EP1664490A2 - Einrichtung zur detektion eines wellenbruchs an einer gasturbine sowie gasturbine - Google Patents

Einrichtung zur detektion eines wellenbruchs an einer gasturbine sowie gasturbine

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EP1664490A2
EP1664490A2 EP05766945A EP05766945A EP1664490A2 EP 1664490 A2 EP1664490 A2 EP 1664490A2 EP 05766945 A EP05766945 A EP 05766945A EP 05766945 A EP05766945 A EP 05766945A EP 1664490 A2 EP1664490 A2 EP 1664490A2
Authority
EP
European Patent Office
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turbine
actuating element
sensor element
gas turbine
stator
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Application number
EP05766945A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1664490B1 (de
Inventor
Christopher Bilson
Ian Fitzgerald
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
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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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/02—Shutting-down responsive to overspeed
    • 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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a shaft fracture on a gas turbine. Furthermore, the invention relates to a gas turbine.
  • Gas turbines designed as aircraft engines have at least one compressor, at least one combustion chamber and at least one turbine.
  • Aircraft engines are known from the prior art, on the one hand have three upstream of the combustion chamber positioned compressor and three positioned downstream of the combustion chamber turbines.
  • the three compressors are a low-pressure compressor, a medium-pressure compressor and a high-pressure compressor.
  • the three turbines are a high-pressure turbine, a medium-pressure turbine and a low-pressure turbine.
  • the rotors of high-pressure compressor and high-pressure turbine, medium-pressure compressor and medium-pressure turbine and low-pressure compressor and low-pressure turbine are connected to each other by a respective shaft, wherein the three shafts surround each other concentrically and are thus nested one inside the other.
  • the medium-pressure compressor of the medium-pressure turbine can no longer extract any work or power, whereby an overspeed at the medium-pressure turbine can then set.
  • spin-off of the medium-pressure turbine must be avoided, as this can damage the entire aircraft engine.
  • a shaft break on a gas turbine must be reliably detectable in order to interrupt a fuel supply to the combustion chamber when a shaft fracture occurs.
  • Such a detection of a wave fracture is particularly difficult if the gas turbine, as described above, has three concentrically enclosing and thus nested waves. In this case, especially the detection of a shaft breakage of the middle shaft, which couples the medium-pressure turbine to the medium-pressure compressor, presents difficulties.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel device for detecting a shaft fracture on a Gas ⁇ turbine.
  • This problem is solved by a device for detecting a shaft break on a gas turbine in the sense of patent claim 1.
  • a device for detecting a shaft fracture on a rotor of a first turbine, in particular a medium-pressure turbine, a gas turbine, in particular an aircraft engine proposed, wherein downstream of the first turbine, a second turbine, in particular a low-pressure turbine, is positioned with an intermediate the rotor of the first turbine and a stator of the second turbine, with respect to a flow channel radially inwardly positioned actuator, and with a guided in the stator of the second turbine sensor element to convert a detected by the radially inwardly positioned actuator shaft breakage into an electrical signal and in order to transmit this electrical signal to a switching element which is positioned radially outwardly of a housing of the gas turbine with respect to the flow channel.
  • a device for detecting a shaft fracture with a mechanical actuating element which is positioned radially inwardly between a rotor and a stator of two adjacent turbines with respect to a flow channel of the gas turbine.
  • a shaft break of the upstream positioned turbine can be detected, wherein in the event of a shaft break the actuating element is pushed axially and hits the sensor element.
  • the sensor element is preferably designed as an impact sensor whose structure is changed when the actuating element strikes the sensor element and which thus generates an electrical signal representing the shaft break.
  • the sensor element is guided in the stator of the turbine positioned downstream and conducts the electrical signal representing the shaft break radially outwards to a switching element.
  • the sensor element can be pulled out of the same in the radial direction in the case of a mounted gas turbine. This ensures that, when the gas turbine is installed, all the electrical components of the device according to the invention for detecting a shaft fracture are easily accessible without the need for dismantling the gas turbine.
  • the sensor element can be easily pulled out of the assembled gas turbine in the radial direction, the switching element is positioned externally on the casing of the gas turbine.
  • the gas turbine according to the invention is defined in independent claim 9.
  • FIG. 1 shows a detail of a gas turbine according to the invention with a device according to the invention for detecting a shaft fracture on a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a partial cross-section through a gas turbine according to the invention, namely an aircraft engine, in the radially inner region between a rotor of a medium-pressure turbine 10 and a stator of a low-pressure turbine 11.
  • the rotor of the medium-pressure turbine 10 has a rotor disk 12 in the flow direction (FIG. Arrow 15) seen last runner ring of the medium-pressure turbine 10; From the stator of the low-pressure turbine 11, a radially inner sealing structure 13 of a first vane ring of the low-pressure turbine 11, viewed in the flow direction, is shown.
  • the sealing structure 13 comprises honeycomb seals 14 of a so-called "inner air seal" seal.
  • the flow direction through the gas turbine is visualized in FIG. 1 by an arrow 15.
  • the stator of the low-pressure turbine 11 is thus positioned downstream of the rotor of the medium-pressure turbine 10.
  • the first or foremost guide vane ring of the low-pressure turbine 11, as seen in the flow direction adjoins the last or rearmost vane ring of the medium-pressure turbine 10, viewed in the flow direction.
  • a high-pressure turbine is preferably positioned upstream of the medium-pressure turbine 10.
  • an actuating element 16 between the rotor of the medium-pressure turbine 10 and the stator of the low-pressure turbine 11, the actuating element 16 in the embodiment shown between the last rotor blade ring of the medium-pressure turbine 10 and in the direction of flow seen first vane ring of the low-pressure turbine 11 is positioned.
  • the actuating element 16 is positioned radially inwardly relative to a flow channel within the gas turbine adjacent to the rotor disk 12 of the last rotor shaft of the medium-pressure turbine 10, as viewed in the flow direction.
  • the actuating element 16 is aligned axially and guided in the sealing structure 13 serving as a seal carrier.
  • a bore is introduced into the sealing structure 13 with an internal thread, wherein a nut 17 is fastened with a corresponding external thread in the bore of the sealing structure 13.
  • the nut 17 in turn has a central bore in which the actuating element 16 is displaceably guided in the axial direction.
  • the actuating element 16 which is displaceably mounted or guided in the nut 17 in the axial direction, is fixed in the axial position via a shear-off pin 18.
  • the abscherba ⁇ re pin 18 extends substantially in the radial direction of radi ⁇ al outside by the nut 17 and projects into a corresponding opening in ⁇ within the actuating element 16 in.
  • the shear-off pin 18 and the resulting axial fixation of the actuating element 16 ensure that no axial displacement of the actuating element 16 occurs during normal or regular operation of the gas turbine.
  • a washer 19 is arranged between the seal structure 13 and the nut 17. Through the thickness of this washer 19, a distance between the rotor disk 12 and one of the rotor disk 12 adjacent end 20 of the actuator 16 can be adjusted.
  • the device according to the invention for detecting a shaft fracture has a sensor element 21.
  • the sensor element 21 is designed as an impact sensor or impact sensor or impact sensor and interacts with an end 22 of the actuating element 16 opposite the end 20, that when the second end 22 of the actuating element 16 impinges on the sensor element 21 as a result of a shaft break, the sensor element 21 generates an electrical signal repeating the shaft break, in order to position this electrical signal on a radially outer side of a housing of the gas turbine Transfer switching element.
  • the sensor element 21 is guided in the stator of the low-pressure turbine 11 and can be removed in the radial direction from the stator of the low-pressure turbine 11.
  • the radially inward end of the sensor element 21 is guided in a receptacle 23, the receptacle 23 being fastened to the sealing structure 13 via a support 24.
  • the carrier 23 is fixedly connected via a rivet connection 25 with the sealing structure 13.
  • the Auf ⁇ receiving 23 held by the carrier 24 has in the region of the end 22 of the actuating element 16 via an opening so that the actuating element 16 can be moved in the direction of the sensor element 21 in the event of a shaft break.
  • FIG. 1 shows the device according to the invention for the detection of a shaft break or the corresponding gas turbine in an arrangement which corresponds to the regular or normal operation of a gas turbine.
  • the actuation element 16 is fixed in its axial displaceability by the abscher ⁇ ble pin 18. If a shaft break now occurs on the shaft, which connects the medium-pressure turbine 11 with a medium-pressure compressor (not shown), then the medium-pressure compressor of the medium-pressure turbine 10 can no longer take any work or power and spinning of the medium-pressure turbine 10 can occur , Due to the pressure conditions on the medium-pressure turbine 10, the rotor, namely the rotor disk 12 of the last or rearmost rotor blade ring of the center pressure turbine 10 shown in FIG.
  • the sensor element 21, which is in the form of an impact sensor or impact sensor, preferably has an electrical circuit which is integrated into a ceramic base body and whose structure or integrity is monitored by the switching element. If the actuating element 16 strikes the ceramic base body of the sensor element 21 due to a wave fracture, it is destroyed and the circuit integrated into the ceramic base body is interrupted.
  • the change in the signal provided by the sensor element 21 represents a break in the shaft and can be evaluated or further processed in a simple manner by the switching element in order to ultimately interrupt the fuel supply to the combustion chamber.
  • the sensor element 21 is guided in the stator of the low-pressure turbine 11 such that the sensor element 21 can be pulled out of the stator in the radial direction.
  • the extraction of the sensor element 21 in the radial direction from the stator, in particular a guide vane of a vane ring, of the low-pressure turbine 11 can be carried out with the gas engine mounted or assembled. In this way, it is possible to subject the sensor element 21 to inspection or maintenance without great expense. All electric or electronic assemblies of the device according to the invention for detecting a wave fracture are accordingly accessible without great installation effort. The remaining, only with disassembled gas turbine accessible assemblies of er ⁇ inventive device for detecting a shaft fracture, such. As the actuator 16 are purely mechanical, very robust and therefore less frequently inspected or maintained, as the electrical or electronic components thereof.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs an einem Rotor einer ersten Turbine (10), insbesondere einer Mitteldruckturbine, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, wobei stromabwärts der ersten Turbine (10) eine zweite Turbine (11), insbesondere eine Niederdruckturbine, positioniert ist, mit einem zwischen dem Rotor der ersten Turbine (10) und einem Stator der zweiten Turbine (11), gegenüber einem Strömungskanal radial innenliegend positionierten Betätigungselement (16), und mit einem in dem Stator der zweiten Turbine (11) geführten Sensorelement (21), um einen vom radial innenliegend positionierten Betätigungselement (16) detektierten Wellenbruch in ein elektrisches Signal zu wandeln und dieses elektrische Signal an ein Schaltelement zu übertragen, welches gegenüber dem Strömungskanal radial aussenliegend an einem Gehäuse der Gasturbine positioniert ist.

Description

Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs an einer Gasturbine sowie Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs an einer Gasturbine. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Gasturbine.
Als Flugtriebwerke ausgebildete Gasturbinen verfügen über mindestens ei¬ nen Verdichter, mindestens eine Brennkammer sowie mindestens eine Turbi¬ ne. Aus dem Stand der Technik sind Flugtriebwerke bekannt, die einerseits drei stromaufwärts der Brennkammer positionierte Verdichter sowie drei stromabwärts der Brennkammer positionierte Turbinen aufweisen. Bei den drei Verdichtern handelt es sich um einen Niederdruckverdichter, einen Mitteldruckverdichter sowie einen Hochdruckverdichter. Bei den drei Tur¬ binen handelt es sich um eine Hochdruckturbine, eine Mitteldruckturbine sowie eine Niederdruckturbine. Nach dem Stand der Technik sind die Roto¬ ren von Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine, von Mitteldruckverdich¬ ter und Mitteldruckturbine sowie von Niederdruckverdichter und Nieder¬ druckturbine durch jeweils eine Welle miteinander verbunden, wobei die drei Wellen einander konzentrisch umschließen und demnach ineinander ver¬ schachtelt sind.
Bricht zum Beispiel die den Mitteldruckverdichter sowie die Mitteldruck¬ turbine verbindende Welle, so kann der Mitteldruckverdichter der Mittel¬ druckturbine keine Arbeit bzw. Leistung mehr entnehmen, wodurch sich dann eine Überdrehzahl an der Mitteldruckturbine einstellen kann. Ein solches Durchdrehen der Mitteldruckturbine muss vermieden werden, da hierdurch das gesamte Flugtriebwerk beschädigt werden kann. Aus Sicherheitsgründen muss demnach ein Wellenbruch an einer Gasturbine sicher detektierbar sein, um bei Auftreten eines Wellenbruchs eine Brennstoffzufuhr zur Brennkammer zu unterbrechen. Eine derartige Detektion eines Wellenbruchs bereitet insbesondere dann Schwierigkeiten, wenn die Gasturbine, wie oben beschrieben, drei sich konzentrisch umschließende und damit ineinander verschachtelte Wellen aufweist. In diesem Fall bereitet vor allem die De¬ tektion eines Wellenbruchs der mittleren Welle, welche die Mitteldruck¬ turbine mit dem Mitteldruckverdichter koppelt, Schwierigkeiten.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs an einer Gas¬ turbine zu schaffen. Dieses Problem wird durch eine Einrichtung zur Detektion eines Wellen¬ bruchs an einer Gasturbine im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Im Sinne der Erfindung wird eine Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs an einem Rotor einer ersten Turbine, insbesondere einer Mitteldruckturbine, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, vorgeschlagen, wobei stromabwärts der ersten Turbine eine zweite Turbine, insbesondere eine Niederdruckturbine, positioniert ist, mit einem zwischen dem Rotor der ersten Turbine und einem Stator der zweiten Turbine, gegenüber einem Strömungskanal radial innenliegend positionierten Betätigungselement, und mit einem in dem Stator der zweiten Turbine geführten Sensorelement, um einen vom radial innenliegend positionierten Betätigungselement detek- tierten Wellenbruch in ein elektrisches Signal zu wandeln und um dieses elektrische Signal an ein Schaltelement zu übertragen, welches gegenüber dem Strömungskanal radial außenliegend an einem Gehäuse der Gasturbine positioniert ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach eine Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs mit einem mechanischen Betätigungsele¬ ment vorgeschlagen, welches gegenüber einem Strömungskanal der Gasturbine radial innenliegend zwischen einem Rotor und einem Stator von zwei anei- nandergrenzenden Turbinen positioniert ist. Mit Hilfe des Betätigungsele¬ ments ist ein Wellenbruch der stromaufwärts positionierten Turbine detek- tierbar, wobei bei einem Wellenbruch das Betätigungselement axial ver¬ schoben wird und auf das Sensorelement trifft. Das Sensorelement ist vor¬ zugsweise als Aufschlagsensor ausgebildet, dessen Struktur bei Auftreffen des Betätigungselements auf das Sensorelement verändert wird und der so ein den Wellenbruch repräsentierendes, elektrisches Signal erzeugt. Das Sensorelement ist im Stator der stromabwärts positionierten Turbine ge¬ führt und leitet das den Wellenbruch repräsentierende elektrische Signal radial nach außen an ein Schaltelement. Das Sensorelement ist bei mon¬ tierter Gasturbine in radialer Richtung aus derselben herausziehbar. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei montierter Gasturbine alle elektri¬ schen Komponenten der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs ohne die Notwendigkeit des Zerlegens der Gasturbine leicht zugänglich sind. Das Sensorelement kann in radialer Richtung einfach aus der montierten Gasturbine herausgezogen werden, das Schaltelement ist ra¬ dial außenliegend am Gehäuse der Gasturbine positioniert.
Insofern können ohne großen Wartungsaufwand sämtliche elektrischen Bau¬ gruppen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Detektion eines Wellen¬ bruchs inspiziert bzw. gewartet werden. Sämtliche nur bei Zerlegen der Gasturbine zugängliche Baugruppen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs, so z. B. das Betätigungselement, sind rein mechanisch ausgeführt, sehr zuverlässig und müssen daher weniger häufig gewartet werden wie die elektrischen bzw. elektronischen Baugruppen.
Die erfindungsgemäße Gasturbine ist im unabhängigen Patentanspruch 9 de¬ finiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Gasturbine mit ei¬ ner erfindungsgemäßen Einrichtung zur Detektion eines Wellen¬ bruchs an einer Gasturbine.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 in größerem Detail beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine erfindungsge¬ mäße Gasturbine, nämlich ein Flugtriebwerk, im radial innenliegenden Be¬ reich zwischen einem Rotor einer Mitteldruckturbine 10 und einem Stator einer Niederdruckturbine 11. Vom Rotor der Mitteldruckturbine 10 ist eine Rotorscheibe 12 des in Strömungsrichtung (Pfeil 15) gesehen letzten Lauf- schaufelkranzes der Mitteldruckturbine 10 dargestellt; vom Stator der Niederdruckturbine 11 ist eine radial innenliegende Dichtungsstruktur 13 eines in Strömungsrichtung gesehen ersten Leitschaufelkranz der Nieder¬ druckturbine 11 gezeigt. Die Dichtungsstruktur 13 umfasst Wabendichtungen 14 einer sogenannten „inner air seal" Dichtung.
Die Strömungsrichtung durch die Gasturbine ist in Fig. 1 durch einen Pfeil 15 visualisiert. Der Stator der Niederdruckturbine 11 ist demnach stromabwärts des Rotors der Mitteldruckturbine 10 positioniert. Dabei grenzt der in Strömungsrichtung gesehen erste bzw. vorderste Leitschau¬ felkranz der Niederdruckturbine 11 an den in Strömungsrichtung gesehen letzten bzw. hintersten Laufschaufelkranz der Mitteldruckturbine 10 an. Stromaufwärts der Mitteldruckturbine 10 ist vorzugsweise eine Hochdruck¬ turbine positioniert.
Wie bereits erwähnt, sind bei derartigen Gasturbinen, die drei Turbinen sowie drei Verdichter aufweisen, die Rotoren von Hochdruckturbine sowie Hochdruckverdichter, Mitteldruckturbine sowie Mitteldruckverdichter sowie Niederdruckturbine und Niederdruckverdichter durch jeweils eine Welle miteinander verbunden, wobei diese drei Wellen sich einander konzentrisch umschließen und damit ineinander verschachtelt sind. Es liegt nun im Sin¬ ne der hier vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs an einer Gasturbine bereitzustellen, die sich insbesondere zur Detektion eines Wellenbruchs der den Mitteldruckturbinenrotor mit dem Mitteldruckverdichterrotor verbindenden Welle eignet. Bricht nämlich die¬ se Welle, so kann der Mitteldruckverdichter der Mitteldruckturbine keine Arbeit bzw. Leistung mehr entnehmen, was zu einem Überdrehen der Mittel¬ druckturbine führen kann. Da ein derartiges Überdrehen der Turbine zu schweren Beschädigungen des Flugtriebwerks führen kann, muss ein Wellen¬ bruch sicher detektiert werden.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, zwischen den Rotor der Mitteldruckturbine 10 und den Stator der Niederdruckturbine 11 ein Betätigungselement 16 zu positionieren, wobei das Betätigungselement 16 im gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen dem in Strömungsrichtung ge¬ sehen letzten Laufschaufelkranz der Mitteldruckturbine 10 und dem in Strömungsrichtung gesehen ersten Leitschaufelkranz der Niederdruckturbine 11 positioniert ist. Das Betätigungselement 16 ist dabei gegenüber einem Strömungskanal radial innenliegend innerhalb der Gasturbine benachbart zu der Rotorscheibe 12 des in Strömungsrichtung gesehen letzten Laufschau¬ felkranzes der Mitteldruckturbine 10 positioniert.
Gemäß Fig. 1 ist das Betätigungselement 16 axial ausgerichtet und in der als Dichtungsträger dienenden Dichtungsstruktur 13 geführt. Hierzu ist in die Dichtungsstruktur 13 eine Bohrung mit einem Innengewinde eingebracht, wobei eine Mutter 17 mit einem entsprechenden Außengewinde in der Bohrung der Dichtungsstruktur 13 befestigt ist. Die Mutter 17 verfügt ihrerseits über eine mittige Bohrung, in welcher das Betätigungselement 16 in axia¬ ler Richtung verschiebbar geführt ist.
Wie Fig. 1 entnommen werden kann, wird das in der Mutter 17 in axialer Richtung verschiebbar gelagerte bzw. geführte Betätigungselement 16 in axialer Position über einen abscherbaren Stift 18 fixiert. Der abscherba¬ re Stift 18 erstreckt sich im Wesentlichen in radialer Richtung von radi¬ al außen durch die Mutter 17 und ragt in eine entsprechende Öffnung in¬ nerhalb des Betätigungselements 16 hinein. Durch den abscherbaren Stift 18 und die dadurch bewirkte axiale Fixierung des Betätigungselements 16 wird sichergestellt, dass sich während des normalen bzw. regulären Be¬ triebs der Gasturbine keine axiale Verschiebung des Betätigungselements 16 einstellt. Wie Fig. 1 weiterhin entnommen werden kann, ist zwischen der Dichtungs¬ struktur 13 und der Mutter 17 eine Unterlegscheibe 19 angeordnet. Über die Dicke dieser Unterlegscheibe 19 lässt sich ein Abstand zwischen der Rotorscheibe 12 und einem der Rotorscheibe 12 benachbarten Ende 20 des Betätigungselements 16 einstellen.
Neben dem Betätigungselement 16 verfügt die erfindungsgemäße Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs über ein Sensorelement 21. Das Sensor- element 21 ist als Aufprallsensor bzw. Aufschlagsensor bzw. Impact-Sensor ausgebildet und wirkt mit einem dem Ende 20 gegenüberliegenden Ende 22 des Betätigungselements 16 derart zusammen, dass dann, wenn das zweite Ende 22 des Betätigungselements 16 auf das Sensorelement 21 in Folge ei¬ nes Wellenbruchs auftrifft, das Sensorelement 21 ein den Wellenbruch rep¬ räsentierendes elektrisches Signal erzeugt, um dieses elektrische Signal an ein radial außen an einem Gehäuse der Gasturbine positioniertes Schaltelement zu übertragen. Das Sensorelement 21 ist im Stator der Nie¬ derdruckturbine 11 geführt und in radialer Richtung aus dem Stator der Niederdruckturbine 11 entnehmbar.
Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ist das radial innenliegende Ende des Sensorelements 21 in einer Aufnahme 23 geführt, wobei die Aufnahme 23 ü- ber einen Träger 24 an der Dichtstruktur 13 befestigt ist. Fig. 1 kann entnommen werden, dass der Träger 23 über eine Nietverbindung 25 mit der Dichtungsstruktur 13 fest verbunden ist. Die vom Träger 24 gehaltene Auf¬ nahme 23 verfügt im Bereich des Endes 22 des Betätigungselements 16 über eine Öffnung, damit das Betätigungselement 16 im Falle eines Wellenbruchs in Richtung auf das Sensorelement 21 bewegt werden kann.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung zu der Detektion eines Wel¬ lenbruchs bzw. die entsprechende Gasturbine in einer Anordnung, die dem regulären bzw. normalen Betrieb einer Gasturbine entspricht. Das Betäti¬ gungselement 16 ist in seiner axialen Verschiebbarkeit durch den abscher¬ baren Stift 18 fixiert. Tritt nun ein Wellenbruch an der Welle auf, wel¬ che die Mitteldruckturbine 11 mit einem nicht dargestellten Mitteldruck¬ verdichter verbindet, so kann der Mitteldruckverdichter der Mitteldruck¬ turbine 10 keine Arbeit bzw. Leistung mehr entnehmen und es kann sich ein Durchdrehen der Mitteldruckturbine 10 einstellen. Aufgrund der Druckver¬ hältnisse an der Mitteldruckturbine 10 wird bei einem derartigen Wellen¬ bruch der Rotor, nämlich die in Fig. 1 dargestellte Rotorscheibe 12 des in Strömungsrichtung letzten bzw. hintersten Laufschaufelkranzes der Mit¬ teldruckturbine 10, nach hinten bzw. in Richtung des Pfeils 15 bewegt, so dass die Rotorscheibe 12 auf dem Ende 20 des Betätigungselements 16 auf¬ schlägt. Hierdurch wird dann der Stift 18, welcher der axialen Fixierung des Betätigungselements 16 dient, abgeschert und das Betätigungselement 16 wird in Richtung des Pfeils 15 auf das Sensorelement 21 bewegt, so dass das Ende 22 des Betätigungselements 16 auf dem Sensorelement 21 auf¬ schlägt. Hierbei wird die Struktur des Sensorelements 21 derart verän¬ dert, dass ein den Wellenbruch repräsentierendes, elektrisches Signal vom Sensorelement 21 erzeugt wird. Dieses kann dann radial nach außen in Richtung auf ein Schaltelement weitergeleitet werden, welches letztend¬ lich dann bei einem Wellenbruch die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer un¬ terbricht.
Das als Aufschlagsensor bzw. Impact-Sensor ausgebildete Sensorelement 21 verfügt vorzugsweise über einen in einen keramischen Grundkörper integ¬ rierten, elektrischen Schaltkreis, dessen Struktur bzw. Integrität vom Schaltelement überwacht wird. Schlägt das Betätigungselement 16 aufgrund eines Wellenbruchs in den keramischen Grundkörper des Sensorelements 21 ein, so wird dieser zerstört und der in den keramischen Grundkörper in¬ tegrierte Schaltkreis unterbrochen. Die sich hierbei einstellende Ände¬ rung des vom Sensorelement 21 bereitgestellten Signals repräsentiert ei¬ nen Wellenbruch und kann auf einfache Art und Weise vom Schaltelement ausgewertet bzw. weiterverarbeitet werden, um letztendlich die Brenn¬ stoffzufuhr zur Brennkammer zu unterbrechen.
Wie bereits erwähnt, ist das Sensorelement 21 im Stator der Niederdruck¬ turbine 11 derart geführt, dass das Sensorelement 21 in radialer Richtung aus dem Stator herausgezogen werden kann. Das Herausziehen des Sensorele¬ ments 21 in radialer Richtung aus dem Stator, insbesondere einer Leit¬ schaufel eines Leitschaufelkranzes, der Niederdruckturbine 11 kann bei montiertem bzw. zusammengebautem Gastriebwerk durchgeführt werden. Hier¬ durch ist es möglich, das Sensorelement 21 ohne großen Aufwand einer In¬ spektion bzw. Wartung zu unterziehen. Sämtliche elektrischen bzw. elekt¬ ronischen Baugruppen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Detektion ei¬ nes Wellenbruchs sind demnach ohne großen Montageaufwand zugänglich. Die übrigen, nur bei demontierter Gasturbine zugänglichen Baugruppen der er¬ findungsgemäßen Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs, so z. B. das Betätigungselement 16, sind rein mechanisch ausgeführt, sehr robust und müssen daher weniger häufig inspiziert bzw. gewartet werden, wie die elektrischen bzw. elektronischen Baugruppen derselben.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs an einem Rotor einer ersten Turbine (10), insbesondere einer Mitteldruckturbine, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, wobei stromabwärts der ersten Turbine (10) eine zweite Turbine (11), insbesondere eine Niederdruckturbine, positioniert ist, mit einem zwischen dem Rotor der ersten Turbine (10) und einem Stator der zweiten Turbine (11), gegenüber einem Strömungskanal radial innenliegend positionierten Betätigungselement (16) , und mit einem in dem Stator der zweiten Turbine (11) geführten Sensorelement (21) , um einen vom radial in¬ nenliegend positionierten Betätigungselement (16) detektierten Wel¬ lenbruch in ein elektrisches Signal zu wandeln und dieses elektri¬ sche Signal an ein Schaltelement zu übertragen, welches gegenüber dem Strömungskanal radial außenliegend an einem Gehäuse der Gastur¬ bine positioniert ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (16) zwischen einem in Strömungsrichtung gesehen letzten Laufschaufelkranz der ersten Turbine (10) und einem in Strömungsrichtung gesehen ersten Leitschaufelkranz der zweiten Turbine (11) positioniert ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (16) radial innenliegend benachbart zu einer Rotorscheibe (12) des in Strömungsrichtung gesehen letzten Laufschaufelkranzes der ersten Turbine (10) positioniert ist.
4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (16) in einer radial innenliegenden Dichtungsstruktur (13) des Stators der zweiten Turbine (11) in axia¬ ler Richtung bzw. in Strömungsrichtung geführt ist, wobei das Betä¬ tigungselement (16) über einen abscherbaren Stift (18) in axialer Richtung fixiert ist.
5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) im Stator der zweiten Turbine (11) in radialer Richtung geführt und in radialer Richtung aus dem Stator der zweiten Turbine (11) entnehmbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) in einem in Strömungsrichtung gesehen ersten Leitschaufelkranz der zweiten Turbine (11) geführt ist.
7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) an einem radial innenliegenden Ende mit dem Betätigungselement (16) derart zusammenwirkt, dass bei einem Wellenbruch das Betätigungselement (16) unter Abscherung des Stifts (18) auf das Sensorelement (21) bewegt wird und auf demselben auf- trifft, wobei das Sensorelement (21) hieraus ein den Wellenbruch repräsentierendes, elektrisches Signal erzeugt.
8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) als Aufschlagsensor ausgebildet ist, dessen Struktur beim Auftreffen des Betätigungselements (16) auf denselben verändert wird.
9. Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit mindestens zwei Verdich¬ tern, mindestens einer Brennkammer, und mindestens zwei Turbinen, und mit einer Einrichtung zur Detektion eines Wellenbruchs an einem Rotor einer ersten Turbine (10), insbesondere einer Mitteldrucktur¬ bine, wobei stromabwärts der ersten Turbine eine zweite Turbine
(11) , insbesondere eine Niederdruckturbine, positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor der ersten Turbine (10) und einem Stator der zweiten Turbine (11) , gegenüber einem Strömungskanal radial innen¬ liegend, ein Betätigungselement (16) positioniert ist, und dass in dem Stator der zweiten Turbine (11) ein Sensorelement (21) geführt ist, um einen vom radial innenliegend positionierten Betätigungsele¬ ment (16) detektierten Wellenbruch in ein elektrisches Signal zu wandeln und dieses elektrische Signal an ein Schaltelement zu über- tragen, welches gegenüber dem Strömungskanal radial außenliegend an einem Gehäuse der Gasturbine positioniert ist.
10. Gasturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (16) zwischen einem in Strömungsrichtung gesehen letzten Laufschaufelkranz des ersten Turbine (10) und einem in Strömungsrichtung gesehen ersten Leitschaufelkranz der zweiten Turbine (11) positioniert ist.
11. Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (16) radial innenliegend benachbart zu einer Rotorscheibe (12) des in Strömungsrichtung gesehen letzten LaufSchaufelkranzes der ersten Turbine (10) positioniert ist.
12. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (16) in einer radial innenliegenden Dichtungsstruktur (13) des Stators der zweiten Turbine (11) in axia¬ ler Richtung bzw. in Strömungsrichtung geführt ist, wobei das Betä¬ tigungselement (16) über einen abscherbaren Stift (18) in axialer Richtung fixiert ist.
13. Gasturbine einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) im Stator der zweiten Turbine (10) in radialer Richtung geführt und in radialer Richtung aus dem Stator der zweiten Turbine (10) entnehmbar ist.
14. Gasturbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) in einem in Strömungsrichtung gesehen ersten Leitschaufelkranz der zweiten Turbine (11) geführt ist.
15. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) an einem radial innenliegenden Ende mit dem Betätigungselement (16) derart zusammenwirkt, dass bei einem Wellenbruch das Betätigungselement (16) unter Abscherung des Stifts (18) auf das Sensorelement (21) bewegt wird und auf demselben auf- trifft, wobei das Sensorelement (21) hieraus ein den Wellenbruch repräsentierendes, .elektrisches Signal erzeugt.
16. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) als Aufschlagsensor ausgebildet ist, dessen Struktur beim Auftreffen des Betätigungselements (16) auf denselben verändert wird.
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