DE60007648T2

DE60007648T2 - Blattspitzenabdichtung für gebläserotoren

Info

Publication number: DE60007648T2
Application number: DE2000607648
Authority: DE
Inventors: Xiaoliu Liu; A. John RAW
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: EP1218622B1; CA2381029C; DE60007648D1; RU2002112338A; JP2003511598A; WO2001025598A1; EP1218622A1; US6217277B1; CA2381029A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Rotationsmaschinen und insbesondere Turbobläsermaschinen mit einer Bläserlaufschaufel-Auskleidung, die eine versteckte Bürstendichtung aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den meisten Turbobläsermaschinen ist eine Auskleidung zwischen dem Maschinengehäuse und der ersten Verdichterstufe oder der Bläserlaufschaufel angebracht. Die Auskleidung liefert ein enges Spiel zwischen der Spitze der Bläserlaufschaufel und dem Gehäuse. Zum Minimieren der Folgen eines unbeabsichtigten Kontakts zwischen der rotierenden Bläserlaufschaufel und der Auskleidung ist die Auskleidung aus einem Material gebildet, welches durch die Bläserlaufschaufel abradiert werden kann, was häufig als ein abradierbares Mittel bezeichnet wird. Ein beispielhaftes abradierbares Mittel ist in dem US-Patent Nr. 5 655 701 beschrieben.
Bürstendichtungen können verwendet werden, um den Spalt abzudichten, wie in den US-Patenten Nr. 4 411 594 und 5 941 685 beschrieben.
Im Fall, dass die Laufschaufel von einem Fremdkörper, beispielsweise einem in den Lufteinlass der Maschine gelangenden Vogel, getroffen wird, kann die Bläserlaufschaufel eine radiale Exkursion ausführen und in Kontakt mit der Auskleidung gelangen. In der Folge der radialen Exkursion wird die Auskleidung von der Bläserlaufschaufelspitze abgetragen. Für einen Fremdkörper mit signifikanter Größe können bis zu 0,3'' (0,8 cm) des abradierbaren Mittels abgetragen werden. Das erhöht wiederum signifikant das Laufschaufelspitzenspiel und lässt Luft an der Laufschaufelspitze rezirkulieren. In der Folge kann die Bläserlauf schaufel an ihrem äußersten Erstreckungsbereich einen Strömungsabriss (stall) erleiden, was ernsthafte Konsequenzen für die Maschine verursacht, beispielsweise Maschinenpumpen.
Häufig weisen Maschinengehäuse Schlitze auf, die in den Verdichterabschnitt in der Nähe der Bläserlaufschaufel ragen. Diese Schlitze erhöhen den Spielgrenzbereich, bevor die Laufschaufel einen Strömungsabriss erfährt (was als Strömungsabriss-Grenzbereich (stall margin) bezeichnet wird). Jedoch reduzieren diese Schlitze auch die Gesamtmaschinenleistung.
Folglich ist eine verbesserte Auskleidung, welche die Anfälligkeit der Maschine für die Folgen einer radialen Exkursion einer Bläserlaufschaufel verringert, wünschenswert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rotationsmaschine und eine verbesserte Bläserlaufschaufelauskleidung für das Gehäuse einer Rotationsmaschine bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Rotationsmaschine, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Maschine eine Bläserlaufschaufel auf, die rotationsfähig in einem generell zylinderförmigen Gehäuse rotationsfähig um eine sich in Längsrichtung erstreckende Mittelachse der Maschine angebracht ist. Eine ringförmige Auskleidung ist in dem Gehäuse zwischen einer Spitze der Bläserlaufschaufel und dem Gehäuse angeordnet. Die Auskleidung weist eine Bürstendichtung auf, die sich um einen inneren Umfang des Gehäuses erstreckt und hat eine Mehrzahl von Borsten, die sich radial von der Dichtung nach innen erstrecken. Eine Rückhaltemembran erstreckt sich um die Bürstendichtung und verhindert, dass sich die Borsten im wesentlichen in einer Radialrichtung von der Bürstendichtung aufrichten. Die Haltemembran ist daran angepasst, die Borsten freizugeben, um einen radialen Bereich zwischen der Spitze der Bläserlaufschaufel und dem Gehäuse nach einer radialen Exkursion der Bläserlaufschaufel zu besetzen. Die Borsten dichten zumindest teilweise die Spitze der Bläserlaufschaufel ab, sobald sie freigegeben werden. Die Erfindung kann in einer Rotationsmaschine und einer Maschinenauskleidung oder der Kombination eines Maschinengehäuses und einer Auskleidung implementiert werden.
Andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann bei der Durchsicht der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Figuren, die lediglich beispielhaft Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben, gilt:
1 ist eine Teilschnittansicht einer Rotationsmaschine, die beispielhaft für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2a ist eine weitere vergrößerte Ansicht eines Teils von 1;
2b ist eine Frontansicht eines Teils der Maschine von 1 im Querschnitt;
3A zeigt die Ansicht von 2A nach einer radialen Exkursion eines Bläsers der Maschine von 1;
3B zeigt die Vorderansicht von 2B nach der radialen Exkursion einer Bläserlaufschaufel der Maschine von 1;
4A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer konventionellen Turbobläsermaschine ähnlich der Ansicht von 2A;
4B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der konventionellen Turbobläsermaschine von 4A ähnlich der Ansicht von 3A; und
5 ist eine vergrößerte weggeschnittene Ansicht einer weiteren Maschine, die beispielhaft für eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Turbobläsermaschine 10, die exemplarisch für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die Maschine 10 weist von vorne nach hinten einen konventionellen Gläserabschnitt 12, einen konventionellen Kernmaschinenabschnitt 14, aufweisend mindestens einen Axialverdichter, einen Verbrennungsabschnitt und mindestens eine Turbine; und einen konventionellen Abgasabschnitt 16 auf, die alle in einem generell zylinderförmigen Gehäuse 18 angebracht sind. Ein Bypasskanal 20 erstreckt sich um den Kernmaschinenabschnitt 14 in dem Gehäuse 18.
Wie gezeigt, weist der Bläserabschnit 12 eine rotationsfähige Bläserlaufschaufel 22 auf, die für eine axiale Rotation um eine Hauptzentralachse der Maschine 10 angebracht ist. Eine Auskleidung 22, die ein konventionelles abradierbares Mittel 26 aufweist, erstreckt sich umfangsmäßig um das Innere des Gehäuses 18 zwischen dem Gehäuse 18 und den Spitzen der Bläserlaufschaufel 22. Das abradierbare Mittel 26 besteht aus einem konventionellen Material, beispielsweise einer Epoxy-Gießmischung und kann mit dem Inneren des Gehäuses 18 verbunden sein. Die Spitze der Bläserlaufschaufel 22 erstreckt sich in enger Nähe zu dem abradierbaren Mittel 26. Das abradierbare Mittel 26 dichtet so die Spitze der Bläserlaufschaufel 22 in dem Gehäuse 18 ab.
2A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 1 und zeigt insbesondere die Auskleidung 24. Wie gezeigt, besteht der Bereich der Auskleidung 24, der von dem abradierbaren Mittel 26 besetzt ist, aus zwei Bereichen, einem vorderen Bereich und einem hinteren Bereich 30 und 32. Zwischen dem vorderen und dem hinteren abradierbaren Bereich 30, 32 ist eine versteckte Bürstendichtung 34, die zwischen den Bereichen 30 und 32 von einer Haltemembran 26 zurückgehalten ist. Die Bürstendichtung 34 weist eine Mehrzahl von Borsten 38 auf, die von der Membran 36 verborgen sind. Diese sind in eine im wesentlichen tangential zu dem äußeren Umfang des Gehäuses 18 verlaufende Richtung von der Membran 36 gedrückt, wie es am besten in 2B gezeigt ist. Aus Gründen, die ersichtlich werden, sind die Borsten 38 der Bürstendichtung 34 in eine Richtung gespannt, die generell tangential zu der Rotation der Bläserlaufschaufel 22 ist, mit einem relativ großen Winkel. Vorzugsweise kann die Bürstendichtung 34 und können insbesondere die Borsten 38 aus einer Legierung auf Kobaltbasis, beispielsweise HAYNES-25, hergestellt sein. Die Membran 36 ist vorzugsweise ein aus einem leicht zerbrechbaren Material, beispielsweise Kunststoff, gebildeter Ring und kann zum Teil in abradierbare Bereiche 30 und 32 eingebettet sein. Die Auskleidung 24 weist eine Bürstendichtung 34 auf, und ein abradierbares Mittel 26 kann an der Verkleidung 18 durch Kleben, Verschrauben, Löten oder auf irgendeine andere geeignete Weise, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, befestigt sein.
Bei normalem, kontinuierlichem Betrieb saugt die Bläserlaufschaufel 22 Luft in einen Verdichterabschnitt eines Kernmaschinenabschnitts 14 der Maschine 10 (1) ein. Ähnlich saugt die Laufschaufel 22 Luft durch den Bypasskanal 20 über den Hauptmaschinenabschnitt 14. Verdichtete Luft verlässt den Verdichterabschnitt und gelangt in die Verbrennungskammer (nicht gezeigt), wo sie mit Brennstoff vermischt wird. Die Brennstoff- und Luftmischung wird verbrannt und verlässt den rückwärtigen Bereich der Verbrennungskammer zu mindestens einer Turbine, die so gekoppelt ist, dass sie ein Rotieren der Bläserlaufschaufel 22 bewirkt. Abgase werden durch den Abgasabschnitt 16 abgegeben.
Bei Normalbetrieb dichtet das abradierbare Mittel 26 die Spitze der Bläserlaufschaufel 22 im Gehäuse 18 ab und verhindert so ein Rezirkulieren der Luft an ihrer Spitze.
Nun, wenn die Bläserlaufschaufel 22 von einem Fremdkörper, beispielsweise einem Vogel, getroffen wird, kann die Bläserlaufschaufel 22 einer radialen Exkursion unterzogen werden. Das hängt natürlich von der relativen Größe des Fremdkörpers relativ zu der Bläserlaufschaufel 22 und der Maschine 10 ab. Zwei ein (1) Pfund wiegende Vögel können beispielsweise eine radiale Exkursion von bis zu 0,3'' (0,8 cm) für eine typische Bläserlaufschaufel bewirken. Diese radiale Exkursion lässt die Bläserlaufschaufel 22 das abradierbare Mittel 26 kontaktieren und trägt oder reißt das abradierbare Mittel 26 ab, wie in 3A gezeigt. Ähnlich wird die Membran 36 zumindest teilweise von der Bläserlaufschaufel 22, die ihre radiale Exkursion ausführt, zerrissen. Sobald die Membran 36 zerrissen ist, werden manche oder sämtliche versteckte Borsten 38 der Bürstendichtung frei. Vorteilhaft puffern die Membran 36 und das abradierbare Mittel 26 den Aufprall der Bläserlaufschaufel 22 und begrenzen eine von der Bläserlaufschaufel 22 an der Bürstendichtung 34 verursachte Beschädigung. Da die Membran 36 die Borsten 38 in der Rotationsrichtung des Bläsers 20 vorspannt und da die Borsten 38 flexibel sind, werden sie nicht sofort durch den rotierenden Bläser 20 abgeschnitten. Stattdessen richten sich die Borstendichtungen 34 allmählich und insbesondere sobald die Bläserlaufschaufel 22 ihre radiale Exkursion abgeschlossen hat und wieder um ihre Rotationsachse zentriert ist, wie am besten in 3B gezeigt, radial nach innen auf. Die befreiten Borsten 38 der Bürstendichtung 34 besetzen nun einen guten Teil des vorher von dem abradierbaren Mittel 26 besetzten radialen Spalts. Man erkennt, dass abhängig von der Art der radialen Exkursion nicht alle Bereiche der Auskleidung 24 durch die Bläserlaufschaufel 22 kontaktiert werden müssen. Stattdessen kann lediglich ein Teil der Auskleidung 24 und der Membran 36 abgetragen sein, und es können nur manche der Borsten 38 befreit sein. In jedem Fall ist als Folge der befreiten Borsten 38 das Rezirkulieren an der Bläserspitze verringert oder eliminiert. Ähnlich ist sämtlicher Strömungsabriss des Bläsers an seinem äußeren Erstreckungsbereich und jegliches sich daraus ergebende Pumpen verringert oder eliminiert, so dass ein Flugzeug nach dem Auftreffen eines Fremdkörpers sicher landen kann.
Man sollte erkennen, dass sobald die Membran 36 gebrochen ist, die Maschine 10 gewartet werden sollte, um die Auskleidung 24 zu ersetzen oder zu reparie ren. Wie man ferner erkennt, verursacht ein kontinuierlicher Kontakt zwischen der Spitze der Bläserlaufschaufel 22 und der Borsten 38 ein Verschleißen der Borsten 38.
Der Betrieb der beispielhaften Maschine 10 und das Rezirkulieren der Luft an der Spitze ihrer Bläserlaufschaufel 22 kann mit Bezugnahme auf die 4A und 4B besser verstanden werden, die einen Teil einer konventionellen Turbobläsermaschine 100 ähnlich dem Teil der Turbobläsermaschine 10, wie sie in den 2A und 3A gezeigt ist, zeigt. Wie gezeigt, weist die konventionelle Turbobläser Bläserlaufschaufeln 122 und ein abradierbares Mittel 126, welches in einem Gehäuse 118 angebracht ist, auf. Die Maschine 100 weist jedoch keine Auskleidung auf, die eine Membran und eine versteckte Bürstendichtung aufweist. Bei Normalbetrieb wird Luft, wie in 4A gezeigt, in die Maschine 100 gesogen. Bei einer radialen Exkursion der Bläserlaufschaufel 122, wie in 4B gezeigt, wird das abradierbare Mittel 118 abgetragen, was Luft an der Spitze der Bläserlaufschaufel 122 rezirkulieren lässt. Diese rezirkulierende Luft bewirkt einen Blockagebereich in der Nähe der Spitze der Laufschaufel 122, wie gezeigt. In diesem Bereich kann die Luft nicht adäquat in die Maschine 10 gesogen werden, und es wird so potenziell ein Strömungsabriss der Maschine verursacht. Bei einer beispielhaften Maschine 10 verringert andererseits die Exkursion der Borstendichtung 38 ein Rezirkulieren an der Spitze der Bläserlaufschaufel 22 und verringert so die Größe des blockierten Bereichs und verringert die Wahrscheinlichkeit eines Strömungsabrisses, wie in 3A gezeigt.
In einer zweiten Ausführungsform, wie in 5 gezeigt ist, können einige Bürstendichtungen 34' zu einer einzelnen Auskleidung 24' kombiniert werden. Wie gezeigt, bilden zwei oder mehrere angebrachte Bürstendichtungen, die Borsten 38' aufweisen, einen Teil der Auskleidung 24' und sind nebeneinander und auch umfangsmäßig um das Gehäuse 18' an der Spitze der Bläserlaufschaufel 22' angebracht sind. Ein abradierbares Mittel 26' kann aus drei Bereichen gemacht sein und auch einen Teil der Auskleidung 24' bilden. Die Borsten 38' der mehreren Bürstendichtungen 34' können alle von einer Membran gehalten und freigegeben werden, die aus Membranbereichen 36'a und 36'b in einer analo gen Weise zu den Borsten 38' der Membran 36 (wie in den 2A, 2B, 3A und 3B gezeigt) gebildet sind.
Man erkennt, dass die Auskleidung 24 (oder 24') und das Gehäuse 18 zu einem von einem Zulieferer hergestellten Gegenstand kombiniert werden, die von einem Gehäuselieferanten hergestellt werden, in dem der Rest der Maschine 10 eingesetzt werden kann.
Die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen sollen lediglich beispielhaft sein und in keiner Weise beschränkend. Die Ausführungsformen sind für viele Modifikationen in der Form, in der Größe und in der Anordnung von Teilen und in Details des Betriebs zugänglich. Beispielsweise können, obwohl die Membranen 36 und 36' so beschrieben sind, dass sie bei einer radialen Exkursion einer Bläserlaufschaufel 22 und 22' brechen, diese Membranen auf andere Weise daran angepasst sein, Borsten 38 und 38' freizugeben. Beispielsweise könnte die Membran 38 einfahrbar sein.
Die Erfindung soll stattdessen alle derartigen Modifikationen in ihrem Umfang, wie er durch die Ansprüche definiert ist, mit einschließen.

Claims

Rotationsmaschine (1), aufweisend; ein generell zylinderförmiges Gehäuse (18); eine Bläserlaufschaufel (22), die rotationsfähig in einem Gehäuse (18) rotationsfähig um eine sich in Längsrichtung erstreckende Mittelachse der Maschine angebracht ist; eine ringförmige Auskleidung (24), die in dem Gehäuse (18) zwischen einer Spitze der Bläserlaufschaufel (22) und dem Gehäuse (18) angebracht ist, wobei die Maschine dadurch gekennzeichnet ist, dass die Auskleidung aufweist: eine Bürstendichtung (34), die sich um einen inneren Umfang des Gehäuses (18) erstreckt und eine Mehrzahl von Borsten (38) aufweist, die sich von der Bürstendichtung (34) radial nach innen erstrecken; eine Einrichtung zum Verhindern, dass die Borsten (38) sich im wesentlichen in einer Radialrichtung von der Bürstendichtung (34) aufrichten und zum Freigeben der Borsten (38), dass sie sich radial nach innen zwischen die Spitze der Bläserlaufschaufel (22) und dem Gehäuse (18) nach einer radialen Exkursion der Bläserlaufschaufel (22) aufrichten, um mindestens teilweise die Spitze der Bläserlaufschaufel (22) in dem Gehäuse (18) abzudichten.
Rotationsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Verhindern des Aufrichtens der Borsten im wesentlichen in einer Radialrichtung eine Haltemembran (36) ist, die sich um die Bürstendichtung (34) erstreckt.
Rotationsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung zum Verhindern des Aufrichtens der Borsten im wesentlichen in eine Radialrichtung durch eine radiale Exkursion der Bläserlaufschaufel (22) gebrochen werden kann.
Rotationsmaschine nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Auskleidung (24) ferner einen abradierbaren Bereich (26) aufweist, der sich zu der Bürstendichtung benachbart um einen inneren Umfang des Gehäuses erstreckt.
Rotationsmaschine nach Anspruch 4, wobei sich der abradierbare Bereich (26) der Bürstendichtung (34) benachbart um den inneren Umfang des Gehäuses (18) vor und hinter der Bürstendichtung (34) entlang einer Länge des Gehäuses (18) erstreckt.
Rotationsmaschine nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Haltemembran (36) einen ringförmigen Ring aufweist.
Rotationsmaschine nach Anspruch 6, wobei der ringförmige Ring aus Kunststoff gemacht ist.
Rotationsmaschine nach Anspruch 6 oder 7, wobei der ringförmige Ring mindestens teilweise in dem abradierbaren Bereich (26) eingebettet ist und von diesem gehalten ist, und wobei der abradierbare Bereich (26) von der radialen Exkursion abgeschert wird.
Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der abradierbare Bereich (26) aus einer Epoxy-Gießmischung gebildet ist.
Rotationsmaschine nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Haltemembran (36) einen ringförmigen Ring aufweist.
Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Haltemembran (36) die Borsten (38) im wesentlichen tangential zu der Auskleidung (24) in einer Richtung tangential zu einer Rotation der Bläserlaufschaufel (22) hält.
Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Auskleidung (24') ferner aufweist: eine zweite Bürstendichtung (34'), die sich um den inneren Umfang der Auskleidung (24') erstreckt und eine Mehrzahl von Borsten (38') aufweist, die sich von der zweiten Borstendichtung (34') radial nach innen erstrecken; und wobei die Haltemembran (36') verhindert, dass sich die Borsten (38') der zweiten Bürstendichtung (34') im wesentlichen in einer Radialrichtung von der zweiten Bürstendichtung (34') aufrichten, wodurch die Haltemembran (36') daran angepasst ist, die Borsten (38') der zweiten Bürstendichtung (34') freizugeben, dass sie sich radial nach innen aufrichten und einen zweiten Bereich zwischen der Spitze der Bläserlaufschaufel (22) und dem Gehäuse besetzen, um zusätzlich die Spitze der Bläserlaufschaufel (22) in dem Gehäuse (18) abzudichten.