DE602004002798T2

DE602004002798T2 - Verminderung des Blattspitzenspiels bei einer Gasturbine

Info

Publication number: DE602004002798T2
Application number: DE602004002798T
Authority: DE
Inventors: Claude Daniel Nottin
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2024-03-27
Also published as: CA2463182C; DE602004002798D1; CA2463182A1; ES2274395T3; FR2853931A1; US6976824B2; EP1469165B1; US20050008481A1; EP1469165A1

Description

Die Erfindung betrifft im wesentlichen Mittel zur Reduzierung von Spielen zwischen den Scheiteln der beweglichen Schaufeln und der Innenfläche des Gehäuses einer Gasturbine wie insbesondere einer Hochdruckgasturbine für einen Luftfahrzeugmotor.
Bei diesem Turbinentyp ist es bekannt, Umfangsansätze am Scheitel der Schaufeln zu befestigen, um die radialen Spiele zwischen den Scheiteln der Schaufeln und einer abreibbarem Materialschicht zu begrenzen, die von einem an dem Gehäuse der Turbine befestigten Reif getragen wird. Diese Ansätze können Umfangsrippen oder Scheibchen aufweisen, die im wesentlichen im Kontakt mit dem abreibbaren Material stehen, um eine axiale Dichtigkeit zwischen dem Gehäuse und den Scheiteln der beweglichen Schaufeln zu gewährleisten.
Diese Umfangsansätze besitzen den Nachteil, dass sie eine zusätzliche Masse am Umfang des Turbinenrades bildet, wobei diese Masse im Betrieb Zentrifugalkräften unterworfen ist und Probleme mit dem mechanischen Halt und Vibrationsverhalten der beweglichen Schaufeln aufwirft.
Lässt man diese Ansätze weg, dann muss zwingend das obengenannte radiale Spiel bei der Montage (Kaltspiel) reduziert werden, mit der Gefahr eines Kontakts zwischen den Scheiteln der Schaufeln und dem Gehäuse im Betrieb und einer entsprechenden Gefahr der Beschädigung der Turbine, oder auf Mittel zur aktiven Kontrolle des Spiels zurückgegriffen werden, die teuer, schwer und schwierig zu beherrschen sind. Falls nicht, kann das radiale Spiel zwischen den Scheiteln und dem Gehäuse relativ stark sein, was sich in einer entsprechenden Verschlechterung der Leistungen der Turbine ausdrückt.
Ferner kann dieses radiale Spiel lokal zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert variieren, und zwar infolge eines Unrundwerdens des Gehäuses, einer Höhendifferenz der Blätter, eines Konzentrizitätsfehlers zwischen dem Gehäuse und dem Turbinenrad usw.
Ebenso ist aus dem Dokument US-A-3 117 716 und der Zusammenfassung des Dokuments JP-A-62 142805 bekannt, die Spiele zwischen den Scheiteln der beweglichen Schaufeln und dem Gehäuse mittels Ansätzen zu reduzieren, die radial gleitend am Scheitel der Blätter angebracht sind und an den Blättern durch pneumatische oder elastische Mittel gehalten werden, welche nicht sehr wirksam oder schwierig anzubringen sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine einfache, zufriedenstellende und ökonomische Lösung für diese Probleme beizubringen.
Sie schlägt zu diesem Zweck eine Gasturbine, insbesondere für einen Luftfahrzeugmotor vor, mit einem Rad, das zur Drehung in einem Gehäuse angebracht ist und Schaufeln trägt, deren Scheitel in einem geringen radialen Abstand von einer Innenfläche des Gehäuses sind, und Mitteln zur Reduzierung der Spiele zwischen den Scheiteln der Schaufeln und der Innenfläche des Gehäuses, wobei die Mittel zur Reduzierung der Spiele Ansätze aufweisen, die radial gleitend am Scheitel der Schaufeln angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze in einer ringförmigen Nut des Gehäuses geführt werden.
In der Turbine nach der Erfindung werden die Ansätze dann, wenn das Rad der Turbine in Drehung versetzt wird, automatisch durch Zentrifugalkräfte zu der Innenfläche des Gehäuses hin beaufschlagt, ohne eine Kraft auf die Schaufeln des Rades auszuüben. So vermeidet man die mechanischen Vibrationsprobleme, auf die man bei Turbinen mit beweglichen Blättern trifft, die mit festgelegten Umfangsansätzen ausgestattet sind, und man steigert die Leistungen der Turbine durch Unterdrückung der radialen Spiele zwischen den Scheiteln der Schaufeln und der Innenfläche des Gehäuses.
Nach einem weiteren Merkmal bestehen die Ansätze aus einem leichten Material, das verschleißfest und hitzebeständig ist, wobei dieses Material bevorzugt eine Keramik ist.
So wird die Aufrechterhaltung der axialen Dichtigkeit zwischen den Scheiteln der Schaufeln und der Innenwand des Gehäuses in der Zeit gewährleistet, und die Leistungen der Turbine sind in der Zeit garantiert.
Nach noch einem weiteren Merkmal der Erfindung weisen die obengenannten Ansätze jeweils eine einwärts gekrümmte Platte auf, die dazu bestimmt ist, sich entlang der Innenfläche des Gehäuses zu erstrecken.
Diese gekrümmte Platte hat eine größere Oberfläche als diejenige des Scheitels der Schaufel, an welcher sie angebracht ist, wodurch die obengenannte axiale Dichtigkeit zwischen den Scheiteln der Schaufeln und der Innenfläche des Gehäuses noch weiter verbessert ist.
Vorteilhaft weist die zu der Innenfläche des Gehäuses gewandte Seite der Platte wenigstens zwei parallele Umfangsrippen auf, die Scheibchen bilden.
Diese Scheibchen reduzieren weiter den Durchgangsquerschnitt der Luft zwischen den Scheiteln der Schaufeln und der Innenfläche des Gehäuses.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist jeder obengenannte Ansatz wenigstens teilweise in eine am Scheitel der Schaufel ausgebildete Wanne eingepasst.
In diesem Fall grenzt der Ansatz vorteilhaft mit den Wänden der Wanne Kühlluftzirkulationsdurchgänge ab, die durch Kanäle gespeist werden, die mittels Entstaubungsöffnungen in den Boden der Wannen münden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die auf den Fall anzuwenden ist, wo die Schaufeln keine Wanne an ihrem Scheitel aufweisen, ist jeder obengenannte Ansatz am Scheitel der Schaufel eingepasst.
Die Erfindung ist auf Turbinen anzuwenden, deren Gehäuseinnenflächen Adern mit konstantem zylindrischen Querschnitt oder mit auseinandergehendem Querschnitt bilden.
Die Erfindung ist leichter bei der folgenden beispielhaften Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen zu verstehen, und weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich deutlicher daraus, worin:
1 eine schematische Teilansicht im axialen Schnitt ist, die das radiale Spiel zwischen dem Scheitel einer beweglichen Schaufel und der zylindrischen Innenfläche eines Turbinengehäuses zeigt;
2 eine Draufsicht des Scheitels der Schaufel von 1 ist;
3 eine schematische Teilansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung im axialen Schnitt ist;
4 eine Draufsicht des Scheitels der Schaufel von 3 ist;
5 eine schematische Teilansicht des Scheitels der Schaufel von 3 und 4 im axialen Schnitt und in größerem Maßstab ist; und
6 eine schematische Teilansicht einer Ausführungsvariante der Erfindung.
Zunächst wird auf 1 und 2 Bezug genommen, die schematisch den Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung darstellen, wobei die Bezugsziffer 10 eine Schaufel eines Hochdruckturbinenrades bezeichnet, das in Drehung um eine Achse 12 in einem Gehäuse 14 angebracht ist, welches einen festgelegten Metallreif 16 aufweist, der das Turbinenrad umgibt und dessen zylindrische Innenfläche mit einer Schicht 18 aus einem abreibbaren Material eines Typs bedeckt ist, der dem Fachmann wohlbekannt ist.
Der Scheitel der Schaufel 10 liegt in einem relativ sehr geringen Abstand von der Schicht 18 aus abreibbarem Material und weist einen Hohlraum 20 auf, der in der Technik „Wanne" genannt wird und dessen Boden Entstaubungsöffnungen 22 aufweist, welche die Ausgänge von Kühlluftzirkulationsöffnungen bilden, die in der Schaufel 10 vorgesehen sind.
Wie oben angedeutet, muss das radiale Spiel 24 zwischen dem Scheitel der Schaufel 10 und der Schicht 18 aus abreibbarem Material, welche die Innenfläche des Gehäuses bildet, so reduziert wie möglich sein, um jede Verschlechterung der Leistungen der Turbine zu vermeiden.
Dafür schlägt die Erfindung, wie dies in 3 bis 5 dargestellt ist, vor, einen Umfangsansatz 26 radial gleitend am Scheitel der Schaufel 10 anzubringen, wobei dieser Umfangsansatz 26 teilweise in der Wanne 20 des Scheitels der Schaufel 10 eingefügt oder untergebracht ist.
Bei der in 3 bis 5 dargestellten Ausführungsform weist dieser Ansatz 26 einen radial inneren Teil, der in die Wanne 20 der Schaufel 10 eingefügt ist, und einen radial äußeren Teil 30 in Form einer teilweise zylindrisch gekrümmten Platte mit quaderförmigem Umriss auf, wie dies in 4 dargestellt ist, die sich entlang der Schicht 18 aus abreibbarem Material in sehr geringem Abstand davon erstreckt und eine Fläche oder einen Flächeninhalt in der Ebene von 4 hat, der deutlich über demjenigen des in die Wanne 20 eingefügten Teils liegt.
Die radial äußere Seite dieser Platte 30 ist mit parallelen Umfangsrippen 32 ausgebildet, z.B. wie dargestellt in der Zahl von zwei, deren Scheitel in Kontakt mit der Schicht 18 aus abreibbarem Material stehen und mit dieser eine Labyrinthdichtung bilden, die dazu bestimmt ist, jede Luftzirkulation in axialer Richtung zwischen der Platte 30 und der Schicht 18 aus abreibbarem Material während des Betriebs der Turbine zu verhindern.
Der am Ende der Schaufel 10 angebrachte Ansatz 26 wird in einer Nut oder ringförmigen Kehle 34 des Reifs 16 teilweise aufgenommen und geführt, an deren Boden die Schicht 18 aus abreibbarem Material angeordnet ist. Diese Montage hält den Ansatz am Ende der Schaufel 10 sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung an Platz.
Die Ansätze 26 sind aus einem bevorzugt verschleißfesten und hitzebeständigen und leichten Material hergestellt, wobei dieses Material insbesondere eine Keramik ist.
Im Betrieb werden die Ansätze in Drehung um die Achse der Turbine mit den Schaufeln 10 angetrieben und Zentrifugalkräften unterworfen, welche sie an die Schicht 18 aus abreibbarem Material drücken.
Die Anlage der Scheitel der Rippen 32 an der Schicht 18 kommt in einer Unterdrückung der radialen Luftdurchgangsspiele in axialer Richtung zwischen den Scheiteln der Schaufeln 10 und der Innenfläche des Gehäuses zum Ausdruck, wodurch die Leistungen der Turbine erhöht werden. Diese Anlage der Ansätze 26 an der Schicht 18 legt den Schaufeln 10 keinerlei zusätzliche Beanspruchung auf.
Im übrigen ermöglicht die gleitende Montage der Ansätze 26 an den Scheiteln der Schaufeln eine automatische Anpassung an geometrische Mängel der Blätter und des Reifs, die z.B. an einem Unrundwerden des Gehäuses, an Höhendifferenzen der Blätter, an einem Konzentrizitätsfehler des Gehäuses und des Turbinenrades usw. liegen.
Wie in 5 dargestellt, zirkuliert die Kühlluft der Schaufel 10, die durch die in dem Boden der Wanne 20 ausgebildeten Öffnungen austritt, in Durchgängen, die zwischen dem Ansatz 26 und den Seitenwänden 36 der Wanne ausgebildet sind, und trägt so zur Kühlung dieser Wände bei.
Bei der Ausführungsvariante von 6 weist der Scheitel der Schaufel 10 keine Wanne auf, und der Umfangsansatz 26 ist dann an dem Scheitel der Schaufel 10 eingepasst und bedeckt z.B. eine Umfangsrippe 38 des Scheitels der Schaufel.
Wie oben weist der Ansatz 26 Scheibchen 32 an seiner radial äußeren Seite auf und wird in einer Nut oder ringförmigen Kehle 34 des Rings 14 geführt und gehalten.
Als Variante sind die Mittel zum Einführen oder Einpassen der Ansätze 26 an den Scheiteln der Schaufeln 10 geeignet derart dimensioniert und geformt, dass sie alleine jegliche Gefahr eines Lösens der Ansätze vermeiden. In diesem Fall sind die in der Innenfläche des Gehäuses ausgebildeten ringförmigen Kehlen 34 eine zusätzliche Garantie zum Halt der Ansätze und könnten möglicherweise weggelassen werden.
Die Platten 30, welche die radial äußeren Teile der Ansätze 26 bilden, können gegenüber den Abmessungen der Scheitel der Schaufeln 10 einen mehr oder weniger großen Umfang haben, und gegebenenfalls können diese Platten 30 eine Versteifungsarmatur z.B. aus Metall aufweisen.
Für die Montage können die Ansätze 26 an den Scheiteln der Schaufeln durch Klebung oder durch ein Band wie einen Ring oder eine Umreifung gehalten werden, welche die Ansätze 26 und den Beschaufelungskranz umgibt.

Claims

Gasturbine, insbesondere für einen Luftfahrzeugmotor, mit einem Rad, das drehbar in einem Gehäuse (14, 16) angebracht ist und Schaufeln (10) trägt, deren Scheitel in einem geringen radialen Abstand von einer Innenfläche des Gehäuses sind, und Mitteln zur Reduzierung der Spiele zwischen den Scheiteln der Schaufeln und der Innenfläche des Gehäuses, wobei die Mittel zur Reduzierung der Spiele Ansätze (26) aufweisen, die radial gleitend am Scheitel der Schaufeln (10) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze (26) in einer ringförmigen Nut (34) des Gehäuses (14, 16) geführt werden.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze (26) aus einem leichten Material bestehen, das verschleißfest und hitzebeständig ist.
Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze (26) keramisch sind.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze (26) radial äußere Teile (30) in Form von einwärts gekrümmten Platten aufweisen, die dazu bestimmt sind, sich entlang der Innenfläche des Gehäuses zu erstrecken.
Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere plattenförmige Teil (30) der Ansätze (26) eine Versteifungsarmatur aufweist.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ansatz parallele Umfangsrippen (32) aufweist, die an seiner zu der Innenfläche des Gehäuses gewandten Seite Scheibchen bilden.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des Gehäuses gegenüber den Ansätzen (26) eine Schicht (18) aus abreibbarem Material aufweist.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze (26) an den Scheiteln der Schaufeln (10) eingepasst sind.
Gasturbine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (26) wenigstens teilweise in Wannen (20) eingefügt sind, die am Scheitel der Schaufeln (10) ausgebildet sind.
Gasturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze (26) mit den Wänden (36) der Wannen (20) Kühluftzirkulationsdurchgänge abgrenzen, die durch Kanäle gespeist werden, die in den Boden der Wannen münden.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (20, 34, 38) zum axialen und radialen Halten der Ansätze (26) an den Scheiteln der Schaufeln (10) aufweist.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Montage die Ansätze (26) an den Scheiteln der Schaufeln durch Klebung oder durch ein Band gehalten werden, das die Schaufeln umgibt.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des Gehäuses gegenüber der Ansätze (26) zylindrisch auseinander gehend oder mit konstantem Querschnitt ist.