DE3045583C2 - Leitschaufelkranz für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitschaufelkranz der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solcher Leitschaufelkranz ist aus der DE-AS 10 28 390 bekannt. Bei diesem bekannten Leitschaufelkranz sind die Leitschaufeln in radialer Richtung beweglich, um unterschiedlichen Wärmedehnungen folgen zu können. Dieser Aufbau macht es erforderlich Gleitführungen vorzusehen,
daß keine formschlüssige Verspannung erfolgen kann. In der Praxis ist es auch nicht möglich, die Reibungskräfte der Gleitführungen unter allen Betriebsbedingungen konstant zu halten, so daß die Spannungen trotz der Ausdehnungsmöglichkeit in gewissen Grenzen schwanken können, insbesondere dann wenn unter extremen Bedingungen die Gleitführungen festfressen.

Es ist andererseits bekannt, die Leitschaufeln außen und innen formschlüssig fest einzuspannen und auf eine radiale Verstellung zu verzichten. Dies führt jedoch zu erheblichen Biegemomenten infolge der differentiellen thermischen Ausdehnungen, Und Um diese Biegemomente aufnehmen zu können, müssen die Leitschaufeln bzw, ihre Träger erheblich schwerer dimensioniert werden, als dies aus aerodynamischen Gründen erförderlich wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leitschaufelkranz zu schaffen, der nach aerodynamischen Gesichtspunkten berechnet relativ leicht aufgebaut sein kann und bei fester Einspannung der Leitschaufeln im inneren und äußeren Ende trotzdem eine unzulässige Formänderung infolge der durch unterschiedliche thermische Ausdehnung bewirkten Biegemomente mit Sicherheit verhindert

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeicimungsteil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale. Dadurch, daß die Stellglieder eine radiale Einstellung der Schaufelfestlegemittel bewirken, kann bei formschlüssiger Festlegung der Schaufelenden die Spannung auf dem vorbestimmten festen Wert gehalten werden, unabhängig von Änderungen der Betriebstemperatur und unabhängig von den differentiellen thermischen Ausdehnungen.

Die Steuerung kann temperaturabhängig dadurch erfolgen, daß gewisse Teile einer mehr oder weniger wirksamen Kühlung unterworfen werden, indem Strömungssteuermittel Kühlluft an die betreffenden Teile der Festlegemittel richten. Statt dessen können die Stellglieder in Abhängigkeit von Dehnungsrneßfühlern mechanisch die Schaufelfestlegemittel in radialer Richtung, beispielsweise über Schraubspindeln verstellen.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprürhen.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Schnitt des Turbinenteils eines Gasturbinentriebwerks;

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Spannungsüberwachungs- und Steuersystems für den Leitschaufelkranz der Turbine gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Turbinenteils eines Gasturbinentriebwerks.

Die Turbine 13 ist von einem Gehäuse 15 umschlossen, und sie umfaßt einen Leitschaufelkranz 16 und zwei Laufschaufelkränze 17 bzw. 18 stromauf bzw. stromab hiervon.

Der Leitschaufelkranz 16 weist einen scheibenförmigen Träger 19 auf, der mit einer Nabe 20 im Mittelteil und mit zwei Flanschen 21, 22 versehen ist, die radial nach außen vorstehen und in einem zylindrischen ringsum laufenden Mantel 23 enden. Der Träger 19 und die Nabe 20 liegen konzentrisch zur Turbinenachse 24.

Die Leitschaufeln 25 des Leitschaufelkranzes 16 sind am Mantel 23 des Trägers 19 festgelegt. Jede Leitschaufel 25 weist eine innere Plattform 26 bzw. eine äußere Plattform 27 auf, die den Gaskanal 28 begrenzen.

Die Leitschaufeln 25 liegen mit ihrem Schaufelfuß 29 zwischen den Flanschen 21 und 22. Das radial äußere Ende jeder Leitschaufel 25 ist mit einem Steg 30 versehen, der einen Lageransatz 31 trägt. Dieser Lageransatz 31 liegt dem Turbinengehäuse 13 an und ist dort mittels eines Bolzens 32 festgelegt. Das Turbinengehäuse 13 ist beidseitig der Eloken durch zwei axial im Abstand zueinander liegende Trägerringe 33 und 34 verstärkt.

Die Nabe des Trägers IB trägt zwei im axialen Abstand zueinander liegende: Lager 35 und 36, Das Lager 35 trägt eine Welle 37, die die Rotorscheibe 38 des Laufschaufelkranzes 17 trägt. Das andere Lager 36 stützt eine Welle 39 ab, an der die Rotorscheibe 40 des Leitschaufelkranzes 16 abgestützt ist. Die Welle 39 ist mit einer weiteren Welle 41 verbunden, die den

Laufschaufelkranz 18 mit einer Stufe des Triebwerksverdichters verbindet.

Die Welle 37 ist mit mehreren Öffnungen 42 versehen, die eine Kühlluftströmung hindurchtreten lassen, die vom Verdichter geliefert wird und durch die öffnungen in den Raum zwischen den Laufschaufelkranz 17 und dem Träger 19 gelangt. Ein Abschirmglied 43 mit einem thermischen Schutzüberzug 43g ist am Träger 19 derart befestigt, daß die Kühlluft in der durch Pfeile angedeuteten Richtung nach den Plattformen 26 strömt. Im radial äußeren Bereich des Abschirmgliedes 43 sind mehrere Luftströmungsregler 50 vorgesehen, die als Stellglieder zur Konstanthaltung der Spannung wirksam sind, indem sie die Kühlluft in eine Kammer 44 zwischen dem Abschirmglied 43 und dem Träger 19 strömen lassen. Die Kühlluft tritt durch die Kammer 44 hindurch und kühlt dadurch den Träger 19, und sie wird dann aus der Kammer 44 über Öffnungen 45 ausgeblasen, so daß eine weitere Kühlung des Trägeraufbaus 19 und auch der Rotorscheibe 40 erfolgt, bevor die Luft in den Gasstrom 28 abströmt

Die Abmessungen von Träger 19 und Leitschaufel 25 sind so gewählt, daß sie bei normaler Turbinenr/beitstemperatur unter einer vorbestimmten Spannung gehalten werden.

Der Träger 19, einige der Leitschaufeln 25 und einige Lageransätze 31 sind mit Temperaturfühlern in Gestalt von Thermoelementen 46, 47, 48 versehen, die schematisch in F i g. 2 angedeutet sind. Die Thermoelemente sind so über die Kühlluftströmungsregler 50 verteilt, daß sie eine repräsentative Anzeige der Temperatur liefern. Die Ausgangssignale der Thermoelemente 46, 47, 48 werden einer Zentraleinheit 49 zugeführt, die einen Mikroprozessor enthält. Die Zentraleinheit 49 ist mit Informationen programmiert, die sich auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Leitschaufeln 25. der Stege 30, der Lageransätze 31 und des Trägers, sowie auf andere Konstante beziehen, die ihre physikalischen Eigenschaften betreffen. Aus diesen Informationen berechnet der Mikroprozessor das Ausmaß de Spannung in den Schaufeln 25 und im Träger 19.

Die Zentraleinheit 49 liefert ein Ausgangssignal, das proportional der berechneten Spannung ist, und dies wird einer Schaltstufe 51 zugeführt, die die Luftströmungsregler 50 im gewünschten Sinne in der Weise einstellt, daß die Spannung konstant gehalten wird.

Der Träger 19 und die Leitschaufeln 25 sind so bemessen, daß sie bei normalen Turbinenarbeitstemperaturen unter einer vorbestimmten Spannung stehen. Damit so wenig Kühlluft ak möglich zur Kühlung des Trägers 19 zur Verfügung gestellt wird, darf die Kühlluft nur in die Kan.mer 44 eintreten, wenn die Turbinentemperatur über der normalen Arbeitstemperatur liegt. Beim Ansteigen der Turbinentemperatur fließt die Kühlluft in die Kammer 44 und kühlt dadurch den Träger, so daß dieser sich zusammenzieht und eine konstante Spannung im Träger 19 und den Leitschaufeln 25 aufrecht erhalten wird.

Unter gewissen Bedingungen kann aas einzige Abschirmglied 43 unzureichend für die Kühlung des Trägers 19 sein. Wenn dies der Fall ist, dann kann eine ähnliche Abschirmung am stromabwärtigeri Ende des Trägers 19 Vorgesehen werden. Hierdurch kann eine zweite Kammer benachbart zu dem Träger 19 definiert werden, in die Kühlluft aus den Öffnungen 45 eintreten kann.

Es können auch andere Maßnahmen ergriffen werden, um den Träger 19 und die Leitschaufeln 25 so zu kühlen, daß sie im Betrieb einer konstanten Spannung ausgesetzt sind. Beispielsweise können die Bolzen 32 als Schraubspindeln ausgebildet sein, die verstellbar sind um die Spannung in den Leitschaufeln 25 und im Träger

ίο 19 aufrecht zu erhalten. Die Schallstufe 51 müßte dann derart ausgebildet sein, daß die Schraubspindeln gemäß den Signalen der Zentraleinheit 49 betätigt wird. Eine solche Anordnung kann auch zusätzlich zu der Kühlluftsteuervorrichtung Anwendung finden.

Eine weitere Möglichkeit den Träger 19 und die Leitschaufeln 25 unter konstanter Spannung zu halten, ist in Fig.3 dargestellt Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 ist das Turbinengehäuse 15 im radial äußeren Bereich der Leitschaufeln 25 gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch abgewandelt, daß ein U-förmiges Oberbrückungsglied ^ς2 vorgesehen ist. Dieses Überbrückungsglied 52 ist am «"rehäuse 15 so festgelegt, daß eine Ringkammer 53 gebildet wird, die einen Ring 54 enthält, der innerhalb der Kammer 53 durch mehrere Zapfen 55 festgehalten ist. Die Zapfen 55 liegen in aufeinander ausgerichteten Löchern des Überbrückungsgliedes 52 des Ringes 54 derart, daß sie parallel zur Triebwerkslängsachse verlaufen. Die Anordnung ist derart getroffen, daß der Ring 54 sich thermisch unabhängig vom Gehäuse 15 ausdehnen und zusammenziehen kann. Der Ring 54 ist mit den Lageransätzen 31 jeder Schaufel 25 über mehrere radial verlaufende Bolzen 56 verbunden, wobei jeweils ein Bolzen 56 mit jedem Lageransatz 31 verbunden ist.

Jeder der Bolzen 56 trägt eine Hülse 57, die jeden Lageransatz 31 vom Ring 54 im Abstand häit. Jede Hülse 57 tritt durch ein entsprechendes Loch 58 im Gehäuse 15 hindurch und ist mit einem Abschnitt 59 versehen, der einen kleineren Durchmesser als der

■to übrige Teil aufweist und in einem Loch entsprechender Größe im Lageransatz 31 zu liegen kommt.

Die Ringkammer 53 wird über mehrere Einlaßrohre 60 mit Luft gespeist, wobei jedes Rohr mit einem Strömungsregler 61 versehen ist. Die Luft tritt um den Ring 54 herum und wird aus der Kammer 53 über mehrere Löcher 62 ausgeblasen. Die Luft kann entweder heiß oder kalt sein, und sie dient zur Steuerung der Dimensionen des Rings 54 durch thermische Ausdehnung und Zusammenziehung. Der Luftströmungsregler 61 wird in der gleichen Weise gesteuert wie der Luftströmungsregler 50 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. so daß der Ring 54 die Schaufeln 25 und den Trägeraufbau unter konstanter Spannung hält.

Di«, der Ringkammer 53 zugeführte Luft kann beispielsweise vom Kompressor des Triebwerks (Kühlluft) oder aus der Verbrennungseinrichtung (Heißluft) zugeführt werden.

Es können auch andere Mittel vorgesehen werden, um die Leitschaufelr 25 und den Träger 19 unter konstanter Spannung zu halten. So könnten anstelle der Thermoelemente 46, 47, 48 beispielsweise Dehnungsmeßfühler Anwendung finden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Leitschaufelkranz für ein Gasturbinentriebwerk, dessen Leitschaufeln innen über einen Träger an einer Nabe und außen am Triebwerksgehäuse mit radialer Ausdehnungsmöglichkeit so festgelegt sind, daß ein Spannungsausgleich erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, daß Meßglieder(46, 47, 48) vorgesehen sind, die die Spannung in den radial inneren und/oder radial äußeren Festlegemitteln und in den Leitschaufeln (25) ermitteln, und daß Stellglieder (50; 61) die radial inneren und/oder radial äußeren Festlegemittel in radialer Richtung im Sinne einer Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Sollspannung einstellen, wenn die Meßglieder eine Abweichung der Ist-Spannung von der Soll-Spannung feststellen.

2. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßglieder als Temperaturfühler (46, 47, 48) ausgebildet sind, und daß als Stellglieder Kühlluft-Strömungsregler (50) vorgesehen sind.

3. Leitschaufelkranz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler Thermoelemente (46,47,48) sind.

4. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßglieder Spannungsmeßfühler sind, und daß die Stellglieder die Hinspannung der Leitschaufeln ändern.

5. Leitschaufelkranz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftströmungsregler (50) Kühlluf· in eine benachbart zum Träger (19) ausgebildete und durch ein Abschirmglied (43) umschlossene Kammer (44) leitet, um die Temperatur des Trägers (19) einzustellen.

6. Leitschaufelkranz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmglied (43) mit einem thermisch isolierenden Oberzug (43a^ versehen ist.

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