DE69210077T2

DE69210077T2 - Gekühlter Deckbandträger für eine Turbine

Info

Publication number: DE69210077T2
Application number: DE69210077T
Authority: DE
Inventors: Peter Joseph Rock
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-03-11
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2012-01-09
Also published as: EP0503752B1; JPH0751888B2; CA2061939A1; US5167487A; CA2061939C; IL100515A0; JPH04303104A; EP0503752A1; DE69210077D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Schaufelspitzen-Mantel-Spaltsteuerung von einem Gasturbinentriebwerk und insbesondere auf eine gekühlte Mantelhalterung, um eine verbesserte Spaltsteuerung zu erhalten.

Hintergrund der Erfindung

Ein Ubliches Gasturbinentriebwerk enthalt eine Turbine mit mehreren auf den Umfang im Abstand angeordneten Rotor- bzw. Laufschaufeln, deren Spitzen im Abstand radial innen von einem feststehenden, ringförmigen Mantel angeordnet sind, um dazwischen einen Spalt bzw. Spielraum zu bilden. Der Schaufelspitzenspalt sollte so klein wie möglich sein, um die Leckage von Verbrennungsgasen um die Schaufeln herum zu minimieren, um einen verbesserten Wirkungsgrad der Turbine zu erhalten. Jedoch sollte der im Betrieb auftretende Schaufelspitzenspalt groß genug sein, um eine unterschiedliche thermische Expansion und Kontraktion zwischen den Laufschaufeln und dem Mantel aufzunehmen, um unerwunschte Reibeingriffe dazwischen zu verhindern.
Der Schaufelspitzenspalt hat Ublicherweise unterschiedliche Werte bei den verschiedenen stationären Betriebsbedingungen des Triebwerks und er hat auch sich verändernde Werte während der verschiedenen transienten Betriebsbedingungen des Triebwerkes, die auftreten, wenn die Ausgangsleistungswerte des Triebwerkes verändert werden. Die transiente Schaufelspitzen-Spaltsteuerung ist von wesentlicher Bedeutung, da die unterschiedliche thermische Bewegung zwischen der Schaufelspitze und dem Mantel üblicherweise einen minimalen Wert hat, der auch als ein Einschnürungspunktwert bezeichnet wird und der geeignet groß sein sollte, um die Möglichkeit von Reibeingriffen der Schaufelspitzen zu verkleinern. Jedoch ist bei einem geeignet großen Einschnürungspunkt der Schaufelspitzenspalt, der zu anderen Zeiten in dem transienten Verhalten auftritt, und auch während des stationären Betriebs, notwendigerweise größer als der Einschnürungspunkt, und deshalb wird eine erhöhte Leckage der Verbrennungsgase uber den Schaufelspitzen gestattet, die die Leistungsfähigkeit der Turbine verkleinert.
Weiterhin ist ein Gasturbinentriebwerk zwar üblicherweise achssymmetrisch, aber die Temperaturen in der Umgebung des Turbinenmantels sind nicht notwendigerweise gleichförmig in Umfangsrichtung um die Triebwerksmittelachse herum. Beispielsweise wird in einem Gasturbinentrieb werk, das einen Rekuperator enthält, Verdichterausgangsluft durch den Bekuperator erwärmt und zu der Brennkammer durch zwei auf den Umfang im Abstand angeordnete Rekuperatorleitungen geleitet, die nahe dem Oberteil und dem Unterteil des Triebwerksgehäuses benachbart zu dem Mantel der Hochdruckturbine (HDT) angeordnet ist. Dementsprechend ist der HDT Mantel in einer Umgebung angeordnet, in der sich die Temperatur in Umfangsrichtung wesentlich ändert mit einer relativ hohen Temperatur nahe den Rekuperatorleitungen und einer relativ niedrigen Temperatur dazwischen. Der Schaufelspitzenspalt der Hochdruckturbine könnte sich deshalb in Umfangsrichtung um die Triebwerksmittelachse herum für in konventioneller Weise gekühlte Mantelhalterungen ändern, die in Umfangsrichtung gleichförmige Kühlluft an den Mantel liefern.
GB-A-2 047 354 beschreibt eine Mantelhalterung mit einem ringförmigen Gehäuse, wobei ein ringförmiger Aufhänger mit dem Gehäuse verbunden und im Abstand angeordnet ist, um dazwischen einen ringförmigen Kanal zu bilden, wobei der Aufhänger koaxial um eine Mittellinie ist und eine Basis hat, die einen über den Turbinenschaufeln angeordneten Mantel haltert, wobei sich ein in Umfangsrichtung verlaufender Strömungskanal für ein Kühlmittel von der Basis radial nach außen in Richtung auf den ringförmigen Kanal erstreckt, um die Schaufelspitzen zu kühlen. Das Problem bei dieser Anordnung ist, daß die Strömung des Kühlmittels in dem Strömungskanal radial ist, was die Gefahr einer ungleichförmigen Umfangskühlung hervorruft, wie es oben beschrieben wurde.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Mantelhalterung zu schaffen, die eine gleichförmigere Umfangskühlung aufweist, um Umfangsänderungen in dem Schaufelspitzenspalt zu verkleinern.
Die Erfindung schafft eine Mantelhalterung mit einer longitudinalen Mittelachse, enthaltend:
ein ringförmiges Gehäuse;
einen ringförmigen Aufhänger, der fest mit dem Gehäuse verbunden und mit radialem Abstand innen davon angeordnet ist, um dazwischen einen ringförmigen Kanal zu bilden, wobei der Aufhänger koaxial um die Mittelachse angeordnet ist und eine Basis zur radialen Halterung eines Mantels, der radial über mehreren in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Turbinenschaufeln positionierbar ist, und einen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanal aufweist, der sich von der Basis radial nach außen und in Richtung auf den ringförmigen Kanal erstreckt; und
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Kühlen des Aufhängers durch Leiten eines Kühlmittels in Umfangsrichtung innerhalb des Aufhängerkanals, um eine unidirektionale Umfangsströmung darin zu erhalten.
Die Erfindung sorgt für einen gleichförmigeren Umfangs-Schaufelspitzenspalt für eine bessere Anpassung der thermischen Bewegung zwischen dem Mantel und den Schaufelspitzen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die neuartigen Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung gehalten werden, sind in den Ansprüchen angegeben und differenziert dargetan. Die Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen ist deutlicher in der folgenden detaillierten Beschreibung beschrieben, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
Figur 1 ein schematischer Längsschnitt von einem Beispiel eines mit einem Rekuperator versehenen Gasturbinentriebwerks ist, das eine Turbinenmantelhalterung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält;
Figur 2 ein vergrößerter Längsschnitt von der Turbinenmantelhalterung für das in Figur 1 dargestellte Triebwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht von einem Teil des in Figur 2 dargestellten Mantelhalterungsaufhängers, gestrichelt gezeigt, im Vergleich zu einem dicht umschlossenen Aufhänger von einer beispielhaften Referenzmantelhalterung ist;
Figur 4 ein Kurvenbild ist und das radiale Wachstum über der Zeit für die in Figur 2 gezeigte Mantelhalterung und für die als Beispiel gezeigte Referenzmantelhalterung relativ zu einem Rotor darstellt ;
Figur 5 eine stromaufwärts gerichtete Queransicht von der in Figur 2 dargestellten Mantelhalterung nach einem Schnitt entlang der Linie 5-5 ist;
Figur 6 eine stromabwärts gerichtete perspektivische Ansicht von der in Figur 2 dargestellten Mantelhalterung ist und teilweise gestrichelt dargestellt ist;
Figur 7 eine Queransicht von der in Figur 2 dargestellten Mantelhalterung ist und schematisch die relativen Positionen der Auslaß- und Versorgungsröhren darin zeigt;
Figur 8 eine perspektivische, schematische Ansicht von den Auslaß und Versorgungsleitungen ist, die in Figur 7 dargestellt sind:

Ausführungsbeispiel(e) zum Ausführen der Erfindung

In Figur 1 ist eine schematische Darstellung von einem beispielhaften Gasturbinentriebwerk 10 dargestellt. Das Triebwerk 10 enthält in einer Reihenströmungsverbindung und koaxial um eine axiale Mittelachse 12 des Triebwerks einen üblichen Verdichter, eine ringförmige Brennkammer 16, eine Hochdruck(HD)-Turbinendüse 18, eine Hochdruckturbine (HDT) 20 und eine Niederdruckturbine (NDT) 22. Eine übliche HDT Welle 24 verbindet den Verdichter 14 fest mit der HDT 20, und eine übliche NDT Welle 26 geht von der NDT 22 aus, um eine Last (nicht gezeigt) anzutreiben.
Das Triebwerk 10 enthält ferner ein ringförmiges Gehäuse 28, das sich über den Verdichter 14 und stromabwarts davon und über die NDT 22 erstreckt. Ein üblicher Rekuperator oder Wärmetauscher 30 ist zwischen dem Verdichter 14 und der NDT 22 außerhalb des Gehäuses 28 angeordnet.
Im üblichen Betrieb des Triebwerks 10 wird Umgebungsluft 32 von dem Verdichter 14 aufgenommen und verdichtet, um eine verdichtete Luftströmung 34 zu erzeugen. Die verdichtete Luftströmung 34 wird üblicherweise durch geeignete Leitungen 30a durch den Rekuperator 30 geleitet, wo sie weiter erwärmt wird, und dann wird sie durch geeignete Leitungen 30b durch das Gehäuse 28 und in die Nähe der Brennkammer 16 geleitet. Die erwärmte, verdichtete Luftströmung 34, die als Rekuperator-Luftströmung 34b bezeichnet wird, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, wird dann in üblicher Weise mit Brennstoff gemischt und in der Brennkammer 16 gezündet, um Verbrennungsgase 36 zu erzeugen, die durch die Düse 18 und in die HDT 20 geleitet wird. Die HDT 20 entzieht den Verbrennungsgasen 36 Energie, um den Verdichter 14 über die HDT Welle 24 anzutreiben, und dann werden die Verbrennungsgase 36 zur NDT 22 geleitet. Die NDT 22 entzieht ihrerseits den Verbrennungsgasen 36 weitere Energie, um die Last (nicht gezeigt) anzutreiben, die mit der NDT Welle 26 verbunden ist. Der Rekuperator 30 ist in üblicher Weise mit der NDT 22 durch Leitungen 30c verbunden, um einen Teil der Verbrennungsgase 36 von der NDT 22 in den Rekuperator 30 zu leiten für eine Erwärmung der verdichteten Luftströmung 34, die dort hindurchströmt.
Wie in Figur 1 gezeigt ist, gibt es zwei Rekuperator-Leitungen 30b, die mit dem Gehäuse 28 an Winkelstellungen verbunden sind, die 180º auseinanderliegen. Während des Betriebes des Triebwerkes 10 wird die erwärmte, durch den Rekuperator geströmte Luftströmung 34b durch beide Leitungen 30b innerhalb des Gehäuses 28 benachbart zu der Brennkammer 16, der HD Düse 18 und dem stromaufwärtigen Ende der HDT 20 geleitet. Da die zwei Leitungen 30b im Abstand von angeordnet sind, verändert sich die Temperatur innerhalb des Gehäuses 28 in Umfangsrichtung mit maximalen Temperaturen benachbart zu den zwei Leitungen 30b und minimalen Temperaturen, die allgemein mit gleichem Winkelabstand oder äquidistant dazwischen auftreten.
Deshalb erfordert diese Umfangsänderung in der Umgebungstemperatur innerhalb des Gehäuses 28 benachbart zu der HDT 20 eine geeignete Mantelhalterung zur Verkleinerung sowohl des unterschiedlichen thermischen Ansprechverhaltens der Rotorschaufeln 44 und des Mantels 42 als auch der Umfangsänderung in dem Schaufelspitzenspalt, wie er durch die vorliegende Erfindung ausgebildet wird.
Genauer gesagt und wie es in Figur 2 dargestellt ist, enthält das Triebwerk 10 ferner gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Turbinenmantelhalterung 38, die üblicherweise fest an dem Gehäuse 28 angebracht ist durch mehrere auf den Umfang im Abstand angeordnete Bolzen 40. Ein üblicher ringförmiger Turbinenmantel 42, in dem Ausführungsbeispiel aus mehreren auf den Umfang im Abstand angeordneten Mantelsegmenten, ist in üblicher Weise mit der Mantelhalterung 38 verbunden und in vorbestimmter Weise in einem radialen Abstand von mehreren Rotor- bzw. Laufschaufeln 44 von einer ersten Stufe der HDT 20 angeordnet. Jede Schaufel 44 weist eine Schaufelspitze 44b auf, die mit Abstand radial innen von dem Mantel 42 angeordnet ist, um einen Schaufelspitzenspalt C zu bilden.
Die Mantelhalterung 38 weist einen ringförmigen Aufhänger 46 auf, der koaxial um die Mittelachse 12 angeordnet ist, die auch die Mittelachse der Mantelhalterung 38 ist. Der Aufhänger 46 ist mit dem Gehäuse 28 fest verbunden durch einen integralen, ringförmigen Befestigungsflansch 48 in der Form von einem Kegelstumpf, der den Aufhänger 46 im Abstand radial innen von dem Gehäuse 28 in einem ringförmigen Strömungskanal 50 anordnet, der zwischen dem Gehäuse 28 und den mehreren Komponenzen gebildet ist, die im Abstand radial innen davon angeordnet sind, und der einen Teil der Rekuperator-Luftströmung 34b empfängt. In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Figur 2 dargestellt ist, hat der Aufhänger 46 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt und weist mit axialem Abstand angeordnete, vordere und hintere ringförmige Schienen 52 bzw. 54 auf, die sich von einer ringförmigen Basis 56 radial nach außen erstrecken. Die Basis 56 enthält ein mit axialem Abstand angeordnetes Paar von in Umfangsrichtung verlaufenden, üblichen äußeren Haken 58, die in üblicher Weise mit komplementären inneren Haken 60 des Mantels 42 verbunden sind, um den Mantel 42 radial an dem Aufhänger 46 zu haltern.
Der Aufhänger 46 enthält auch ein axial verlaufendes, ringförmiges Oberteil 62, das im wesentlichen parallel zu der Basis 56 angeordnet ist, um dazwischen einen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanal 64 zu bilden, der koaxial um die Mittelachse 12 angeordnet ist. Die vorderen und hinteren Schienen 52 und 54 und die Basis 56 sind vorzugsweise einstückig miteinander gebildet, und das Oberteil 62 kann in geeigneter Weise fest damit verbunden werden, beispielsweise durch Löten bzw. Schweißen, um den umschlossenen oder gekapselten Strömungskanal 64 zu bilden. Die Basis 56 enthält mehrere auf den Umfang im Abstand angeordnete Auslaßlöcher 66, um ein Kühlmittel 68 aus dem Strömungskanal 64 so zu leiten, daß es gegen den Mantel 42 prallt, um für dessen Kühlung zu sorgen.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittel 68 ein Teil der verdichteten Luftströmung 34, die aus dem Verdichter 14 abgeleitet wird, bevor sie in dem Rekuperator 30 erwärmt wird. Indem noch einmal auf Figur 1 Bezug genommen wird, so ist eine übliche Versorgungsleitung 70 in geeigneter Weise in Strömungsverbindung mit dem Auslaß des Verdichters 14 vorgesehen, um einen Teil der verdichteten Luftströmung 34 aufzunehmen und die verdichtete Luftströmung 34 auszustoßen als das Kühlmittel 68 durch das Gehäuse 28 benachbart zu der Mantelhalterung 38. Gemäß Figur 2 erstreckt sich die Versorgungsleitung 70 durch das Gehäuse 28 und ist in üblicher Weise damit verbunden, um das Kühlmittel 68 in einen bogenförmigen Verteiler 72 mit einem Verteilerauslaß 74 zu liefern, der stromabwärts gerichtet ist. In einem gebauten und getesteten Ausführungsbeispiel wurde Kühlmittel 68 einfach zwischen den Befestigungsflansch 48 und einen ringförmigen Befestigungsflansch 76 geleitet, der die HD Düse zu dem Gehäuse 28 an einem Referenz-Aufhänger befestigt, der im wesentlichen gleich dem Aufhänger 46 ist, außer daß kein Oberteil 62 vorgesehen war, zum Kühlen des Aufhängers 46, der in Figur 3 mit 46b bezeichnet ist. Das Kühlmittel trat in den Referenz-Aufhänger 46b im wesentlichen radial nach innen entlang seinem gesamten Umfang ein und kühlte den Referenz-Aufhänger 46b durch einfache Konvektionskühlung.
In einem anderen Referenz-Ausführungsbeispiels des Aufhängers war eine U-förmige Prall-Leitanordnung 78, die ebenfalls in Figur 3 gezeigt ist, vorgesehen zum Leiten der Kühlluft 68 radial nach innen für eine Prallkühlung des Aufhängers 46b.
Figur 4 zeigt als Beispiel ein Kurvenbild, das das radiale Wachstum über der Zeit aufträgt und das radiale Wachstum zeigt, das an den Schaufelspitzen 44b gemessen wird, wie es durch die Rotorkurve 80 für ein beispielhaftes transientes Verhalten in einem Stoßzustand von einer kleinen zu einer hohen Leistung von einer ersten Zeit T&sub1; zu einer zweiten Zeit T&sub2; dargestellt ist. Das entsprechende radiale Wachstum, das an der Innenfläche des Mantels 42 für den in Figur 3 dargestellten Ref erenz-Aufhänger 46b, ohne die Prall-Leitanordnung 78, gemessen wird, ist durch die Referenz-Manrelkurve 82 dargestellt, die in Figur 4 in ge strichelter Linie gezeigt ist, wobei dieses radiale Wachstum primär aufgrund der thermischen Bewegung des den Mantel tragenden Aufhängers auftritt. Ein Einschnürungspunkt mit minimalem differentiellem Radialspalt C&sub1; zwischen dem Mantel 42 und den Schaufelspitzen 44b ist zu der Einschnürungspunktzeit Tp gezeigt. Der Einschnürungspunktspalt C&sub1; tritt in diesem Ausführungsbeispiel des Triebwerkes 10 auf, weil sich die Schaufeln 44 auf ihrem Rotor schneller ausdehnen als der Mantel 42, wobei die Rotor-Zeitkonstante τr der Rotorschaufeln 44 kleiner ist als die Mantelhalterungs Zeitkonstante τs der Mantelhalterung 38. Mit anderen Worten, die Mantelhalterung 38 ist im Vergleich zu den Rotorschaufeln 44 relativ langsam in ihrem thermischen Ansprechverhalten.
Die thermische Zeitkonstante τ kann wie folgt dargestellt werden:
τ = Mcp/hA
wobei:
m = Masse der gekühlten Mantelhalterung, die beispielsweise durch die Masse des gekühlten Aufhängers 46 dargestellt sein kann;
Cp = spezifische Wärme des Kühlmittels oder der Luft 68;
A = Fläche, die dem Kühlmittel 68 ausgesetzt ist, beispielsweise die inneren Oberflächen der vorderen und hinteren Schienen 52 und 54 und der Basis 56; und
h = Wärmeübertragungs-Koeffizient.
Die Zeitkonstante T stellt beispielsweise die Zeitdauer dar, die erforderlich ist, um etwa 62% einer neuen stationären radialen Position der Schaufelspitzen 44b und des Mantels 42 von dem Beginn eines transienten Überganges zu erreichen.
Gemäß einer Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Anpassung des thermischen Expansionsverhaltens an den Schaufelspitzen 44b und dem durch den Aufhänger 46 gehalterten Mantel 42 gewünscht, und sie kann erhalten werden durch eine Verkleinerung der Zeitkonstante τs der Mantelhalterung 38 relativ zu der Zeitkonstante τr des Rotors und der Schaufeln 44. Der Wärmeübertragungs-Koeffizient h für Prallkühlung von der Leitanordnung 78 liegt üblicherweise in der Großenordnung von etwa 5,674 kW/m²K (1.000 BTU/HR-FT²-ºF) und beeinflußt in signifikanter Weise die Zeitkonstante im Vergleich zu den kleinen Beeinflussungen, die durch m, Cp und A geliefert werden. Dementsprechend haben praktische Änderungen in den Werten von in und A wenig Einfluß auf die Zeitkonstante die allzu empfindlich gegenüber Änderungen in dem Wärmeübertragungs-Koeffizienten h ist. Auch ist eine Auslegung für sowohl transienten als auch stationären Betrieb schwieriger mit Prallkühlung.
Der Wärmeübertragungs-Koeffizient h, der durch Leiten des Kühlmittels 68 radial in den Referenz-Aufhänger 46b, wie er in Figur 3 gezeigt ist, ohne die Leitanordnung 78 erhalten wird, lag in dem Bereich von etwa 22,696 -45,392 W/m²K (4-8 BTU/HR-FT²-ºF), was die Referenz-Mantelkurve 82 zur Folge hatte, die in Figur 4 gezeigt ist. Die Differenz in den Zeitkonstanten zwischen dem Mantel 42 und den Schaufeln 44 hatte jedoch dennoch einen relativ kleinen Schaufelspitzenspalt-Einschnürungspunkt während des transienten Betriebs zur Folge. Und es wurden relativ große Umfangsänderungen in der Temperatur der vorderen und hinteren Schienen 52 und 54 beobachtet aufgrund der Einflüsse der eingeführten Rekuperator-Luftströmung 34b.
Gemäß einer Aufgabe der vorliegenden Erfindung weist der in Figur 2 dargestellte Aufhänger 46 vorzugsweise das Oberteil 62 auf, um den umschlossenen Strömungskanal 64 hervorzurufen, um die konventionell bekannte Rohr- oder Kanalströmung des Kühlmittels 68 darin zu erhalten. Weder der prall-gekühlte noch der konvektiv-gekühlte oben offene Referenz-Aufhänger 46b ist gewünscht oder verwendet, so daß ein Wärmeübertragungs-Koeffizient h kleiner als der für den ersteren und größer als der für den letzteren verwendet werden kann für eine genauere Steuerung der Zeitkonstante des Mantels 42 aufgrund des Aufhängers 46 für eine bessere Anpassung des thermischen Ansprechverhaltens zwischen dem Mantel 42 und den Schaufelspitzen 44b.
Durch Einschließen des Aufhängers 46, wie es in Figur 2 dargestellt ist, mit dem Oberteil 62 und durch Schaffung der Einrichtung 84 zum Kühlen des Aufhängers 46, indem das Kühlmittel 68 in Umfanngsrichtung innerhalb des Strömungskanals 64 des Aufhängers geleitet wird, wird die üblicherweise bekannte Rohr- oder Kanalströmung in dem Strömungskanal 64 beeinflußt und kann gemäß der Erfindung in effektiver Weise benutzt werden für eine bessere Anpassung der Zeitkonstanten zwischen dem Aufhänger 46 und den Schaufeln 44, um, neben anderen Vorteilen, für einen besser gesteuerten, beispielsweise erhöhten Schaufelspitzenspalt- Einschnürungspunkt während des transienten Ansprechverhaltens zu sorgen.
Genauer gesagt und gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Kühleinrichtung 84, wie sie beispielsweise in den Figuren 2, 5 und 6 dargestellt ist, meh rere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Kühlmittelauslässe 86, beispielsweise erste, zweite, dritte und vierte Strömungsmittelauslässe 86a, 86b, 86c und 86d, die in geeigneter Weise innerhalb des Aufhängerkanals 64 angeordnet und nur in einer Umfangsrichtung (in Uhrzeigerrichtung, wie es in Figur 6 gezeigt ist) gerichtet sind, um das Kühlmittel 68 in Umfangsrichtung innerhalb des Kanals 64 auszustoßen, um die unidirektionale Rohrströmung zu erhalten, für die die Zeitkonstante T&sub5; des Aufhängers 46 verkleinert werden kann, um an die Zeitkonstante τr des Rotors und der Schaufeln 44 genauer angepasst zu sein. In einem Ausführungsbeispiel des gebauten und getesteten Aufhängers 46, der die Kühleinrichtung 84 enthält, wurde eine verbesserte Mantelkurve, die in Figur 4 mit 88 bezeichnet ist, erhalten, die an die Rotorkurve 80 besser angepaßt ist und eine Vergrößerung in dem Schaufelspitzenspalt-Einschnürungspunkt, der mit C&sub2; bezeichnet ist, zu der gleichen Einschnürungspunktzeit Tp hat. Die Zeitkonstante τs aufgrund des Aufhängers 46 ist besser an die Zeitkonstante τr der Schaufeln 44 angepaßt, wie es gezeigt ist, durch die gleichförmigere Beabstandung zwischen der Mantelkurve 88 und der Rotorkurve 80, wie es in Figur 4 dargestellt ist.
Gemäß den Figuren 5 und 6 können die Fluidauslässe 86 einfache Öffnungen sein und sind vorzugsweise äquidistant zueinander, beispielsweise indem sie in gleichen Winkeln voneinander auf einem gemeinsamen Radius von der Mittelachse 12 angeordnet sind, um eine im wesentlichen gleichförmige Umfangsgeschwindigkeit des Kühlmittel 68 innerhalb des Strömungskanals 64 zu erhalten. Obwohl es möglich ist, daß ein oder mehr Fluidauslässe 86 verwendet werden können, sind wenigstens zwei Fluidauslässe 86 bevorzugt und würden im Abstand von etwa 180º zueinander angeordnet, um im wesentlichen symmetrische Geschwindigkeitsverteilungen des Fluids 68 zu erhalten, wenn es von einem der Auslässe 86 durch den Strömungskanal 64 zu dem anderen der Auslässe 86 strömt. Je mehr Auslässe 86 in dem Strömungskanal 64 vorgesehen sind, desto gleichförmiger wird selbstverständlich die Umfangsgeschwindkeit des Fluids 68 sein, da die Massenströmungsgeschwindigkeit des Fluids 68 sich entsprechend weniger von dem einen Auslaß 86 zu dem nächstfolgenden Auslaß 86 verkleinert.
Da die Zeitkonstante τ umgekehrt proportional zu dem Wärmeübertragungs-Koeffizienten h ist und der Koeffizient h direkt proportional zur Geschwindigkeit des Kühlmittels 68 ist, wie es allgemein bekannt ist, kann die Umfangsanordnung der Auslässe 68 in vorbestimmter Weise gewählt werden, um für unterschiedliche Kühlgrade des Aufhän gers 46 in Abhängigkeit von der Umfangsänderung in der Temperatur der Umgebung des Aufhängers 46 zu sorgen aufgrund der sich in Umfangsrichtung ändernden Temperatur der Rekuperator-Luftströmung 34b, die benachbart dazu geleitet wird. Indem weiterhin das Kühlmittel 68 in Umfangsrichtung durch den Strömungskanal 64 geleitet wird, anstatt in radialer Richtung in den Strömungskanal 64 um seinen gesamten Umfang herum, wie es in dem Ausführungsbeispiel des in Figur 3 dargestellten Referenz-Aufhängers 46b auftreten würde, kann ein relativ großer Wärmeübertragungs-Koeffizient h erhalten werden.
Beispielsweise schätzt eine Wärmeübertragungsanalyse des in Figur 2 dargestellten Aufhängers 46 einen Wärmeübertragungs-Koeffizienten h von etwa 226,96 W/m²K (40 BTU/HR-FT²-ºF) im Vergleich zu einem kleineren Wärmeübertragungs-Koeffizienten h von etwa 22,696 - 45,392 W/m²K (4- 8 BTU/HR-FT²-ºF) für den in Figur 3 dargestellten Referenz- Aufhänger 46b ohne die Verwendung der Prall-Leitanordnung 78. Der verbesserte Wärmeübertragungs-Koeffizient h ist wirksam für eine wesentliche Verkleinerung der Zeitkonstante da der Aufhänger 46b die Zeitkonstante τr der Schaufeln 44 besser anpaßt und Umfangsänderungen in der Temperatur des Aufhängers 46 verkleinert, was entsprechend wirksam ist zum Verkleinern von Umfangsänderungen in dem Schaufelspitzenspalt C.
Um jeden der vier Fluidauslässe 86 zu versorgen, weist die Kühleinrichtung 84, wie sie in den Figuren 2, 5 und 6 gezeigt ist, ferner eine entsprechende Anzahl von Auslaß-Rohrleitungen 90 auf, beispielsweise erste, zweite, dritte und vierte Auslaß-Rohrleitungen 90a, 90b, 90c und 90d. Jede der Auslaß-Rohrleitungen 90 enthält einen entsprechenden der Fluidauslässe 86, die in einem ansonsten geschlossenen entfernten Ende davon innerhalb des Aufhängerkanals 68 angeordnet sind und die alle in die gleiche Umfangsrichtung gerichtet sind. Die Auslaß-Rohrleitungen 90 sind vorzugsweise so konfiguriert, daß sie im allgemeinen axial von der Innenseite des Strömungskanals 64 in einer stromabwärtigen Richtung durch die hintere Schiene 54 verlaufen, und dann machen sie jeweils eine Krümmung, um in Umfangsrichtung entlang einem zylindrischen Abschnitt 48b des Befestigungsflansches 48 und koaxial um die Mittelachse 12 zu verlaufen.
Die Kühleinrichtung 84 enthält ferner mehrere Versorgungsleitungen 92, beispielsweise erste und zweite Versorgungsleitungen 92a und 92b, die jeweils die Funktion haben, das Kühlmittel 68 zu einem entsprechenden Paar der Auslaß-Rohrleitungen 90 zu leiten. Wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt ist, weist jede Versorgungsleitung 92 einen entsprechenden Einlaß 94a, 94b auf, die benachbart zueinander in Strömungsverbindung mit dem Auslaß 74 des gemeinsamen Verteilers 72 angeordnet sind, um das Kühlmittel 68 davon zu empfangen. Die Versorgungsleitungen 92 enthalten jeweils einen entsprechenden Auslaß 96a, 96b, der jeweils in Fluidverbindung mit einem entsprechenden Paar von Einlässen 98 an nahegelegenen Enden der Rohrleitungen 90 angeordnet sind, d.h. erste und zweite Auslaßrohreinlässe 98a und 98b sind mit dem ersten Versorgungsrohrauslaß 96a verbunden, und zweite und dritte Leitungseinlässe 98c und 98d sind mit dem zweiten Versorgungsrohrauslaß 96b verbunden. Jede Versorgungsleitung 92 ist vorzugsweise so konfiguriert, daß sie im allgemeinen radial außen von ihren entsprechenden Auslaß-Rohrleitungen 90 durch den zylindrischen Abschnitt 48b des Befestigungsflansches verläuft und sich dann in Umfangsrichtung im allgemeinen koaxial um die Mittelachse 12 herum für eine bogenförmige Strecke erstreckt und dann neben einem entsprechenden Abschnitt der Versorgungsleitung 92 radial nach oben biegt für eine Positionierung der Versorgungsleitungseinlässe 94a und 94b in Strömungsverbindung mit dem Verteiler 72.
Der oben beschriebene Aufbau der Auslaßleitungen 90 und der Versorgungsleitungen 92 ist bevorzugt, um in geeigneter Weise das Kühlmittel 68 aus dem gemeinsamen Verteiler 72 zu den vier in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Fluidauslässen 86 zu leiten. Die Leitungen 90 und 92 sind vor allem bevorzugt, um für einen direkteren Pfad zum Leiten des Kühlmittels 68 zu dem Strömungskanal 64 zu sorgen, um die indirekte Erwärmung des Kühlmittels 68 durch die Rekuperator-Luftströmung 34b zu verringern. Auf diese Weise kann die relativ kalte, verdichtete Luftströmung 34 als das Kühlmittel 68 zu dem Strömungskanal 64 mit einem relativ kleinen Temperaturanstieg vorgesehen sein aufgrund der Wärmeaufnahme entlang seines Strömungsweges und ohne Leckage des Kühlmittels 68 aus seinem Strömungsweg zu dem Aufhänger 46.
Weiterhin ist es auch wünschenswert, das Kühlmittel 68 bei einer vorbestimmten Temperatur an jedem der vier Fluidauslässe 86 zu liefern, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf im wesentlichen gleichförmigen Temperaturen sind. Dementsprechend hat jede der vier Strömungsbahnen von entsprechenden Versorgungsleitungseinlässen 94a, 94b an dem Verteiler 72 zu entsprechenden vier Fluidauslässen 86 durch die Auslaß- und Versorgungsleitungen 90 und 92 vorzugsweise eine Strömungsbahnlänge, d.h. erste, zweite, dritte und vierte Strömungsbahnlängen L&sub1;, L&sub2;, L&sub3; und L&sub4;, die im wesentlichen gleich zueinander sind.
Figur 7 stellt schematisch die Auslaß- und Versorgungsleitungen 90 und 92 dar, um das Kühlmittel 68 von den Einlässen 94a, 94b zu den entsprechenden Fluidauslässen 86a, 86b, 86c und 86d zu leiten. Die vier Strömungsbahnlängen L&sub1;, L&sub2;, L&sub3; und L&sub4; sind ebenfalls dargestellt. Die Versorgungsleitungen 92 und die Auslaßleitungen 90 sind in vorbestimmter Weise bemessen und konfiguriert, um in diesem Ausführungsbeispiel eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur des Kühlmittels 68 zu erhalten, das von den vier Auslässen 86 abgegeben wird. Da die Auslaß und Versorgungsleitungen 90 und 92 innerhalb des Kanals 50 (wie sie in Figur 2 gezeigt sind) angeordnet sind, werden sie durch die Rekuperator-Luftströmung 34b erwärmt. Jedoch sind die Rohrleitungen 90, 92 durch den Flansch 76 gegen eine direkte Aussetzung gegenüber der Rekuperator-Luftströmung 34b abgeschirmt. Da ferner im wesentlichen gleiche Strömungs bahnlängen L&sub1;-L&sub4; vorgesehen sind, wird der Betrag der Wärmeaufnahme in dem Kühlmittel 68, das durch die Leitungen 90 und 92 geleitet wird, im allgemeinen gleich sein, um sicherzustellen, daß das Kühlmittel 68 bei einer gemeinsamen Temperatur von den Auslässen 86 abgegeben wird. Auf diese Weise kann die thermische Expansion und Kontraktion des Aufhängers 46, weil das Kühlmittel 68 durch den Kanal 64 geleitet wird, relativ gleichförmig sein, um Umfangsverformungen und irgendwelche begleitenden Umfangsänderungen in dem Schaufelspitzenspalt C zu verkleinern.
Wie schematisch in Figur 7 gezeigt ist, sind, um die gleichen Strömungsbahnlängen L&sub1;-L&sub4; in diesem Ausführungsbeispiel zu erhalten, die vier Fluidauslässe 86 in Umfangsrichtung im Abstand von etwa 90 zueinander angeordnet, und die Versorgungsleitungsauslässe 96a und 96b sind vorzugsweise in einem Abstand zueinander von etwa 180º und im Abstand zu entsprechenden Fluidauslässen 86 von etwa 45º angeordnet. Weiterhin sind die ersten und zweiten Versorgungsleitungseinlässe 94a und 94b in Umfangsrichtung im Abstand von entsprechenden Versorgungsleitungsauslässen 96a und 96b von etwa 90º angeordnet. Die ersten und zweiten Auslaßleitungen 90a und 90b sind ebenfalls vorzugsweise in Umfangsrichtung im Abstand von und gegenüber den dritten und vierten Auslaßleitungen 90c und 90d angeordnet, so daß die ersten und zweiten Versorgungsleitungen 92a und 92b und die entsprechenden, damit verbundenen Auslaßleitungen sich einander nicht überlappen.
Weiterhin können durch das Konf igurieren von Abschnitten der Auslaß- und Versorgungsleitungen 90 und 92 in Umfangsrichtung um die Mittelachse 12 herum die thermische Expansion und Kontraktion davon aufgenommen werden, um die thermisch induzierte Beanspruchung darin zu verkleinern. Um zusätzlich die thermische Beanspruchung in den Auslaßleitungen 90 aufgrund thermischer Expansion und Kontraktion zu verringern, enthält jede der Auslaßleitungen 90 vorzugsweise einen im wesentlichen U-förmigen Bogen 100, der in der axialen Richtung in dem in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt davon neben dem zylindrischen Abschnitt 48b des Befestigungsflansches verläuft. Die Bögen 100 sind in Figur 6 dargestellt und auch in Figur 8, die eine perspektivische Ansicht der Auslaß und Versorgungsleitungen 90 und 92 zeigt, die von der Mantelhalterung 38 entfernt sind.
Die vorstehend offenbarte, verbesserte Turbinenmantelhalterung 38 ist somit wirksamer für eine bessere Anpas sung der Zeitkonstante für die radiale Bewegung der Rotorschaufeln 44 an diejenige des Mantels 42 aufgrund des Aufhängers 46 und für eine effektive Vergrößerung des Schaufelspitzenspalt-Einschnürungspunktes während eines transienten Betriebs. Weiterhin werden Umfangsänderungen in der Temperatur des Aufhängers 46 ebenfalls verkleinert, wodurch die Rundheit des Aufhängers 46 verbessert und die entsprechenden Umfangsänderungen in dem Schaufelspitzenspalt C verkleinert werden. Die verbesserte Kühlwirkung aufgrund der Mantelhalterung 38 gemäß der Erfindung ist auch wirksam, um einen Temperaturunterschied zwischen den vorderen und hinteren Schienen 52 und 54 zu verkleinern, was auch die entsprechenden Änderungen in dem Schaufelspitzenspalt C aufgrund einer unterschiedlichen radialen Bewegung zwischen den vorderen und hinteren Schienen 52 und 54 verkleinert.
Es wurde hier zwar beschrieben, was für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gehalten wird, aber für den Fachmann ergeben sich andere Abwandlungen der Erfindung aus den hier gegebenen Lehren, und es ist deshalb beabsichtigt, daß alle derartigen Abwandlungen von den beigefügten Ansprüchen umfaßt werden, soweit sie in den Umfang der Erfindung fallen.

Claims

1. Mantelhalterung (38) mit einer longitudinalen Mittelachse (12), enthaltend:

ein ringförmiges Gehäuse (28),

einen ringförmigen Aufhänger (46), der fest mit dem Gehäuse verbunden und mit radialem Abstand innen davon angeordnet ist, um dazwischen einen ringförmigen Kanal (50) zu bilden, wobei der Aufhänger (46) koaxial um die Mittelachse (12) angeordnet ist und eine Basis (56) zur radialen Halterung eines Mantels (42), der radial über mehreren in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Turbinenschaufeln (44) po sitionierbar ist, und einen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanal (64) aufweist, der sich von der Basis (56) radial nach außen erstreckt und in Richtung auf den ringförmigen Kanal (50), gekennzeichnet durch eine Einrichtung (84) zum Kühlen des Aufhängers (46) durch Leiten eines Kühlfluids in Umfangsrichtung innerhalb des Aufhängerkanals, um eine unidirektionale Umfangsströmung darin zu erhalten.

2. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 1, wobei die Aufhänger-Kühleinrichtung (84) gekennzeichnet ist durch mehrere in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Kühlfluidauslässe (86a, 86b, 86c, 86d), die innerhalb des Aufhängerkanals (64) angeordnet und in der einen Umfangsrichtung gerichtet sind zum Abgeben des Kühlfluids innerhalb des Kanals.

3. Aufhängerhalterung (38) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidauslässe (86a, 86b, 86c, 86d) zu äquidistant zueinander angeordnet sind.

4. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 2, wobei die Aufhänger-Kühleinrichtung (84) ferner gekennzeichnet ist duch mehrere Auslaßröhren (90a, 90b, 90c, 90d), die jeweils einen der Fluidauslässe (86a, 86b, 86c, 86d) aufweisen, die in einem entfernten Ende davon innerhalb des Aufhängerkanals (64) angeordnet sind, wobei die Auslaßröhren (90a, 90b, 90c, 90d) in vorbestimmter Weise bemessen und konfiguriert sind, um eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur des Kühlfluids zu erhalten, das von den mehreren Fluidauslässen (86a, 86b, 86c, 86d) abgebbar ist.

5. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 4, wobei die Aufhänger-Kühleinrichtung (84) gekennzeichnet ist durch mehrere Versorgungsröhren (92a, 92b), die jeweils das Kühlfluid zu einem entsprechenden Paar von Auslaßröhren (90a, 9gb, 90c, 90d) leiten, wobei die Versorgungsröhren (92a, 92b) in vorbestimmter Weise bemessen und konfiguriert sind mit den Auslaßröhren (90a, 90b, 90c, 90d), um eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur des Kühlfluids zu erhalten, das von den mehreren Fuidauslässen abgebbar ist.

6. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch vier vonden Fluidauslässen (86a, 86b, 86c, 86d) und von den entsprechenden Auslaßröhren (90a, 9gb, 90c, 90d) und zwei von den Versorgungsröhren (92a, 92b), wobei jede der Versorgungsröhren (92a, 92b) einen Einlaß (94a, 94b) zum Empfangen des Kühlfluids aufweist und wobei jeder der vier Strömungspfade von einem entsprechenden der zwei Ver sorgungsrohreinlässe (94a, 94b) zu einem entsprechenden der vier Fluidauslässe (86a, 86b, 86c, 86d) durch die Versorgungs-und Auslaßröhren eine Strömungsbahnlänge Ln hat, wobei die vier Strömungsbahnlängen im wesentlichen gleich zueinander sind.

7. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch:

die vier Fluidauslässe (86a, 86b, 86c, 86d) sind im gleichen Winkelabstand voneinander angeordnet,

die ersten und zweiten (90a, 90b) der Auslaßröhren (90a, 90b, 90c, 90d) verlaufen im wesentlichen koaxial um die Mittelachse (12) und haben Einlässe (98), die mit einem Auslaß (96a) von einem ersten (92a) der Versorgungsröhren (92a, 92b) verbunden sind, dritte und vierte (90c, 90d) der Auslaßröhren (90a, 90b, 90c, 90d) verlaufen im wesentlichen koaxial um die Mittelachse (12) und haben Einlässe (98), die mit einem Auslaß (96b) von einer zweiten (92b) der Ver sorgungsröhren (92a, 92b) verbunden sind, und die ersten und zweiten Auslaßröhren (90a, 90b) sind in Umfangsrichtung im Abstand angeordnet gegenüber den dritten und vierten Auslaßröhren (90c, 90d).

8. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Versorgungsröhren (92a, 92b) im wesentlichen keaxial um die Mittelachse (12) verlaufen und die Einlässe (92a, 92b) davon benachbart zueinander angeordnet sind zum Empfangen des Kühlfluids von einem gemeinsamen Verteiler (72).

9. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Fluidauslässe (86a, 86b, 86c, 86d) mit einem Umfangsabstand von etwa 90º zueinander angeordnet sind, die ersten und zweiten Versorgungsrohrauslässe (96a, 96b) im Abstand von etwa 180º zueinander und im Abstand zwischen entsprechenden der Fluidauslässe (86a, 86b, 86c, 86d) von etwa 45º angeordnet sind und die ersten und zweiten Versorgungsrohreinlässe (94a, 94b) im Abstand von ent sprechenden der ersten und zweiten Versorgungsrohrauslässe (96a, 96b) von etwa 90º angeordnet sind.

10. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufhänger (46) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat und axial im Abstand angeordnete vordere und hintere Schienen (52, 54), die von der Basis (56) radial nach außen verlaufen, und ein axial verlaufendes Oberteil (52) aufweist, das im wesentlichen parallel zu der Basis (56) angeordnet ist, um dazwischen einen Strömungskanal (64) zu bilden.

11. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (56) mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Auslaßlöcher (66) aufweist zum Leiten von Fluid aus dem Strömungskanal (64), um gegen den Mantel (42) zu prallen.

12. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Auslaßröhren (90a, 90b, 90c, 90d) einen Schlag bzw. Stoß (100) hat zum Aufnehmen thermischer Bewegung der Auslaßröhre (90).

13. Mantelhalterung (38) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufhänger (46) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat und mit axialem Abstand angeordnete vordere und hintere Schienen (52, 54), die von der Basis (56) radial nach außen verlaufen, und ein axial verlaufendes Oberteil (62) aufweist, das im wesentlichen parallel zu der Basis (56) angeordnet ist, um dazwischen den Strömungskanal (64) zu bilden.