EP0924388B1

EP0924388B1 - System zur Konstanthatung des Schaufelspitzenspiels bei einer Gasturbine

Info

Publication number: EP0924388B1
Application number: EP98121690A
Authority: EP
Inventors: Alexander Böck
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2003-09-24
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: US6126390A; EP0924388A2; EP0924388A3; DE59809709D1; DE19756734A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein passives Spalthaltungssystem nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Dabei betrifft die Erfindung insbesondere ein passives Spalthaltungssystem im Turbinenteil, insbesondere in der Hochdruckturbine, einer Gasturbine, in deren Turbinengehäuse neben Leitschaufeln auf einem Rotor angeordnete, vorzugsweise ein Deckband aufweisende Laufschaufeln vorgesehen sind, deren oder dessen Spitzen von im Turbinengehäuse aufgehängten Mantelringsegmenten unter Bildung eines von einem Temperierkanalsystem hinsichtlich seiner Breite gesteuerten Spaltes umgeben sind, wobei diesem Temperierkanalsystem ein vom Verdichterteil der Gasturbine an deren Brennkammer vorbei geförderter Luftstrom zuführbar ist, der über eine Vielzahl von Zumessbohrungen in eine von einem Statorring begrenzte Ringkammer gelangt. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 3040 594 C2 verwiesen, während ein Spalthaltungssystem mit den darüberhinausgehenden Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zumindest internen Stand der Technik bildet.

Das am weitesten verbreitete Einsatzgebiet von Gasturbinen ist das als Flug-Gasturbine. Im Unterschied zu stationären Gasturbinenanlagen treten hier neben häufigeren Lastwechseln auch unterschiedliche Umgebungs-Randbedingungen auf, so daß unterschiedliche Wärmedehnungen des Turbinengehäuses einerseits sowie des Rotorteiles der Gasturbine andererseits die Folge sind. Das Spaltmaß zwischen den Turbinenschaufelspitzen sowie dem diese umgebenden Turbinengehäuse nimmt somit unterschiedliche Werte an, wobei es im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Gasturbine erwünscht ist, dieses Spaltmaß so gering als möglich zu halten. Für größere bzw. aufwendigere Gasturbinen kommen hierfür aktive Spalthaltungssysteme zum Einsatz, für kleinere Gasturbinen können passive Spalthaltungssysteme, von denen ein einfaches in der oben genannten DE 30 40 594 C2 gezeigt ist, ausreichend sein.

Nun wird bei einem passiven Spalthaltungssystem insbesondere an einer Gasturbine, deren Laufschaufeln ein Deckband besitzen, der soeben erläuterte Turbinenlaufspalt im Reiseflugbetrieb durch die sog. "hot-reslam-Charakteristik" festgelegt. Dabei stellt der sog. dem Fachmann bekannte "hot-reslam-Fall" eine im folgenden kurz erläuterte heiße Wiederbeschleunigung des Gasturbinen-Triebwerkes dar. So sei bspw. nach einem langen Reiseflug sowohl das Turbinengehäuse als auch das Rotorteil, d.h. die die Laufschaufeln tragende(n) Turbinen-Rotorscheibe(n) vollständig auf hohem Niveau durchwärmt. Wird anschließend auf Niederlastbetrieb, bspw. Leerlauf (=idle) übergegangen, so kühlt sich das Turbinengehäuse aufgrund seiner dünnen Wand stärker ab als die Rotorscheiben, welche sozusagen dicke Klötze darstellen. In einem bestimmten Zeitpunkt stellt sich somit die Situation ein, daß die Rotorscheiben noch heiß und daher durch die hohe Temperatur ausgedehnt sind, das Turbinengehäuse jedoch bereits kalt und daher bereits geschrumpft ist. Wird nun zu diesem Zeitpunkt wieder auf Hochlastbetrieb, bspw. "Maximal-Take-Off" übergegangen, so dehnt sich jede Turbinen-Rotorscheibe aufgrund der Fliehkraft noch weiter in Richtung des Turbinengehäuses aus und kann dabei mit ihrem Spitzenbereich mit diesem unerwünschterweise in Kontakt kommen.

Diese "hot-reslamhot-reslam-Charakteristik" verschlechtert sich nun, je stärker das Turbinengehäuse im Leerlaufbetrieb abkühlt und dann relativ zum Rotor schrumpft. Durch ein derartiges gegenüber dem Rotor schnelleres Abkühlen des Turbinengehäuses wird nämlich im soeben erläuterten "hot reslam-Fall" durch das Deckband auf den Laufschaufeln eine Nut in die diese umgebenden Mantelringsegmente des Turbinengehäuses eingegraben. Je intensiver dieses Eingraben erfolgt, desto größer wird unerwünschterweise der Turbinenlaufspalt im Reiseflugbetrieb.

Die den nächstkommenden Stand der Technik bildende US 3 975 901 A beschreibt ein passives Spalthaltungssystem im Turbinenteil einer Gasturbine mit einem Temperierkanalsystem, welchem aus dem Verdichter Luft zugeführt wird, welche über eine Vielzahl von Zumessbohrungen in eine von einem Statorring begrenzte Ringkammer gelangt. Den Zumessbohrungen ist ein Blendenring zugeordnet, welcher sich in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnen kann, um die Zumessbohrungen mehr oder weniger zu verschließen. Somit kann ein Teil des Heißgases in die Ringkammer gelangen.

Eine weitere Ausgestaltung ist aus der US 3 814 313 A vorbekannt. Dabei ist ein Blendenring vorgesehen, welcher als geschlossener Ring ausgebildet ist und sich bei entsprechender Erwärmung in seinem Durchmesser vergrößert. Hierdurch wird an einer Seite des Blendenringes ein Ventilsitz geöffnet, sodass durch den sich bildenden Schlitz eine Luftströmung möglich ist. Das andere Ende des Blendenrings ist radial verschiebbar geführt. Es handelt sich somit um einen massiven Ring. Die relativ geringe thermische Durchmesservergrößerung führt zu einem nur sehr geringen Spalt der durch den Ring geschaffenen Ventilanordnung, sodass nur sehr geringe Luftmassen durchführbar sind. Ausgehend von der Erkenntnis, daß das Turbinengehäuse in einem _"hotreslam-Fall" im Niederlastbetrieb der (Flug)-Gasturbine eher beheizt als abgekühlt werden sollte, um letzteres nicht so stark schrumpfen zu lassen, da hierdurch das soeben geschilderte Eingraben des Schaufel-Deckbandes in die Mantelringsegmente vermeidbar ist, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein passives Spalthaltungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß das Turbinengehäuse insbesondere bei Leerlaufbetrieb eher beheizt denn gekühlt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch einen mit den Zumessbohrungen zusammenwirkenden Blendenring, der in Abhängigkeit von der Temperatur des zu diesen herangeführten Luftstromes die Zumessbohrungen mehr oder weniger verschließt, wobei über einen Spalt zwischen dem Statorring und den Mantelringsegmenten zumindest bei niedriger Turbinenlast ein Bruchteil des über die Leitschaufeln und Laufschaufeln strömenden Heißgases in die Ringkammer und dabei bevorzugt in den in Strömungsrichtung der Gasturbine betrachtet hinteren Bereich derselben gelangen kann. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß sind somit Maßnahmen vorgesehen, mit Hilfe derer die Temperatur desjenigen Luftstromes, der in das Temperierkanalsystem eingeleitet wird, beeinflußbar ist. Konkret wird hierzu dieser Luftstrom aus unterschiedlichen Quellen bezogen. Sind durch den Blendenring die genannten Zumessbohrungen offengelegt, so kann der vom Verdichterteil an der Gasturbinen-Brennkammer vorbei geförderte Luftstrom, der bezogen auf den Heißgasstrom der Gasturbine relativ kalt ist, in das Temperierkanalsystem gelangen und das Turbinengehäuse somit wie üblich kühlen. Werden hingegen die Zumessbohrung durch den sog. Blendenring verschlossen, so gelangt ein Bruchteil des Heißgasstromes in das Temperierkanalsystem, wodurch das Turbinengehäuse weniger abgekühlt bzw. sogar erwärmt wird. Dadurch ist sichergestellt, daß sich insbesondere im "hot-reslam-Fall" beim Niederlastbetrieb ein derart großer Spalt zwischen den Spitzen der Laufschaufeln bzw. von deren Deckband sowie den Mantelringsegmenten einstellt, daß bei einem anschließenden Übergang in Hochlastbetrieb ausreichender Freiraum für die sich unter Fliehkrafteinfluß weiter ausdehende Turbinen-Rotorscheibe bzw. für die sich weiter zum Turbinengehäuse hin bewegenden Laufschaufelspitzen vorliegt, so daß der eingangs geschilderte unerwünschte Zustand, in welchem sich die Spitzen in das Deckband eingraben, vermieden wird.

Dabei handelt es sich bei diesem soeben beschriebenen Zustand, bei welchem ein Bruchteil des Heißgasstromes in das Temperierkanalsystem gelangt, insbesondere um den Leerlaufbetriebspunkt der Gasturbine oder um einen Niederlastbetriebspunkt derselben. Im anderen Betriebsfall, nämlich bei einer Einleitung des an der Gasturbinen-Brennkammer vorbei geführten Luftstromes in das Temperierkanalsystem, handelt es sich hingegen um einen Hochlast-Betriebsbereich der Gasturbine, bspw. Reiseflugbetrieb (Cruise genannt) oder Take-Off, d.h. Start des von der Gasturbine getriebenen Flugzeuges.

Selbstverständlich sind sog. Mischzustände zwischen diesen beiden Extrem-Zuständen möglich. Dann tritt in das Temperierkanalsystem bzw. in die genannte Ringkammer sowohl ein geringer realtiv kalter, nämlich an der Gasturbinen-Brennkammer vorbeigeführter Luftstrom, als auch ein äußerst geringer Teil des Heißgasstromes ein. In Abhängigkeit von der detaillierten Auslegung eines erfindungsgemäßen Spalthaltungssystemes kann somit jede gewünschte Temperierung des Turbinengehäuses erreicht werden, um einen hinsichtlich seines Maßes gewünschten Spalt zwischen den Laufschaufel-Spitzen sowie den diese umgebenden Mantelringsegmenten zu erzielen.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesem Spalthaltungssystem um ein passives System, d.h. der Blendenring nimmt seine jeweils erforderliche, die Zumessbohrungen entweder freigebende oder verschließende Position selbsttätig in Abhängigkeit von den aktuellen Randbedingungen, nämlich von der Temperatur des vom Verdichterteil der Gasturbine an deren Brennkammmer vorbeigeförderten Luftstromes ein. Damit der Blendenring diese Funktion wahrnehmen kann, könnte er beispielsweise in Bimetalltechnik aufgebaut sein; besonders einfach und zuverlässig arbeitet ein erfindungsgemäßes Spalthaltungssystem jedoch dann, wenn der Blendenring aus einem Material mit einem gegenüber demjenigen des Statorringes höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Alleine durch die unterschiedliche Wärmedehnung des Statorringes einerseits sowie des Blendenringes andererseits werden somit die Zumessbohrungen entweder verschlossen oder freigegeben. Insbesondere bei einer derartigen Auslegung stellt sich eine bestmögliche Wirkung ein, wenn der Blendenring innerhalb der genannten Ringkammer angeordnet ist, wobei der Blendenring einen relativ großen Umfang und somit auch eine verhältnismäßig große sog. Dehnlänge unter Wärmeeinfluß besitzt, nachdem er sich über den gesamten Durchmesser der (Flug-)Gasturbine erstreckt.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele, wobei in den beigefügten Figuren 1, 2 jeweils ein ähnlicher Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Spalthaltungssystem im Turbinenteil einer Flug-Gasturbine dargestellt ist.

In beiden Ausführungsbeispielen ist mit der Bezugsziffer 1 das Turbinengehäuse bezeichnet, innerhalb dessen ein eine Vielzahl von Laufschaufeln 2 - von diesen ist lediglich eine einzige bruchstückhaft dargestellt - tragender Rotor angeordnet ist. Bezogen auf die Strömungsrichtung 3, gemäß welcher ein Heißgasstrom durch das gezeigte Turbinenteil der Gasturbine geführt wird, befindet sich stromauf der dargestellten Laufschaufel 2 bzw. stromauf der durch diese Laufschaufel 2 repräsentierten Rotorscheibe ein Kranz von Leitschaufeln 4, von welchen ebenfalls nur eine einzige bruchstückhaft dargestellt ist. Diese Leitschaufel(n) 4 ist/sind wie üblich mit ihrem nicht gezeigten Endabschnitt über mehrere ebenfalls nicht gezeigte Zwischenteile fest mit dem Turbinengehäuse 1 verbunden.

Ebenfalls wie üblich ist hier die Anordnung von sog. Mantelringsegmenten 5 im Umfangs-Bereich der Laufschaufeln 2. Diese Mantelringsegmente 5 bilden wie üblich bezüglich der nicht dargestellten Turbinenachse - deren Axialrichtung ist gleich der Strömungsrichtung 3 - einen geschlossenen Ring und tragen auf ihrer den Laufschaufeln 2 zugewandten Innenseite eine sog. Einlaufschicht 5a. Über eine oder mehrere Nasen 5b sind dabei die einzelnen Mantelringsegmente 5 in entsprechende Aussparungen 1a des Turbinengehäuses 1 eingehängt.

Bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Laufschaufeln 2 mit einem umlaufenden Deckband 6 versehen, jedoch ist dies für das Wesen der vorliegenden Erfindung unerheblich. Zwischen den der Abdichtung gegenüber Spaltverlusten dienenden Spitzen 6a des Deckbandes 6 sowie der Einlaufschicht 5a des Mantelringsegmentes 5 befindet sich ein mit dem Buchstaben s bezeichneter Spalt. Im Falle von deckbandlosen Laufschaufeln 2 findet sich dieser Spalt s zwischen den Spitzen der Laufschaufeln 2 und der Einlaufschicht 5a, weshalb die Bezeichnung _"Spitzen 6a" gleichermaßen für Laufschaufeln 2 mit oder ohne Deckband 6 benutzt wird bzw. werden kann.

Der Spalt s ist funktional selbstverständlich erforderlich, nachdem die Laufschaufeln 2 gegenüber den Mantelringsegmenten 5 um die nicht gezeigte Längsachse der Gasturbine rotieren, jedoch sollte dieser Spalt s zur Vermeidung von Leckageverlusten so klein als möglich sein. In diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß sich der Turbinenrotor bzw. die Laufschaufeln 2 im Betrieb der Gasturbine durch Wärmeeinwirkung verschiedenartig ausdehnen können bzw. ausdehnen als das diese Laufschaufeln 2 umgebende Turbinengehäuse 1. Nachdem die Mantelringsegmente 5 aber im Turbinengehäuse 1 eingehängt sind, verändert sich dann die Größe des Spaltes s.

Um in den hauptsächlichen Betriebspunkten der Gasturbine stets einen möglichst geringen Spalt s vorliegen zu haben, ist im Turbinengehäuse 1 ein mit der Bezugsziffer 7 bezeichnetes Temperierkanalsystem vorgesehen, über welches ein vom Verdichterteil der Gasturbine an deren Brennkammer vorbei geförderter Luftstrom 8 entlang den Wandungen des Turbinengehäuses 1 geführt wird und dabei nicht nur mit diesem sondern auch mit der den Laufschaufeln 2 abgewandten Rückseite der Mantelringsegmente 5 in wärmeübertragende Verbindung kommt.

Gegenüber dem gemäß Pfeilrichtung 3 über die Laufschaufeln 2 sowie die Leitschaufeln 4 geführten Heißgasstrom, aus dessen Expansion die Turbinennutzleistung gewonnen wird, ist der Luftstrom 8 üblicherweise wesentlich kälter, so daß durch diesen kälteren Luftstrom 8 das Turbinengehäuse 1 gekühlt und eine übermäßige Ausdehnung desselben sowie eine damit verbundene Vergrößerung des Spaltes s vermieden wird. Wie bereits erwähnt, wird dieser Luftstrom 8 vom Verdichterteil der Gasturbine gefördert und kann von diesem abgezweigt an geeigneter Stelle in das Turbinengehäuse 1 eingeleitet werden; beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesem Luftstrom 8 um einen an der Wand der Triebwerks-Brennkammer bzw. Gasturbinen-Brennkammer - von dieser ist lediglich der Endabschnitt von deren Außenwand 9 dargestellt - vorbeigeleiteten Teil-Luftstrom.

Ein Bestandteil des genannten Temperierkanalsystemes 7 ist eine Ringkammer 7a, die von einem sog. Statorrring 10 begrenzt wird und im Bereich der Leitschaufeln 4 zwischen diesem Statorring 10 und dem Turbinengehäuse 1 liegt. In diese Ringkammer 7a kann der seitlich der Brennkammer-Außenwand 9 herangeführte Luftstrom 8 über stirnseitig im Statorring 10 vorgesehene Zumeßbohrungen 7b eintreten. Über nicht näher bezeichnete Spalte zwischen den Mantelringsegmenten 5 bzw. zwischen deren Nasen 5b kann der Luftstrom 8 diese Ringkammer 7a wieder verlassen und gelangt dann - wie bereits erläutert - auf die Rückseite dieser Mantelringsegmente 5 bzw. in einen dort befindlichen Hohlraum 7c und von diesem aus weiter auf nicht gezeigte Weise beispielsweise in eine ähnliche Ringkammer 7a', die zwischen der in Axialrichtung 3 nächsten Leitschaufel 4' sowie dem Turbinengehäuse 1 vorgesehen ist.

Insbesondere im eingangs ausführlich erläuterten _"hot-reslam-Fall" könnte der Spalt s zwischen der Einlaufschicht 5a sowie den Spitzen 6a so gering werden, daß sich diese Spitzen 6a unerwünschterweise in die Einlaufschicht 5a eingraben würden. Um dies zu verhindern, ist in der Ringkammer 7a ein mit den Zumeßbohrungen 7b zusammenwirkender, in seiner Gesamtheit mit 11 bezeichneter Blendenring vorgesehen, der in Abhängigkeit von der Temperatur des zu den Zumeßbohrungen 7b herangeführten Luftstromes 8 diese Zumeßbohrungen 7b mehr oder weniger verschließt.

Dieser Blendenring 11 weist einen sog. Vollringabschnitt 11 a auf, der bezüglich der nicht gezeigten Turbinen-Längsachse einen umlaufenden Ring bildet, dessen Mittelachse die Turbinen-Längsachse ist. Von diesem Vollringabschnitt 11a stehen ringförmig angeordnet eine Vielzahl von sog. Blendenabschnitten 11b ab, die sich - wie ersichtlich - gegen Strömungsrichtung 3 bzw. gemäß Axialrichtung 3 bis zu den Zumeßbohrungen 7b bzw. nahezu bis zur Innenseite der diese Zumeßbohrungen 7b aufweisenden Stirnwand 10a des Statorringes 10 erstrecken. Über mehrere Arme 11c stützt sich der Blendenring 11 am Statorring 10 ab, der im übrigen auf geeignete Weise mit dem Turbinengehäuse 1 verbunden ist. Bezüglich dieser Abstützung des Blendenringes 11 sowie bezüglich der Ausbildung des Statorringes 10 unterscheiden sich die beiden Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1, 2, worauf an späterer Stelle noch näher eingegangen wird.

Zunächst wird jedoch noch die Funktion des Blendenringes 11 für beide Ausführungsbeispiele gemeinsam näher erläutert:
Zunächst einmal besteht der Blendenring 11 aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des den Blendenring 11 tragenden Statorringes 10.

Die Anordnung des Blendenringes 11 bzw. seiner Blendenabschnitte 11b bezüglich der Zumeßbohrungen 7b ist nun so getroffen, daß bei einer relativ niedrigen Temperatur des Luftstromes 8, wie sie bspw. im Leerlaufbetrieb ("idle") der Flug-Gasturbine auftritt, die Blendenabschnitte 11b die Zumeßbohrungen 7b abdecken und somit zumindest teilweise oder auch im wesentlichen vollständig verschließen, so wie das in den Fig.1, 2 dargestellt ist.

Besitzt hingegen der Luftstrom 8 eine relativ hohe Temperatur, so bewegen sich aufgrund des unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens des Statorringes 10 einerseits und des Blendenringes 11 andererseits die Blendenabschnitte 11b gemäß Pfeilrichtung 12 relativ zum Statorring 10 und legen hierdurch die Zumeßbohrungen 7b frei. Da dann die Zumeßbohrungen 7b offen liegen, kann dieser Luftstrom 8 über die Zumeßbohrungen 7b in die Ringkammer 7a eintreten, d.h. es liegt der übliche, normale Betriebszustand vor, bei welchem der vom Verdichterteil der Gasturbine geförderte und an der Triebwerks-Brennkammer bzw. Gasturbinen-Brennkammer außenseitig vorbeigeführte Luftstrom 8 in das Temperierkanalsystem 7 gelangt.

Dabei ist dieser Luftstrom 8 - wie erwähnt - durch die Kompression im Verdichterteil der Gasturbine relativ heiß, d.h. in diesem üblichen, normalen Betriebszustand wird die Gasturbine mit Hochlast oder Vollast betrieben, d.h. sie befindet sich im Reiseflugbetrieb oder sogar im "take-off Betrieb".

Wird jedoch die Gasturbine in einem Niederlastbereich oder sogar nur im Leerlauf betrieben, so ist die Temperatur des Luftstromes 8 deutlich geringer. Dies bewirkt aufgrund des unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens des Statorringes 10 einerseits und des Blendenringes 11 andererseits, daß sich die Blendenabschnitte 11b gegen Pfeilrichtung 12 wieder in die in den Figuren 1, 2 dargestellte, die Zumeßbohrungen 7b wieder im wesentlichen abdeckende Position bewegen.

Als Folge hiervon tritt nahezu kein meßbarer Luftstrom 8 mehr über die Zumeßbohrungen 7b in die Ringkammer 7a ein. Dies verändert die Druckverhältnisse im Temperierkanalsystem 7 und insbesondere in der Ringkammer 7a in der Weise, daß nunmehr über einen Spalt 13 zwischen dem Statorring 10 und den Mantelringsegmenten 5 ein Bruchteil des gemäß Pfeil 3 über die Leitschaufeln 4 sowie die Laufschaufeln 2 strömenden Heißgases in die Ringkammer 7a gelangen kann. Diese entsprechende Luftströmung ist durch den Pfeil 14 dargestellt.

Nun tritt diese Luftströmung gemäß Pfeil 14 lediglich in den Endbereich der Ringkammer 7a ein und beaufschlagt damit den Blendenring 11 bzw. dessen Blendenabschnitte 11b kaum - letzteres hätte nämlich zur Folge, daß sich der Blendenring 11 stärker ausdehnt als der Statorring 10 und sodann die Zumeßbohrungen 7b wieder freigibt -, sondern gelangt die Nasen 5b der Mantelringsegmente 5 passierend in den Hohlraum 7c bzw. zur Rückseite der Mantelringsegmente 5. Durch diese Beaufschlagung mit der gegenüber dem Luftstrom 8 deutlich wärmeren Luftströmung 14 wird nun - zumindest im besagten Leerlaufbetriebspunkt der Gasturbine - das Turbinengehäuse 1a soweit erwärmt oder zumindest nicht abgekühlt, daß sich ein vergrößerter Spalt s zwischen der Einlaufschicht 5a sowie den Spitzen 6a einstellt. Das eingangs geschilderte Phänomen, daß sich dann bei einem "hot-reslam-Fall" die Spitzen 6a in den Einlaufschicht 5a eingraben, kann hierdurch erfolgreich vermieden werden, nachdem der Spalt s im Ausgangszustand des "hotreslam-Falles" gegenüber seinem Normalzustand vergrößert ist.

Wird ausgehend von diesem Leerlaufbetrieb oder auch von einem entsprechenden Niederlastbetriebspunkt die Gasturbine in einen höheren Lastpunkt hochgefahren, so wird ein Luftstrom 8 mit deutlich erhöhter Temperatur herangeführt. Dieser trifft auf die die Zumeßbohrungen 7b zumindest im wesentlichen absperrenden Blendenabschnitte 11b des Blendenringes 11 auf und erwärmt diese, so daß aufgrund der sich dadurch einstellenden stärkeren Wärmedehnung des Blendenringes 11 gegenüber dem Statorring 10 diese Zumeßbohrungen 7b zumindest geringfügig geöffnet oder ggf. weiter geöffnet werden. Der daraufhin verstärkt durch die Zumeßbohrungen 7b hindurchgeführte Luftstrom 8 erwärmt den Blendenring 11 weiter, wodurch diese Zumeßbohrungen 7b weiter freigegeben werden, bis wieder der bereits erwähnte sog. normale, jedoch nicht dargestellte Betriebszustand erreicht ist, bei welchem in das Temperierkanalsystem 7 praktisch nur der Luftstrom 8 eingeleitet wird.

Im übrigen werden bei einem nunmehr wieder erreichten Hochlastbetriebspunkt der Gasturbine die Leitschaufeln 4 durch den gemäß Pfeilrichtung 3 auftreffenden und dabei relativ starken Heißgasstrom geringfügig gemäß Pfeilrichtung 3 verschoben. Dies hat zur Folge, daß sich der Spalt 13 zwischen dem Statorring 10 sowie den Mantelringsegmenten 5 dann verengt, nachdem sich - wie ersichtlich - die Leitschaufeln 4 in Axialrichtung 3 am Statorring 10 abstützen. Wie ersichtlich ragt nämlich ein freier Endabschnitt 4a der Leitschaufel 4 bzw. des gesamten Leitschaufelkranzes in eine entsprechende Ausnehmung 10b des Statorringes 10 hinein. Auch aufgrund dieser Tatsache, daß im Hochlastbetrieb der Spalt 13 verkleinert wird, wird somit der dann grundsätzlich unerwünschte sog. Heißgaseinsturz, bei dem Heißgas aus dem Bereich der Laufschaufeln 2 und Leitschaufeln 4 heraus zum Turbinengehäuse 1a gelangt, vermieden. Hingegen wirkt im Leerlaufoder Niederlastbetrieb keine derart große Strömungskraft auf die Leitschaufeln 4, so daß dann der Spalt 13 geringfügig vergrößert wird und über diesen Spalt 13 dann - wie geschildert und in diesem Betriebszustand auch gewünscht - ein Bruchteil von Heißgas gemäß Pfeil 14 in die Ringkammer 7a gelangen kann. (Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dieser soeben beschriebene Effekt der Größenveränderung des Spaltes 13 für das Wesen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt notwendig ist, vielmehr werden durch diesen Effekt die Kühlluftverluste bei Turbinen-Vollast verringert).

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Statorring 10 direkt mit dem Turbinengehäuse 1 in einer Trennfuge 1b verschraubt. Dabei ist der Statorring 10 derart ausgebildet, daß die Ringkammer 7a von diesem sowie dem Turbinengehäuse 1 begrenzt wird. Der Blendenring 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel über seine Arme 11c innenseitig an der Stirnwand 10a des Statorringes 10 befestigt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist in der gleichen Trennfuge 1b des Turbinengehäuses 1 ein sog. Ringträger 15 befestigt, der seinerseits den Statorring 10 trägt. Dabei liegt der Statorring 10 innenseitig am geeignet gestalteten Ringträger 15 an und ist über mehrere den Statorring 10 in nicht näher bezeichneten Bohrungen durchdringende Stifte 16, die durch Schweißpunkte 17 am Statorring 10 befestigt und somit gegen Herausfallen gesichert sind, am Ringträger 15 fixiert. Diese Stifte 16 ragen hierzu in nicht näher bezeichnete Aufnahmebohrungen in den Ringträger 15 hinein.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Ringkammer 7a im wesentlichen vollständig vom Statorring 10 begrenzt, welcher hierzu wie ersichtlich außenseitig einen U-förmigen oder rinnenförmigen Querschnitt aufweist. Insbesondere ist bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 jedoch der Blendenring 11 anders als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gestaltet und aufgehängt. Zwar besitzt der Blendenring 11 auch hier den sog. Vollringabschnitt 11a sowie die mit den Zumeßbohrungen 7b zusammenwirkenden Blendenabschnitte 11b, wobei zwischen zwei benachbarten derartigen Blendenabschnitten 11b einer der besagten Stifte 16 durch die Ringkammer 7a hindurchtreten kann, jedoch stehen hier die Arme 11c entgegengerichtet zu den Blendenabschnitten 11b vom Vollringabschnitt 11a ab und greifen mit ihren freien Enden in geeignete Aussparungen 10c in der am Ringträger 15 anliegenden Wand des Statorringes 10 ein. Diese Aussparungen 10c befinden sich dabei am freien Ende der besagten Wand des Statorringes 10, so daß die Arme 11c mit ihren freien Enden quasi in diesen Aussparungen 10c gelenkig eingehängt sind und sich dabei am geeignet gestalteten Ringträger 15, der in diesem Bereich L-förmig ausgebildet ist und somit eine radiale Anlagefläche 15a für die freien Enden der Arme 11 c bildet, abstützen.

Diese Konstruktion ermöglicht eine besonders wirkungsvolle Bewegung der Blendenabschnitte 11b des Blendenringes 11 gegenüber den Zumeßbohrungen 7b im Falle einer Wärmedehnung, wie sich auch aus der im folgenden kurz erläuterten Fig. 3, die den Statorring 10 sowie den Blendenring 11 in verschiedenen Positionen vergrößert zeigt, hervorgeht. Die verschiedenen Positionen des Blendenringes 11 bzw. genauer seiner Blendenabschnitte 11b sowie seiner Arme 11c sind dabei mit den römischen Ziffern I bis IV bezeichnet, wobei sich diese Bezeichnungen jeweils an der Unterkante der Blendenabschnitte 11b sowie an der Oberkante der Arme 11c befinden. Dabei steht die Ziffer I für den Einbauzustand des Blendenringes 11, die Ziffer II für die Position bei Leerlauf (_"idle"), die Ziffer III für den Reiseflugbetrieb (_"cruise") und die Ziffer IV für den Vollastbetrieb ("max. take-off").

Wie ersichtlich erlauben die Arme 11c dem Blendenring 11 dabei eine freie radiale Bewegung entsprechend seiner Wärmedehnung, wobei er jedoch aufgrund seiner radialen Auflage bzw. Abstützung über die freien Enden der Arme 11c tordiert wird. Durch die radial unterschiedliche Temperaturdehnung sowie durch die soeben genannte Torsion des Blendenringes 11 tritt eine verstärkte radiale Bewegung an den Enden der Blendenabschnitte 11b in bzw. gegen Pfeilrichtung 12 relativ zu den Zumeßbohrungen 7b auf, ähnlich einer Wippe. Dadurch können relativ große Bewegungen gemäß Pfeilrichtung 12 bereits bei Auftreten kleiner Temperaturunterschiede an den Zumeßbohrungen 7b erreicht werden. Diese relativ großen Relativbewegungen ermöglichen es, relativ große Löcher für die Zumeßbohrungen 7b zu verwenden, was im Hinblick auf die einzuhaltenden Fertigungs- und Bauteiltoleranzen vorteilhaft ist.

Speziell für dieses Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2, 3 soll die Funktionsweise nochmals kurz erläutert werden:
Im Leerlaufbetrieb der Gasturbine seien gemäß der Darstellung nach Fig.2 die Zumeßbohrungen 7b von den jeweils zugeordneten Blendenabschnitten 11b verschlossen. Ist das Gasturbinen-Triebwerk vollständig kalt, d.h. beispielsweise im Aufbauzustand desselben, befindet sich zwischen den freien Enden der Arme 11 c und deren radialer Anlagefläche 15a am Ringträger 15 ein aus Fig. 3 ersichtlicher Spalt. Dieser Spalt wird zunächst abgebaut, wenn sich das Turbinengehäuse 1 und somit der Statorring 10 sowie der Blendenring 11 erwärmt, wobei letzterer - wie bereits erwähnt - einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der Statorring 10, aber auch als der Ringträger 15 sowie als das Turbinengehäuse 1. Wird dann die Gasturbine mit Hochlast betrieben (beispielsweise Reiseflugbetrieb oder "take-off") so nimmt der Luftstrom 8 derart hohe Temperaturen an, daß der Blendenring 11 weiter erwärmt wird und sich hierbei durch seinen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker ausdehnt als der Statorring 10 bzw. als der Ringträger 15. Hierdurch tordiert der Blendenring 11 in seinem Vollringabschnitt 11a und öffnet dabei die Zumeßbohrungen 7b, wonach der vom Verdichterteil der Gasturbine an deren Brennkammer vorbei geförderte Luftsrom 8 in die Ringkammer 7a und somit in das Temperierkanalsystem 7 gelangt, so daß dann das Turbinengehäuse 1 wie gewünscht gekühlt wird. Selbstverständlich tritt auch hier die bereits erläuterte Veränderung bezügliches des Spaltes 13, über welchen ein Bruchteil von Heißgas in das Temperierkanalsystem 7 gelangen kann, auf, nämlich daß dieser Spalt 13 im Hochlastbetrieb der Gasturbine wesentlich enger ist als im Leerlaufbetrieb. Der wesentliche Unterschied des Ausführungsbeispieles nach Fig. 2 gegenüber demjenigen nach Fig. 1 liegt jedoch darin, daß aufgrund des beschriebenen Torsionseffektes bereits relativ geringe Temperaturunterschiede von beispielsweise 200°C ausreichend sind, um die Zumeßbohrungen 7b entweder freizulegen oder mittels der Blendenabschnitte 11b abzusperren.

Insgesamt steht somit ein passives Spalthaltungssystem zur Verfügung, bei welchem dafür Sorge getragen ist, daß im Hochlastbetrieb der Gasturbine das Turbinengehäuse 1 in ausreichendem Maße temperiert wird, daß jedoch andererseits im eingangs erläuterten "hot-reslam-Fall" bei auf einen Niederlastbetrieb oder Leerlauf der Gasturbine folgenden Vollastbetrieb der Spalt s zwischen den Spitzen 6a der Laufschaufeln 2 und der Einlaufschicht 5a der Mantelringsegmente 5 keinesfalls zu Null wird oder sogar negative Werte annimmt. Dabei können eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste:

1: Turbinengehäuse
1 a: Aussparung zur Aufnahme von 5a
1b: Trennfuge
2: Laufschaufel
3: Strömungsrichtung = Axialrichtung
4,4': Leitschaufel
4a: Endabschnitt
5: Mantelringsegment
5a: Einlaufschicht
5b: Nase von 5
6: Deckband von 2
6a: Spitze(n) von 6 bzw. 2
7: Temperierkanalsystem
7a: Ringkammer (im Bereich von 4)
7a': Ringkammer (im Bereich von 4')
7b: Zumessbohrung
7c: Hohlraum, rückseitig von 5
8: Luftstrom durch 7
9: Endabschnitt der Brennkammeraußenwand
10: Statorring
10a: Stirnwand von 10
10b: Ausnehmung in 10, in die 4a hineinragt
10c: Aussparung in 10, in die 11c eingreift
11: Blendenring
11 a: Vollringabschnitt
11 b: Blendenabschnitt
11 c: Arme
12: Pfeilrichtung (11b legt 7b frei)
13: Spalt
14: Pfeil: Luftströmung durch 13
15: Ringträger
15a: radiale Anlagefläche an 15 bezüglich der freien Enden von 11c
16: Stift
17: Schweißpunkt

s: Spalt zwischen 6a und 5a

Claims

Passives Spalthaltungssystem im Turbinenteil einer Gasturbine, in deren Turbinengehäuse (1) neben Leitschaufeln (4) auf einem Rotor angeordnete, vorzugsweise ein Deckband (6) aufweisende Laufschaufeln (2) vorgesehen sind,
deren oder dessen Spitzen (6a) von im Turbinengehäuse (1) aufgehängten Mantelringsegmenten (5) unter Bildung eines von einem Temperierkanalsystem (7) hinsichtlich seiner Breite gesteuerten Spaltes (s) umgeben sind,
wobei diesem Temperierkanalsystem (7) ein vom Verdichterteil der Gasturbine an deren Brennkammer vorbei geförderter Luftstrom (8) zuführbar ist, der über eine Vielzahl von Zumessbohrungen (7b) in eine von einem Statorring (10) begrenzte Ringkammer (7a) gelangt,
wobei ein mit den Zumessbohrungen (7b) zusammenwirkender Blendenring (11), der in Abhängigkeit von der Temperatur des zu diesen herangeführten Luftstromes (8) diese Zumessbohrungen (7b) mehr oder weniger verschließt, vorgesehen ist,
wobei über einen Spalt (13) zwischen dem Statorring (10) und den Mantelringsegmenten (5) zumindest bei niedriger Turbinenlast ein Bruchteil des über die Leitschaufeln (4) und Laufschaufeln (2) strömenden Heißgases in die Ringkammer (7a) und dabei bevorzugt in den in Strömungsrichtung (3) der Gasturbine betrachtet hinteren Bereich derselben gelangen kann, wobei der Blendenring (11) aus einem Material mit einem gegenüber demjenigen des Statorringes (10) höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß der Blendenring (11) innerhalb der Ringkammer (7a) angeordnet ist und mit den stimseitig im Statorring (10) vorgesehenen Zumessbohrungen (7b) zusammenwirkende Blendenabschnitte (11b) aufweist, die im wesentlichen in Axialrichtung (3) der Gasturbine von einem Vollringabschnitt (11a) des Blendenringes (11) abstehen, der sich über Arme (11c) am Statorring (10) abstützt.
Spalthaltungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die vom Vollringabschnitt (11 a) des Blendenringes (11) entgegengerichtet zu den Blendenabschnitten (11b) abstehenden Arme (11c) mit ihren freien Enden in Aussparungen (10c) im Statorring (10) eingreifen.
Spalthaltungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitschaufeln (4) mit ihren freien Endabschnitten (4a) zumindest im Hochlastbetrieb in Axialrichtung (3) am Statorring (10) abstützen.
Spalthaltungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Statorring (10) über mehrere Stifte (16) an einem mit dem Turbinengehäuse (1) verbundenem Ringträger (15) fixiert ist.