DE3040594C2 - Spaltsteuervorrichtung für ein Turbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spaltsteuervorrichtung für ein Tur­ binentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Turbinentriebwerk, bei dem eine Vorrichtung zum Steuern des Spalts zwischen rotierenden Turbinenteilen und einer umgebenden Turbinenummantelung vorge­ sehen ist. Aus der DE-OS 25 56 519 ist ein Turbinentriebwerk mit einer Ausdehnungsspielsteuerung als Spaltsteuervorrichtung be­ kannt, die einen Steuerring mit zahlreichen axialen Kanälen sowie einen stromabwärts hiervon angeordneten Ring enthält, der keinen inneren Kanal hat. Statt dessen befindet sich zwischen dem Kopfende des zweiten Rings und einer beabstandeten Wand eine Auslaßöffnung, die je nach Positionierung eines Zylinders ent­ weder einen zwischen den beiden Ringen liegenden Raum oder einen darüber angeordneten Raum mit einem nachgeordnetem Raum verbin­ det. Diese Ausbildung hat den Nachteil, daß bei der thermischen Bewegung des einen radial außerhalb des stromaufwärtigen Endes der Turbinenummantelung angeordneten Steuerrings nicht gewähr­ leistet ist, daß die Turbinenummantelung stets parallel zur Längsachse des Turbinentriebwerks verbleibt. Vielmehr können Fehlausrichtungen vorkommen, die eine Reibberührung zwischen den Turbinenspitzen und der Turbinenummantelung zur Folge haben, wodurch schließlich der Spalt in nachteiliger Weise vergrößert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spaltsteuervorrichtung für ein Turbinentriebwerk der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß Reibberührungen mit den rotierenden Turbinenteilen vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist durch den Unteranspruch gekennzeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen Spaltsteuervorrichtung für ein Tur­ binentriebwerk ist die Expansion und Kontraktion der Ummante­ lung 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, wobei durch die besondere räumliche An­ ordnung des wenigstens einen Paares von Steuerringen jede Fehl­ ausrichtung der Turbinenummantelung zuverlässig vermieden ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid, das benutzt wird, um die Expansion und Kontraktion der Steuerringe hervorzurufen, Verdichterauslaßluft, die einem Gebiet entnommen wird, welches den Brennerabschnitt des Turbinentriebwerks um­ gibt. Zweckmäßig sind Temperatur und Druck dieser Luft eng an­ gepaßt, was für diese Funktion erwünscht ist. Die Spaltsteuer­ vorrichtung nutzt die Menge und den Druck der Verdichterluft in Kombination mit der Größe, der Lage und dem Aufbau der Steuer­ ringe aus, um die Ummantelung während geeigneter Perioden des Turbinentriebwerkbetriebs zu expandieren und kontraktieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Turbinentriebwerks, das teilweise im Längsschnitt und teilweise weggebrochen dargestellt ist,

Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnittansicht ei­ ner HD-Turbine eines Turbinentrieb­ werks mit einer Ausführungsform der Er­ findung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Wachstums des Turbinenstators und des Turbinenro­ tors vom Triebwerksleerlaufzustand bis zum Vollgaszustand und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Schrump­ fung des Turbinenstators und des Turbi­ nenrotors vom Vollgaszustand bis zum Triebwerksleerlaufzustand.

Fig. 1 zeigt ein Turbinentriebwerk 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 24 innerhalb einer Turbinenummantelung oder Ummantelung 22 drehbar gelagert. 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 Turbinenstator 26 weist eine Einlaßleitschaufel 28 und eine Zwischenleitschaufel 30 auf. Eine Maßnahme zum Verbessern der Wirksamkeit der Schaufelreaktion besteht darin, jeden Durchfluß von heißen Gasen zwischen den Spitzen der Laufschaufeln 32 und 34 und der umgebenden Ummantelung 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 Spitzen der Laufschaufeln und der Ummantelung 22 entsprechend dem Zweck der hier beschriebenen Erfindung verringert wird.

Der Spalt wird durch radiales Expandieren und Kontraktieren der Ummantelung 22 verringert, um ihn der radialen Expansion und Kontraktion der Laufschaufeln 32 und 34 anzupassen. Die Radialposi­ tion der Ummantelung 22 wird durch thermische Expansion und Kontraktion von relativ massiven Steuerringen 36, 37, 38 und 39 gesteuert, die sich von einem Turbinengehäuse 40 aus ra­ dial nach außen erstrecken.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird Verdichterauslaßluft zum Zweck des thermischen Expan­ dierens und Kontraktierens der Steuerringe 36, 37, 38 und 39 be­ nutzt. Die Verdichterauslaßluft wird einem den Brenner umgebenden Gebiet entnommen. In einer anderen Ausführungs­ form könnte auch Zwischenstufenabzapfluft aus stromaufwär­ tigen Verdichterstufen zum Steuern von sämtlichen oder von ausgewählten Steuerringen benutzt werden. Der Weg der Luft durch Kanäle in den Steuerringen ist insgesamt durch die dunklen Pfeile dargestellt. Die Spaltsteuervorrichtung benutzt den bereits verfügbaren Druck dieser Verdichterauslaßluft in Kombination mit zweck­ mäßig 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 39 wird über Ummantelungsträger 42 und 43 körperlich auf die Ummantelung 22 übertragen. Jeder Ummantelungsträger ist mit einem Teil der Ummantelung 22 körperlich so verbunden, daß ihr Querschnitt zusammen eine im wesentlichen kastenförmige Anordnung bildet. Die Steuermenge 36, 37, 38 und 39 sind jeweils radial außerhalb einer radialen Seite dieser kastenförmigen Anordnung sorgfältig positioniert. Das gestattet jedem Steuerring, die Expansion und Kontraktion einer radialen Seite eines Ummantelungsträgers zusammen mit einem entsprechenden Teil der Ummantelung 22 direkter zu beeinflussen. Die Ummantelungsträger sind entweder segmentiert oder geschnitten aufgebaut, um ein Abweichen von der Radialposition, nach der das Gehäuse trachtet, wenn die Temperatursteuerung seiner Steuerringe arbeitet, zu vermeiden. Die kastenartige Konfiguration in Kombination mit der entsprechenden Steuerringpositionierung gestattet daher eine sehr genaue Steuerung der Ummantelungs­ position, ohne daß bewirkt wird, daß die Ummantelung sich neigt und seine Ausrichtung auf eine benachbarte Laufschaufelspitze verläßt. Bei falscher Ausrichtung würde ein Teil der Laufschaufel an einem Teil der Ummantelung reiben. Jede derartige Reib­ berührung würde eine Fehlausrichtung der Turbinenspitzen und der entsprechenden Ummantelung verursachen und den Spalt während des anschließenden Triebwerksbe­ triebes vergrößern.

Am Anfang wird eine Gasturbine gestartet und mit Leerlauf­ drehzahl betrieben. Während des Leerlaufs wird von dem Triebwerk nicht verlangt, daß es große Leistungen abgibt, und der Triebwerkswirkungsgrad ist nicht kritisch. Aufgrund dessen kann der Spalt auf einen relativ großen Wert eingestellt werden. Dagegen muß das Triebwerk während des Hochleistungs- und/oder Reiseflugbetriebes eine große Leistung über eine lange Zeitspanne entwickeln. Unter diesen Umständen ist der Wirkungsgrad kritisch und der Spalt muß so klein sein, wie es vernünftigerweise möglich ist. Ein kleinerer Spalt während des Reiseflugbetriebes wird erzielt, indem Verdichterauslaßluft, die im Reiseflugbetrieb kälter ist, durch die Steuerringe 36, 37, 38 und 39 geleitet wird. Es kommt zur Kontraktion der Ringe, und eine entsprechende radiale Kontraktion oder Schrumpfung der Ummantelung 22 verringert den Spalt und ver­ bessert den Turbinenwirkungsgrad.

Dieser erwünschte Effekt während des Reiseflugbetriebes wird durch Probleme kompliziert, die während Triebwerksübergangs­ zuständen auftreten, wie beispielsweise bei der Beschleuni­ gung und bei der Drehzahlverminderung. Während Triebwerksübergangszu­ ständen machen es lokale thermische Effekte von heißen Tur­ binengasen und radiale Expansion, die durch hohe Drehzahl verursacht wird, besonders schwierig, die radiale Expansion der Ummantelung der radialen Expansion 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 Laufschaufeln 32 und 34 körper­ lich nicht in Berührung kommt. Jede Berührung würde ein "Reiben" verursachen, durch das ein Teil der Lauf­ schaufeln 32, 34 und der Ummantelungen 22 abgerieben würde. Wenn das Triebwerk später im Reiseflugbetrieb betrieben wird, würde der Spalt wegen des abgeriebenen Teils der Laufschaufeln und der Ummantelungen größer sein, was zu einer beträchtlichen Verringerung des Turbinenwirkungsgra­ des führen würde.

Zum Verhindern von "Reibberührungen" während Triebwerksüber­ gangszuständen nutzt die hier beschriebene Erfindung die Er­ scheinung aus, daß große, schwere Ringgebilde, welche in Hohlräumen angeordnet sind, in denen die Luftzirkulation schwach ist, relativ niedrige Erwärmungs- und Abkühlungsge­ schwindigkeiten haben. Gemäß der Erfindung sind die Steuerringe 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 jede umgebende Luftzirkulation begrenzt wird, können die Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten der Ummantelung während Triebwerksübergangszuständen gesteuert werden. Insbesondere werden durch Einlassen von kleinen Mengen an HD-Verdichterauslaßluft aus dem den Brenner umgebenden Gebiet in die Steuerringe durch Zirkulierenlassen dieser Luft in den Ringen folgende Übergangskennlinien er­ zielt:

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 Wärmeübertragung aus dem Brenner 16. Das Hindurchleiten dieser heißen Luft durch die Steuerringe 36, 37, 38 und 39 bewirkt und steuert die thermische Expansion, durch die die Ummantelung 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 währen des ersten Beschleunigungsteils des Übergangszustandes. Dadurch wird ein "Reiben" und jede dadurch hervorgerufene Beschädigung der Laufschaufeln 32, 34 und der Ummantelung 22 vermieden. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der berechneten radialen Expansion von Turbinenstator- und -rotorteilen während der Triebwerksbeschleunigung. Die mit 46 bezeichnete Expansionskurve stellt die Statorexpansion in einem bekannten Triebwerk ohne die hier beschriebene Erfindung dar. Die mit 48 bezeichnete Kurve zeigt die Expansion eines Turbinenstators bei in dem Turbinentriebwerk vorgesehener Erfindung. Die mit 50 bezeichnete Kurve zeigt die Turbinenrotorexpansion in Turbinentriebwerken mit oder ohne die Erfindung. Die viel engere Übereinstimmung der Expansionsgeschwindigkeiten in einem Turbinentriebwerk mit der Erfindung geht aus Fig. 3 klar hervor. Diese Eigenschaft hat beträchtliche Vorteile, weil das durch Beschleunigung hervorgerufene "Überschwingen" der Turbineneinlaßtemperatur stark verringert wird. Dieses "Überschwingen" erfolgt, wenn die Steuerung eine spezifische Turbinentriebwerksausgangsleistung 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-Leitschaufeln und -Laufschaufeln vorübergehend bei höheren Temperaturwerten als den normalen Betriebswerten laufen, wodurch ihre Lebensdauer verringert wird. Durch die Erfindung wird dieses "Überschwingen" beträchtlich verringert.

2. Triebwerksdrehzahlverminderung:
Wenn das Triebwerk von einer Ein­ stellung hoher Leistung auf eine Einstellung niedriger Lei- stung verlangsamt wird, fällt der Verdichterauslaßdruck mit der Triebwerksdrehzahl auf sehr niedrige Werte ab. Auf diese Weise wird die Zirkulationsstärke der Luft in den gekühlten Steuerringen 36, 37, 38 und 39 verringert und die Kühlungsansprechgeschwindigkeit der Steuerringe ist sehr niedrig, einfach weil die Steuerringe 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 Ummantelung 22 in einer radial expandierten Position hält, so daß bei schneller Wiederbeschleunigung die Laufschaufeln 32 und 34 weniger wahrscheinlich mit der Ummantelung 22 in Reibberührung kommen und diese beschädigen.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der berechneten radialen Kontraktion von Rotor- und Statorteilen während der Drehzahlverminderung des Turbinentriebwerks. Die mit 52 bezeichnete Kontraktionskurve zeigt die Statorkontraktion in einem bekannten Turbinentriebwerk, während die mit 54 bezeichnete Kurve die Statorkontraktion in einem Turbinentriebwerk zeigt, das die Erfindung enthält. Die mit 56 bezeichnete Kurve zeigt die Rotorkontraktion in einem Triebwerk mit der oder ohne die Erfindung. Aus Fig. 4 ist leicht zu erkennen, daß die Kontraktion eines Stators in einem Turbinentriebwerk nach der Erfindung beträchtlich langsamer erfolgt, wodurch ein größerer Spalt erhalten bleibt, so daß das Turbinentriebwerk wieder beschleunigt werden kann, ohne daß es zu einer Reibberührung an den Spitzen der Laufschaufeln kommt.

Die oben beschriebenen Merkmale der Erfindung gestatten, den Spalt sehr eng einzustellen. Unterschiede zwischen dem Stator und dem Rotor im Übergangsansprechbereich, die im Stand der Technik das Einstellen von größeren Spalten erfordern oder größere Abweichungen der Triebwerksgeschwindigkeiten verursachten, brauchen nicht länger berücksichtigt zu werden. Eine verbesserte Leistungsfähigkeit und verringerte Abweichungswerte werden durch die Erfindung möglich gemacht. Durch Auswählen von Ringmaterialien und von Zirkulationslufttemperaturen, die denjenigen der Rotorhardware angepaßt sind, kommt es zu einer sehr geringen Zunahme des Spalts zwischen Leistungseinstellungen bei Beschleunigung und im stationären Zustand. Durch zweckmäßiges Auslegen des Turbinengehäuses und der Geometrie der Steuerringe, durch richtige Durchflußwerte von Kühlluft und durch geeignete Auswahl der Materialien kann die Expansion der Ummantelung ungefähr gleich der Rotorexpansion gemacht werden. Das macht es möglich, konstantere und relativ kleine Spalte für den stationären Betrieb einzustellen und dabei jede Reibberührung der Schaufelspitzen während eines Übergangsbetriebes zu vermeiden. Alle diese Merkmale werden erzielt, ohne daß irgendwelche äußeren oder inneren Kühlluftsammelleitungen, Rohrleitungen oder Steuersystemfühler hinzugefügt werden.

Claims (2)

1. Spaltsteuervorrichtung für ein Turbinentriebwerk (10) mit einem Verdichter (14) , mit einem Brenner (16) und einem rotierendem Turbinenteil (24) mit Laufschaufeln (32), die mit engem Spalt innerhalb einer umgebenden Ummantelung (22) rotieren, ferner mit wenigstens einem den Spalt steuernden Steuerring, der die Ummantelung (22) hält und einen sich radial erstreckenden Aufbau sowie eine Einrichtung aufweist, um die thermische Verlagerung der Ummantelung (22) ent­ sprechend der thermischen Änderung des Steuerrings zu be­ wirken, um den Spalt zwischen der Ummantelung und den rotierenden Laufschaufeln (32) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Steuerring (37) vorgesehen ist, daß jeder Steuerring (36, 37) baulich in das Turbinengehäuse (40) integriert und als Einrichtung sich im Steuerring be­ findliche Kanäle zum Hindurchleiten eines Fluids von verän­ derlicher Temperatur und veränderlichem Druck durch jeden der Steuerringe aufweist, um dessen thermisches Expandieren und Kontraktieren in radialer Richtung zu steuern, daß der erste Steuerring (36) sich am stromaufwärtigen Ende der Um­ mantelung (22) befindet und der zweite Steuerring (37) sich am stromabwärtigen Ende der Ummantelung (22) befindet, wobei das thermische Expandieren und Kontraktieren der Steuerringe (36, 37) eine radiale Bewegung der Ummantelung (22) bewirkt, die dabei parallel zu der zentralen Achse des Turbinentrieb­ werks verbleibt.

2. Spaltsteuervorrichtung für ein Turbinentriebwerk nach An­ spruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Fluid Verdichterauslaßluft ist, die einem den Brenner umgebenden Gebiet des Turbinentriebwerks entnommen ist.