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Die
Erfindung betrifft Turbinenmaschinenrotoranordnungen generell und
eine äußere Laufschaufelspitzendichtungsvorrichtung
im Speziellen.
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Eine
typische Gasturbinenmaschine weist einen Bläser, einen Verdichter, eine
Brennkammereinrichtung und eine Turbine auf, die entlang einer gemeinsamen
Längsachse
angeordnet sind. Der Bläser-
und Verdichterabschnitt bringen auf die in die Maschine eingesogene
Luft Arbeit auf, erhöhen
den Druck und die Temperatur der Luft. Brennstoff wird der bearbeiteten
Luft zugeführt
und in der Brennkammereinrichtung verbrannt. Die Temperatur der
Kerngasströmung
nimmt infolge der Verbrennung zu. Die Größe der Zunahme hängt von
einigen Faktoren einschließlich
der Menge an in den Brennkammereinrichtungen zugeführtem Brennstoff
ab. Die Verbrennungsprodukte und sämtliche unverbrannte Luft,
die nachfolgend als Kerngasströmung
bezeichnet werden, treiben anschließend die Turbine an und verlassen
die Maschine und erzeugen Schub.
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In
den meisten Fällen
weist die Turbine einige Stufen auf, von denen jede eine Rotoranordnung und
mindestens eine stationäre
Leitschaufelanordnung aufweist. Die Kerngasströmung lässt die Rotoranordnungen rotieren
und ermöglicht
es so den Rotoranordnungen, anderswo in der Maschine Arbeit zu verrichten.
Die stationären
Leitschaufelanordnungen, die vor und/oder hinter den Rotoranordnungen positioniert
sind, führen
die in die Rotoranordnungen gelangende und/oder diese verlassende
Kerngasströmung.
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Unter
Gleichgewichtsbedingungen bei einer vorgegebenen Höhe korreliert
die Leistungseinstellung einer Maschine mit einer speziellen Strömungsrate
an Brennstoff, der in die Brennkammereinrichtungen injiziert wird.
Das Schubniveau, welches für das
Volumen an verbranntem Brennstoff erzeugt wird, kann man als "schubspezifischen
Brennstoffverbrauch" (thrust
specific fuel consumption) der Maschine bei dieser Leistungseinstellung
bezeichnen. Anderseits wird während Übergangszeiträumen, wenn
die Maschine von einer ersten stationären Leistungseinstellung auf
eine zweite stationäre
Leistungseinstellung beschleunigt wird, zusätzlicher Brennstoff benötigt, um
das gleiche Schubniveau beizubehalten. Somit nimmt der schubspezifische Brennstoffverbrauch
der Maschine ab und auch die Effizienz der Maschine.
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Eine
bedeutende Ursache für
verminderte Maschineneffizienz ist ungleiche Wärmeausdehnung in der Maschine,
beispielsweise zwischen den Laufschaufelspitzen der Turbinenrotoranordnungen
und dem diese umgebenden Kranz. Kerngasströmung, die zwischen den Spitzen
der Laufschaufeln der Rotoranordnung und dem Kranz strömen kann,
bewirkt kein Rotieren der Rotoranordnungen und trägt deshalb
nicht zu der in der Maschine verrichteten Arbeit bei. Dieses unerwünschte zusätzliche
Spiel ist während
einer schnellen Beschleunigung am meisten ausgeprägt. Scharfes
Verlangsamen kann andererseits zur Folge haben, dass der Kranz sich
viel schneller zusammenzieht als die Rotoranordnung und möglicherweise
zu einem Kontakt zwischen den Rotorlaufschaufeln und dem Kranz führen. Deshalb gibt
es ein Spannungsfeld zwischen dem Minimieren des Spiels zwischen
den Laufschaufelspitzen und dem Kranz aus Gründen der Leistung und dem Beibehalten
eines adäquaten
Spiels, um Wärmeausdehnung
und Kontraktion der Rotoranordnung und des Kranzes aufzunehmen.
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Hochleistungsflugzeuge,
die von Gasturbinenmaschinen angetrieben werden, benötigen Triebwerke,
die schnell auf Änderungen
in der Leistungseinstellung der Maschine reagieren. Leistungseinstellungsänderungen
werden typischerweise durch das Ändern
der Brennstoffströmungsrate
in die Maschine bewerkstelligt, obwohl das Verfahren zum Bestimmen
der maximal zulässigen Änderungen
variiert. Bei manchen Kontrollverfahren ist die durch eine Turbinenmaschine
erzeugte Leistung durch die Kerngasströmungstemperatur in der Turbine
dieser Maschine begrenzt. Die Kerngasströmungstemperatur wird als ein
limitierender Faktor verwendet, um zu vermeiden, dass die Turbinenbauteile
einer Temperatur ausgesetzt werden, die die Nutzungslebensdauer
der Bauteile unter ein akzeptables Niveau reduziert. Die Brennstoffströmungsrate
und somit der erzeugte Schub können
bei einem Turbinentemperaturkontrollverfahren erhöht werden,
bis die maximale Turbinentemperatur erreicht ist.
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Ein
Nachteil dieses Ansatzes ist, dass während einer Übergangsstufe
der maximal mögliche Schub
möglicherweise
nicht verfügbar
ist. Beispielsweise kann während
einer scharfen Beschleunigung die Brennstoffströmung dramatisch erhöht werden, bis
die maximal zulässige
Turbinentemperatur erreicht ist. Die Zeitdauer, die benötigt wird,
um die maximal zulässige
Temperatur zu erreichen ist jedoch geringer als die Zeitdauer, die
die Wärmeausdehnung
der Rotoranordnung benötigt,
um die Wärmeausdehnung
des Kranzes aufzuholen. In der Folge nimmt das Spiel zwischen dem
Gehäuse
und den Rotorlaufschaufelspitzen zu. Die sich ergebende Ineffizienz
verringert den verfügbaren
Schub, bis die Maschine einen Stationärzustand erreicht, bei dem der
maximal verfügbare
Schub erzeugt wird. Die Zeitdauer zwischen der Anforderung nach
maximaler Leistung und der Zeit, nach der die maximale Leistung
verfügbar
ist, stellt einen Nachlauf bei der Leistung dar. Der Fachmann wird
erkennen, dass jeglicher Nachlauf bei der maximal verfügbaren Leistung ein
ernster Nachteil für
ein Hochleistungsflugzeug ist.
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Um
diesen unerwünschten
Nachlauf zu vermeiden, verwenden andere Kontrollverfahren die Druckdifferenz über dem
Lufteinlass und dem Turbinenauslass, um die maximal zulässigen Änderungen bei
der Leistungseinstellung zu begrenzen. Das Erhöhen der Brennstoffströmungsrate
in die Brennkammereinrichtungen wird eine fast unmittelbare Druckzunahme
in dem Turbinenabgas und deshalb auch bei der Druckdifferenz bewirken.
In der Folge ist der maximal mögliche
Schub fast unmittelbar verfügbar. Ein
Nachteil dieses Ansatzes ist, dass das Erhöhen der Brennstoffströmungsrate
bis zum Erreichen der gewünschten
Druckdifferenz, die mit der maximalen Leistung während eines Transientenzeitraums
einhergeht, die Kerngasströmungstemperatur
in der Turbine über
die maximal zulässige
Temperatur erhöht,
die mit der erwünschten
Nutzungslebensdauer der Turbinenbauteile einhergeht. Der Wert, um
den die tatsächliche
Temperatur die maximal zulässige Turbinentemperatur überschreitet
und die Expositionsdauer hängen
von der Drehzahl ab, bei der die Änderung der Turbine von Übergangszustand
auf Stationärzustand ändert. Somit
hängen
sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Turbinenbauteile
von deren Wärmeausdehnungseigenschaften der
Turbinenrotoranordnungen und des Kranzes ab.
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Das
US Patent 4 787 817 beschreibt eine Vorrichtung zum Aufhängen einer äußeren Laufschaufelspitzendichtung
in einer Gasturbinenmaschine. Das US Patent 4 565 492 beschreibt
eine andere Vorrichtung zum Aufhängen
einer äußeren Laufschaufelspitzendichtung,
welche die Merkmale aufweist, die der Oberbegriff des Anspruchs
1 der vorliegenden Erfindung hat, nämlich einen Kontrollring, eine äußere Laufschaufelluftdichtung.
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Eine
weitere Vorrichtung zum Aufhängen
einer äußeren Laufschaufelspitzendichtung
kann man in EP-A-0 132 182 finden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine bereitgestellt wie in Anspruch 1
beansprucht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Einrichtung zum nachgiebig
und elastisch Aufhängen
des Kontrollrings eine Mehrzahl von auskragenden Plättchen auf, wobei
jedes Plättchen
eine Länge,
eine Breite und eine Dicke besitzt. Jedes Plättchen erstreckt sich in Längsrichtung
im Wesentlichen parallel zu einem Reifen und der Kontrollring ist
an den auskragenden Plättchen
befestigt.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Körper eine erste thermische Zone
und eine zweite thermische Zone auf.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Turbinenabschnitts.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des in 1 gezeigten Kranzes.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Teils des Kranzes.
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4 ist
eine schematische Darstellung der Aufhängungseinrichtung in dem Kranz.
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5 ist
eine Darstellung, die die Differenz der thermischen Antwort über die
Zeit für
die erste und die zweite thermische Zone darstellt.
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Es
wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine
mit einem (nicht gezeigten) Bläser,
einem (nicht gezeigten) Verdichter, einer Brennkammereinrichtung 10 und
einer Turbine 12, die entlang einer gemeinsamen Längsachse 14 angeordnet
sind, weist einen Kranz 16 zum Abdichten in der Turbine 12 auf.
Die Turbine weist eine Rotoranordnung 18 auf, die zwischen
einer vorderen 20 und einer hinteren 22 stationären Leitschaufelanordnung angeordnet
ist.
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Jede
Leitschaufelanordnung 20, 22 weist eine Mehrzahl
von Leitschaufeln 24 auf, die umfangsmäßig um eine innere Leitschaufelabstützung 26 herum
angeordnet sind. Die Leitschaufel 24 einer jeden Anordnung 20, 22 erstrecken
sich zwischen der inneren Leitschaufelabstützung 26 und einer äußeren Leitschaufelabstützung 28, 30.
Die äußeren Leistschaufelabstützungen 28, 30 sind
an dem Diffusorgehäuse 32 angemacht.
Zu Zwecken der Klarheit werden die äußeren Leitschaufelabstützungen 28, 30 der
vorderen 20 und der hinteren 22 Leitschaufeln nachfolgend
als die vordere 28 bzw. die hintere 30 äußere Leitschaufelabstützung bezeichnet.
Die vordere äußere Leitschaufelabstützung 28 weist,
wie in der 2 gezeigt, eine Mehrzahl von
ersten Ablassöffnungen 31,
eine Mehrzahl von zweiten Ablassöffnungen 33,
einen ersten Schenkel 35 und einen zweiten Schenkel 37 auf.
Die Querschnittsfläche
einer jeden ersten Ablassöffnung 31 ist
deutlich kleiner als die Querschnittsfläche einer jeden zweiten Ablassöffnung 33.
Der erste Schenkel 35 und der zweite Schenkel 37 bilden
mit dem Diffusorgehäuse 32 einen
Ringraum 39.
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Die
Rotoranordnung 18 weist eine Mehrzahl von Laufschaufeln 34 auf,
die umfangsmäßig um eine
Scheibe 36 angeordnet sind, wobei jede Laufschaufel 34 eine
Wurzel 38 und ein Strömungsprofil 40 aufweist.
Die Scheibe 36 weist eine Nabe 42 und eine Felge 44 und
einen Steg 46 der sich dazwischen erstreckt, auf. Die Wurzeln 38 sind
in der Felge 44 der Scheibe 40 aufgenommen, und
die Strömungsprofile 40 ragen
radial nach außen.
Die äußere radiale Oberfläche 48 eines
jeden Strömungsprofils 40 kann als
die Spitze der Laufschaufel bezeichnet werden.
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Es
wird auf die 2 und 3 Bezug
genommen. Der Kranz 16 ist in einem Ringraum 49 radial
zwischen dem Diffusorgehäuse 32 und
den Laufschaufelspitzen 48 der Rotoranordnung 18 und
axial zwischen der vorderen 28 und der hinteren 30 äußeren Leitschaufelabstützung angeordnet.
Das Platzieren des Kranzes 16 zwischen der vorderen 28 und der
hinteren 30 äußeren Leitschaufelabstützung minimiert
oder eliminiert die Belastung auf den Kranz 16 von beiden
Leitschaufelanordnungen 20, 22. Der Kranz 16 weist
eine Aufhängungseinrichtung 50,
einen Kontrollring 52 und eine äußere Laufschaufelluftdichtung 54 auf.
Die Aufhängungseinrichtung 50 weist
einen Reifen 56 mit einer äußeren 58 und einer inneren 60 Radialoberfläche und
eine Federeinrichtung 62, die an der zweiten Radialoberfläche 60 befestigt
ist, auf. Die Aufhängungseinrichtung 50 ist
in dem Diffusorgehäuse 32 durch
eine Presspassung zwischen der äußeren Radialoberfläche 58 und
dem Diffusorgehäuse 32 befestigt.
Die Federeinrichtung 62 weist eine Mehrzahl von auskragenden
Plättchen 64 auf,
wobei jedes eine Länge 66,
eine Breite 68 (siehe 2) und eine
Dicke 70 aufweist. Die Plättchen 64 erstrecken
sich weg von der inneren Radialoberfläche 60 in der gleichen
Richtung jeweils um 45° um
den Umfang des Reifens 56 versetzt. Jedes Plättchen 64 erstreckt
sich in Längsrichtung
der inneren Radialoberfläche 60 benachbart
und divergiert ein Stück 72 (siehe 3)
von den Reifen 56 radial nach innen weg. Die Plättchen 64 können mit
einer radialen Federrate (KR), einer axialen
Federrate (KA) und einer umfangsmäßigen Federrate
(KC) beschrieben werden. Die Größe dieser
drei Federraten kann geändert
werden, um zu unterschiedlichen Anwendungen zu passen. In der bevorzugten
Ausführungsform ist
die radiale Federrate nachgiebiger als die axiale Federrate und
die axiale Federrate ist nachgiebiger als die umfangsmäßige Federrate.
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Es
wird auf die 2 und 3 Bezug
genommen. Der Kontrollring 52 weist einen Körper mit einer äußeren 76 und
einer inneren 78 radialen Oberfläche, einer vorderen Oberfläche 80 und
einer hinteren Oberfläche 82,
einem ersten Befestigungsmittel 84 zum Anbringen der äußeren Laufschaufelluftdichtung 54 (siehe 2),
und eine Mehrzahl von Vorsprüngen 86,
welche von der vorderen 80 und der hinteren 82 Oberfläche wegragen,
auf. Versenkte Öffnungen 88 (siehe 3)
sind um den Umfang des Kontrollrings 52 angeordnet, beabstandet,
um mit den Plättchen 64 der
Aufhängungseinrichtung 50 zusammenzufallen.
Die Einsenkungen 90 sind in der inneren Radialoberfläche 78 angeordnet,
und die Öffnungen 88 verlaufen
zwischen den Einsenkungen 90 und der äußeren Radialoberfläche 76.
Muttern- und Schrauben-Anordnungen 73 sind in den Öffnungen 88 aufgenommen,
um den Kontrollring 52 an den auskragenden Plättchen 64 der
Aufhängungseinrichtung 50 festzumachen.
Das erste Befestigungsmittel 84 weist eine Mehrzahl von
vorderen 92 und hinteren 94 Flanschen auf, die
von der inneren Radialoberfläche 78 nach
außen
ragen. Die Flansche 92, 94 sind derart geformt,
dass sie eine Gestalt eines seitlich liegenden "U" mit
der inneren Radialoberfläche 78 bilden
mit einem offenen Schlitz 96 zum Aufnehmen der äußeren Laufschaufelluftdichtung 54,
wie nachfolgend beschrieben werden wird.
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Der
Kontrollring 52 weist ferner eine erste thermische Zone 98 und
eine zweite thermische Zone 100 auf. Die thermischen Zonen 98, 100 unterscheiden
sich voneinander dadurch, dass sie sich mit unterschiedlichen Raten
ausdehnen und kontrahieren. Mit anderen Worten wird während eines
Zeitraums, der erforderlich ist, um den Kontrollring 52 von
einer Stationärabmessung
bei einer ersten Temperatur auf eine Stationärabmessung bei einer zweiten
Temperatur zu ändern,
wird die erste thermische Zone 98 eine Stationärabmessung
erreichen, bevor die zweite thermische Zone 100 eine Stationärabmessung
erreicht. In den beschriebenen Ausführungsform tragen einige Merkmale
dazu bei, den Unterschied der thermischen Antwort in den zwei thermischen
Zonen 98, 100 zu erzeugen. Diese Merkmale beinhalten:
1) unterschiedliche geometrische Gestaltungen; 2) eine Zone stärkerer Isolation
als die andere Zone; und 3) eine Einrichtung zum Verhindern von
Strömung
von thermischer Energie zwischen den zwei Zonen.
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Das
erste Merkmal wird bewirkt, indem man die erste thermische Zone 98 relativ
dünn und
deutlich weniger massiv als die zweite thermische Zone 100 ausbildet.
In der Folge durchdringt thermische Energie die erste thermische
Zone 98 in einer geringeren Zeit, als die thermische Energie
benötigt,
um die zweite Zone 100 zu durchdringen.
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Es
wird auf die 2 Bezug genommen. Das zweite
Merkmal wird dadurch erreicht, indem man ein vorderes 102 und
ein hinteres 104 Hitzeschild implementiert, die vor bzw.
hinter der zweiten thermischen Zone 100 des Kontrollrings 52 angeordnet
sind. Die Hitzeschilder 102, 104 sind an dem Kontrollring 52 mit
einer Mehrzahl von Laschen (nicht gezeigt) befestigt, die an dem
Kontrollring sowohl entlang der vorderen als auch entlang der hinteren Oberfläche aufgenommen
sind. Die Vorsprünge 86 ragen
von dem Kontrollring 52 nach außen und halten einen Spalt 106 zwischen
den Hitzeschildern 102, 104 an der jeweiligen
Seite des Kontrollrings 52 aufrecht. Luft oder ein anderes
isolierendes Material füllt den
Spalt 106.
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Das
dritte Merkmal wird erreicht, indem man ein Mittel 108 zum
Verhindern von Strömung
von thermischer Energie zwischen den thermischen Zonen 98, 100 vorsieht.
Das Mittel 108 zum Verhindern des Strömens von thermischer Energie
zwischen den thermischen Zonen 98, 100 weist eine
Mehrzahl von Öffnungen 110 auf,
welche sich zwischen der vorderen 80 und der hinteren 82 Oberfläche des
Kontrollrings 52 erstrecken, welche die erste 98 und
die zweite 100 thermische Zone trennen. Die Stege 112 zwischen
den Öffnungen 110 verbinden
die zwei thermischen Zonen 102, 104. Die Öffnungen 110 enthalten Luft
oder ein anderes isolierendes Material.
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Der
Unterschied der thermischen Reaktion in den zwei thermischen Zonen 98, 100 kann
auch erzeugt werden, indem man ein erstes Material in der ersten
thermischen Zone 98 und ein zweites Material in der zweiten
Materialzone 100 verwendet, wobei das erste und das zweite
Material unterschiedliche Wärmeeigenschaften
haben.
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Die äußere Laufschaufelluftdichtung 54 weist
einen Körper
und eine zweite Befestigungseinrichtung 103 auf. Die zweite
Befestigungseinrichtung 103 weist eine Mehrzahl von Flanschen 105 auf,
die mit dem vorderen 92 und dem hinte ren 94 Flansch des
ersten Befestigungsmittels 84 zusammenwirken, um die äußere Laufschaufelluftdichtung 54 zu
befestigen.
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Betrieb der
Vorrichtung
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Während des
Betriebs der Maschine wird entweder von dem Bläser (nicht gezeigt) oder dem Verdichter
(nicht gezeigt) abgezapfte Luft durch das Diffusorgehäuse 32 zu
dem Kranz 16 geleitet, um den Kranz 16 bei einer
niedrigeren Temperatur als der durch die Maschine strömenden Kerngasströmung zu
halten. Die Zapfluft ist jedoch nur relativ kühler. An der Zapfluft hat der
Bläser
alleine oder es haben sowohl der Bläser als auch der Verdichter
Arbeit verrichtet und sie ist deshalb bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur
relativ zu der in die Maschine gelangenden Luft. Zur weiteren Erklärung sind
der Druck und die Temperatur der Zapfluft eine Funktion der Maschinendrehzahl.
Eine Erhöhung
der Maschinendrehzahl wird die Menge an Arbeit erhöhen, welche
auf die Luft in dem Bläser
und dem Verdichter übertragen
wurde, und wird deshalb die Temperatur und den Druck der Zapfluft
erhöhen.
Umgekehrt wird eine Abnahme der Maschinendrehzahl die Menge an Arbeit
in der Zapfluft sowohl die Temperatur und den Druck der Zapfluft
verringern. Ob und um wieviel die Zapfluft die des Kranzelemente
erwärmt
oder abkühlt,
hängt deshalb
von der Richtung der Leistungseinstellungsänderung und der Größe der Änderung der
Leistungseinstellung der Maschine ab.
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Es
wird auf die 2 Bezug genommen. Bei Beschleunigungszuständen wird
Luft, an der Arbeit bis zu einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck
von dem Bläser-
und/oder dem Verdichterabschnitt verrichtet wurde, abgezapft und
anschließend
durch das Diffusorgehäuse 32 geleitet.
Bevor sie in den den Kranz 16 enthaltenden Ringraum 49 gelangt,
strömt
die Zapfluft durch die Mehrzahl von ersten Ablassöffnungen 31,
die in der vorderen äußeren Leitschaufelabstützung 28 angeordnet
sind. Die Querschnittsfläche
der ersten Ablassöffnungen 31 ist klein
genug, um eine substanzielle Druckdifferenz über die ersten Ablassöffnungen 31 zu
erzeugen. Die Druckdifferenz treibt die Zapfluft durch die ersten
Ablassöffnungen 31 mit
einer relativ hohen Geschwindigkeit in den Ringraum 39,
der von der vorderen äußeren Leitschaufelabstützung 38 ge bildet
ist. Von dort gelangt die Zapfluft durch die Mehrzahl von zweiten
Ablassöffnungen 33 und
in den Ringraum 49, der den Kranz 16 beinhaltet.
Die Querschnittsfläche
der zweiten Ablassöffnungen 33 ist
groß genug,
um wenig oder keine Druckdifferenz über die zweiten Ablassöffnungen 33 zu
erzeugen. Somit wirken die ersten 31 und die zweiten 33 Ablassöffnungen
gemeinsam mit dem von der äußeren Leitschaufelabstützung 28 gebildeten
Ringraum 39 als ein Diffusor, um: 1) eine Druckdifferenz
zwischen der Zapfluft in dem Diffusorgehäuse 32 und der Zapfluft
in dem den Kranz umgebenden Ringraum 39 zu schaffen; und
2) die Geschwindigkeit der in den den Kranz 16 umgebenden Ringraum 49 gelangenen
Zapfluft zu verringern. Das Verringern der Geschwindigkeit der Zapfluft
verringert den konvektiven Wärmeübertrag
zwischen der Luft und den Kranzelementen.
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Nachdem
sie in den den Kranz umgebenden Ringraum 49 gelangt, wird
die Luft sowohl von der Aufhängungseinrichtung 50 als
auch von der zweiten thermischen Zone 100 des Kontrollrings 52 durch
das vordere 102 und das hintere 104 Hitzeschild
weggelenkt. Die Hitzeschilder 102, 104 verhindern
einen direkten konvektiven Wärmeübertrag
zwischen der Luft und dem Kontrollring 52. Die Hitzeschilder 102, 104 halten
auch den Spalt 106 entlang der vorderen 80 und
der hinteren 82 Oberfläche
aufrecht und schützen
das in dem Spalt 106 angeordnete isolierende Material.
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Direkt
in den Ringraum 49 der ersten thermischen Zone 98 benachbart
gelangende Luft oder Luft in dem Ringraum 49, welche von
der zweiten thermischen Zone 100 in Richtung der ersten
thermischen Zone 98 abgelenkt wird, gelangt frei in die
erste thermische Zone 98 des Kontrollrings 52.
In der Folge überträgt die erste
thermische Zone 98 Wärmeenergie
hauptsächlich
durch Konvektion mit einer relativ hohen Rate. Die zweite thermische
Zone 100, die von der Luft durch die Hitzeschilder 102, 104,
das isolierende Medium zwischen den Hitzeschildern 102, 104 und
die Einrichtung zum Verhindern von Wärmeübetrag 108 zwischen
den zwei thermischen Zonen isoliert ist, ist im Gegensatz dazu gegen
die Zapfluft geschützt
und hat eine relativ niedrige Wärmeübertragsrate.
Tatsächlich
wird die thermische Energie auf die zweite thermische Zone 100 hauptsächlich durch
Leitung durch die Wärmeschilder 102, 104 und in
die Vor sprünge 86 oder
das isolierende Medium, oder durch die Stege 112 zwischen
den Öffnungen 110 geleitet,
die sich zwischen den thermischen Zonen 102, 104 erstrecken.
Die Stege 112 liefern einen minimalen Weg zwischen den
zwei thermischen Zonen 102, 104 für das Leiten
von thermischer Energie und die Luft oder anderes isolierendes Material
in den Öffnungen 110 zwischen
den zwei Zonen 102, 104 verhindert das Leiten
von thermischer Energie.
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5 zeigt
den Unterschied der thermischen Reaktion zwischen der ersten und
der zweiten thermischen Zone. Von Anlassen bis Leerlauf oder von
Leerlauf bis maximaler Leistung erreicht die erste thermische Zone 102 eine
durch das Zapfgas bestimmte Stationärtemperatur. Eine gewisse Zeitdauer später erreicht
auch die zweite thermische Zone eine Stationärtemperatur. Wie lange es dauert,
bis jede thermische Zone ihre Stationärtemperatur und deshalb ihre
Abmessung, bei einer speziellen Temperatur erreicht, ist ein Konstruktionskriterium
für die
vorliegende Anwendung. Das Ziel ist es, die thermische Reaktion
des Kranzes zu der der Rotoranordnung 18 passend zu machen,
so dass eine Berührung
vermieden ist und die Spalte zwischen den Laufschaufelspitzen 48 und
der äußeren Laufschaufelluftdichtung 54 unter
Verwendung der vorangehend beschriebenen Verfahren bei einem Minimum
gehalten sind. Folglich wäre
eine Darstellung Temperatur/Zeit oder Radialabmessung/Zeit für die Rotoranordnung 18 ähnlich zu
der in 5 gezeigten Darstellung.
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Bei
Verlangsamungszuständen
ist der Prozess der gleiche wie für die Beschleunigung beschrieben,
mit der Ausnahme, dass die Zapfluft anfangs kälter ist als der Kranz 16 und
deshalb als eine Wärmesenke
fungiert und Wärme
von dem Kranz 16 entfernt. In der gleichen Weise, wie das
für die
Beschleunigung beschrieben wurde, bewirken die thermischen Zonen 98, 100 des
Kontrollrings 52 ein Verlangsamen des Kontrahierens (im
Gegensatz zu dem Expandieren) des Kranzes, um einen Berührungszustand
zu verhindern. Nach einer Zeitdauer erreicht die Änderung
in der Wärmeübetragsrate
von dem Kranz 16 auf die Zapfluft Null und der Kranz 16 nimmt eine
Stationärtemperatur
ein.
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Obwohl
es ein wichtiger Aspekt der Laufschaufelspielkontrolle ist, wird
ein Passendmachen der thermischen Reaktion des Kranzes zu der der Rotoranord nung 18 nicht
von alleine sicherstellen, dass ein korrektes Spiel zwischen Laufschaufelspitze 48 und äußerer Laufschaufelluftdichtung 54 immer beibehalten
ist. Im Gegensatz setzt ein Passendmachen der thermischen Eigenschaften
des Kranzes 16 zu denen der Rotoranordnung 18 voraus,
dass Erwärmungs-
und Abkühlzyklen
um den Umfang des Kranzes 16 gleichförmig sind. Tatsächlich ist
es üblich,
eine ungleichförmige
Erwärmung
und Abkühlung
in dem Kranz 16 und dem Diffusorgehäuse 32 und deshalb
eine fehlende Konzentrizität
zu der Rotoranordnung 18 zu haben. Außerdem sind Gasturbinenmaschinen,
die an einem Flugzeug befestigt sind, typischerweise Gravitationskräften während Manövern unterworfen.
Das trifft insbesondere für
Hochleistungsflugzeuge zu. Gravitationskräfte und eine Belastung der
Leitschaufelanordnung können
das Diffusorgehäuse 32 und/oder
ein darin angebrachtes Laufschaufelspielkontrollsystem zeitweise
unrund oder relativ zueinander exzentrisch werden lassen.
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Die
vorliegende Erfindung löst
diese Punkte durch 1) Befestigen des Kranzes 16 in einem
Ringraum 49 zwischen der vorderen 28 und der hinteren 30 äußeren Leitschaufelabstützung, unabhängig von den äußeren Leitschaufelabstützungen 28, 30;
und 2) durch das Vorsehen einer Aufhängungseinrichtung 50 mit
einer Federeinrichtung 62. Das Befestigen des Kranzes 16 in
dem Ringraum 49 zwischen der vorderen 28 und der
hinteren 30 äußeren Leitschaufelabstützung unabhängig von
Leitschaufelabstützungen
wie vorangehend beschrieben, ermöglicht
es, die Belastung auf die Leitschaufelabstützungen 28, 30 direkt
auf das Diffusorgehäuse 32 und nicht
auf den Kranz 16 der vorliegenden Erfindung zu übertragen.
In der Folge antwortet der Kranz 16 effektiver sowohl auf
gleichförmige
als auch ungleichförmige
Verformungen und/oder Belastungen auf die Rotoranordnungen 18.
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Die
Federeinrichtung 62 der Aufhängungseinrichtung 50 nimmt
sowohl eine gleichförmige
als auch eine ungleichförmige
Belastung durch das Aufhängen
des Kontrollrings 52 und der äußeren Laufschaufelluftdichtung 54 radial,
axial und umfangsmäßig auf.
Radiale Ausdehnung oder radiale Kontraktion des Kontrollrings 52 wird
durch eine dickenmäßige Verformung
der auskragenden Plättchen 64 aufgenommen.
Wenn die radiale Ausdehnung oder Kontraktion des Kontrollrings 52 nicht
gleichförmig
ist, oder wenn das Diffusorgehäuse 32 unrund
verformt wird, verformen sich die auskragenden Plättchen 64, die
um den Umfang der Aufhängungseinrichtung 50 angeordnet
sind, wo das passend ist, um den Effekt der Exzentrizität auf den
Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen 48 und der äußeren Laufschaufelluftdichtung 54 zu
minimieren oder zu eliminieren. 4 zeigt
die umfangsmäßige Verteilung
der radialen Federkomponenten (KA) der Federeinrichtungen 62, welche
eine gleichförmige
und ungleichförmige
Belastung erlauben.
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Dem
Kranz durch eine Verformung in dem Diffusorgehäuse 32 oder durch
Gravitätskräfte vermittelte
Axialkräfte
werden durch eine breitenmäßige Verformung
der auskragenden Plättchen 64 ausgenommen.
Außerdem
schafft die breitenmäßige Verformung
der auskragenden Plättchen 64 eine
Vorspannkraft zu Beibehalten der äußeren Laufschaufelluftdichtung 54 in
Position. Eine Presspassung zwischen einer äußeren hinteren Laufschaufelabstützungsdichtungsanordnung 116 und
der äußeren Laufschaufelluftdichtung 54 bringt
eine Axialkraft nach vorne gegen den Kontrollring 52 auf,
der die auskragenden Plättchen 64 entgegenwirken. 4 zeigt
die umfangsmäßige Verteilung
der axialen Federkomponenten (KA – gezeigt
rechtwinklig zur Ebene der Seite) der Federeinrichtung 62,
welche die gleichförmige
und ungleichförmige
Belastung erlaubt.
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Umfangsmäßige Kräfte, welche
auf den Kontrollring 52 wirken, werden durch die längsmäßige Verformung
der auskragenden Plättchen 64 aufgenommen.
An entgegengesetzten Seiten der Aufhängungseinrichtung 50 angeordnete
auskragende Plättchen 64 stellen
sicher, dass der Kontrollring 52 zu der Rotoranordnung 18 konzentrisch
bleibt, wenn umfangsmäßige Kräfte auf
den Kranz 16 aufgebracht werden. Während Flugzeugmanövern erfährt der Kranz 16 Gravitationsbelastungen
in einer speziellen Richtung in Reaktion auf die von dem Piloten
ausgeführten
Manöver.
Die gleichförmige
Verteilung der auskragenden Plättchen 64 um
den Umfang der Aufhängungseinrichtung 50,
wie man in der 4 schematisch erkennen kann,
stellen sicher, dass mindestens zwei auskragende Plättchen 64 (KC) den Kontrollring 52 einer in
Kompression und einer unter Zug, unabhängig von der Richtung der Gravitationskraft abstützen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen
gezeigt beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen
in der Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
Erfindung abzuweichen. Beispielsweise wurde die Aufhängungseinrichtung 50 des
Kranzes 16 mit acht auskragenden Plättchen 64 beschrieben.
In alternativen Ausführungsformen
können
mehr oder weniger als acht auskragende Plättchen 64 vorhanden
sein. In einem anderen Beispiel wurde die Federeinrichtung 62 als
an der Aufhängungseinrichtung 50 angebracht
beschrieben. Alternativ kann es vorteilhaft sein, die Federeinrichtung 62 an
dem Kontrollring 52 oder unabhängig zwischen dem Kontrollring 52 und dem
Diffusorgehäuse 32 anzuordnen.
In einem weiteren Beispiel ist die Einrichtung 108 zum
Verhindern des Strömens
von Wärmeenergie
zwischen den thermischen Zonen 98, 100 als eine
Mehrzahl von Öffnungen 110 beschrieben,
die zwischen der vorderen 80 und hinteren 82 Oberfläche des
Kontrollrings 52 verlaufen. Alternativ kann die Einrichtung
ein isolierendes Material sein, welches zwischen den zwei Zonen
befestigt ist. In einem weiteren Beispiel weist die vordere äußere Leitschaufelabstützung 28 Öffnungen 31, 33 auf
und bildet einen Ringraum 39, der es ihr ermöglicht,
als ein Diffusor für
die Zapfluft zu wirken, die in den den Kranz 16 umgebenden
Ringraum 49 gelangt. In alternativen Ausführungsformen
kann vorteilhaft sein, unabhängig
von der vorderen äußeren Leitschaufelabstützung einen
Diffusor zu haben.
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Die
vorliegende Erfindung wurde anhand des Beispiels eines Kranzes 16 beschrieben,
der eine Rotoranordnung 18 in dem Turbinenabschnitt einer
Gasturbinenmaschine umgibt. Alternativ kann der Kranz 16 auch
um den Umfang einer Rotoranordnung verwendet werden, die in einem
Verdichterabschnitt einer Gasturbinenmaschine oder einer anderen
Rotoranordnung, die einer Hochtemperaturfluidströmung ausgesetzt ist, wo das
Abdichten zwischen der Rotoranordnung und dem Kranz kritisch ist.
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Aus
der vorangegangenen Beschreibung wird man erkennen, dass die Erfindung
in ihren bevorzugten Ausführungsformen
eine äußere Rotorlaufschaufelspitzendichtungsvorrichtung
bereitstellt, welche das Abdichten zwischen den Laufschaufelspitzen
einer Rotoranordnung und dem Gehäuse der Anordnung
verbessert, welche die thermische Expansion in einer Rotoranordnung
aufnimmt, was die Effizienz der Turbinenmaschine erhöht und die
Haltbarkeit der Rotoranordnung verbessert.
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Das
Abdichten zwischen den Laufschaufelspitzen der Rotoranordnung und
dem Gehäuse
der Anordnung ist verbessert, da die thermische Reaktion des Kranzes
maßgeschneidert
ist auf die thermische Reaktion der Rotoranordnung. In der Folge
sind Ungleichheiten in der thermischen Reaktion minimiert oder eliminiert
und ein gleichförmigerer
Spalt ist geschaffen.
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Die
Effizienz der Maschine ist verbessert, da die für den Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen und
dem Kranz gelieferte Gleichförmigkeit
die Effizienz der Maschine erhöht,
indem sie die Verwendung eines schmaleren Spalt erlaubt. Die Effizienz
ist auch erhöht,
indem konsistent ein spezieller Spalt beibehalten ist. Die thermische
Reaktion des Kranzes ist auf die der Rotoranordnung maßgeschneidert,
um Fluktuationen in dem Spalt dazwischen zu minimieren oder zu eliminieren.
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Die
Haltbarkeit der Rotoranordnung ist dadurch verbessert, dass ein
gleichförmigerer
Spalt zwischen dem Kranz und der Rotoranordnung vorgesehen ist und
deshalb zwischen den beiden eine Berührung vermieden ist. Eine Berührung zwischen dem
Kranz und den Rotorlaufschaufeln kann einen vorzeitigen Verschleiß oder ein
Versagen verursachen. Die Haltbarkeit ist auch in einer durch ein Druckdifferenzverfahren
gesteuerten Maschine verbessert, weil das Aussetzen von Turbinenbauteilen unerwünschten
Temperaturen minimiert ist.
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Eine
Leistungsverbesserung für
eine gemäß einem
Turbinentemperaturkontrollverfahren gesteuerte Maschine wird auch
erreicht. Die maßgeschneiderte
thermische Reaktion der Rotoranordnung und des Kranzes minimiert
die Spaltvariationen dazwischen. Die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt,
zu dem die Kerngasströmung
die maximal zulässige Temperatur
erreicht, und der Zeit, die benötigt
wird, bis die thermische Reaktion der Rotoranordnung und des Kranzes
gleichförmig
werden, ist deshalb minimiert und die mit dieser Zeitdauer einhergehenden Ineffizienzen
sind ebenso minimiert.