DE3930324C2 - Turbinenlaufschaufelkranz für eine Axialströmungsturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenlaufschaufelkranz mit einem Mantelring, der von einzelnen von den Laufschaufeln getragenen Schaufelringsegmenten gebildet ist, die im Bereich ihrer in Reibberührung stehenden Flächen einer Kühlluftströmung ausgesetzt sind. Durch den so gebildeten Mantelring kann der Leckstrom zwischen den radial äußeren Enden der Turbinenlauf­ schaufeln und dem Gehäuse verringert werden.

Damit eine wirksame Gasleckstrombarriere geschaffen wird und Vibrationsprobleme der Schaufel vermindert werden, müssen die benachbarten Schaufelringsegmente zusammen einen starren Schau­ felringaufbau bilden.

Ein gattungsgemäßer Turbinenlaufschaufelkranz ist aus der US- A-3 527 544 bekannt. Hierbei verlaufen die einander gegenüber­ stehenden Oberflächen benachbarter Schaufelringsegmente gerad­ linig in axialer Richtung. Die äußere Oberfläche der Schaufel­ ringsegmente ist mit jeweils einem Schneidrand ausgestattet, und die aneinander grenzenden, in Umfangsrichtung verlaufenden Schneidränder wirken mit der Außenwand des Turbinengehäuses zu­ sammen, um eine Labyrinthdichtung zu bilden, die einen Leck­ strom vermindern soll. Die gegenüberliegenden Oberflächen be­ nachbarter Schaufelringsegmente stehen zum Zwecke der Vibra­ tionsverminderung in Reibberührung miteinander und werden mit Kühlluft über Kühlluftkanäle versorgt, die in Umfangsrichtung in den Schaufelringsegmenten zwischen einer radial äußeren Wand und einer radial inneren Wand verlaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Turbinenleitschaufelkranz so auszubilden, daß die in Reibbe­ rührung miteinander stehenden Oberflächen benachbarter Schaufel­ ringsegmente eine leckstromfreie Abdichtung und Vibrationsdämp­ fung bei hoher Verschleißfestigkeit gewährleisten.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Dadurch, daß nur ein Teil, und vorzugsweise ein mittlerer Abschnitt, der gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Schaufelringsegmente in Berührung miteinander steht, während die übrigen Abschnitte durch einen Spalt getrennt sind, wird die durch Reibung erzeugte Wärme auf diese relativ kurzen Berührungsabschnitte der Gesamt­ oberfläche begrenzt, und diese relativ kurzen Berührungsab­ schnitte können mit einer relativ geringen Luftmenge wirksam gekühlt werden, die über die Öffnungen gezielt auf den Berüh­ rungsbereich ausgeblasen wird.

Dadurch, daß die Berührungsabschnitte der Schaufelringsegmente gemäß Anspruch 2 axial im Winkel angestellt sind, ergibt sich ein definierter Reibungssitz zweier benachbarter Schaufelring­ segmente, wobei wärmeerzeugende Reibungsbewegungen weitgehend vermieden werden, sobald die Axialströmungsturbine bzw. das diese Turbine enthaltende Triebwerk hochgefahren ist und seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 bis 5.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht der oberen Hälfte eines Mantel­ strom-Gasturbinentriebwerks mit einer Turbine, welche strom­ linienförmige Schaufeln gemäß der Erfindung aufweist;

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Teils der Turbine des Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie C-C gemäß Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 weist ein Mantelstromtriebwerk bzw. ein Fantrieb­ werk (10) in herkömmlicher Weise in Strömungsrichtung hinter­ einander einen Lufteinlaß (11), einen Fan (12), einen Mittel­ druck und einen Hochdruckkompressor (13) bzw. (14), eine Ver­ brennungseinrichtung (15), eine Hochdruckturbine (16), eine Zwischendruckturbine (17) und eine Niederdruckturbine (18) auf, die jeweils mit dem Hochdruckkompressor (14), dem Zwischen­ druckkompressor (13) und dem Fan (12) verbunden sind, und schließlich eine Abgasdüse (19). Das Triebwerk (10) arbeitet in der üblichen Weise, wobei Luft über den Einlaß (11) einge­ saugt und in zwei Strömungen unterteilt wird: Die eine Strömung liefert einen Vorschub und die andere wird in den Zwischendruck­ kompressor (13) geleitet. Die aus dem Zwischendruckkompressor (13) austretende Luft wird weiter durch den Hochdruckkompressor (14) komprimiert bevor sie mit Brennstoff vermischt und die Mischung in der Verbrennungseinrichtung (15) verbrannt wird. Die sich hieraus ergebenden Abgase expandieren durch die Hoch­ druck, die Mitteldruck und die Niederdruckturbinen (16, 17, 18) und treiben diese an, bevor sie durch die Abgasdüse (19) aus­ geblasen werden und dabei einen zusätzlichen Antriebsschub liefern.

Ein Teil der Rotorstufe der Hochdruckturbine (16) ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die Rotorstufe umfaßt eine Rotorscheibe (20) mit mehreren radial vorstehenden Stromlinienschaufeln (21), die am Umfang festgelegt sind. Jede Stromlinienschaufel (21) besitzt am radial inneren Ende einen Schaufelfuß (22) mit Tannenbaum­ profil, der in einem entsprechend gestalteten Schlitz (23) im Umfang der Scheibe (20) eingeschoben ist, so daß die Schaufel (21) in der Scheibe (20) formschlüssig verankert ist. Ein im Querschnitt stromlinienförmiger Abschnitt (24) erstreckt sich vom Schaufelfuß (22) radial nach außen und endet in einem Schaufelringabschnitt (25). Die Schaufelringabschnitte (25) der stromlinienförmigen Schaufeln (21) arbeiten in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise zusammen, um einen Schaufelring zu bilden, der seinerseits dazu dient, einen Teil des radial äußeren Abgaskanals zu definieren, in dem die Hochdruckturbine (16) liegt.

Der Aufbau der Schaufelringteile (25) ist deutlicher aus Fig. 3 ersichtlich. Jeder Schaufelringabschnitt (25) besitzt zwei in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegende parallele Flächen (26 und 27), die so angeordnet sind, daß die entsprechenden Flächen (26 und 27) benachbarter Schaufelringabschnitte (25) aneinanderstoßen.

Die Flächen (26 und 27) sind axial im Winkel angestellt und verlaufen allgemein senkrecht zu dem Rest der in Umfangsrichtung verlaufenden Schaufelringabschnitte (28). Außerdem sind die Schaufelringabschnitte (28) so angeordnet, daß ein schmaler Spalt (29) zwischen den in Umfangsrichtung verlaufenden Ab­ schnitten (28) benachbarter Schaufelringabschnitte (25) ver­ bleibt.

Die aneinanderstoßenden Flächen (26) der Schaufelringabschnitte werden durch einen Überzug (30) einer Legierung definiert, die härter ist als der übrige Schaufelringabschnitt (25), so daß diese Flächen in der Lage sind, mit benachbarten Flächen (26) aneinanderzustoßen.

Um zu gewährleisten, daß die Überzüge (30) auf einer annehmbar niedrigen Temperatur gehalten werden während das Triebwerk arbeitet, werden diese durch eine Kühlluftströmung gekühlt, die vom Kühlluftkanal abgezweigt ist, der innerhalb des stromlinien­ förmigen Schaufelteils (24) verläuft. Insbesondere kann einer der Überzüge (30) eines jeden Schaufelringabschnitts (25) mit einem Kühlluftkanal (31) verbunden sein, der in dem stromlinien­ förmigen Schaufelteil (24) verläuft, und zwar über einen Kanal (32), der innerhalb des Schaufelringabschnitts (25) verläuft und von diesem definiert wird. Der Kühlluftkanal innerhalb des stromlinienförmigen Teils ist einer der normalerweise innerhalb dieses Abschnitts (24) vorhanden ist, um diesen mit Kühlluft zu versorgen, und der Kanal (31) wird mit Luft vom Zwischendruck- Kompressor (13) in herkömmlicher Weise versorgt.

Der Kanal (32), der wie aus Fig. 4 ersichtlich, einen recht­ eckigen Querschnitt besitzt, wird durch ein Verfahren erzeugt, welches bekannt ist als Elektro-Funkenentladungsbearbeitung, und diese Bearbeitung erfolgt vor Aufbringen des harten Legie­ rungsüberzugs (30) auf den Schaufelringabschnitt (25), z. B. durch Schweißen. Während der anfänglichen Elektroentladungs­ bearbeitung wird die Bearbeitungselektrode derart geführt, daß die Querschnittsfläche des Kanals (32) im Bereich des Überzugs (30) vergrößert wird. Dies dient dazu zu gewährleisten, daß soviel als möglich vom Überzug (30) nach dem Inneren des Kanals (32) freiliegt. Es ist demgemäß ersichtlich, daß obgleich der Kanal (32) in der Hauptsache durch den Schaufelringabschnitt (25) definiert wird, indem er angeordnet ist, ein Teil des Kanals (25) auch durch den Überzug (30) definiert wird.

Im Betrieb strömt Kühlluft aus dem Kanal (31) des stromlinien­ förmigen Abschnitts in den Kanal (32) und gelangt in Berührung mit dem Überzug (30), wodurch der Überzug (30) einer Aufprall­ kühlung unterworfen wird, und dies führt wiederum zu einer Kühlung des Anschlagüberzuges (30) des benachbarten Schaufel­ ringabschnitts (25). Dann strömt die Kühlluft vom Kanal (32) durch drei Öffnungen, die in der radial inneren Oberfläche des Schaufelringabschnitts (25) in der Nähe des Überzugs (30) vorgesehen sind. Die Öffnungen (33) sind - wie aus Fig. 5 ersichtlich - im Winkel derart angestellt, daß die ausgeblasene Kühlluft über einen Teil der Außenseite des Überzugs (30) strömt und außerdem über den Teil der Außenseite des Überzugs (30) auf dem benachbarten Schaufelringabschnitt (25), wodurch beide Überzüge (30) einer Filmkühlung unterworfen werden.

Es ist somit ersichtlich, daß jeder Kühlluftkanal (32) eine Kühlung sowohl des Überzugs (30) bewirkt, dem der Kanal zuge­ ordnet ist, als auch dem anstoßenden Überzug (30) eines benachbarten Schaufelringabschnitts (25). Dies ist der Fall, obgleich jeder Schaufelringabschnitt (25) mit zwei Anschlag­ flächen (26) auf entgegengesetzten Umfangserstreckungen ver­ sehen ist, wobei nur ein Kühlluftkanal (32) in jedem Schaufel­ ringabschnitt (25) notwendig ist, um eine wirksame Kühlung jener Flächen (26) zu bewirken. Es kann jedoch unter gewissen Umständen zweckmäßig sein, zwei Kühlluftkanäle (32) in jedem Schaufelringabschnitt (25) vorzusehen, um eine Kühlluftströmung nach beiden Anschlagoberflächen (26) des Schaufelringabschnitts (25) zu schaffen.

Auf diese Weise werden die Überzüge (30) auf den Schaufelring­ abschnitten (25) in wirksamer Weise gekühlt, wodurch die Wahr­ scheinlichkeit vermindert wird, daß diese Überzüge (30) einer Kriechextrusion oder einem Verbrennen ausgesetzt werden.

Claims (5)

1. Turbinenlaufschaufelkranz mit einem Mantelring, der von einzelnen von den Laufschaufeln (21) getragenen Schaufel­ ringsegmenten (25) gebildet ist, die im Bereich ihrer in Reib­ berührung stehenden Flächen (26, 27) einer Kühlluftströmung ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reibberührung stehenden Flächen (26, 27) nur einen Teil der gegenüberliegenden Ober­ flächen benachbarter Schaufelringsegmente (25) bilden, wäh­ rend der restliche Teil (28) der Oberflächen durch einen Spalt (29) getrennt ist, und daß im Bereich der in Reibbe­ rührung stehenden Oberflächen (26, 27) in der radial inneren Oberfläche der Schaufelringsegmente mehrere mit einem Kühl­ luftzuführungskanal (32) in Verbindung stehende Kühlluftaus­ blasöffnungen (33) vorgesehen sind, die im Winkel derart an­ gestellt sind, daß die ausgeblasene Kühlluft über einen Teil der Außenseite der in Reibberührung stehenden Oberflächen beider benachbarter Schaufelringsegmente strömt.

2. Turbinenlaufschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reibberührung stehenden Oberflächen benachbarter Schaufelringsegmente (25) mit einem Überzug (30) versehen und einer Aufprallkühlung durch die aus­ geblasene Kühlluft ausgesetzt sind.

3. Turbinenlaufschaufelkranz nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reibberührung miteinander stehenden Flächen (26, 27) axial im Winkel angestellt sind und allgemein senkrecht zu dem restlichen Teil (28) der Oberflächen verlaufen.

4. Turbinenlaufschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ausblasöffnungen (33) spei­ sende Kühlluftzuführungskanal (32) innerhalb des Schaufelring­ segmentes (25) mit einem Kühlluftkanal (31) innerhalb der Vor­ derkante der Laufschaufel (24) in Verbindung steht.

5. Turbinenlaufschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlluftzuführungskanäle (32) nach beiden der Reibberührung ausgesetzten Oberflächen (26, 27) eines Schaufelringsegmentes (25) verlaufen und mit Ausblasöffnungen (33) versehen sind.