EP0219721B1 - Einrichtung zur äusseren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialgasturbinen - Google Patents

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EP0219721B1
EP0219721B1 EP86113379A EP86113379A EP0219721B1 EP 0219721 B1 EP0219721 B1 EP 0219721B1 EP 86113379 A EP86113379 A EP 86113379A EP 86113379 A EP86113379 A EP 86113379A EP 0219721 B1 EP0219721 B1 EP 0219721B1
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EP
European Patent Office
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ring
peripheral brush
bristles
brush
ceramic
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EP86113379A
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English (en)
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EP0219721A1 (de
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Hagen Hanser
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MTU Aero Engines GmbH
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator

Definitions

  • the invention relates to a device for the outer sheathing of the rotor blades of axial gas turbines, with a closed ring consisting of ceramic material lying radially on the outside opposite the rotor blade tips, which is held in a metal turbine housing part by bristles that are at an angle to the radial direction and a peripheral brush that surrounds it, the bristles on Turbine housing part are attached.
  • a device of this type is known from GB-A 2 051 962. There the bristles of the peripheral brush are only attached on the housing side. As a result, the ring is not clearly positioned.
  • Devices of the aforementioned type have the advantage over conventional metallic turbine casing rings that, due to the high temperature resistance of the ceramic material, there is no need for structurally complex cooling devices.
  • DE-OS 2 737 622 the problem of different thermal expansion between ceramic wall parts and outer housings is attempted to be solved by dividing the ceramic wall parts into individual segment blocks which are freely stretchable in dovetail intermediate frames in corresponding housing chambers of the metal housing Turbine are stored.
  • the object of the present invention is to provide a device of the generic type which, on the one hand, has the advantageous properties of ceramic material, namely heat resistance, corrosion and erosion resistance, thereby ensuring secure centering and holding of the ceramic ring and, at the same time, is structurally simple and easy to maintain.
  • the main advantage of the device according to the invention is that due to the use of a peripheral brush with bristles fastened on both sides as the holding element, the ceramic ring is clearly positioned, the entire sheathing device being structurally simple.
  • the profile of the ceramic ring can have a simple regular contour, e.g. B. a rectangle.
  • the different thermal expansion between the ceramic ring on the one hand and the metal housing of the axial gas turbine on the other hand is compensated for by the peripheral brush, whereby very different thermal expansion between the ceramic ring and the metal housing does not result in an uncontrolled bending of the bristles, but causes a slight relative rotation of the ceramic ring with respect to the metal housing with the least bending of the bristles becomes.
  • the peripheral brush has metal bristles.
  • the use of metal bristles is advantageous because of the ductility that is present even at high temperatures.
  • they enable - what is proposed in a further embodiment of the invention - a comparatively problem-free connection technology by soldering both on the ceramic ring and on the metal housing.
  • An advantageous development of the invention is characterized in that a shield ring, which only leaves narrow annular gaps for the ceramic ring, engages over the brush in such a way that delimited annular spaces are formed on both sides of the brush, through which cooling air is guided.
  • This configuration serves in particular to protect the metallic bristles of the peripheral brush from excessive temperatures, but to consume only small amounts of cooling air.
  • the fact that closed annular spaces are created around the peripheral brush and the cooling air for the peripheral brush is passed through these annular spaces allows the cooling air throughput to be kept very low.
  • the amount of cooling air is of the order of 0.1% of the total amount of cooling air consumed for cooling the axial gas turbine or the gas turbine engine.
  • the axially flowed through rotor of a gas turbine shown in FIG. 1 has a rotor disk 7, in which a ring of axial blades 6 is anchored. Opposed to the blade tips 6a is a closed ring 1 made of ceramic material. The gap between the blade tips 6 a and the inner peripheral surface of the ring 1 is kept to a minimum. Silicon nitride or silicon carbide is preferably used as the material for the ring 1.
  • the ring 1 is centered and held in a metal housing 9 of the gas turbine in such a way that an annular peripheral brush 3 is fixed on the one hand in the metal housing 9 and on the other hand on the outer peripheral surface of the ring 1.
  • the bristles of the peripheral brush are made of metal and are fixed by soldering 4 a to an inner peripheral surface of the metal housing 9 and by soldering 4 b to an outer peripheral surface of the ceramic ring 1.
  • the metal housing 9 is formed in the area of the brush 3 as a shield ring 2 which engages over the brush 3 in such a way that annular spaces which are delimited on both sides are formed and are delimited on their radially inner side by the ceramic ring 1. Only narrow ring gaps 8 are left between the shield ring 2 and the ceramic ring 1. In the shield ring 2 are distributed over the circumference, 3 holes are provided on both sides of the brush, which serve on one side of the cooling air supply and on the other side of the brush 3 of the cooling air discharge.
  • the air duct is marked by arrows K.
  • the shield ring instead of the one-piece design of the shield ring 2 with the housing 9, the shield ring also be provided in the form of two separate flanges which are fastened to the housing 9 by suitable means.
  • FIG. 1 shows the inclined position of the bristles of the brush 3 by the angle y against the radial direction r.
  • the bores 5 serve to fasten the housing part 9, which is designed as a flange, to other modules of the axial gas turbine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur äußeren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialgasturbinen, mit einem den Laufschaufelspitzen radial außen gegenüberliegenden aus Keramikmaterial bestehenden geschlossenen Ring, der durch schräg zur Radialrichtung stehende Borsten einer ihn umgebenden Umfangsbürste in einem metallenen Turbinengehäuseteil gehalten ist, wobei die Borsten am Turbinengehäuseteil befestigt sind.
  • Eine Einrichtung dieser Art ist aus der GB-A 2 051 962 bekannt. Dort sind die Borsten der Umfangsbürste nur gehäuseseitig befestigt. Dadurch ist der Ring nicht eindeutig positioniert. Einrichtungen der vorbezeichneten Art haben gegenüber herkömmlichen metallischen Turbinenmantelringen den Vorteil, aufgrund der Hochtemperaturbeständigkeit des Keramikmaterials auf baulich aufwendige Kühleinrichtungen verzichten zu können. Bei einer anderen vorbekannten Einrichtung (DE-OS 2 737 622) wird das Problem der unterschiedlichen Wärmedehnung zwischen keramischen Wandpartien und Außengehäusen dadurch zu lösen versucht, daß die keramischen Wandpartien in einzelne Segmentblöcke unterteilt werden, die in Schwalbenschwanzzwischenfassungen frei dehnbar in entsprechenden Gehäusekammern des Metallgehäuses der Turbine gelagert sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die einerseits die vorteilhaften Eigenschaften von Keramikmaterial, nämlich Hitzebeständigkeit, Korrosions- und Erosionsfestigkeit aufweist, dabei eine sichere Zentrierung und Halterung des Keramikringes gewährleistet und gleichzeitig baulich einfach und wartungsfreundlich gestaltet ist.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Borsten der Umfangsbürste am Keramikring durch Lötung befestigt sind.
  • Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß aufgrund der Anwendung einer Umfangsbürste mit beidseitig befestigten Borsten als Halteelement der Keramikring eindeutig positioniert ist, wobei die gesamte Ummantelungseinrichtung baulich einfach aufgebaut ist. Das Profil des Keramikringes kann eine einfache regelmäßige Kontur aufweisen, z. B. ein Rechteck. Die unterschiedliche Wärmedehnung zwischen dem Keramikring einerseits und dem Metallgehäuse der Axialgasturbine andererseits wird durch die Umfangsbürste ausgeglichen, wobei stark unterschiedliche Wärmedehnung zwischen Keramikring und Metallgehäuse keine unkontrollierte Verbiegung der Borsten stattfindet, sondern eine geringe Relativdrehung des Keramikringes gegenüber dem Metallgehäuse bei gleichzeitig geringster Biegung der Borsten bewirkt wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung weist die Umfangsbürste Metallborsten auf. Die Anwendung von Metallborsten ist wegen der auch bei hoher Temperatur vorhandenen Duktilität von Vorteil. Darüber hinaus ermöglichen sie - was in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen wird - eine ver gleichsweise problemlose Verbindungstechnik durch Lötung sowohl am Keramikring als auch am Metallgehäuse.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Schirmring, der zum Keramikring nur schmale Ringspalte freiläßt, die Bürste so übergreift, daß beidseitig der Bürste abgegrenzte Ringräume entstehen, durch welche Kühlluft geführt wird. Diese Ausgestaltung dient insbesondere dazu, die metallischen Borsten der Umfangsbürste vor zu hohen Temperaturen zu schützen, dafür aber nur geringe Mengen von Kühlluft zu verbrauchen. Dadurch, daß um die Umfangsbürste her geschlossene Ringräume geschaffen werden, und die Kühlluft für die Umfangsbürste durch diese Ringräume hindurchgeführt wird, kann der Kühlluftdurchsatz sehr niedrig gehalten werden. Die Kühlluftmenge liegt dabei in einer Größenordnung von 0,1% der insgesamt zur Kühlung der Axialgasturbine bzw. des Gasturbinentriebwerks verbrauchten Kühlluftmenge.
  • Anhand der beigefügten Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
  • In der Zeichnung zeigt
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Axialgasturbine im Außenbereich eines Rotorkranzes schematisch,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 entsprechend der Schnittlinie 11-11.
  • Der in Fig. 1 dargestellte axial durchströmte Rotor einer Gasturbine weist eine Rotorscheibe 7 auf, in der ein Kranz von Axiallaufschaufeln 6 verankert ist. Den Laufschaufelspitzen 6 a gegenüberliegend ist ein aus Keramikmaterial bestehender geschlossener Ring 1 angeordnet. Der Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen 6 a und der inneren Umfangsfläche des Ringes 1 ist minimal gehalten. Als Material für den Ring 1 kommt vorzugsweise Siliciumnitrid oder Siliciumkarbid in Betracht. Die Zentrierung und Halterung des Ringes 1 in einem Metallgehäuse 9 der Gasturbine erfolgt in der Weise, daß eine ringförmige Umfangsbürste 3 einerseits im Metallgehäuse 9, andererseits an der Außenumfangsfläche des Ringes 1 fixiert ist. Die Borsten der Umfangsbürste bestehen aus Metall und sind durch Lötung 4 a an einer inneren Umfangsfläche des Metallgehäuses 9 und durch Lötung 4 b an einer äußeren Umfangsfläche des keramischen Ringes 1 fixiert. Das Metallgehäuse 9 ist im Bereich der Bürste 3 als Schirmring 2 ausgebildet, der die Bürste 3 so übergreift, daß beidseitig abgegrenzte Ringräume entstehen, die an ihrer radial inneren Seite durch den keramischen Ring 1 begrenzt werden. Zwischen dem Schirmring 2 und dem keramischen Ring 1 sind nur schmale Ringspalte 8 freigelassen. In dem Schirmring 2 sind über den Umfang verteilt, auf beiden Seiten der Bürste 3 Bohrungen vorgesehen, welche auf einer Seite der Kühlluftzuführung, auf der anderen Seite der Bürste 3 der Kühlluftabfuhr dienen. Die Luftführung ist durch Pfeile K gekennzeichnet. Anstelle der einstückigen Ausbildung des Schirmringes 2 mit dem Gehäuse 9 kann der Schirmring auch in Form von zwei getrennten Flanschen vorgesehen sein, die mit geeigneten Mitteln am Gehäuse 9 befestigt sind.
  • Im Querschnitt nach Fig. 2 sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Aus Fig. 2 ergibt sich die Schrägstellung der Borsten der Bürste 3 um den Winkel y gegen die Radialrichtung r. Die Bohrungen 5 dienen zur Befestigung des als Flansch ausgeführten Gehäuseteils 9 an anderen Modulen der Axialgasturbine.

Claims (3)

1. Einrichtung zur äußeren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialgasturbinen, mit einem den Laufschaufelspitzen radial außen gegenüberliegenden aus Keramikmaterial bestehenden geschlossenen Ring, der durch schräg zur Radialrichtung stehende Borsten einer ihn umgebenden Umfangsbürste in einem metallenen Turbinengehäuseteil gehalten ist, wobei die Borsten am Turbinengehäuseteil befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Borsten der Umfangsbürste (3) am Keramikring (1) durch Lötung befestigt sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsbürste (3), wie an sich bekannt, Metallborsten aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Schirmring, der die Umfangsbürste so übergreift, daß beidseitig der Umfangsbürste im wesentlichen abgegrenzte Ringräume entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirmring (2) zum Keramikring (1) schmale Ringspalte (8) freiläßt und eine geringe Kühlluftmenge (K) zur Kühlung der Umfangsbürste (3) in einem der Ringräume eingeführt und aus dem anderen Ringraum abgeführt wird.
EP86113379A 1985-10-02 1986-09-29 Einrichtung zur äusseren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialgasturbinen Expired EP0219721B1 (de)

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