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Der
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Stator mit heterogenem Aufbau,
der geeignet ist, insbesondere in Hochdruckverdichtern von Gasturbinen zur
Anwendung zu kommen.
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Der
Aufbau des Rotors und des Stators von Gasturbinen wird häufig mit
Luft, die aus der Strömungsbahn
in der Maschine entnommen wird, gekühlt oder belüftet. Es
gibt sogar Doppelbelüftungen, die
mit doppelten Entnahmen verbunden sind, wobei eine Belüftung eines
hinteren Teils des Stators und des Rotors auf eine erste, weiter
vorn erfolgte Belüftung
des Stators und des Rotors folgt. Die für die hintere Belüftung entnommene
Luft stammt aus einem Teil der Maschine, wo sie bereits verdichtet
wurde, wodurch sie viel stärker
aufgeheizt wurde als die vordere Belüftungsluft. Das übliche Problem,
eine korrekte Einstellung der Durchmesser des Stators und des Rotors
zu erreichen, um ein zu stark vergrößertes Spiel am Ende der Schaufeln
zu vermeiden, durch das die Luftlecks und die Leistungsverluste steigen
würden,
oder im Gegenteil das Schwinden dieser Spiele zu vermeiden, das
ein Reiben der Rotorschaufeln am Stator zur Folge hätte, ist
hier auf Grund dieser heterogenen Belüftungsbedingungen, die in den
der einen bzw. der anderen Belüftung
ausgesetzten Abschnitten jeweils unterschiedliche Temperaturen und
Wärmedehnungen
bedeuten, ziemlich schwierig zu lösen. Eine weitere Ursache für Schwierigkeiten
liegt darin, dass die einzelnen Teile der Maschine, selbst diejenigen,
die sich in einer und derselben Höhe des Verdichters befinden,
je nachdem, wie nahe sie sich bei der Belüftungsluft oder bei der wärmeren Luft
auf der Strömungsbahn
befinden, auf unterschiedliche Temperaturen kommen: Dies hat ungleiche
Wärmedehnungen,
Verformungen und Spannungen in dem Stator zur Folge. Und schließlich sind während der
Phasen des Drehzahlwechsels die Temperaturschwankungen an bestimmten
Stellen schneller, so dass sich die vorigen Probleme stellenweise mehr
oder weniger zuspitzen können.
Unter diesen Bedingungen ist kein einziger bekannter Statoraufbau
vollkommen zufriedenstellend.
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Bereits
bestehende, bekannte Ausführungsbeispiele
werden insbesondere in der Schrift US-A-5 160 241 beschrieben, die Ausführungen
zur Entnahme von Luft durch ein Verdichterstatorgehäuse darstellen,
sowie in der Schrift US-A-5 314 303, die einen zusätzlichen
Zwischenring zur Sperre der Ausdehnungsschwankungen zeigt.
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Der
Gedanke der Erfindung besteht darin, den Aufbau des Stators zu beiden
Seiten der Verbindung der Belüftungsbereiche
aufzuspalten und den Stator zwischen den Abschnitten, die der vorderen Belüftung ausgesetzt
sind, und denen, die der hinteren Belüftung ausgesetzt sind, unterschiedlich
zu konstruieren. In ihrer allgemeinsten Form besteht die Erfindung
in einem Verdichter-Stator, der mit einer vorderen Belüftung mit
Kühlungsluft
und mit einer hinteren Belüftung
mit wärmerer
Luft als bei der vorderen Belüftung
ausgestattet ist, wobei vordere und hintere bezogen auf die normale
Zirkulationsrichtung des Hauptluftstroms definiert sind, und der
einen Ring umfasst, welcher eine Gasströmungsbahn umgrenzt, und der
dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen ersten Ringabschnitt aufweist,
der der vorderen Belüftung
ausgesetzt ist, einen ringförmigen
Aufbau mit durchgehender Umfangslinie aufweist und aus einem ersten
Werkstoff besteht, sowie einen zweiten Ringabschnitt aufweist, der
der hinteren Belüftung
ausgesetzt ist, einen Aufbau aufweist, der aus aneinandergrenzenden
Winkelsegmenten gebildet ist, und aus einem zweiten Werkstoff besteht,
dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist
als der des ersten Werkstoffs.
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Der
erste und der zweite Werkstoff können aus
Werkstoffen mit niedrigerem Ausdehnungskoeffizient wie z. B. TA6V
und Titanlegierungen, INC0909, intermetallischen Werkstoffen des
Typs TiAl mit einem durchschnittlichen linearen Ausdehnungskoeffizient
von unter 10 × 10–6 m
pro Grad, bzw. aus Werkstoffen mit höherem Ausdehnungskoeffizient
wie z. B. Legierungen auf Nickelbasis des Typs INC0718, RENE77 und
Derivaten mit einem durchschnittlichen linearen Ausdehnungskoeffizient
von an die 15 × 10–6 m
pro Grad gewählt
werden.
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Eine
detaillierte Beschreibung der Erfindung und ihrer Merkmale, Ziele
und Vorteile erfolgt anhand der beigefügten Figuren, wobei
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1 eine
Gesamtansicht eines Hochdruckverdichters einer Gasturbine zeigt,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
des hinteren Teils des Stators dieses Verdichters zeigt,
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2A eine
analoge Ansicht einer weiteren möglichen
Ausführung
der Erfindung zeigt,
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3 und 4 zwei
Schnitte des vorderen Teils bzw. des hinteren Teils des Verdichters
zeigen, und
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5 eine
vergrößerte Ansicht
des vorderen Teils des Verdichters zeigt.
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Ein
Hochdruckverdichter wie der von 1 enthält einen
zentralen Rotor 1, der von einem Wellenstrang 2 angetrieben
wird und aus einem stromlinienförmigen
Gehäuse 3 besteht,
zusammengesetzt aus aneinandergrenzenden Ringen 4, die
durch Scheiben 5 voneinander getrennt werden, welche in gerader
Verlängerung
zu Stufen von Rotorschaufeln 6 angeordnet sind. Ein Stator 7 umgibt
den Rotor 1 und weist in einer inneren Verdopplung einer
Karkasse 8 einen Abschnitt 9 auf, den die Erfindung
betrifft und der sich aus einem Traggehäuse 10 und einem von
dem Traggehäuse 10 gehaltenen
Ring 11 zusammensetzt, welcher dem Rotor 1 zugewandt
ist und dazu dient, eine ringförmige
Gasströmungsbahn 12 zu
umgrenzen, in der sich die Stufen von Rotorschaufeln 6 und
Stufen von feststehenden Schaufeln 13 zur Ausrichtung der
Strömung
erstrecken, die an dem Ring 11 angebracht sind und mit
den zuvor erwähnten
Stufen abwechselnd angeordnet sind. Gewöhnlich sitzen an den Enden
der feststehenden Schaufeln 13, die sich vor dem Gehäuse 3 des
Rotors 1 befinden, Verbindungsringe 14, die mit
kreisförmigen
Streifen aus sogenanntem Abriebmaterial 15 besetzt sind,
das von einer Bienenwaben-Struktur gebildet ist oder allgemeiner
leicht erodiert, und das von Rippen 16 ausgehöhlt wird,
die gegenüberliegend
von dem Gehäuse 3 hervorstehen
und mit diesem eine Labyrinthdichtung bilden. Die Enden der Rotorschaufeln 6 hingegen
sind frei von jeglichem Besatz und enden nahe bei dem Ring 11.
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Der
innere Abschnitt 9 des Stators 7 weist Unterbrechungen
auf, bei denen es sich um Öffnungen
zur Luftentnahme aus der Bahn 12 handelt, die die Bezugszahlen 17, 18 tragen
und die in die Kammern 19 bzw. 20 zwischen dem
Abschnitt 9 und der Karkasse 8 führen, und
durch die die aus der Bahn 12 entnommene Luft gelangt,
um insbesondere das Gehäuse 10 zu
belüften
und es unter eine bestimmte Temperatur und Wärmedehnung zu setzen. Auch das
Innere des Rotors 1 wird belüftet, und zwar in erster Linie
durch eine Bohrung 21 durch das Gehäuse 3, die sich vor
dem Rotor 1 befindet und durch die Frischluft mit im Wesentlichen
gleicher Temperatur wie die, die in die Kammer 19 gelangt,
angesaugt wird, und dann durch eine weitere Bohrung 22 durch das
Gehäuse 3,
die sich im Wesentlichen gerade vor der zweiten Öffnung 18 befindet.
Die Kammern 19 und 20 teilen den Stator 7 in
zwei Belüftungsbereiche,
vor denen sich jeweils eine von ihnen erstreckt und die sich beiderseits
der Eintrittsöffnung 18 zur hinteren
Kammer 20 befinden, die den Abschnitt 9 in zwei
Teile teilt. An dem Rotor 1 sind zwei Belüftungsbereiche
in gleichen Positionen beiderseits der Bohrung 22 vorhanden.
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Trotz
der Maßnahmen
zur Angleichung der Wärmedehnungen
zwischen den verschiedenen Teilen des Rotors 1 und des
Stators 7, indem insbesondere für beide identische Belüftungsbedingungen vorgesehen
wurden, zeigt die Erfahrung, dass es nicht gelingt, zufriedenstellende
Betriebsbedingungen herzustellen, indem nur geringe Spiele zwischen den
Rotorschaufeln 6 und dem Ring 11 gelassen werden.
Noch größer ist
das Problem beim hinteren Teil, der von noch heißerer Luft durchströmt wird
und einer ebenfalls heißeren
Belüftung
unterliegt. Es wird daher empfohlen (2 und 3),
den Ring 11 in der Form von Segmenten 23 zu konstruieren,
von denen eine variable Anzahl auf einer Umfangslinie vorgesehen
werden können,
z. B. zehn, und deren Längsausdehnung
ebenfalls variabel sein kann. Im vorliegenden Fall werden zwei Kreise
von Segmenten 23 vorgeschlagen, die einen vorderen Teil
für den Halt
der feststehenden Schaufel 13 und einen hinteren Teil,
der sich gerade vor einer Stufe von Rotorschaufeln 6 befindet,
aufweisen, sowie ein dritter Kreis von Segmenten 23', der kürzer ist
und nur einen Abschnitt umfasst, der einer Stufe von Rotorschaufeln 6 gegenüber liegt.
Die aneinandergrenzenden Segmente 23 und 23' sind durch
biegsame Dichtungszungen 24, die sich in Längsrillen
der Ränder der
Segmente erstrecken und mit ihren Enden 25 zwischen aufeinanderfolgenden
Kreisen von Segmenten 23 und 23' aneinander liegen, sowie durch weitere
biegsame Zungen 26, die in vollkommen oder schräg radial
verlaufenden Rillen der Ränder
der Segmente 23 und 23' sitzen und sich von den ersten Zungen 24 zum
Gehäuse 10 hin
erstrecken, miteinander verbunden. Durch diese Anordnung wird wirkungsvoll
verhindert, dass die Gase in der Bahn 12, die an dieser
Stelle sehr heiß sind,
zwischen den Segmenten 23 und 23' entweichen und das Gehäuse 10 erreichen,
das sie beschädigen
könnten.
Insbesondere ist zu bemerken, dass die Zungen 24 und 26 leere
Räume 27 isolieren
(die übrigens
mit einem Wärmeisoliermaterial
gefüllt
werden können),
die zwischen jedem Kreis von Segmenten 23 und 23' und mit dem
Gehäuse 10 verbundenen
Ringen 28 entstehen. Das Gehäuse 10 ist also nur
der Luft ausgesetzt, die in die vordere Kammer 20 eintritt,
und der Ring 11 der Luft aus der Bahn 12. Die
aufeinanderfolgenden Ringe 28 werden miteinander und mit
der Karkasse 8 verbunden, indem Flansche 29, die
an ihren Enden sitzen, mittels Schrauben 30 aneinander befestigt
werden. Ferner ist auf die Art der Verbindung und Zusammenfügung der
Segmente 23 und 23' hinzuweisen:
Sie weisen jeweils eine hintere Lippe 31 auf, die nach
innen und nach hinten hervorsteht und die zwischen einer sich radial
nach außen erstreckenden
Lippe 32 eines der Ringe 28 und einer nach vorn
weisenden Lippe 33 oder 33', die entweder vorn an den Segmenten 23 oder
vorn an dem hintersten Ring 28 sitzt, festgeklemmt wird;
und die Segmente 23 und 23' weisen ferner vorn eine Außenlippe 34 auf,
die mit den Lippen 33 zusammenwirkt, um die nach hinten
gerichteten Lippen 31 und 32 zwischen sich festzuklemmen.
Die Segmente 23' unterscheiden
sich darin, dass sie nur eine einzige Lippe vom mit der Bezugszahl 35 aufweisen,
die nach hinten gerichtet ist und in einer Rille 36 des
vordersten Rings 28 sitzt. Diese An des Zusammenbaus ist
einfacher als eine An und Weise nach herkömmlicheren Konzepten der Befestigung
von Ringen, wie in 2A dargestellt, bei der die
Lippen 31 und 32 durch einzelne Verbindungen 37 mit
hakenförmigem
Querschnitt verbunden werden und die Ringelemente eine relativ hohe
Rippe 38 aufweisen, die in einer nach vorn gerichteten
Lippe 39 endet, die in einer Rille des angrenzenden Rings
Aufnahme findet; dieses weniger vorteilhafter Konzept kann jedoch,
wenn gewünscht, angewendet
werden. Systeme 50 mit Zapfenverzahnung ermöglichen
es in allen Fällen,
die Segmente 23 und 23' mit den Ringen 28 gewinkelt
zu verbinden; hier stehen dem Fachmann zahlreiche Möglichkeiten zur
Verfügung.
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Die
Konstruktion des Rings 11 aus Winkelsegmenten 23 und 23' ermöglicht es,
trotz eines Temperaturanstiegs des Rings 1, der rascher
erfolgt als der des Gehäuses 10,
die Umfangslinie frei von wesentlichen Druckbelastungen zu halten.
Die stärkeren
Dehnungen des Rings 1, die dennoch auftreten, äußern sich
einfach in einer Verringerung der Spiele zwischen aneinandergrenzenden
Winkelsegmenten 23 und 23' und in einem eventuellen Biegen
der biegsamen Zungen 24 und 26. Die Gefahr von
ungleichmäßigen Verformungen
des Rings 11 durch Bildung eines Ovals oder von Wellungen,
die am Ende der Rotorschaufeln 6 zu variablen Spielen oder
gar zu einem Anpressen des Rings 11 an das Gehäuse 10 in Folge
einer zu starken radialen Ausdehnung führen würden, wird auf diese Weise
verbindert. Die An der Verbindung zwischen den Segmenten 23 und 23' und den Ringen 28 ist
ziemlich biegsam und absorbiert die Verformungen, ohne starken Belastungen
zu unterliegen. Die Ringe 28 haben vorzugsweise eine durchgehende
Umfangslinie, um einen einfacheren Aufbau und eine höhere mechanische
Festigkeit zu ergeben. Ferner wird empfohlen, die Ringe 28 wie
die Segmente 23 und 23' aus einem Werkstoff mit hohem
Ausdehnungskoeffizient herzustellen, d. h. aus einem Werkstoff,
der Wärme
gut leitet, um so rasch wie möglich
die Ausdehnungen zu erfahren, die durch das Erhitzen bei Drehzahländerungen
bewirkt werden. Es wird angeraten, den Rotor 1 aus dem gleichen
Werkstoff herzustellen, der für
die Ringe 28 und den Stator 7 verwendet wird.
Es kann eine Legierung auf Nickelbasis des Typs INC0718, die einen hohen
Ausdehnungskoeffizient hat, für
diesen hinteren Teil des Verdichters verwendet werden.
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Die
geringsten Temperaturänderungen,
denen der vordere Teil des Stators 7 ausgesetzt ist, rechtfertigen
es, ihm einen anderen Aufbau zu geben, wie in den 4 und 5 zu
sehen ist. Das Gehäuse 10 besteht
an dieser Stelle aus Ringen 40, die miteinander durch Schrauben 42 verbunden
werden, die Flansche 41 dieser Ringe ebenso wie die Karkasse 8 in
gleicher Weise wie bei den Ringen 28 aneinander befestigen.
Diese Ringe 40 aber weisen außerdem radial nach innen weisende
Ausstülpungen 43 und 43' auf, die in
die Luftströmungsbahn 12 münden und
daher ihrer Temperatur ausgesetzt sind. Zwei dieser Ausstülpungen 43 sind
breit genug, um sich gegenüber
einer jeweiligen Stufe von Rotorschaufeln 6 zu erstrecken.
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Der
Ring 11 wird hier also sowohl von den Ausstülpungen 43 und 43' wie auch von
den Tragringen 44 der feststehenden Schaufeln 13 gebildet;
die Ringe 44 enden vorn und hinten in Lippen 45,
die in Rillen der Ausstülpungen 43 und 43' eindringen.
Und schließlich
verbinden mechanische Systeme 46 mit Zapfenverzahnung die
Ringe 40 mit den Ringen 44, die konzentrisch sind,
gegen gegenseitige Drehbewegungen. Der Hauptunterschied bei dem
hinteren Konzept besteht darin, dass die Ringe 44 ganz
wie die Ringe 40 eine durchgehende Umfangslinie haben.
Man geht nämlich
davon aus, dass es angesichts der geringeren Erhitzungen vorn und
der ebenfalls geringeren Temperaturunterschiede zwischen dem Gehäuse 10 und
dem Ring 11 einfacher und vorteilhafter ist, für die beiden
einen analogen Aufbau vorzusehen, da so die Risiken von Verformungen
und extremen Belastungen verringert werden. Ferner wird empfohlen,
einen Werkstoff zu verwenden, der einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizient
hat als der für
den Bau des hinteren Teils des Gehäuses verwendete, da man beobachtet
hat, dass die langsameren Dehnungen, die diese Werkstoffe erfahren,
die Entwicklung der Dehnung während
der Übergangsphasen
ein wenig regulieren und es schließlich ermöglichen, die Spiele am Blattende
der Rotorschaufeln 6 besser im Griff zu haben. Es kann
eine Legierung des Typs Inconel 909 oder ein intermetallischer Werkstoff des
Typs TiAl empfohlen werden. Auch hier wieder kann der Rotor 1 aus
einem Werkstoff gebaut werden, dessen Ausdehnungskoeffizient nahe
bei dem für
die gegenüberliegenden
Stator-Ringe 40 verwendeten liegt, beispielsweise eine
Titanlegierung.