DE3909369A1 - Gasturbinen-spaltsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, die den Ab­ stand oder Spalt zwischen a) den Spitzen von Turbinenschaufeln und b) einem Mantel steuert, der die Schaufeln in einem Gas­ turbinen-Flugtriebwerk umgibt. Es ist wichtig, den Spalt so klein wie möglich zu halten, um einen hohen Brennstoff-Wirkungs­ grad aus dem Triebwerk zu erhalten.

Fig. 1 zeigt ein Doppelrotor-Turbofan-Flugtriebwerk. Eine ein­ tretende Luftströmung 3 wird zunächst durch einen Zusatzverdich­ ter 6 verdichtet und dann einem Hochdruck-Verdichter 9 zuge­ führt, in dem die Luft weiter verdichtet wird und von dem die verdichtete Luft einer Brennkammer 12 zugeführt wird. In der Brennkammer wird Brennstoff in die verdichtete Luft eingespritzt, es wird eine Zündung herbeigeführt und die eine hohe Energie aufweisende Heißgasströmung 14, die dabei erzeugt wird, wird einer Hochdruckturbine 15 zugeführt.

Der Aufprall der hochenergetischen Gasströmung 14 bewirkt eine Rotation der Hochdruckturbine 15, die ihrerseits den damit ver­ bundenen Hochdruckverdichter 9 in Drehung versetzt. Die hoch­ energetische Gasströmung 14 wird dann einer Niederdruckturbine 18 zugeführt, die dadurch ebenfalls in Drehung versetzt wird und den Zusatzverdichter 6 und einen ummantelten Bläser 21 an­ treibt. Der Bläser 21 erzeugt eine antreibende Luftströmung 24, die den größten Teil des durch das Triebwerk erzeugten Schubes erzeugt, während die restliche Gasströmung 27, die aus der Nie­ derdruckturbine 18 austritt, für zusätzlichen Schub sorgt.

Von der Hochdruckturbine 15 ist ein Bereich 30 in Fig. 2 ge­ nauer gezeigt. Dort ist ein Spalt 33 zwischen Schaufeln 36 der Hochdruckturbine 15 gemäß Fig. 1 und einem Mantel oder Stator 39 gezeigt, der die Turbinenschaufeln umgibt. Dieser Spalt 33 soll so klein wie möglich gehalten werden, um die Leckage von Gasen, wie sie durch den Pfeil 42 angedeutet sind, auf ein Minimum zu senken. Diese Leckgase üben tatsächlich kein Moment auf die Turbinenschaufeln 36 aus und stellen somit ein Energie­ verlust dar.

Es könnte der Gedanke auftreten, daß das Leckproblem durch den einfachen Ausweg beseitigt werden könnte, das Triebwerk mit einem ausreichend kleinen Spalt 33 herzustellen, der die Leckage auf einen zulässigen Wert begrenzt. Dies ist jedoch nicht der Fall, weil mehrere Faktoren dazu führen, daß der Spalt 33 sich während des Triebwerksbetriebes ändert. Nachfolgend werden fünf dieser Faktoren erläutert.

Erstens expandieren während der Beschleunigung der Hochdruck­ turbine 15 gemäß Fig. 1 von einer Bodenleerlaufdrehzahl von etwa 8600 Upm bis zu einer Abhebedrehzahl von etwa 14100 Upm der Turbinenrotor 45 und die Schaufeln 36 gemäß den Fig. 1 und 2 im Durchmesser (Abmessung 48 in Fig. 1) aufgrund der Zentrifugalkraft. Diese Expansion wird gewöhnlich als "elasti­ sches Wachsen" bezeichnet und ist durch den Bereich 61 in Fig. 8 dargestellt. Diese Zentrifugalkraft ist sehr groß, was durch ein Beispiel gezeigt werden soll.

Die Zentrifugalbeschleunigung beträgt ω ² r, wobei ω die Win­ kelgeschwindigkeit in Radian pro Sekunde und r der Radius in Zentimeter (Fuß) sind. 14100 Umdrehungen pro Minute entsprechen 235 Umdrehungen pro Sekunde. Wenn der Durchmesser 48 0,6 Meter (2 Fuß) beträgt, dann beträgt der Radius r 0,3 Meter (1 Fuß) und somit beträgt die Zentrifugalbeschleunigung (235×2π)²×r oder 2,18×10⁶×r m/sek.². Wenn dieser Wert durch die Erdbe­ schleunigung dividiert wird, nämlich 9,81 m/sek.^-2 bzw. 32,2 Fuß sek.^-2, dann ergibt sich eine Zentrifugalkraft von etwa 67700 g.

Dieses große Beschleunigungsfeld tritt sofort bei Beschleuni­ gung auf und bewirkt, daß der Durchmesser des Turbinenrotors größer wird. Die tatsächliche Durchmesservergrößerung von Boden­ leerlauf bis zu Startdrehzahl kann ein Millimeter (0,04 Zoll) be­ tragen. Wenn also der Durchmesser des Mantels 39 in Fig. 2 konstant bleibt, verkleinert das elastische Wachsen des Rotors den Spalt 33 und es entsteht das Risiko, daß die Schaufeln 36 mit dem Mantel 39 in Berührung kommen.

Als zweiter Faktor, der etwa zur gleichen Zeit auftritt wie die Beschleunigung des Rotors 39, vergrößert sich der Durchmes­ ser des Mantels 39 aufgrund des erhöhten Druckes der Gasströ­ mung 14. Eine typische Druckerhöhung beträgt 2,9 bar Absolut­ druck (41 psia) am Punkt 40 in Fig. 1 während des Leerlaufes am Boden auf 26,7 bar Absolutdruck (380 psia) bei Abhebedreh­ zahl. Diese Druckerhöhung kann eine Vergrößerung des Mantel­ durchmessers 41 in Fig. 2 von 0,1 mm (0,004 Zoll) bewirken. Die Vergrößerung des Manteldurchmessers ist in etwa durch den Bereich 43 in Fig. 8 dargestellt.

Als dritter Faktor, der etwa zur gleichen Zeit wie das ther­ mische Wachstum der Schaufel auftritt, erhöht sich die Tempera­ tur der Gasströmung 14, die in die Turbinenschaufeln 36 gemäß Fig. 2 eintritt, wodurch die Schaufeln 36 expandieren. Eine typische Temperaturerhöhung der Gasströmung 14 von Bodenleer­ lauf-zu-Abhebedrehzahlen kann von 720°C (1300°F) bis 1390°C (2500°F) liegen. Diese Temperaturerhöhung bewirkt, daß die Län­ ge 51 in Fig. 2 der Turbinenschaufeln 36 zunimmt, und zwar möglicherweise bis zu 0,635 mm (0,025 Zoll). Dieses thermische Schaufelwachstum ist in etwa durch den Bereich 38 in Fig. 8 dargestellt. Diese Längenvergrößerung hat ebenfalls die Ten­ denz, den Spalt 33 in Fig. 2 zu verkleinern.

Als vierter Faktor erwärmt die erhöhte Temperatur der auf die Turbinenschaufeln auftreffenden Gasströmung 14 auch den Mantel 39 in Fig. 2, wodurch eine Vergrößerung des Manteldurchmes­ sers herbeigeführt wird. Jedoch ist die Vergrößerung des Mantel­ durchmessers viel langsamer als die drei Abmessungsänderungen, die aus den drei zuvor erläuterten Faktoren resultieren, und sie ist durch die graduelle Vergrößerung im Manteldurchmesser in dem Bereich 44 in Fig. 8 dargestellt.

Der fünfte Faktor bezieht sich auf das thermische Wachsen der Turbinenscheibe 45 A des Turbinenrotors 45. Die Scheibe 45 A ist zwar nicht den heißen Brennkammerabgasen 14 gemäß Fig. 1 ausge­ setzt, aber sie befindet sich in der heißen Luft, die von dem Verdichter 9 des Triebwerks abgezapft wird.

Verdichterabzapfungen werden verwendet, um gewisse Aufgaben zu erfüllen, wie beispielsweise das Reinigen des Innenbereiches 54 des Triebwerkes von Schmiermitteldämpfen und anderen Gasen. Die Verdichterabzapfungen befinden sich auf einer höheren Temperatur als der Umgebungstemperatur, wodurch der Turbinenrotor 45 ge­ mäß Fig. 2 graduell eine höhere Temperatur als die Umgebungs­ temperatur annimmt und somit expandiert. Die Expansion ist gra­ duell, weil die Verdichterabzapfungen nicht so heiß wie die Luftströmung 14 sind und weil die thermische Masse des Rotors die Rotorerwärmung verzögert. Das thermische Wachsen des Ro­ tors ist durch den Bereich 55 in Fig. 8 dargestellt.

Es wird wiederholt: Der Spalt 33 in Fig. 2 wird durch die fol­ genden Faktoren in der folgenden angenäherten Reihenfolge be­ einflußt. Zunächst tritt (1) elastisches Wachsen des Rotors auf und daran schließt sich (2) thermisches Wachsen der Schaufel an, und diese zwei Faktoren haben die Tendenz, den Durchmesser der Schaufelspitzen 56 in Fig. 2 der Turbinenschaufeln zu vergrö­ ßern. Dann treten (3) Druckwachsen des Stators und (4) ther­ misches Wachsen des Stators auf, die die Tendenz haben, den Durchmesser 41 des Stators 39 zu vergrößern. Danach tritt (5) thermisches Wachsen des Rotors auf, das den Durchmesser der Spitzen 56 weiter vergrößert.

Es soll nun Fig. 8 genauer betrachtet werden. Die Triebwerks­ beschleunigung beginnt zu einer Zeit von Null Sekunden. Es ist zu ersehen, daß der Spalt bei Bodenleerlauf die Strecke zwi­ schen den Punkten 60 und 63 ist, die durch den Punkt 66 ange­ geben ist und etwa 0,838 mm (0,033 Zoll) beträgt. Nach dem Ab­ lauf von etwa 10 Sekunden ist eine Abhebedrehzahl von 14100 Upm erreicht worden, wie es durch das Kästchen 68 angegeben ist, und das zentrifugale Wachsen des Rotors bewirkt ein Wachsen bis zum Punkt 71, wodurch der Spalt auf die Länge 74 zusammen­ schrumpft. Aus Fig. 8 wird deutlich, daß innerhalb des Kreises 90 ein minimaler Spalt entsteht, der dann zunimmt, wenn die Zeit fortschreitet. Derartige Minimalwerte werden als "Einschnürungs­ punkte" bezeichnet und stellen einen Grenzwert für den minimalen Spalt 33 in Fig. 2 dar, der in das Triebwerk eingebaut werden kann. Wenn beispielsweise der Rotor so ausgelegt wäre, daß sein Anfangsspalt durch den Punkt 93 in Fig. 8 dargestellt wäre, würde der Rotor bei Beschleunigung der gestrichelten Linie 94 folgen und am Punkt 96 auf das Gehäuse prallen, was nicht zu­ lässig ist.

Ein anderer Einschnürungspunkt tritt während eines Zustandes auf, der als "heißer Rotorrückstoß" bekannt ist und nun erläutert werden soll. Wenn ein Flugzeugpilot den Gashebel zurücknimmt, wie beispielsweise beim Abstieg zur Landung, verkleinert sich die Kerndrehzahl, die die Drehzahl des Hochdruckverdichters 9 in Fig. 2 ist, wodurch die auf den Rotor ausgeübte Zentrifugal­ kraft verkleinert und dadurch das elastische Wachstum des Ro­ tors verkleinert wird, das dieser zuvor erfahren hat.

Zusätzlich nimmt die Temperatur der Gasströmung 14, die auf die Schaufeln der Turbine 15 prallt, ab und demzufolge wird das thermische Wachsen der Schaufeln kleiner und, da diese Gas­ strömung auch mit dem Gehäuse 39 in Berührung ist, der Durch­ messer des Gehäuses wird ebenfalls kleiner, obwohl das Schrump­ fen des Gehäuses 39 um einige Sekunden später auftritt als das Schrumpfen des Rotors.

Nach dieser Zurücknahme des Gashebels kann, aus vielfältigen Gründen, der Pilot eine plötzliche Schubvergrößerung anfordern, woraufhin die Turbine 15 auf eine hohe Drehzahl beschleunigt. Die Scheibe 45 A erfährt eine Expansion aufgrund der Zentrifugal­ kraft, die nahezu augenblicklich ist und den Spalt 33 verkleinert. Etwas später bewirkt die Wärme die Luftströmung 14, daß die Tur­ binenschaufeln expandieren und den Spalt weiter verkleinern.

Diese besondere Spaltverkleinerung bewirkt einen schwerwiegen­ deren Einschnürungspunkt als der zuvor beschriebene, weil die Scheibe 45 A einen Großteil ihres früheren thermischen Wachsens beibehalten hat, obwohl das Gehäuse 39 abgekühlt und geschrumpft ist. In einem gewissen Sinne ist die Situation als ob ein Rotor am Punkt 61 A in Fig. 8 an ein Gehäuse am Punkt 61 B angepaßt ist: Alle Faktoren, die eine Rotorexpansion bewirken, sind nahe­ zu vollständig entwickelt, aber bezüglich der Gehäuseexpansion ist das gesamte thermische Wachstum im Bereich 44 noch nicht aufgetreten.

Um dieser Situation abzuhelfen, wird der Durchmesser des Gehäu­ ses 39 im kalten Zustand so ausgelegt, daß der Rotor frei ist, wenn er diese augenblickliche Expansion erfährt. Jedoch ist die­ ser Spalt (nicht gezeigt) größer, als er zur Aufnahme des Ein­ schnürungspunktes 90 in Fig. 8 erforderlich ist, und bewirkt somit, daß der Spalt unter den meisten Betriebsbedingungen un­ nötig groß ist. Deshalb wird, um diese Einschnürungspunkte zu beseitigen, und aus anderen Gründen, eine aktive Spaltsteuerung verwendet, um den Durchmesser des Gehäuses 39 zu steuern, indem heiße und kalte Luft auf das Gehäuse geblasen wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Spaltsteuerung für eine Turbine in einem Gasturbinentriebwerk zu schaffen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung trägt eine Mantel­ anordnung für eine Turbine ringförmige Rippen in radialen Ebenen der Turbine. Ein mit Löchern versehener Kanal, der sowohl mit den Rippen als auch den die Rippen tragenden Oberflächen im we­ sentlich konform ist, liefert Luft an die Mantelanordnung und erwärmt oder kühlt somit die Anordnung und verändert infolge­ dessen die Größe des Mantels. Eine Sammelkammer führt die Luft den Kanälen durch Verbindungen zu, die im engen Abstand ange­ ordnet sind, wodurch lange Bewegungsstrecken innerhalb des Ka­ nals und daraus resultierende Wärmeverluste eliminiert werden. Durch das zuletzt genannte Merkmal wird die der Mantelanordnung zuge­ führte Luft auf einer gleichmäßigeren Temperatur auf dem Mantel­ umfang gehalten, als dies bei bekannten Vorrichtungen der Fall ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 stellt ein Gasturbinentriebwerk dar.

Fig. 2 zeigt schematisch den Detailbereich 30 in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Sammel­ kammer 117 und die Kanäle 120 A-C in Fig. 3.

Fig. 5 ist eine Ansicht längs der Linien 5-5 in Fig. 4.

Fig. 6 zeigt die Luftströmung durch die Einrichtung gemäß Fig. 4.

Fig. 7 zeigt die Luftströmung durch eine bekannte Vorrichtung ähnlich dem Kanal 120 A in Fig. 4.

Fig. 8 zeigt in einem Kurvenbild den Turbinenspalt als eine Funktion der Zeit während einer Beschleunigung.

Fig. 3 stellt die Halterungsstruktur für den Mantel 39 gemäß Fig. 2 dar. Der Mantel 39 ist an einer Mantelhalterung 102 durch zwei Aufhänger 105 und 108 befestigt. Die Mantelhalterung 102 enthält zwei ringförmige scheibenförmige Rippen 111 und 114. Die Rippen 111 und 114 wirken als Wärmetauscher, was aus der folgenden Beschreibung noch deutlicher werden wird. (Der Be­ griff "Mantelanordnung" wird hier in dem Sinne verwendet, daß er sich auf alle strukturellen Elemente bezieht, die zur Steue­ rung des Durchmessers der Oberfläche 39 A in Fig. 3 wirken, die zusammen mit einer Schaufel 36 den Spalt 33 bildet. Zu diesen Elementen gehören die mit der Bezugszahl 39, 102, 105, 108, 111 und 114 bezeichneten Elemente. Andere Bauformen können mehr oder weniger Elemente enthalten.)

Eine ringförmige Sammelkammer 117, die ebenfalls in Fig. 4 ge­ zeigt ist, ist an der Mantelhalterung 102 durch nicht gezeigte Bügel befestigt. An der ringförmigen Sammelkammer 117 sind ring­ förmige Versorgungskanäle 120 A-C angebracht. Die Kanäle 120 A-C liefern erwärmende und kühlende Luftströme, wie es durch die Pfeile 122 angegeben ist, an die Mantelhalterung 102 und die ringförmigen Rippen 111 und 110 durch Löcher 123 hindurch. Die Löcher haben einen Durchmesser von vorzugsweise 0,635 mm (0,025 Zoll) und sind in Umfangsreihen gleichförmig verteilt, wobei benachbarte Löcher um 6,35 mm (0,25 Zoll) voneinander ge­ trennt sind; so beträgt der Abstand 124 in Fig. 4 6,35 mm.

Ein Merkmal der Erfindung dient dazu,alle Luftströmungen 122 etwa auf der gleichen Temperatur zu halten, unabhängig davon, welche Löcher 123 die Luftströme zuführen. Dieses Merkmal ist in Fig. 6 dargestellt, wobei die Wände 126, 129 und 132 Wänden mit den gleichen Bezugszahlen in Fig. 4 entsprechen. In Fig. 6 sind wenige repräsentative Löcher 123 und Luftströme 122 gezeigt.

Im allgemeinen tritt ein Temperaturabfall (oder wenigstens eine Änderung) entlang der Sammelkammer 117 und dem Versorgungskanal 120 A auf. Beispielsweise wird die Temperatur an den Punkten 139 und 142 unterschiedlich sein. Die Temperaturänderung erfolgt aufgrund von Wärmeübergängen an den Wänden 126, 129 und 132. Der Aufbau gemäß Fig. 6 verkleinert die Temperaturänderung der Luftströme 122 im Vergleich zu der bekannten Lösung gemäß Fig. 7, was im folgenden näher erläutert wird.

In Fig. 6 stellen Löcher 145 die Einlaßöffnungen zum Einlaß von Luft aus der Sammelkammer 117 in die Versorgungskanäle 120 A-C dar. Ein derartiges Loch 145 ist in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 6 sind die Löcher 145 im Abstand des Winkels 135 angeordnet, der etwa 90° beträgt. Unter der Annahme, daß die durch ein Loch 145 eintretende Luft eine etwa gleichförmige Temperatur hat, müssen alle wechselseitigen Temperaturdifferenzen der Luftströme 122 während einer Bewegung durch den ringförmigen Versorgungskanal 120 A auf dem Weg zu den Kühllöchern 123 auftreten. Weiterhin kann eine Luftströmung, die einen längeren Weg durch den Versor­ gungskanal 120 A nimmt, eine größere Temperaturänderung erfahren aufgrund ihrer längeren Verweilzeit in dem Kanal 120 A.

Der Aufbau gemäß Fig. 6 verkleinert Unterschiede in der Weg­ länge und somit Unterschiede in der Verweilzeit im Vergleich zu einer bekannten Lösung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. In Fig. 6 lassen Löcher 152, die den Löchern 145 in Fig. 6 analog sind, Turbinenspaltsteuerungs-(TCC)Luft 255 in einen Versorgungs­ kanal eintreten und sind im Abstand des Winkels 155 angeordnet, der etwa 180° beträgt. Infolgedessen folgen die Luftströme 122 C und 122 D Bahnen bzw. Wegen, die sich in der Länge um den Winkel 158 unterscheiden, der etwa 90° beträgt. Im Gegensatz dazu unter­ scheiden sich die Luftströme 122 A und 122 B in Fig. 6 in der Weglänge um einen Winkel 161, der kleiner ist und etwa 45° be­ trägt.

Bei der Verkleinerung von Unterschieden in der Weglänge, die von den Luftströmen 122 in Fig. 6 genommen werden, verkürzt die Erfindung also sowohl die Verweilzeit als auch die Tempera­ turänderungen, die entlang den Wegen auftreten, wodurch die Luftströme 122 auf einer konstanteren Temperatur gehalten wer­ den als in der in Fig. 7 gezeigten Einrichtung. Messungen haben gezeigt, daß die maximale Temperaturänderung in dem Versorgungs­ kanal 122 A in den Fig. 4 und 6 während des Startens etwa 11°C (20°F) betragen. Ein bekannter Kanal der in Fig. 7 gezeigten Art kann eine Änderung von etwa 28°C (50°F) aufweisen.

Es ist wichtig, die Temperaturänderung in den Luftströmen 122 in Fig. 3 zu verkleinern, da eine ungleichförmige Temperatur­ verteilung des Mantels 39 in Fig. 2 bewirken kann, daß der Man­ tel 39 eine nicht-kreisförmige Form annimmt. Beispielsweise zeigen Berechnungen, daß ein Verteilerkanal 156 der in Fig. 7 gezeigten Art bewirken kann, daß ein Mantel 39 gemäß Fig. 2 mit einem Durchmesser von etwa 762 mm (30 Zoll) um 0,15 mm (0,006 Zoll) von einem wahren Kreis abweichen kann. Dies be­ deutet, daß der abweichende Mantel an einigen Punkten einen Durchmesser von 762,3 mm (30,12 Zoll) und an anderen Punkten einen Durchmesser von 761,7 mm (29,988 Zoll) hat.

Derartige Abweichungen in der Größe sind signifikant im Ver­ gleich zu dem Spalt 33 gemäß Fig. 2, dessen Größe in Fig. 8 angegeben ist. Es tritt nicht nur eine übermäßige Leckage 42 in Fig. 2 an Bereichen auf, wo der Mantel zu groß ist, sondern tatsächlich kann ein Beschädigungen verursachender Kontakt zwischen dem Mantel 39 und den Schaufeln 36 in Fig. 2 an Be­ reichen auftreten, wo der Mantel zu klein ist. Die Erfindung verkleinert dieses Problem, indem für eine gleichmäßigere Man­ teltemperatur gesorgt wird.

Ein zweites Merkmal der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser Figur dienen die Mantelhalterung 102 und auch die schraffierten Strukturen 170 dazu, die verbrauchte Pralluft, die durch den Pfeil 176 angedeutet ist, um die Versorgungskanäle 120 A-C und die Kammer 117 herum, wie es durch die Pfeile 179 an­ gegeben ist, und dann durch eine Öffnung 182 zu leiten, von der aus die verbrauchte Luft dann eventuell nach außen abgeleitet wird. Diese Wegführung bewirkt, daß die verbrauchte Pralluft als eine isolierende Decke um die Kammer 170 und die Kanäle 120 A-C herum wirkt, wodurch der Wärmeverlust oder -gewinn durch die Luft innerhalb der Kammer und der Kanäle verkleinert wird. Diese Iso­ lation verbessert weiterhin das die Rundung verstärkende Merk­ mal, das in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wurde, indem sie ebenfalls für die Tendenz sorgt, die Luftströme 122 A und B in Fig. 6 auf der gleichen Temperatur zu halten.

Weiterhin wird der isolierende Effekt ohne die Verwendung eines Isoliermaterials erhalten, das das Gewicht des Flugzeugs ver­ größern würde. Die isolierende Luft, die durch die Pfeile 176 und 179 dargestellt ist, fügt dem Flugzeug offenbar kein Gewicht hinzu und die strukturellen Teile 170 und 173 sind im allge­ meinen aus anderen Gründen vorhanden, die mit der Erfindung nicht in Verbindung stehen. Infolgedessen bewirkt die Verwen­ dung dieser Teile zum Leiten bzw. Richten der isolierenden Luftströme 176 und 179 lediglich, daß die ohnehin bestehenden Teile 170 und 173 einer doppelten Funktion dienen. Es wird aber kein signifikantes Gewicht zugefügt.

Ein drittes Merkmal der Erfindung betrifft die Verkleinerung des Einschnürungspunktes (im Kreis 90), wie er vorstehend beschrie­ ben wurde. Um den Spalt 74 zur Zeit des Auftretens des Ein­ schnürungspunktes zu vergrößern, wird erfindungsgemäß besonders heiße Luft in die Sammelkammer 117 in den Fig. 3 und 4 einge­ führt. Diese Luft wird aus der neunten Stufe 185 des Hochdruck­ verdichters 9 gemäß Fig. 2 erhalten. (9 Stufen sind nicht ge­ zeigt, da Fig. 2 nur eine schematische Darstellung ist.) Es wird die Luft der neunten Stufe verwendet, weil sie die heißeste, verfügbare Verdichterluft ist und eine Temperatur in dem Bereich von 120 bis 600°C (250-1100°F) bei einer Verdichterdrehzahl im Bereich von 8000 bis 15000 Upm hat und somit für die schnell­ ste Erwärmung des Mantels sorgt.

Weiterhin beträgt die Menge zugeführter Luft, in kg/sek., während eines heißen Rotor-Rückstoßes etwa das zwei- bis drei­ fache der Menge, die während des Reisefluges zugeführt wird. Somit wird während eines Rückstoßes eine größere Menge heißerer Luft zugeführt.

Weiterhin wird während einer Verlangsamung oder Drehzahlminde­ rung die Luftströmung zu dem Mantel beendet, um den Temperatur­ abfall des Mantels zu verlangsamen, weil während einer Dreh­ zahlsenkung die kleinere Verdichterdrehzahl eine Senkung der Verdichteranzapftemperatur bewirkt.

Ein viertes Merkmal der Erfindung liegt in der Kooperation zwi­ schen den Rippen 111 und 114 in Fig. 3 und den Versorgungska­ nälen 120 A-C. Die drei Kanäle bilden eine mit Löchern versehene Oberfläche, die in der Form mit der Oberfläche der Rippen und der Mantelhalterung 102 etwa übereinstimmt (d. h. konform ist). Beispielsweise bildet der Kanal 120 B eine U-förmige Oberfläche in der Form von Wänden W, die mit der U-förmigen Oberfläche der Rippenoberfläche 111 B der Mantelhalterungsoberfläche 102 B und der Rippenoberfläche 114 B konform ist. In ähnlicher Weise bil­ den die Kanäle 120 A und 120 C konforme Oberflächen, obwohl die mit Löchern versehenen Oberflächen in diesen zwei Kanälen L- förmig sind.

Ein fünftes Merkmal liegt in der Kombination der vorstehend be­ schriebenen konformen Oberfläche mit der ringförmigen Kammer 117. Somit ist es möglich, daß im Rahmen der Erfindung die Wandbe­ reiche 200 in Fig. 3 fehlen und die Kanäle 120 A-C und die Kam­ mer 117 eine gemeinsame, nicht geteilte Kammer bilden. Dies wür­ de jedoch im Endeffekt die Strömungsbahn-Topographie gemäß Fig. 7 ergeben. (Die Oberfläche 202 in Fig. 7 ist der Einfach­ heit halber nicht als konform gezeigt.) Die Topographie gemäß Fig. 7 besitzt aber nicht die Merkmale, die zu der Gleichför­ migkeit der Temperatur der Luftströmungen 122 in Fig. 6 sorgen.

Ein sechstes Merkmal der Erfindung liegt in der Positionierung der Einlaßöffnungen 145 in Fig. 4. Gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung sind die Öffnungen wie die Löcher 205 A-C in Fig. 5 angeordnet, die eine Ansicht längs der Pfeile 5-5 in Fig. 4 ist. Die Löcher 205 A-C sind in einer Reihe in bezug auf die Strömung durch die Kammer 117 angeordnet, wie es durch den Pfeil 209 dargestellt ist. Dies bedeutet, daß die Luft zu­ nächst das Loch 205 A, dann das Loch 205 B und dann das Loch 205 C erreicht. Weiterhin ruft jedes Loch einen Druckabfall in der Kammer 117 hervor, und so empfangen die Löcher jeweils Luft mit einem unterschiedlichen Druck. Diese Reihenanordnung bildet einen graduelleren Druckabfall entlang der Kammer 117, als wenn die Löcher so angeordnet wären wie die Löcher 207 A, 207 B und 205 B.

Im letzten Fall können die Löcher als parallel, und nicht seriell, in bezug auf die Strömung 209 betrachtet werden. Dies bedeutet, daß die letztgenannten Löcher alle Luft zur gleichen Zeit und mit etwa dem gleichen Druck empfangen. Eine derartige Anordnung sorgt für einen größeren Druckabfall vom Punkt 211 zum Punkt 213. Im Gegensatz dazu sorgt die bevorzugte Verwendung der Löcher 205 A-C für einen kleineren Druckabfall in der Kammer 117 an je­ der entsprechenden Lochstelle. Selbstverständlich ist im allge­ meinen der gesamte Druckabfall der drei Löcher etwa der gleiche, und zwar unabhängig von der Lochpositionierung.

Ein siebentes Merkmal der Erfindung bezieht sich auf den Wärme­ austausch. Es ist nicht notwendig, daß die Luftströme 122 in Fig. 3 verwendet werden, um die Rippen 111 und 114 zu erwärmen. Stattdessen können die Luftströme verwendet werden, um die Rip­ pen zu kühlen. Im letzten Fall tritt trotzdem ein Wärmeüber­ gang auf, aber dieser kann als negativ bezeichnet werden, da die Wärme von den Rippen zu den Luftströmungen 122 fließt, was entgegengesetzt zu der zuvor angenommenen Richtung ist.

Ein achtes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das thermi­ sche Wachsen und Schrumpfen der Mantelhalterung 102 nicht mecha­ nisch den Mantel 39 zwingt, einen gegebenen Durchmesser anzu­ nehmen. Es ist vielmehr die Temperaturänderung des Mantels 39, die durch den Wärmefluß von den Rippen 111 und 114 hervorgerufen wird und die eine Größenänderung des Mantels 39 bewirkt.

Ein neuntes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß Leitbleche 220 in Fig. 6 eine Strömung in der Kammer 117 und dem Kanal 120 blockieren.

Ein zehntes Merkmal betrifft den Kanal, der die verbrauchte Prall­ luft in Fig. 3 empfängt. Der Kanal, der die durch den Pfeil 176 bezeichnete Luft empfängt, arbeitet als ein Abgasverteiler und wird bei Reiseflugzuständen auf einem absoluten Druck von etwa 6,7 bar (95 psia) gehalten. An einer Öffnung 182 wird die Luft in dem Verteiler nach außen an die Umgebungsdruck aufwei­ sende Luft abgegeben.

Im Gegensatz dazu wird bei dem Stand der Technik gemäß Fig. 7 die verbrauchte Luft, die durch den Pfeil 122 F bezeichnet ist, direkt an den Umgebungsdruckbereich abgegeben. Der Druck am Punkt 122 G, der ebenfalls in Fig. 1 gezeigt ist, befindet sich nahezu auf Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck während des Fluges ist wesentlich niedriger als der Druck, der in dem zuvor be­ schriebenen Abgasverteiler aufrechterhalten wird. Beispielsweise beträgt der absolute Umgebungsdruck in einer Höhe von etwa 10000 m (35000 Fuß) etwa 0,25 bar (3,5 psia).

Claims (15)

1. Spaltsteuereinrichtung für eine Turbine in einem Gasturbinen­ flugtriebwerk,

gekennzeichnet durch:

• a) Rippenmittel (111, 114) für einen Wärmeaustausch mit einem Turbinenmantel (39), die eine oder mehrere im wesentlichen scheibenförmige Rippen aufweisen, die ringförmig um den Mantel (39) angeordnet sind,
• b) Kanalmittel (120 A-C), die mit den Rippenmitteln im wesent­ lichen konform sind für eine Zufuhr von Luft zu den Rippen­ mitteln für einen Wärmeaustausch und die erste, zweite und dritte im wesentlichen parallele ringförmige Kanäle auf­ weisen, und
  eine ringförmige Sammelkammer (117) zur Zufuhr von Luft zu den ersten, zweiten und dritten ringförmigen Kanälen.

2. Spaltsteuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, bei dem ein mit Löchern versehener, im wesentlichen ringförmiger Ver­ sorgungskanal Luft zuführt zum Verändern der Manteltemperatur, gekennzeichnet durch:

• a) eine Sammelkammer zur Lieferung von Luft zu dem Versor­ gungskanal und
• b) Verbindungsmittel zur Herstellung vonVerbindungen zwischen der Sammelkammer und dem Versorgungskanal derart, daß kein Winkelabstand von einem gewählten Loch in dem Ver­ sorgungskanal zu der nächsten Verbindung größer als etwa 45° ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindungsmittel ein oder mehrere Leitbleche (220) aufweisen, die den Versorgungskanal in Abschnitte unterteilt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ sorgungskammer ringförmig zu dem Versorgungskanal ist.

5. Einrichtung zum Steuern des Spalts zwischen einer Turbine und einem Mantel in einem Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:

• a) einen Kanal zum Zuführen von Luft zu einer Mantelanord­ nung zum Verändern der Manteltemperatur und
• b) Mittel, die die Luft mit dem Kanal in Kontakt und nach der Zufuhr zum Mantel auf einem höheren Druck als den Umgebungsdruck halten.

6. Einrichtung zum Steuern des Spalts zwischen einer Turbine und einem Mantel in einem Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:

• a) einen Kanal mit Löchern, durch die Luft einer Mantelan­ ordnung zuführbar ist, und
• b) Mittel zum Führen von Luft, die der Mantelanordnung zuge­ führt worden ist, entlang dem Kanal und dann zu einer Ausgangsöffnung.

7. Einrichtung zum Steuern des Spalts zwischen einer Turbine und einem Mantel in einem Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:

• a) einen Kanal, der Löcher enthält, durch die Luft einer Man­ telanordnung zuführbar ist, und
• b) Mittel zum Einschließen von Luft, die dem Mantel zugeführt worden ist, und zum Verwenden dieser Luft als ein Isolator für den Kanal.

8. Verfahren zum Steuern des Spalts zwischen einer Turbine und einem Mantel in einem Gasturbinen-Flugtriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß eine Man­ telanordnung unter Verwendung der heißesten Abzapfluft, die von dem Triebwerksverdichter verfügbar ist, für eine Periode während des Startens erwärmt wird.

9. Einrichtung zum Steuern des Spalts zwischen einer Turbine und einem Mantel in einem Gasturbinen-Flugtriebwerk, gekennzeichnet durch:

• a) mehrere ringförmige Kanäle, die den Mantel umgeben und die Löcher enthalten, durch die Luft strömen kann,
• b) mehrere ringförmige Rippen, auf die Luft aus den Kanälen aufprallen kann für einen Wärmeübergang auf den Mantel,
• c) eine ringförmige Kammer zum Zuführen von Luft zu den Ring­ kanälen,
• d) mehrere Eintrittslöcher zum Einleiten von Luft aus der ring­ förmigen Kammer zu jedem Ringkanal, wobei der Winkelab­ stand zwischen benachbarten Lochpaaren in jedem Kanal nicht größer als 90° ist, und
• e) Isoliermittel, die die Luft nach der Zufuhr zu den ring­ förmigen Rippen mit der ringförmigen Sammelkammer in Kon­ takt halten.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ trittslöcher für die Ringkanäle seriell in bezug auf die Strömung in der Ringkammer angeordnet sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß keine Eintrittslöcher für irgendwelche zwei Kanäle parallel in bezug auf die Strömung in der Ringkammer sind.

12. Verfahren zur aktiven Spaltsteuerung für ein Gasturbinen- Flugtriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der einem Turbinenmantel zugeführten Erwärmungsluft während einer Beschleunigung nach einer Verlangsamung bzw. Drehzahl­ verminderung vergrößert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der dem Turbinenmantel zugeführten Erwärmungsluft während eines heißen Rotor-Rückstoßes vergrößert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung mit Erwärmungsluft beim Auftreten einer vor­ bestimmten Art der Triebwerksverlangsamung bzw. Drehzahlver­ minderung beendet wird.