbunden, daß eine im wesentlichen kastenförmige Querschnittskonfiguration gebildet ist. Die Ringe 36, 37, 38 und 39 sind jeweils radial außerhalb einer radialen Seite dieser kastenartigen Konfiguration sorgfältig positioniert.Das gestattet jedem Ring, die Expansion und Kontraktion einer radialen Seite eines Ummantelungsträgers zusammen mit einem entsprechenden Teil der Ummantelung 22 direkter zu beeinflussen. Die Turbinenummantelungsträgerteile sind entweder segmentiert oder geschnitten aufgebaut, um ein Abweichen von der Radialposition, nach der das Gehäuse trachtet, wenn seine

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funktion arbeitet, zu vermeiden. Die kastenartige Konfiguration in Kombination mit der entsprechenden Ringpositionierung gestattet daher eine sehr genaue Steuerung der Ummantelungsposition, ohne daß bewirkt wird, daß der Ummantelungstei1 sich neigt und seine Ausrichtung auf eine benachbarte; Laufschaufelspitze verläßt. Wenn ein'Verlust an Ausrichtung auftreten würde, würde ein Teil der Turbinenlaufschüufel an einem Teil der Ummantelung reiben. Jede derartige Reibberührung würde eine Fehlausrichtung der Turbinenspitzen und der entsprechenden Turbinenummantelung verursachen und den Tubinenspitzenspalt während des anschließenden Triebwerksbetriebes vergrößern.

Am Anfang wird eine Gasturbine gestartet und mit Leerlaufdrehzahl betrieben. Während des Leerlaufs wird von dem Triebwerk nicht verlangt, daß es große Leistungen abgibt, und der Txiobwerkswirkungsgrad ist nicht kritisch. Aufgrund dessen kann der Turbinenspitzenspalt auf einen relativ grossen Wert eingestellt werden. Dagegen muß das Triiibwerk während des Hochleistungs- und/oder Reiseflugbetriebes eine große Leistung über eine lange Zeitspanne entwickeln. Unter diesen Umständen ist der Wirkungsgrad kritisch und der Turbinenspitzenspalt muß so klein sein, wie es vernünftigerweise möglich ist. Ein kleinerer Turbinenspitzenspalt während des Reiseflugbetriebes wird erzielt, indem Verdichterauslaß]uft, die im Reiseflugbetrieb kalter ist, durch die Steuerringe 36, 37, 38 und 39 geleitet wird. Es kommt zur Kontraktion der Ringe, und eine entsprechend radia]e Schrumpfung der Turbinenummantelung 22 verringert den Turbinenspitzenspalt und verbessert den Turbinenwirkungsgrad.

Dieser erwünschte Effekt während des Reiseflugbetriebes wird durch Probleme kompliziert, die während Triebwerksübergangszuständen auftreten, wie beispielsweise bei der Beschleunigung und bei der Drehzahlverminderung. Während Tr.iidiwufk:süljfi-ijan«.):;/.uständen machen es lokale thermische Effekte von hei ßen Turbinengasen und radiale Expansion, die durch hohe Drehzahl

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verursacht wird, besonders schwierig, das radiale Wachstum der Turbinenummantelung dem radialen Wachstum der schnell rotierenden Turbinenteile anzupassen. Der Wirkungsgrad ist während dieser Übergangszustände zwar relativ unwichtig, für den Spalt ist es jedoch wesentlich, daß die Ummantelung 22 mit den rotierenden Turbinenschaufeln 32 und 34 körperlich nicht in Berührung kommt. Jede Berührung würde ein "Reiben" verursachen, durch das ein Teil der Turbinenlaufschaufeln 32, 34 und der Ummantelungen 22 abgerieben würde. Wenn das Triebwerk später im Reiseflugbetrieb betrieben wird, würde der Turbinenspitzenspalt wegen des abgeriebenen Teils der Laufschaufeln und der Ummantelungen größer sein, was zu einer beträchtlichen Verringerung des Turbinenwirkungsgrades führen würde.

Zum Verhindern von "Reibberührungen" während Triebwerksübergangszuständen nutzt die hier beschriebene Erfindung die Erscheinung aus, daß große, schwere Ringgebilde, welche in Hohlräumen angeordnet sind, in denen die Luftzirkulation schwach ist, relativ niedrige Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten haben. Gemäß der Erfindung sind die Ringe 36, 37, 38 und 39, die in Fig. 2 gezeigt sind, in einem die Turbine umgebenden Gebiet relativ schwacher Luftzirkulation angeordnet. Dadurch, daß die Ringe relativ massiv gemacht werden und jedwede umgebende Luftzirkulation begrenzt wird, können die Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten der Turbinenummantelung während Triebwerksübergangszuständen gesteuert werden. Insbesondere werden durch Einlassen von kleinen Mengen an HD-Verdichterauslaßluft aus dem den Brenner umgebenden Gebiet in die Ringe und durch Zirkulierenlassen dieser Luft in den Ringen folgende Ubergangskennlinien erzielt:

1. Triebwerksbeschleunigung: Wenn das Triebwerk beschleunigt wird, ist die Verdichterluft aus dem den Brenner umgebenden Gebiet relativ heiß, und zwar wegen der Arbeit, die an ihr durch Verdichten derselben ausgeführt wird, und wegen der

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Wärmeübertragung aas dem Brenner 16. Das Hindurch I ei ten dieser heißen Luft durch die Ringe 36, 37, 38 und 39 bewirkt und steuert die thermische Expansion, durch die die Turbirienunimantelung 22 radial nach außen und von der sich thermisch ausdehnenden Turbine "wegbewegt" wird. Aufgrund des vorgesehenen Aufbaus gibt es, wenn überhaupt, einen sehr geringen Effekt während des ersten Beschleunigungsteils des Übergangszustandes. Dadurch wird ein "Reiben" und jede dadurch hervorgerufene Beschädigung der Turbinenlaufschaufeln 32, 34 und der Ummantelung 22 vermieden. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des berechneten r-.idial.en Wachstums von Turbinenstator- und -rotorteilen während der Triebwerksbeschleunigung. Die mit 46 bezeichnete Wachstuniskurve stellt das Statorwachstum in einem bekannten Triebwerk ohne die hier beschriebene Erfindung dar. Die mit 48 bezeichnete Kurve zeigt das Wachstum eines Turbinenstators bei in dem Triebwerk vorgesehener Erfindung. Die mit 50 bezeichnete Kurve zeigt das Turbinenrotorwachstum in Triebwerken mit oder ohne die Erfindung. Die viel engere Übereinstimmung der Wachstumsgesehwindiykeit.en in einem Triebwerk mit der Erfindung geht aus Fig. 3 klar hervor. Diese Eigenschaft hat beträchtliche Vorteile, weil das durch Beschleunigung hervorgerufene "Überschwingen" der Turbinenei iilaßtemperatur stark verringert wird. Dieses "Überschwingen" erfolgt, wenn die Steuerung eine spezifische Triebwerksausgangsleistung verlangt und wenn die Spalte relativ sehr groß sind. Zusätzlicher Brennstoff wird verbrannt, um die Leistung bei diesen ineffizienten Spaltwerten zu erzeugen. Der zusätzliche Brennstoff, der verbrannt wird, bewirkt, daß die HD-TurbinenleitschaufeIn und -laufschaufeln vorübergehend bei höheren Temperaturwerten als den normalen Entwurf swerten laufen, wodurch ihre Lebensdauer verringert wird. Durch die Erfindung wird dieses "Uberschwingen" beträcht 1 ich verringert.

2. Triebwerksdrdhzahlverhinderung: Wenn das Triebwerk von einer Einstellung hoher Leistung auf eine Einstellung niedriger Lei-

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sLung ver Line jij. mil wird, fällt der Verdichterauslaßdruck mi L der Triebwerksdrehzahl auf sehr niedrige Werte ab. Auf diese Weise wird die Zirkulationsstärke der Luft in den gekühlten Ringen 36, 37, 38 und 39 verringert und die Kühlungsansprechgeschwindigkeit der Ringe ist sehr niedrig, einfach weil die Ringe in einer Umgebung mit geringer Zirkulation relativ heiß bleiben, während das übrige Triebwerk abkühlt. Dieses Muster eines verzögerten Ansprechens ist sehr erwünscht, weil es die Turbinenummantelung 22 in einer radial expandierten Position hält, so daß bei schneller Wiederbe— schleunigung (Reburst) die Turbinenlaufschaufeln 32 und 54 weniger wahrscheinlich mit der Ummantelung 22 in Reibberührung kommen und diese beschädigen.

Cig. 4 ist eine graphische Darstellung der berechneten radialen Schrumpfung von Turbinenrotor- und -statortei Jen während der Drehzahlverminderung des Triebwerks. Die mit ^r>2 bezeichnete Schrumpfungskurve zeigt die Statorschrumpfung in einem bekannten Triebwerk, während die mit 54 bezeichnete Kurve die S ta tor schrumpfung in einem Triebwerk zeigt, das die PJrfindurig enthält. Die mit 56 bezeichnete Kurve zeigt die Rotorschrumpfung in einem Triebwerk mit der oder ohne die Erfindung. Aus Fig. 4 ist leicht zu erkennen, daß die Schrumpfung eines Stators in einem Triebwerk mit der Erfindung beträchtlich langsamer erfolgt, wodurch ein größerer Spitzenspalt erhalten bleibt, so daß das Triebwerk wieder beschleunigt werden kann, ohne daß es zu einer Reibberührung an den Laufschaufelspitzen kommt.

Die oben beschriebenen Merkmale der Erfindung gestatten, den Laufschaufelspitzenspalt sehr eng einzustellen. Unterschiede zwischen dem Stator und dem Rotor im Ansprechen auf Übergangszustände, die im Stand der Technik das Einstellen von größeren Spalten erfordert oder größere Triebwerksverschlechterungsgeschwindigkeiten verursacht haben, brauchen nicht langer berücksichtigt zu werden. Eine verbesserte Leistungs-

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fähigkeit und verringerte Verschlechterungswertu werden durch die Erfindung möglich gemacht. Durch Auswählen von Ringmaterialien und von Zirkulationsluf ttemporaLureii, die denjenigen der Rotorhardware angepaßt sind, kommt es zu einer sehr geringen Zunahme des Spalts zwischen Li-iütunqsüiiistellungen bei Beschleunigung und im stationären Zustand. Durch zweckmäßiges Auslegen des Turbinengehäuse^ und der Geometrie der Ringe, durch richtige Kühl 1 uf tdurdiFJ ußwerLi; und durch geeignete Auswahl der Materialien kann das Türbinenummantelungswachstum ungefähr gleich dem Rotorwuchstum gemacht werden. Das macht es möglich, konstantere und relativ kleine Spalte für den stationären Betrieb einzustellen und dabei jedwede Schaufelspitzenreibberührungen während eines Übergangsbetriebes zu vermeiden. Alle diese Merkmale werden erzielt, ohne daß irgendwelche äußeren oder inneren Kühlluftsammelleitungen, Rohrleitungen oder Steuersystemfühler hinzugefügt werden.

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Claims

Patentansprüche :

1 Λ Spaltsteuervorrichtung für eine Turbomaschine mit einem Verdichterabschnitt und einem Turbinenabschnitt, miL sich mit engem Spalt innerhalb einer umgebenden Turbinenummantelung drehenden Turbinenteilen, die in einem Bereich von Temperaturen und Drehzahlen betreibbar sind, mit mehreren Spaltsteuerringen, die in ein den Turbinenabschnitt umgebendes Turbinengehäuse baulich integriert sind und sich radial erstreckende Gebilde sind, welche mit inneren Kanälen zum Hindurchleiten eines Fluids durch die Ringe versehen sind, um deren thermisches Wachstum zu steuern, und mit Einrichtungen, die bewirken, daß das thermische Wachstum der Turbinenummantelung auf das thermische Wachstum der Steuerringe zwecks Steuerung des Spalts zwischen der Turbiiienummanteluiig und den sich drehenden Turbinenteilen anspricht, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Leiten des Fluids mit veränderlicher Temperatur und veränderlichem Druck derart, daß zwischen verschiedenen stationären Turbomaschinenbetriebszuständen die Ringtemperatur und das entsprechende radiale Wachstum dem Rotorwachstum eng angepaßt sind.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in größeren Mengen bei relativ hohem Druck und hoher Temperatur in bezug auf den Turbinenabschnitt während der Triebwerksbeschleunigung geliefert wird, wobei die Steuer-,ringe (36, 37, 38, 39) thermisch wachsen und sich radial ausdehnen, um eine gegenseitige Berührung zwischen der Turbinenummantelung (22) und den sich drehenden Turbinenteilen (32, 34), welche eine schnelle radiale Expansion erfahren, zu verhindern; daß das Fluid mit geeigneter Temperatur und geeignetem Druck in bezug auf den Turbinenabschnitt während des stationären Triebwerksbetriebes geliefert wird, wobei die Steuerringe thermisch derart reagieren, daß der Spalt zwischen den rotierenden Turbinenteilen und der Turbinenummantelung verkleinert wird; und daß das Fluid in kleineren Mengen bei relativ niedrigem Druck während der Drehzahlverminderung des Triebwerkes geliefert wird, um dadurch jedwede thermische Schrumpfung der TurbinenummantoLung während der Drehzahlverminderung zu verzögern und dadurch den Spalt zwecks Verhinderung einer gegenseitigen Berührung zwischen der Turbinenummantelung und den sich drehenden Turbinenteilen bei späterer Triebwerksbeschleunigung zu vergrößern.

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