DE3305170C2 - Turbomaschinengehäuse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbomaschinengehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Turbomaschinengehäuse ist aus der DE 27 37 622 A1 bekannt.

Ein laufendes Problem in Turbomaschinen, wie beispielsweise Gasturbinenverdichtern, bezieht sich auf das transiente thermische Ansprechen während Perioden des Triebwerksbetriebs, die als Schubstoß und Schubabfall bekannt sind. Während dieser Perioden transienten Triebwerksbetriebs treten große radiale Ausschläge bzw. Auslenkungen sowohl in den Stator- als auch den Rotorkomponenten auf. Um eine Störung zwischen einem Verdich­ terstator und dem Rotor während dieser transienten Ausschläge zu verhindern, sind am Umfang Spielräume (Spalte) zwischen den Leit- und Lauf­ schaufelabschnitten vorgesehen. Diese Spielräume sind in üblichen Ver­ dichtern unerwünscht groß sowohl während des transienten als auch des nicht-transienten Betriebs, wodurch die Leistungs­ fähigkeit des Verdichters und die Strömungsabrißgrenze nach­ teilig beeinflußt werden. Insbesondere ist die Gehäuseaußen­ wand von einem Verdichterstator an einer üblichen Gasturbine ein relativ dünnwandiges Metall, und sie spricht schnell auf Temperaturänderungen während Perioden transienter Triebwerks­ leistung an, beispielsweise beim Schubstoß (vergrößerter oder starker Schub) oder einem Schubabfall (verminderter Schub).

Es ist aus der eingangs genannten DE 27 37 622 A1 bekannt, die die Laufschaufelspitzen umgebenden Mantelabschnitte des Statorgehäuses als Blöcke auszubilden, die aus einer Keramik hergestellt sind. Diese Keramikblöcke sollen ohne wesentliche Kühlung den hohen Betriebstemperaturen standhalten, sich wegen des relativ kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nur geringfügig ausdehnen und als Reibmaterial beim Schleifen der Laufschaufelspitzen wirken. In den in Umfangsrichtung zwischen den Keramikblöcken gebildeten Zwischenräumen sind Dichtungen angeordnet, um die Gasleckage zu verringern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Turbomaschinengehäuse der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die thermische Belastung seines tragenden Außenwandteils verringert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die die Ringlast aufnehmende Außen­ struktur von dem Turbomaschinengehäuse von den übermäßen Heiz- und Abkühleffekten während des transienten Betriebs getrennt wird. Dabei wird eine thermische Verzögerung in das Außenge­ häuse eingeführt, um den Temperaturgradienten über seiner Wand zu senken. Weiterhin wird der radiale Spalt zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotor optimiert, wodurch die Lei­ stungsfähigkeit des Triebwerkes und die Strömungsabrißgrenzen des Verdichters verbessert werden.

Ferner wird das thermische Ansprechen der Außenwand ver­ zögert, um eine bessere Stator/Rotor-Anpassung für einen optimalen radialen Spalt zu erhalten.

Bei dem Turbomaschinengehäuse können sich während starker Schubsteigerungen und Schubverminderungen die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Spielräume in der in Sektoren unterteilten Gehäuseinnenwand unbehindert schließen und öffnen. Dies unterbricht die Lastpfade sowohl von Druck als auch Temperatur von der Innenwand zur Außenwand des Ge­ häuses. Die Unterbrechung dieser Lastpfade verbessert die Be­ anspruchungs- und Auslenkungscharakteristiken der äußeren Ge­ häusewand, während die Abstimmung der radialen Spalte zwischen den Laufschaufelspitzen und der inneren Gehäusewand ermöglicht wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht von einem Teil eines Verdichters in einer axialen Richtung und zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht von einer Halteschiene der Verdichterstufe in Relation zu dem Außengehäuse.

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Halteschiene.

Fig. 3A ist eine Schnittansicht entlang den Linien 3A-3A in Fig. 3.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht von einem Halteansatz für eine Halteschiene.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, in der die transienten Spielräume in einer Verdichterstufe mit einem transienten Spielraum verglichen wird, der in der gleichen Stufe durch ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung erhalten wird.

Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Teil von einem Verdichterabschnitt 10 von einem Gasturbinentriebwerk im Schnitt gezeigt. Der Verdichter 10 weist einen axial verlaufenden, im allgemeinen zylindrischen Rotor (nicht gezeigt) auf der radial innen von und im Abstand zu einer relativ dünnen äußeren Gehäusewand 25 angeordnet ist, um einen ringförmigen Gasströmungsdurchlaß (nicht gezeigt) zu bilden. Die Gehäusewand 254 weist eine obere und eine untere Hälfte (nicht gezeigt) auf, die durch Flansche und Bolzen (nicht gezeigt) miteinander verbunden sind. Von einem derartigen Rotor führen mehrere, in Stufen angeordnete Rotorschaufeln 12, 14, 16 radial nach außen, die sich durch den Gasströmungskanal erstrecken. Der Rotor mit seinen Rotor­ schaufeln 12, 14, 16 wird durch eine Antriebswelle (nicht gezeigt) in Drehrichtung aufgetrieben, um die Gasströmung in dem Gasströmungskanal zu verdichten.

Unmittelbar gegenüber entsprechenden Rotorschaufeln 12, 14, 16 im Axialschnitt sind Halteansätze 24, 26, 28 angeordnet, die am Gehäuse 25 durch entsprechende Schraubbolzen, 30, 32, 34 befestigt sind. Die Spitzen der Rotorschaufeln 12, 14, 16 sind im Abstand d von den Halteransätzen 24, 26, 28 angeordnet. Zwischen der Gehäusewand 25 und den entsprechenden Halteansätzen 24, 26, 28 sind Abstandshalter 31, 33, 35 angeordnet, um eine richtige räumliche Relation zwischen der Gehäusewand 25 und den Halteansätzen 24, 26, 28 beizubehalten. Die Halteansätze 24, 26, 28 sind in der perspektivischen Darstellung gemäß Fig. 4 deutlicher gezeigt und sie weisen Seitenschlitze 40, 41 auf, die auf entsprechende Weise zwischen vorspringenden Rändern 42, 43 und schrägen Teilen 44, 45 ausgebildet sind. Auf dem Halteansatz 24 ist eine Stufe 87 ausgebildet, dessen Zweck später näher erläutert wird. Gemäß Fig. 3 enthalten die Statorschaufeln 18, 20, 22 entsprechende Befestigungsschafte 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, die auf entsprechende Weise in die Schlitze 40, 41 47, 49, 51, 53, 55 eingreifen, wodurch die Statorschaufeln 18, 20, 22 an der Gehäusewand 25 befestigt werden. Unmittelbar oberhalb der Statorbefestigungsplattform oder den Schaften 52, 54, 56, 58, 60, 62 und einer Innenfläche der Gehäusewand 25 sind entsprechende Zwischenräume 64, 66, 68 gebildet, in die ein Isoliermaterial 27, 29, 31 eingesetzt werden kann. Es sei darauf hingewiesen, daß die Schaufel 22, die eine Ausleitschaufel ist, größer ist als die Statorschaufeln 18, 20. Die Ausleitschaufel ist am hinteren Gehäuseende angeordnet und ist die letzte Schaufel in dem Verdichterabschnitt. Die Nut 55, die mit dem Schaft 62 zusammenpaßt, ist in einem Ring 95 ausgebildet, der zwischen dem Gehäuseflansch 25a und einem Rahmenflansch 27 angeordnet ist. Der Ring 95 wird durch eine Bolzen/Mutter- Verbindung 98 in seiner Lage mit dem Flanschteil 25a, 97 ge­ halten.

Der Kompressor bzw. Verdichter 10 besteht aus einer oder mehreren Stufen, wobei jede Stufe von einem umlaufenden, mit vielen Schaufeln versehenen Rotor und einem nicht umlaufenden, mit vielen Schaufeln versehenen Stator gebildet ist. Ein Axialverdichter ist normalerweise aus vielen Stufen aufgebaut. Innerhalb jeder Stufe wird die Luftströmung beschleunigt und abgebremst mit einem daraus resultierenden Druckanstieg. Um die Axialgeschwindigkeit der Luft beizubehalten, wenn der Druck ansteigt, ist der Querschnitt der Strömungsfläche graduell vermindert an jeder Verdichterstufe vor dem Niederdruck- zum Hochdruckende. Die resultierende Wirkung über dem Verdichter ist ein wesentlicher Anstieg nicht nur des Luftdruckes sondern auch der Temperatur.

Fig. 2 zeigt in einer radialen Querschnittsansicht ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines Halterings oder einer Halteschiene 70 (s. Fig. 3, 3A), die an der Gehäusewand 25 über ein hindurch­ führendes Loch für einen Haltebolzen 74 in einem Stützansatz 73 befestigt ist. Die Halte- o. Stützschiene 70, die aus Inconel 718, einer bekannten Nickel­ basislegierung, hergestellt ist, hat eine hohe Toleranz gegen­ über Hitze und auch einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Zusätzliche Stützansätze 72, 76 sind entlang der Halte­ schiene 70 so vorgesehen, daß sie an einer radialen Innen­ fläche 80 des Gehäuses 25 angrenzen. Die Enden 82, 84 der in Sektoren unterteilten Halteschiene 70 sind mit einer entsprechenden Stufe 83, 85 versehen, die mit den entsprechenden Stufen 87, 89 zusammenpassen, die auf den Halteansätzen 24, 24a der Halteschienenenden 82, 84 ausgebildet sind. Es sei darauf hingewiesen, daß Spielräume 92, 94 in Umfangsrichtung für die Enden 82, 84 in bezug auf die Halteschienenansätze 24, 24a vorgesehen sind, um eine Ausdehnung in Umfangsrichtung der Sektoren der Halteschienen 70 zu ge­ statten. Mit anderen Worten bewegt sich während eines Schubstoßes, wenn die Triebwerkstemperatur ansteigt, die in Sektoren unterteilte Halteschiene 70 in Umfangsrichtung, indem ihre Länge zunimmt, die dann in den Spielräumen 92, 94 aufgenommen wird. Weiterhin wird die Halteschiene in radialer Richtung gehaltert wegen der Anordnung der Stützansätze 72, 76 gegen die Gehäusewand 25. In der Wirkung ist die thermische Zeit­ konstante des Gehäuses 25 verzögert worden nach der Zufuhr von Wärme aufgrund der Verzögerungsfunktionen, die durch die innere, in Sektoren unterteilte Halteschiene 70 ausgebildet werden.

Es sind elf Erleichterungstaschen 71 entlang der Länge eines Halte­ schienensektors vorgesehen, um dessen Gewicht auf ein Minimum zu reduzieren. Radial außen von den Erleichterungstaschen 71 ist ein Zwischenraum zwischen der äußeren Gehäusewand 25 und den inneren Halteschienen 70 ausgebildet, in dem Isolier­ material 91, beispielsweise mattenförmiges Isoliermaterial angeordnet werden kann. Dieses Isoliermaterial 91 wird dazu verwendet, die äußere Ge­ häusewände 25 thermisch zu schützen und auch die Halteschienen 70 gegenüber der äußeren Gehäusewand 25 thermisch zu isolieren. Es sei bemerkt, daß zwar nur ein Sektor einer Halteschiene 70 erläutert worden ist, wogegen in der Praxis ausreichend Schienen verwendet werden, um zwei Abschnitte zu überdecken, die jeweils einen Umfang von 180° überdecken.

Vorzugsweise wird das Isoliermaterial 91 von einem glaswollartigen Isolator gebildet, der zur Handhabung und Installation in einem Halter aus rostfreiem Stahlblech eingeschlossen ist. Beispielsweise kann ein glaswollartiger Isolator verwendet werden, der unter Handelsbezeichnung KAO-WOOL von der Firma Babcock & Wilcox, Co. erhältlich ist. Auf Wunsch kann das Isolatormaterial in Pulverform vorliegen, wie es beispielsweise unter der Handelsbezeichnung MIN-K von der Johns-Manville Co. erhältlich ist. Weiterhin kann anstelle der gezeigten mattenartigen Isolierung ein flammgespritzter thermischer Schutzüberzug verwendet werden, wie beispielsweise Nickel, Chrom, Aluminium/Bentonit (NiCrAl-Bentonit) von der Firma METCO, Inc. Es kann auch eine Keramik, wie beispielsweise Ytteroxid-Zirkoniumoxid, verwendet werden, um die äußere Ge­ häusewand 25 thermisch zu isolieren.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die äußere, aus Stahl bestehende Gehäusewand 25, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, eine strukturelle bzw. tragende Wand, d. h. sie führt eine Ring­ last, wogegen die aus Inconell bestehende innere Gehäusewand, die von den Halteschienen 70 gebildet ist und an der äußeren Gehäusewand 25 befestigt ist, eine nicht­ tragende Wand ist. Aufgrund der relativen Dünnheit der äußeren Gehäusewand 25 haben einzelne bzw. einteilige Wandge­ häuse schnell auf Änderungen in der Lufttemperatur angesprochen, insbesondere während Perioden von Betriebsübergängen, beispielsweise bei einem Schubstoß oder einem Schubabfall. Während eines Schubstoßes spricht die Gehäusewand 25 thermisch auf eine Erhöhung der Lufttemperatur durch radiale Expansion schneller an als das thermische Verhalten des Rotors. Infolge­ dessen wird der radiale Spalt "d" zwischen dem Statorgehäuse und den Laufschaufelsptizen wesentlich vergrößert, wodurch das Turbinentriebwerk effizient wird. Diese Erscheinung ist aus einer gestrichelten Kurve in Fig. 5 ersichtlich, die eine Kurve von einer typischen Verdichterstufe ist und den durchschnittlichen transienten Spalt zwischen einer Lauf­ schaufelspitze und dem Statorgehäuse über einer Periode des Triebwerkbetriebs angibt. Ein Berg bzw. ein Höcker in der ge­ strichelten Kurve stellt vergrößerte Rotorspalte infolge eines Schubstoßes dar. Eine Einsattelung in der gestrichelten Kurve unmittelbar vor der Höckerbildung entsteht aufgrund des Wachstums der Rotorabmessungen in bezug auf das Statorgehäuse aufgrund einer Beanspruchung, die in bezug zu einer Elastizität-Charakteristik des Metalls steht.

Während einer Schubverminderung versucht das Statorgehäuse üblicherweise, thermisch schneller zu schrumpfen als der Rotor. Weiterhin gibt es eine anfängliche schnelle Verminderung der Rotorabmessungen zu dieser Zeit aufgrund des Elastizi­ tätsfaktors. Diese Überlegungen bewirken, daß der Spalt bzw. Spielraum anwächst, nachdem ein stationärer Startzustand erreicht worden ist und führt zu einer Einsattelung in der gestrichelten Kurve um einen Punkt herum, wo die Schubver­ minderung eingeleitet ist.

Aus der gestrichelt dargestellten Kurve (Stand der Technik) in Fig. 5 wird deutlich, daß es eine große Spaltänderung in bezug auf einen stationären Grundleerlauf in dem Verdichter während des Triebwerkbetriebes gibt, die für eine optimale Leistungsfähigkeit des Triebwerks nicht förderlich ist. Die ausgezogene Kurve stellt Spaltänderungen des Verdichters gemäß einem beschriebenen Ausführungsbeispiel dar. Es wird auf einfache Weise deutlich, daß extreme Spaltänderungen während des transienten Betriebs im wesentlichen elimi­ niert worden sind, was einen verbesserten Triebwerksbetrieb zur Folge hat. Weiterhin vermindert das Isoliermaterial in wünschenswerter Weise die Spalte bzw. Spielräume während des stationären Betriebs, beispielsweise während des Reiseflugs oder des Grundleerlaufs.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das für eine Anordnung nahe dem stromabwärtigen Ende des Verdichters in der Nähe der Leitschaufeln 101 und den Laufschaufeln 102, 103 vorgesehen ist. Die Abänderung nahe dem stromabwärtigen Ende des Verdichters beeinhaltet die Ver­ wendung einer integralen Auskleidung 113 mit zwei Reibausklei­ dungen 100, 104 und zwei Stütz- oder Halteschienen 105, 106. In den Halte­ schienen 105, 106 sind zwei entgegengesetzt angeordnete Nuten 114, 115 angeordnet, die mit entsprechenden Schaften 107, 108 zusammenpassen, um die Leitschaufel 101 in ihrer Lage zu halten. Die integrale Auskleidung 113 enthält als Zwischenräume zwei Taschen 109, 110, um darin Isoliermaterial 111, 112 anzuordnen. In der vorstehend beschriebenen Weise ist die integrale Auskleidung 113 ein nicht­ tragendes Teil, das durch einen Stützansatz 116 zwischen den Taschen 109, 110 gegen die äußere tragende Gehäusewand 25, d. h. ringlastführend, abgestützt ist. Die integrale Auskleidung 113 in Verbindung mit dem Isoliermaterial 111, 112 ist so aus­ gelegt, daß sie die äußere Gehäusewand 25 während des tran­ sienten Betriebs thermisch isoliert, um dadurch die radiale Fehlausrichtung zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotor auf ein Minimum zu senken.

Die nicht-tragende Innenwandanordnung gemäß der beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung vergrößert die thermische Zeitkonstante der äußeren Gehäusewand 25, wodurch die radiale Fehlausrichtung auf ein Minimum gesenkt wird. Die thermische Zeitkonstante bedeutet die Zeit, die die Gehäusewand 25 braucht, um 66% der der Wärme ent­ sprechenden Temperatur nach Beginn der Wärmezufuhr zu erreichen. Bei der bekannten Verwendung von dünnwandigen Gehäusen war die Zeitkonstante klein, d. h. das Gehäuse würde sich recht schnell auf 66% der zugeführten Wärme aufheizen. Diese schnelle Erhitzung würde radiale Abweichungen bzw. Fehler bewirken, wie beispielsweise eine radiale Fehl­ ausrüstung aufgrund der vorstehend erläuterten thermischen Expansion oder Schrumpfung der Gehäusewand.

Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit einem Verdichter beschrieben, sie ist aber auch auf andere Formen von Turbomaschinen anwendbar, wie beispielsweise Hochdruck- und Niederdruckturbinen. Weiterhin wird deutlich, daß verschiedene Formen von Isoliermaterialien verwendet werden können, um für die gewünschten Charakteristiken des Triebwerkbetriebes zu sorgen. Beispiels­ weise können thermische Schutzüberzüge und andere Isolations­ arten verwendet werden.

Claims (7)

1. Turbomaschinengehäuse, das einen Rotor umgibt und eine äußere Gehäusewand, eine in Umfangsrichtung in Sektoren unterteilte innere Gehäusewand, mit mindestens einer im axialem Abstand angeordneten Statorschaufelreihe und Befestigungsmittel aufweist zum lösbaren Befestigen der inneren Gehäusewand an der äußeren Gehäusewand, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektoren der inneren Gehäusewand von Halteschienen (70, 105, 106) gebildet sind, die an ihren jeweiligen Enden (82, 84) einen Spielraum (92, 94) in Umfangsrichtung aufweisen und die mit radialen Stützansätzen (72, 73, 76; 116) versehen sind, die sich gegen die äußere Gehäusewand (25) abstützen und zwischen der inneren und äußeren Gehäusewand Zwischenräume ausbilden, in denen thermisches Isoliermaterial (27, 29, 31, 91, 111, 112) angeordnet ist.

2. Turbomaschinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Befestigungsmitteln (74) mehrere Halteansätze (24, 26, 28) gehören, die an der äußeren Gehäusewand (25) lösbar befestigt sind und jeweils zwei parallele Seitenschlitze (40, 41) zur Halterung von Schaften (52-62) der Statorschaufeln (18, 20, 22), zwei parallele vorspringende Ränder (42, 43), die sich in entgegengesetzte, axiale Richtungen erstrecken, zur Halterung des Isoliermaterials (27, 29, 31) und zwei in Umfangsrichtung entgegengesetzter Stufen (87, 89) aufweisen, die die gegenüberliegenden Enden (82, 84) von entsprechenden Sektoren (70) der inneren Gehäusewand haltern.

3. Turbomaschinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschienen (105, 106) zwei gegenüberliegend angeordnete Nuten (114, 115) aufweisen, die damit zusammenpassende Schafte (107, 108) einer entsprechenden Statorschaufel (101) tragen.

4. Turbomaschinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Isoliermaterial (27, 29, 31) mattenförmig ist.

5. Turbomaschinengehäuse nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Isoliermaterial (27, 29, 31) Glaswolle enthält.

6. Turbomaschinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Isoliermaterial (27, 29, 31) pulverförmig ist.

7. Turbomaschinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Isoliermaterial (27, 29, 31) eine Yttriumoxid-Zirkonoxid-Keramik enthält.