DE69719579T2

DE69719579T2 - Rotorschaufelspitzenabdichtung einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE69719579T2
Application number: DE69719579T
Authority: DE
Inventors: Terence R. Pellow
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1997-01-20
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: GB2310255B; GB9602842D0; DE69719579D1; EP0790390A3; EP0790390A2; EP0790390B1; GB2310255A; US5772400A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke, und mehr im einzelnen auf eine Einrichtung zur Steuerung des Spielraums zwischen Rotorschaufeln und einer umgebenden Wand eines Gasturbinentriebwerksverdichters bzw. -Rotors.
Um die Effizienz von Turbomaschinen zu steigern, ist es allgemein bekannt, den kleinstmöglichen Spielraum zwischen den Rotorschaufeln und der umgebenden Wand aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, daß nur sehr wenig des Arbeitsmediums durch den Spielraum hindurchgelangt.
Es ist auch bekannt, einen gesteigerten Spielraum zwischen den Rotorschaufeln und der umgebenden Wand zu haben, um sicherzustellen, daß die Rotorschaufeln während Übergangsbedingungen oder während heftigen Manövern eines Flugzeugs, an welchem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, nicht schleifen.
Das US-Patent Nr. 4 849 895 beschreibt ein System zum Einstellen eines Radialspalts zwischen den Spitzen der Schaufeln einer Turbinenrotorstufe und umgebenden Statorelementen wie beispielsweise Wandelementen. Das System steuert den radialen Spielraum mittels eines Ventils im Luftströmungskanal, das durch ein Signal aktiviert wird, das auch von einem elektronischen Rechner ausgeführten Echtzeitberechnungen beruht. Die Spielraumsteuerung wird durch Variieren der Kühlluftmenge erreicht, die entsprechend den Rechnerberechnungen zum Turbinenabschnitt zugeführt wird. Bei einer Anordnung wird die Luft auf das Äußere des Turbinengehäuses in Form von Strahlen aus einem umgebenden Luftverteiler gerichtet. Bei einer anderen Anordnung wird die Luftzufuhr vom Ventil in eine Ringkammer um das Turbinengehäuse geleitet, aus welcher die Luft durch Kanäle in die Niederdruckturbine gelangt und von einer Stufe zur nächsten in bekannter Weise zirkuliert.
Diese bekannte Methode des Zirkulierenlassens der Kühlluft durch die Turbinenstufen wird als ineffizient betrachtet und erzeugt nicht die in Turbinenstufen, bei denen die Statorelemente um eine Statorscheibe gebaut sind, erforderliche enge Spitzenspielraumsteuerung.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer Turbomaschine mit einer neuen Einrichtung zur Steuerung des Spielraums zwischen den Rotorschaufeln und einer umgebenden Wand.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Turbomaschine vorgesehen mit einem Rotor, der eine Vielzahl radial nach außen ragender Rotorschaufeln aufweist, weiter mit einer Statorbaugruppe auf einer Seite des Rotors, die eine Statorscheibe und eine Vielzahl von Statorschaufeln aufweist, die in einer ersten Stufe radial auswärts von der Statorscheibe verlaufend angeordnet sind, ferner mit Wandmitteln, welche die Rotorschaufeln mit radialem Spielraum umgeben, wobei eine entgegengesetzte Seite der Wandmittel zwischen einem inneren und einem äußeren Radialanschlag an einer benachbarten Statorbaugruppe gelegen ist, um die Radialbewegung der Wandmittel zu begrenzen, und mit Strömungszufuhrmitteln, die durch Ventilmittel gesteuert werden, und mindestens einen Kanal aufweisen, der radial durch die Statorbaugruppe verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandmittel an einer Seite von der ersten Stufe der Statorschaufeln auskragend angeordnet ist und der mindestens eine Kanal so angeordnet ist, daß er eine Strömungsmittelzufuhr direkt auf die Statorscheibe auftreffend richtet, und daß die Ventilmittel zur Steuerung der Strömungsmittelzufuhr auf die Scheibe zum Beeinflussen der Temperatur und daher des Durchmessers der Scheibe und dadurch zur Steuerung des radialen Spielraums zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln und den Wandmitteln (34) betätigt werden.
Vorzugsweise sind die Statorscheibe und die erste Stufe von Statorschaufeln stromab der Rotorschaufeln angeordnet.
Vorzugsweise umfassen die Ventilmittel ein Ein/Aus-Ventil, das so angeordnet ist, daß in einer ersten Betriebsart Kühl- oder Heizmedium zugeführt wird und in einer zweiten Betriebsart die Zufuhr von Kühl- oder Heizmedium beendigt wird.
Vorzugsweise ist die Zufuhr von Kühl- oder Heizmedium eine Zufuhr von Kühlmedium zum Kühlen der Statorscheibe, und die Ventilmittel sind so angeordnet, daß sie Kühlmedium zur Statorscheibe zuführen, um die Statorscheibe zu kühlen und den Spielraum zwischen der Wand und den Rotorschaufeln während des Reiseflugs vermindern, und die Ventilmittel sind so ausgelegt, daß sie die Zufuhr von Kühlmedium zur Statorscheibe im Hochdrehzahlbetrieb der Turbomaschine beenden, um den Spielraum zwischen der Wand und den Rotorschaufeln zu vergrößern.
Vorzugsweise ist die Turbomaschine ein Gasturbinentriebwerk.
Der Rotor kann ein Turbinenrotor und der Stator ein Turbinenstator sein.
Die Mitteln zur Zufuhr von Kühl- oder Heizmedium können Ansatzmittel zum Anzapfen von Medium aus dem Verdichter des Gasturbinentriebwerks umfassen.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen vollständiger beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung, wobei ein Turbinenabschnitt dargestellt ist,
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch den Turbinenabschnitt des Gasturbinentriebwerks nach Fig. 1, und
Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch den Turbinenteil des Gasturbinentriebwerks nach Fig. 1, wobei eine alternative Ausführungsform dargestellt ist.
Eine Gasturbinentriebwerks-Turbomaschine 10 ist in Fig. 1 dargestellt und weist, strömungstechnisch in Reihe angeordnet, einen Einlauf 12, einen Verdichterabschnitt 14, einen Verbrennungsabschnitt 16, einen Turbinenabschnitt 18 und eine Abgasdüse 20 auf. Der Verdichterabschnitt 14 ist so ausgelegt, daß er von dem Turbinenabschnitt 18 angetrieben wird, und der Verdichterabschnitt 14 kann einen oder mehrere Verdichterrotoren (nicht dargestellt) aufweisen, die durch einen oder mehrere Turbinenrotoren 26 über Wellen (nicht dargestellt) angetrieben werden. Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in völlig herkömmlicher Weise dahingehend, daß Luft verdichtet wird, während sie durch den Verdichterabschnitt 14 zum Brennabschnitt 14 strömt. Brennstoff wird in eine Brennkammer 22 im Verbrennungsabschnitt 16 eingespritzt und wird in der vom Verdichterabschnitt 14 zugeführten Luft zur Erzeugung heißer Gase verpackt. Die heißen Gase strömen aus dem Verbrennungsabschnitt 16 durch den Turbinenabschnitt 18 aus und durch die Abgasdüse 20 in die Atmosphäre. Die heißen Abgase treiben den Turbinenabschnitt 18 an, der wiederum den Verdichterabschnitt 14 antreibt.
Der Turbinenabschnitt 18 weist eine Stufe aus Hochdruck-Düsenleitschaufeln 24 auf, zwischen denen die heißen Abgase aus der Brennkammer 22 hindurch in den Turbinenabschnitt strömen. Ein Hochdruck-Turbinenrotor 26 ist stromab der Hochdruck- Düsenleitschaufeln 24 angeordnet, und der Hochdruck-Turbinenrotor 26 trägt eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten, radial vorstehenden Turbinenschaufeln 28. Stromab der Turbinenschaufeln 28 ist eine Stufe von Niederdruck-Strömungsleitschaufeln 30 angeordnet, die umfangsmäßig um eine Niederdruck-Statorscheibe 32 herum angeordnet sind und radial von dieser abstehen. Eine Wand 34 ist um die Spitzen der Hochdruck- Turbinenschaufeln 28 herum angeordnet und davon durch einen Spielraum 36 beabstandet. Das stromabwärtige Ende 38 der Wand 34 ragt über die Niederdruck-Düsenleitschaufeln 30 aus, während das stromaufwärtige Ende 40 der Wand 34 zwischen zwei radialen Anschlägen, nämlich einem radial inneren Anschlag 42 und einem radial äußeren Anschlag 44, an den Hochdruck-Düsenleitschaufeln 24 gelegen ist.
Ein Gehäuse 46 umschließt die Düsenleitschaufeln 24 und 30 sowie die Wand 34 und bildet zusammen mit einem Bauteil 48 eine Ringkammer 50, die Kühlluft aus Zufuhröffnungen 52 aufnimmt. Das Bauteil 48, das unmittelbar die Wand 34 umschließend angeordnet ist, ist mit einer Vielzahl von Bohrungen 54 versehen, damit Luft von innerhalb der Kammer 50 in Richtung der Wand 34 austreten kann, um durch Auftreffen auf die Wand 34 diese zu kühlen. Verbrauchte Kühlluft strömt durch weitere Öffnungen 56 in der Wand 54 in den Gasstrom, der durch den Turbinenabschnitt 18 strömt.
Die Niederdruck-Düsenleitschaufeln 30 sind mit einem oder mehreren Kanälen 58 versehen, die radial durch die Niederdruck-Düsenleitschaufeln 30 verlaufen. Diese Kanäle verbinden eine Kammer 60, die zwischen dem Gehäuse 46 und dem Niederdruck- Düsenleitschaufeln 30 gebildet ist, mit einer Kammer 62, die zwischen der Statorscheibe 32 und den Niederdruck-Düsenleitschaufeln 30 gebildet ist.
Die Kammer 60 ist mit einer Ansatzeinrichtung 63 am Verdichterabschnitt 14 des Gasturbinentriebwerks 10 verbunden. Die Ansatzeinrichtung 63 besteht aus einer Vielzahl von Öffnungen 64 im Gehäuse 66 des Verdichterabschnitts 14, wodurch Luft mit einem geeigneten Druck und einer geeigneten Temperatur aus dem Verdichterabschnitt 14 abgezapft werden kann. Diese Luft wird durch eine Leitung 68 und ein Ventil 70 zur Kammer 60 zugeführt.
Die Kanäle 58 in den Niederdruck-Düsenleitschaufeln 30 sind vorzugsweise so ausgelegt, daß sie die Kühlluft aus dem Verdichterabschnitt 14 so austreten lassen, daß diese direkt auf die Statorscheibe 32 auftrifft, um einen maximalen Kühleffekt zu bewirken, d. h. unter 90º zur Statorscheibenoberfläche. Alternativ dazu kann die Kühlluft aus den Kanälen 58 auch so gelenkt werden, daß sie entlang der Oberfläche der Statorscheibe 32 in radial einwärtiger Richtung strömt.
Das Ventil 70 ist ein Zweistellungs-Auf-Zu-Ventil und wird vorzugsweise durch das Triebwerk oder ein Flugzeugregelsystem betätigt. Beispielsweise wird die Änderungsgeschwindigkeit der Drossel, die Brennstoffströmung oder ein sonstiges Flugzeugregelsollsignal überwacht und zur Änderung der Stellung des Ventils 70 benutzt. Alternativ dazu könnte der Pilot die Stellung des Ventils 70 umschalten.
Im Betrieb wird für eine maximale Brennstoffeffizienz das Ventil 70 geöffnet, so daß Kühlluft aus dem Verdichterabschnitt 14 durch die Leitung 68 zur Kammer 60 abgezapft werden kann. Die Kühlluft strömt dann aus der Kammer 60 durch die Kanäle 58 in die Niederdruck-Düsenleitschaufeln 30 in die Kammer 62. Aus den Kanälen 58 austretende Kühlluft wird gegen oder über die Statorscheibe 32 geleitet, kühlt diese und verringert deren Durchmesser, was wiederum bewirkt, daß die Niederdruck-Düsenleitschaufel 30 radial einwärts bewegt werden. Diese radiale Einwärtsbewegung der Niederdruck- Düsenleitschaufeln 30 bewirkt, daß die Wand 34 sich ebenfalls radial einwärts bewegt, wodurch der Spielraum 36 zwischen der Wand 34 und den Spitzen der Rotorschaufeln 28 verringert wird. Das Ventil 70 wird beispielsweise während Reiseflugbedingungen eines Flugzeugs betätigt, wenn die Drehzahl des Triebwerks relativ konstant bleibt.
Zur Verringerung der Möglichkeit eines Schleifens der Spitzen 28 der Turbinenschaufeln an der Wand 34 wird das Ventil 70 geschlossen, um zu verhindern, daß Kühlluft aus dem Verdichterabschnitt 14 zur Kühlung der Statorscheibe 32 strömt. Die nun heißere Statorscheibe 34 nimmt im Durchmesser mit entsprechender radialer Auswärtsbewegung der Niederdruck-Düsenleitschaufeln 30 und der Wand 34 zu, um den Spielraum 36 zwischen der Wand 34 und den Spitzen der Rotorschaufeln 28 zu vergrößern. Das Ventil 70 wird beispielsweise während Übergangsbedingungen und heftigen Flugzeugmanövern geschlossen.
Beispielsweise bei einem Kühlluftstrom zu der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist zu erwarten, daß dies eine Verringerung des Durchmessers der Statorscheibe 32 um 0,4 mm und eine Verringerung des Spielraums der Hinterkante der Turbinenschaufel im Punkt A um 0,5 mm, sowie eine Verringerung des Spielraums an der Vorderkante der Turbinenschaufel am Punkt B um 0,59 mm bewirkt. Dies ergibt die größte Bewegung an der Vorderkante der Turbinenschaufel 28.
In Fig. 3 ist die Wand 34 an ihrem stromaufwärtigen Ende 40 auf die Hochdruck- Düsenleitschaufeln 24 austragend ausgebildet, was die größte Bewegung an der Hinterkante der Turbinenschaufel 28 ergibt.
Die Wand kann von den Niederdruck-Düsenleitschaufeln oder Hochdruck- Düsenleitschaufeln austragend ausgebildet sein, in dem die Wand am Mittelteil eines Hebels aufgehängt wird, der um die Hochdruck-Düsenleitschaufeln oder die Niederdruck- Düsenleitschaufeln schwenkbar ist. Dies würde sicherstellen, daß der Spielraum an allen Punkten zwischen der Wand und den Rotorschaufeln gleichförmig verändert wird.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf Gasturbinentriebwerke beschrieben worden ist, ist sie gleichermaßen bei anderen Turbomaschinen anwendbar. Die Erfindung kann auch bei Verdichten von Gasturbinentriebwerken eingesetzt werden, und es kann möglich sein, heiße Luft oder heißes Medium zur Statorscheibe zuzuführen, um den Spielraum zu vergrößern, damit ein Schleifen vermieden wird, und während Reiseflugbedingungen keine heiße Luft zuzuführen.

Claims

1. Turbomaschine mit einem Rotor, der eine Vielzahl radial nach außen ragender Rotorschaufeln (28) aufweist, weiter mit einer Statorbaugruppe auf einer Seite des Rotors, die eine Statorscheibe (32) und eine Vielzahl von Statorschaufeln (30) aufweist, die in einer ersten Stufe radial auswärts von der Statorscheibe (32) verlaufend angeordnet sind, ferner mit Wandmitteln (34), welche die Rotorschaufeln (28) mit radialem Spielraum (A, B) umgeben, wobei eine entgegengesetzte Seite der Bandmittel (34) zwischen einem inneren und einem äußeren Radialanschlag an einer benachbarten Statorbaugruppe gelegen ist, um die Radialbewegung der Wandmittel (34) zu begrenzen, und mit Strömungsmittelzufuhrmitteln (60, 68) die durch Ventilmittel (70) gesteuert werden und mindestens einen Kanal (58) aufweisen, der radial durch die Statorbaugruppe verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandmittel (34) an einer Seite von der ersten Stufe der Statorschaufeln (30) auskragend angeordnet ist und der mindestens eine Kanal (58) so angeordnet ist, dass er eine Strömungsmittelzufuhr direkt auf die Statorscheibe (32) auftreffend richtet, und dass die Ventilmittel (70) zur Steuerung der Strömungsmittelzufuhr auf die Scheibe (32) zum Beeinflussen der Temperatur und daher des Durchmessers der Scheibe (32) und dadurch zur Steuerung des radialen Spielraums (A, B) zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln (28) und den Wandmitteln (34) betätigt werden.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, wobei die Statorscheibe (32) und die erste Stufe von Statorschaufeln (30) stromab der Rotorschaufeln (28) angeordnet sind.

3. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilmittel (70) ein Ein/Aus-Ventil aufweisen, da so angeordnet ist, dass es Kühl- oder Heizmedium in einer ersten Betriebsart zuführt und die Zufuhr des Kühl- oder Heizmediums in einer zweiten Betriebsart beendigt.

4. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zufuhr von Kühl- oder Heizmedium eine Zufuhr von Kühlmedium zum Kühlen der Statorscheibe (32) ist, wobei die Ventilmittel (70) so ausgelegt sind, dass sie Kühlmedium zur Statorscheibe (32) zum Kühlen der Statorscheibe zur Verringerung des Spielraums zwischen der Wand (34) und den Rotorschaufeln (28) während des Normallauf zuführen und die Zufuhr von Kühlmedium zur Statorscheibe (32) zur Vergrößerung des Spielraums zwischen der Wand und den Rotorschaufeln (28) während des Hochdrehzahlbetriebs der Turbomaschine beendigen.

5. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbomaschine ein Gasturbinentriebwerk ist.

6. Turbomaschine nach Anspruch 5, wobei der Rotor ein Turbinenrotor und der Stator ein Turbinenstator ist.

7. Turbomaschine nach Anspruch 6, wobei die Mittel zur Zufuhr von Kühl- oder Heizmedium Abzweigmittel zum Abzweigen von Medium vom Verdichter des Gasturbinentriebwerks umfassen.