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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere
das Schaffen einer gehärteten
Auskleidung in dem Bläsergehäuse der Maschine,
um für
den Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts
eine Beschädigung
an dem Bläsergehäuse zu minimieren.
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Eine
Gasturbinenmaschine, beispielsweise eine Turbobläsermaschine für ein Flugzeug
weist einen Bläserabschnitt,
einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen
Turbinenabschnitt auf. Eine Achse der Maschine ist zentral in der Maschine
angeordnet und verläuft
in Längsrichtung durch
diese Abschnitte. Ein primärer
Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase
verläuft
axial durch die Maschine. Ein sekundärer Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase verläuft parallel
zu und radial auswärts von
dem primären
Strömungsweg.
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Bei
Betrieb saugt der Bläser
Luft in die Maschine. Der Bläser
erhöht
den Druck der angesaugten Luft entlang des sekundären Strömungswegs und
schafft so Nutzschub. Die entlang des primären Strömungswegs in den Verdichterabschnitt
geführte Luft
wird verdichtet. Die verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungsabschnitt
kanalisiert, wo Brennstoff der verdichteten Luft zugegeben wird
und die Luft- Brennstoffmischung verbrannt wird. Die Verbrennungsprodukte
werden an den Turbinenabschnitt abgegeben. Der Turbinenabschnitt
entzieht diesen Produkten Arbeit, um den Bläser und den Verdichter anzutreiben.
Energie der Verbrennungsprodukte, die nicht zum Antreiben des Bläsers und
des Verdichters benötigt
wird, trägt
zu Nutzschub bei.
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Der
Bläserabschnitt
weist eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung auf. Die Rotoranordnung
des Bläsers
weist eine Rotorscheibe und eine Mehrzahl von nach außen ragenden
Rotorlaufschaufeln auf. Jede Rotorlaufschaufel weist einen Strömungsprofilbereich,
einen Wurzelbereich und einen Spitzenbereich auf. Der Strömungsprofilbereich
verläuft
durch den Strömungsweg
und wechselwirkt mit den Arbeitsmediumsgasen, um Energie zwischen der
Rotorlaufschaufel und den Arbeitsmediumsgasen zu übertragen.
Die Statoranordnung weist eine Bläsereinschlussgehäuseanordnung
auf, welche die Rotorananordnung in enger Nähe zu den Spitzen der Rotorlaufschaufeln
umgibt. Die Bläsereinschlussgehäuseanordnung
weist ein Bläsergehäuse auf,
welches eine Abstützstruktur
schafft, eine Mehrzahl von Textilwicklungen, die radial außerhalb
des Bläsergehäuses angeordnet
sind, eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten
Schalltafeln und eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten Reibstreifen,
die radial innerhalb des Bläsergehäuses angeordnet
sind. Konventionelle Bläsergehäuse sind
typischerweise ein massives Metallgehäuse, welches eine starre Struktur
zum Abstützen
der Textilwicklungen bildet. Die Mehrzahl von Reibstreifen ist aus
einem relativ nachgiebigen Material gebildet. Im Falle eines Kontakts
der Spitze einer Bläserlaufschaufel
mit den Reibstreifen minimiert die Nachgiebigkeit der Reibstreifen
das Risiko einer Beschädigung
der Bläserlaufschaufel.
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Es
gibt zwei spezifische Spiele zwischen den Bläserlaufschaufelspitzen und
der Bläsereinschlussgehäuseanordnung,
die von Bedeutung sind. Das erste ist als ein Leistungsspiel gekennzeichnet
und ist definiert als das Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen
und dem weichen Reibstreifen in der inneren Oberfläche des
Bläsergehäuses. Das
zweite Spiel ist als ein effektives Strukturspiel gekennzeichnet
und ist definiert als das Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen
und einer harten Metalloberfläche
in dem Bläsergehäuse. Die
vorliegende Erfindung betrifft dieses strukturelle Spiel im Gegensatz
zu dem Leistungsspiel.
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Es
kann in einer Maschine insbesondere nach dem Abbrechen einer Bläserlaufschaufel
von der Rotoranordnung zu einer beträchtlichen Rotorunwucht kommen.
Ein Grund für
einen Bläserlaufschaufelverlust
ist der Aufprall von Fremdkörpern, beispielsweise
Vögeln,
Hagelkörnern
oder anderen Gegenständen,
die hier gelegentlich in die Maschine aufgenommen werden. Die losgelöste Bläserlaufschaufel
wird nach außen
geworfen und geht durch das Bläsergehäuse, wird
jedoch typischerweise von den Textilwindungen in der Bläsereinschlussgehäuseanordnung
gefangen. Ein Laufschaufelverlust führt zu einer Unwucht in dem
Rotor und bewirkt ein Verformen der Rotorwelle radial nach außen. Das
Verformen der Rotorwelle weg aus ihrer Längsachse kann zu zusätzlicher
Schädigung
der Rotoranordnung führen.
Je mehr sich der Rotor verformt, desto größer ist die radiale Belastung
auf den Rotorlagerabstützungen.
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Die
Bläsergehäusestruktur
stoppt die Verformung der Rotoranordnung. Die Beschädigung der Rotoranordnung
wird durch Verringern des Spiels zwischen den Bläserspitzen und dem Gehäuse verringert,
da die Wellenverformung durch den nächstkommenden Bereich der Bläsergehäuseanordnung begrenzt
ist. Das Minimieren des Ausmaßes
von radialer Verformung der Welle minimiert die Wahrscheinlichkeit,
dass es zu einem Schaden bei der Welle, den Rotorlagern und den
Lagerabstützstrukturen
kommt.
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Bisher
wurde die Verformung der Welle dadurch begrenzt, dass die Bläserlaufschaufeln
sich selbst in das Bläsergehäuse eingraben.
Dabei schneiden die Bläserlaufschaufeln
schnell das Bläsergehäuse weg
und zerstören
dieses, weil die Bläserlaufschaufeln
typischerweise aus einem härteren Material
als das Bläsergehäuse sind.
Wenn die Bläserlaufschaufeln
weiterhin rotieren, koppeln sie mit der statischen Bläsergehäusestruktur
und übertragen
die kinetische Energie der Rotorwelle auf das Gehäuse, was
ein Verdrehen und eine Beschädigung des
Gehäuses
bewirkt. In der Folge des Koppelns der Rotorwelle mit dem Bläsergehäuse werden
hohe Drehmomentlasten auf das Bläsergehäuse übertragen.
Diese Drehmomentbelastung des Bläsergehäuses während eines
Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls führt dazu,
dass riesige Lasten auf die betreffenden Maschinenbefestigungen
und die Maschinengehäusestruktur übertragen
werden.
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Deshalb
ist das Begrenzen der Rotorwellenverformung und dabei das Minimieren
der Drehmomentbelastung auf das Bläsergehäuse über die Kinetik der Rotorwelle
die Herausforderung für
moderne Gasturbinenmaschinen während
eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls.
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US-A-5,403,148
beschreibt eine Gasturbinenmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Somit
weist ein Bläsergehäuse in einer
Gasturbinenmaschine eine Auskleidung aus gehärtetem Material daran angebracht
auf, wobei während
eines Bläserlaufschaufelverlust-Zustands
die Laufschaufelspitzen an der gehärteten Auskleidung gleiten
und das zerstörerische
Wegschneiden des Bläsergehäuses verringern.
Diese Auskleidung aus gehärtetem Material
schafft eine Gleitoberfläche
für die
Laufschaufeln, damit sie umfangsmäßig darauf gleiten, und schließt aus oder
verringert das Eingraben der Laufschaufeln in das Bläsergehäuse und
minimiert somit die Drehmomentbelastung des Bläsergehäuses. Außerdem begrenzt die Bläsergehäusestruktur der
vorliegenden Erfindung die Verformung der Rotorwelle während eines
Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls.
Die Auskleidung aus gehärtetem
Material weist eine Mehrzahl von Schindeln auf.
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Ein
Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist das Minimieren einer
Beschädigung
an dem Bläsergehäuse, was
somit zu einem haltbaren Bläsergehäuse im Fall
eines Bläserlaufschaufelverlusts
führt. Die
gehärtete
Bläsergehäuseauskleidung
der vorliegenden Erfindung verringert das destruktive Wegschneiden
des Bläsergehäuses durch
die Bläserlaufschaufeln.
Ein weiterer Vorteil des Bläsergehäuses der
vorliegenden Erfindung ist seine Fähigkeit, eine geeignete Rückhaltestruktur
gegen die Verformung der Rotorwelle während eines Bläserlauf schaufelverlust-Vorfalls
zu schaffen. Außerdem
verringert die gehärtete
Auskleidung die Reibkräfte
und somit das von dem Rotor auf die Maschinengehäuse übertragene Drehmoment. Ein
weiterer Vorteil ist die Einfachheit und sind die Kosten für das Herstellen
und das Inkorporieren der Auskleidung der vorliegenden Erfindung in
das Bläsergehäuse. Die
Einfachheit der Struktur der Auskleidung und die Verwendung wirtschaftlicher Materialien
erlaubt ein kosteneffizientes Herstellungsverfahren. Außerdem können Bläsergehäuse des
Stands der Technik auf kosteneffiziente Weise mit der Erfindung
nachgerüstet
werden.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer typischen Axialströmungsturbobläser-Gasturbinenmaschine.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht der Rotoranordnung des Stands der Technik,
die eine freigegebene Bläserlaufschaufel
zeigt.
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3 ist
eine schematische Schnittdarstellung der Bläsereinschlussgehäuseanordnung,
die ein Bläsergehäuse aufweist,
die entlang der Linien 3-3 der 2 genommen
ist.
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4 ist
eine schematische Darstellung der Bläsergehäuseauskleidung, welche die
vorliegende Erfindung beinhaltet, unter Betriebsbedingungen.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
der Bläsergehäuseauskleidung
der vorliegenden Erfindung.
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Es
wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Axialströmungs-Turbobläser-Gasturbinenmaschine 10 weist
einen Bläserabschnitt 14,
einen Verdichterabschnitt 16, einen Brennerabschnitt 18 und einen
Turbinenabschnitt 20 auf. Eine Maschinenachse Ar ist zentral
in der Maschine angeordnet und verläuft in Längsrichtung durch diese Abschnitte.
Ein primärer
Strömungsweg 22 für Arbeitsmediumsgase verläuft in Längsrichtung
entlang der Achse Ar. Der sekundäre
Strömungsweg 24 für Arbeitsmediumsgase
verläuft
parallel zu und radial außerhalb
von dem primären
Strömungsweg 22.
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Der
Bläserabschnitt 14 weist
eine Statoranordnung 27 und eine Rotoranordnung 28 auf.
Die Statoranordnung hat eine Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30,
weiche die äußere Wand
des sekundären
Strömungswegs 24 bildet.
Die Rotoranordnung 28 weist eine Rotorscheibe 32 und
eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln 34 auf. Jede Rotorlaufschaufel 34 ragt
von der Rotorscheibe 32 über die Arbeitsmediumströmungswege 22 und 24 in
die Nähe zu
der Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30 nach außen. Jede
Rotorlaufschaufel 34 hat einen Wurzelbereich 36,
eine entgegengesetzte Spitze 38 und einen Bereich 40 der
Erstreckungsmitte, der sich dazwischen erstreckt.
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Es
wird auf die 3 Bezug genommen. Eine Bläsergehäuseauskleidung 42 ist
in der Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30 angeordnet.
Die Bläsereinschlussgehäuseanordnung
umgibt die Rotoranordnung 28 in enger Nähe zu den Spitzen 38 der
Rotorlaufschaufeln 34. Die Einschlussgehäuseanordnung 30 weist
eine Auskleidung 42, eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten
Reibstreifen 44 und eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten
Schalltafeln 46 auf, die radial innerhalb einer Abstützstruktur
oder eines Bläsergehäuses 48 angeordnet
sind. Eine Mehrzahl von Textilwicklungen 50 ist radial
außerhalb
des Bläsergehäuses angeordnet. Das
Bläsergehäuse ist
typischerweise ein massives Metallgehäuse, welches eine starre Struktur
zum Abstützen
der Textilwicklungen bildet. Der Begriff "Textil" 50 beinhaltet Tape oder Band,
Webma terial oder Ähnliches,
ist jedoch nicht darauf beschränkt
und hält eine
Bläserlaufschaufel
in dem Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts
zurück.
Die Reibstreifen 44 sind aus einem relativ nachgiebigen
Material gebildet. Die Reibstreifen 44 erlauben es den
Bläserlaufschaufeln 34 in
enger Nähe
zu dem Bläsergehäuse zu sein,
um das Maß an
Luft zu minimieren, welche um die Bläserlaufschaufeln strömt, und
um somit Fluidströmungs-Leckage
um die Bläserlaufschaufeln
zu verringern, um die Bläserleistung
zu verbessern. Im Falle eines Kontakts der Spitze 38 einer
Bläserlaufschaufel 34 mit
den Reibstreifen 44 minimiert die Nachgiebigkeit der Reibstreifen
das Risiko einer Beschädigung
der Bläserlaufschaufel 34.
Die Bläsergehäuseauskleidung 42 ist
aus einem gehärteten
Material, beispielsweise Legierungen aus rostfreiem Stahl oder Nickel.
Die Nickellegierung Inconel 718 oder Legierungen aus rostfreiem
Stahl wie beispielsweise AISI 321 oder AISI 347 sind Beispiele von
Legierungen, die zum Herstellen der Auskleidung verwendet werden.
Die Auskleidung ist somit aus einem Material hergestellt, welches
härter
als das Bläserlaufschaufelspitzenmaterial
ist, bei dem es sich typischerweise um Titan handelt. Zur Vereinfachung
der Installation könnte
die Auskleidung in Form von gekrümmten Segmenten
hergestellt sein, die dann an dem Bläsergehäuse befestigt werden können. Diese
Anordnung, die eine einstückige
Auskleidung verwendet, fällt nicht
in den Umfang der vorliegenden Erfindung, diese Beschreibung wurde
jedoch beibehalten, um den Leser beim Verständnis der Erfindung zu unterstützen.
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Es
wird auf die 4 Bezug genommen. Eine segmentierte
Bläsergehäuseauskleidung
einer Maschine, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet, ist
radial außerhalb
des Reibstreifens 44 in der Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30 angeordnet. Jedes
Segment 52 oder jede Schindel ist von ihrer benachbarten
Schindel versetzt, es gibt jedoch einen Überlappungsbereich 54,
der deutlich in 5 gezeigt ist, zwischen benachbarten
Schindeln. Wie in 5 gezeigt, ist die Bläsergehäuseauskleidung 42 an
dem Bläsergehäuse 48 entweder
durch Nieten 56 oder Klebstoff, wie in 4 gezeigt,
angebracht. Die Nieten 56 sind in dem Überlappungsbereich 54 zwischen
benachbarten Schindeln positioniert.
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Im
Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts während des
Maschinenbetriebs wird die losgelöste Laufschaufel radial nach
außen
geschleudert. Sie wird typischerweise durch das Bläsergehäuse 48 hindurchgehen
und wird von den Textilwicklungen 50 in der Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30 gefangen.
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Der
Laufschaufelverlust führt
zu einer Unwucht in dem Rotor und bewirkt ein Verformen des Rotors
radial nach außen
in enge Nähe
zu dem Bläsergehäuse. Der
Abstand zwischen den Bläserlaufschaufeln
und der inneren Oberfläche
des Bläsergehäuses ist
bei modernen Maschinen minimiert, um die radiale Verformung der
Rotoranordnung zu verringern. In der Folge der Rotorverformumg und
des verringerten Spiels zwischen den Bläserlaufschaufeln und dem Bläsergehäuse schneiden
die Bläserlaufschaufelspitzen
schnell den nachgiebigen Reibstreifen 44 in der innersten
Oberfläche
der Bläsereinschlussgehäuseanordnung
weg. Die dünne Bläsergehäuseauskleidung,
die aus Schindeln gehärteter
Materialien, beispielsweise Stahl- oder Nickellegierungen hergestellt
ist, schafft eine Gleitoberfläche
für die
relativ weicheren Laufschaufeln. Die Bläserlaufschaufeln bewegen sich
umfangsmäßig entlang
der Gleitoberfläche
der Auskleidung. Das Eingraben der Laufschaufeln in das Bläsergehäuse ist
eliminiert oder verringert und in der Folge ist die unerwünschte Drehmomentbelastung
des Gehäuses verringert.
Ohne die gehärtete
Auskleidung würden die
Bläserlaufschaufeln
weiter das Bläsergehäuse wegschneiden
und sich fest in das Bläsergehäuse eingraben.
Die vorliegende Erfindung liefert somit ein System, welches das
Begrenzen der Rotorverformung während
eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls
erlaubt, und liefert eine Gleitplattenfunktion, welche das Erzeugen
von zusätzlicher
Drehmomentlast auf das Gehäuse
eliminiert oder verringer.
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Die
Schindeln liefern eine Gleitoberfläche für die Bläserlaufschaufeln damit diese
umfangsmäßig darauf
rotieren können.
Jedoch ist, nachdem sie segmentiert sind, der Schaden an der Auskleidung
nach einem Bläserlaufschaufelverlust-Vorfall auf den Verlust
von einer oder mehreren benachbarten Schindeln beschränkt. Die
verbleibenden Schindeln liefern eine effektive Gleitoberfläche zum
darauf Gleiten der Bläserlaufschaufeln.
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Ein
Hauptvorteil der Bläsergehäuseauskleidung
der vorliegenden Erfindung ist das Minimieren einer Beschädigung an
dem Bläsergehäuse, was
somit zu einem haltbaren Bläsergehäuse im Falle
eines Bläserlaufschaufelverlusts
führt.
Die Auskleidung verringert das zerstörerische Wegschneiden des Bläsergehäuses durch
die Bläserlaufschaufeln.
Ein weiterer Vorteil des Bläsergehäuses der
vorliegenden Erfindung ist seine Fähigkeit, eine geeignete Rückhaltestruktur
für das
Verformen der Rotorwelle während
des Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls
zu schaffen. Außerdem
verringert die Auskleidung Reibkräfte und in der Folge verringert
sie Drehmomentlasten, die von dem Bläserrotor auf das Gehäuse übertragen werden.
Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit und sind die Kosten der
Herstellung und des Inkorporierens der gehärteten Bläsergehäuseauskleidung der vorliegenden
Erfindung. Die Einfachheit der Struktur der Auskleidung und die
Verwendung wirtschaftlicher Materialien erlaubt kosteneffiziente
Herstellungsverfahren. Außerdem
können
aktuelle Bläsergehäuse des
Stands der Technik in kosteneffizienter Weise mit der Bläsergehäuseauskleidung
nachgerüstet
werden. Durch das Inkorporieren der Auskleidung der vorliegenden
Erfindung wird bei aktuellen Maschinen eine Beschädigung an
der Bläsergehäuseanordnung und
an der Rotorwelle begrenzt.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann verstehen, dass
verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
Ansprüche
abzuweichen.