SE437694B - Turbinmantelaggregat - Google Patents

Description

7910211-7 2 ning eftersom temperaturen hos denna luft är alltför hög. Ä andra sidan kan man direkt tappa av luft från kompres- sorsteget för att kyla de skilda turbindelarna som har samband med förgasningen. Denna avtappade luft har en förhållandevis låg temperatur vilken i första hand bestäms av komprimerings- förhållandet och i andra hand av värmeavledningen från den heta motorn. Man bör begränsa användningen av denna avtappade luft eller läckluft för att den högsta möjliga motorverkningsgraden skall kunna erhållas. I tidigare förekommande industriella gas- turbinmotorer tillfördes luft slumpvis till manteln som omger turbinskovlarna. Vidare valdes materialet som användes i tidi- gare kända mantlar i regel på grundval av sin styrka. I sådana motorer försökte man inte isolera kylluften från det omgivande heta aggregatet, vilket innebär att när kylluften nådde fram till själva manteln hade en betydande del av dess kylförmåga gått förlorad. Slutligen medförde arrangemanget med en stor tryckkammare i tidigare kända gasturbinmotorer ett tryckfall i kylluften, varigenom het gas kunde inträda i tryckkammaren och därvid kunde försämra kylningen ytterligare. _ Försök att erhålla en jämn gasströmning genom turbinen och förbi turbinhjulet medförde att turbinmanteln väsentligen fick bilda en integral del av turbinhöljet. De förhållandevis höga temperaturerna hos turbinhöljet överfördes således till turbinmanteln med en åtföljande utvidgning av denna. Försök att hindra turbinmanteln från att utvidga sig har inte mötts helt med framgång. Såsom en sammanfattning av detta problem kan nämnas att om turbinmantelringens diameter minskades eller hölls oförändrad såsom följd av att den träffades av kylluft motverkades detta av mekaniska påkänningar härrörande från turbinmotorhöljets utvidgning.

I många tidigare kända gasturbinmotorer, såväl av typen som används inom industrin som av typen som används i flygfar- koster, har man utnyttjat ett överlappande, i segment uppdelat mantelaggregat för att hindra varje segment från att utvidga sig termiskt samtidigt som hela mantelns innerdiameter hålls oförändrad. Det har varit svårt att uppnå en sant cirkelformig öppning för turbinhjulet till följd av att mantelaggregaten 7910211-7 3 själva varit uppdelade i segment. Spelet mellan turbinmantel- aggregatet och en turbinskovel måste således inregleras under hänsynstagande till att ett orunt tillstånd eventuellt skulle kunna föreligga. Detta har medfört verkningsgradsförluster.

Såsom exempel på teknikens ståndpunkt då det gäller reg- lering av utvidgningen hos gasturbinmantelaggregat kan nämnas de amerikanska patentskrifterna 4 025 919, 4 025 731, 5 990 807, 3 986 720, 3 975 901 och 4 086 757.

Föreliggande uppfinning har till ändamål att lösa ett eller flera av de ovan angivna problemen.

Generellt sett utgör föreliggande uppfinning ett turbin- mantelaggregat som innefattar en utvidgningsregleringsring som har en inre cylindrisk yta. Avgreningar finns för att rikta ett kylmedium mot på förhand utvalda lägen hos utvidgningsregle- ringsringen. En distansring ger ett axiellt samband mellan expansionsregleringsringen och avgreningarna.

Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj 1 det följan- de under hänvisning till bifogade figurer, på vilka fig. l visar en sektionerad vy av en del av en gasturbinmotor 1 vilken det här beskrivna mantelaggregatet kan utnyttjas, fig. 2 är en mera i detalj visad sektionerad vy av det i fig. l åskádliggjorda mantelaggregatet, fig. 3 är en partiell sidovy av det i fig. 2 åskàdliggjorda mantelaggregatet med en del bortbruten för att åskådliggöra utvidgningsregleringsringens utformning, fig. 4 är en perspektivvy av en del av ett rotormantelsegment som är visat anbragt på en del av expansionsregleringsringen, och fig. 5 är en sektionerad vy av turbinmantelaggregatet och visar en av bultarna som håller fast aggregatet vid turbinhöljet.

En del av en gasturbinmotor 10 är visad i fig. l. I gas- turbinmotorn 10 ingår ett förgasningsturbinhjul 12; på vilket ett flertal turbinskovlar 14 är monterade. Turbinhjulet 12' är fäst vid en axel 16 som är lagrad på så sätt att den kan rotera i ett turbinhölje 18, i vilket en förbränningskammare 20 också är anbragt. Axeln 18 bringar en (inte visad) kompressor att rotera, och från denna kompressor förs en kvantitet kyl- medium eller luft till en kanal 22 för vidarebefordran till en tryckkammare 24 för att sedan överföras till det inre i ett flertal turbinmunstycksskovlar 26. Det hittills beskrivna kyl- 7910211-7 4 arrangemanget kan återfinnas i den ovannämnda amerikanska patentskriften 4 086 757.

Kylmedium som matas till turbinmunstycksskovlarna 26 av- ges genom ett utloppshål 28 till en ringformig kammare 30.

Kammaren 30 är omgiven av isolerande material 32 som kan utgöras av något godtyckligt allmänt känt material, såsom ett keramiskt fibermaterial. En serie rör 34, som är fästa vid en fläns 36 som omger turbinhjulet 12, kommunicerar med kammaren 30. Flänsen 36 är fäst vid turbinhöljet 18 och bildar en del av bärorganet för turbinmantelaggregatet 40 (jämför också fig. 2 och 5).

Vid rörens 34 andra, motsatta ände är ett plåtorgan 38 fäst, vilket bildar en ring. Isolerande material 33 är anbragt i nämnda ring och kring rören 34 för att minska temperatursteg- ringen i kylmediet då detta förs från munstycksskovlarna 26 till turbinmantelaggregatet.

Turbinmantelaggregatet 40 är fäst vid flänsen 36 medelst ett flertal bultar 42 på det i fig. 5 visade sättet. Mantel- aggregatet 40 innefattar en utvidgningsregleringsring 44 som är generellt T-formad i tvärsektion. Utvidgningsregleringsringen 44 har en tvärstycksdel 46 som i sin tur har en inre cylindrisk yta 48, mot vilken ett flertal rotorsegment 50 monterbart an- sluter sig.

Från tvärstycksdelen 46 sträcker sig en skänkeldel 52 radiellt utåt. På skänkeldelens 52 motsatta sidor finns organ som bildar en avgrening för att överföra kylluft till korsnings- punkten mellan skänkeldelen 52 och tvärstycksdelen 46. Ifråga- varande organ består av första och andra avgreningsringar 54 resp. 56. Avgreningsringarna 54 och 56 är inbördes likartade, men de skiljersig vid sin yttre omkrets, såsom framgår av fig. 2. Mellan nämnda första och andra avgreningsringar 54 resp. 56 är en distansring 62 interfolierad samt anbragt radiellt utåt i förhållande till utvidgningsregleringsringen 44, varvid distansringens 62 bredd är något större än bredden hos utvidg- ningsregleringsringens 44 skänkeldel 52. Distansringen 62 an- sluter utvidgningsregleringsringen 44 radiellt till avgrenings- organen.

Av fig. 3 i förening med fig. 5 ser man att avgrenings- ringarna 54 och 56 är utformade med ett flertal fästhål 644 7910211-7 5 resp. 64'. På likartat sätt är distansringen 62 försedd med ett flertal fästhål 64. Bultarna 42, som nämnts ovan i samband med fig. 5, förs genom dessa fästhål till flänsen 56 och till en fläns 66 som också är fixerad vid turbinhöljet eller turbinhuset 18. Det bör observeras att flänsen 56 är utformad med en bakåt- riktad utskjutande läpp 37 vid sin yttre periferi, varvid nämnda läpp överlappar avgreningsringen 54. Avgreningsringen 54 är också försedd med en bakåtriktad läpp 55 som överlappar distans- ringen 62.

Distansringen 62 är försedd med ett flertal urtagningar 70 med parallella sidor, vilka urtagningar är anordnade att mot- taga utsprång 72 som är bildade på den yttre omkretsen hos ut- vidgningsregleringsringens 44 skänkeldel 52. Man ser i fig. 4 att varje utsprång 72 svarar mot en urtagning 70 och att plats för utvidgning finns mellan utsprånget 72 och urtagningen 70.

Den axiella lägesinställningen hos utvidgningsregleringsringen 44 i förhållande till turbinhjulet 12 påverkas inte när ut- vidgningsregleringsringen 44 utvidgar sig termiskt, detta emedan de parallella sidorna hos urtagningarna 70 och de motsvarande utsprången 72 kräver att ringen skall utvidga sig likformigt.

Utvidgningsregleringsringen 44 kan således utvidga sig i annan omfattning än själva turbinhöljet utan att detta inverkar på koncentriciteten hos utvidgningsregleringsringen 44.

De enskilda avgreningsringarna 54 och 56 är utformade med ett flertal väsentligen triangulära urtagningar 74 och 74', såsom framgår av fig. 5, ehuru andra former också skulle kunna förekomma. Var och en av urtagningarnas 74 resp. 74' bredaste del står i förbindelse med det motsvarande spåret 58 i avgre- ningsringen 54 samt spåret 58' i avgreningsringen 56. En borr- ning 76 (jämför fig. 5) är bildad i stort sett vid toppen hos den triangulära urtagningen 74. Nämnda borrning 76 står i för- bindelse med en borrning 78 som är bildad i distansringen 62 som i sin tur kommunicerar med en motsvarande borrning 76' i den andra avgreningsringen 56, såsom är visat i fig. 2. Denna andra borrning 76' står i sin tur i förbindelse med den mot- svarande urtagningen 74' i den andra avgreningsringen 56. Ett flertal öppningar 80 bringar spåret 58 (Jämför fig. 5) i för- bindelse med partiet intill utvidgningsregleringsringen 44.

QUALITY 7910211-7 ' 6 c Närmare bestämt är varje öppning 80 i den första avgrenings- ringen 54 riktad mot den ena sidan av utvidgningsreglerings- ringen 44 i närheten av korsningspunkten mellan skänkeldelen 52 och tvärstycksdelen 46. Ett antal likartade öppningar 80' är bildade i avgreningsringen 56, varigenom kylmedium som förs genom borrningarna 76, 78 och 76' till urtagningen 74' riktas kontrollerbart mot den motsatta sidan hos utvidgningsregle- ringsringen 44 just i närheten av korsningspunkten mellan skänkeldelen 52 och tvärstycksdelen 46.

Den hittills beskrivna anordningen åstadkommer kylning av utvidgningsregleringsringen 44, som kan bestå av en lege- ring med speciellt ringa utvidgning och med tillräckligthög temperatur för denna tillämpning samtidigt som den bibehåller en förhållandevis låg värmeutvidgningskoefficient. Såsom en sådan lämplig legering kan nämas "Hastelloy S“ som marknads- förs av Stellite Division 1 Cabot Corporation. Den relativt lösa kontakten mellan utvidgningsregleringsringen 44 och de angränsande avgreningsringarna samt distansríngen ger upphov till ett relativt högt motstånd mot värmeledning från angränsan- de motordelar, vilken värmeledning skulle kunna motverka an- strängningarna att kyla utvidgningsregleringsringen 44. Den på utsprång och urtagningar baserade anslutningen mellan ut- vidgningsregleringsringen 44 och distansringen 62 eliminerar mekaniska påkänningar mellan dessa båda delar, vilka på- känningar skulle medföra en benägenhet att motverka den minsk- ning i utvidgningsregleringsringens 44 diameter som härrör från tillförsel av kylluft till korsningspunkten mellan skänkel- delen 52 och tvärstycksdelen 46.

Fig. 4 visar en perspektivvy av ett rotormantelsegment 50 monterat på en del av utvidgningsregleringsringen 44.

Varje rotormantelsegment eller -del 50 är bildat med ett fler- tal inåtriktade flikar 84 som är bildade på segmentets utsida 49 och som överlappar utvidgningsregleringsringens 44 tvär- stycksdel 46. Utvidgningsregleringsringen 44 är försedd med ett flertal belastningsurtagningar 86 som är belägna på ett avstånd som är väsentligen lika med avståndet som åtskiljer de inåtriktade flikarna 54, och rotormantelsegmenten 50 kan så- ooålššàfilfl 7910211-*7 7 ledes placeras på utvidgningsregleringsringen 44 genom att man orienterar flikarna 84 1 urtagningarna 86 och sedan skjuter rotormantelsegmenten till det i fig. 4 visade läget. Det bör observeras att en av de båda mittflikarna 84 är försedd med en urtagning 88 som bildar en del av en fattning, i vilken en pinne 90 kan anbringas. En motsvarande borrning 94 finns i avgrenings- ringen 54. Man ser således i fig. 2 att pinnen 90 periferiellt orienterar varje enskilt rotormantelsegment 50 på utvidgnings- regleringsringen 44. Rotormantelsegmenten 50 kan också bestå av samma legering med låg utvidgningskoefficient som utvidgnings- regleringsringen 44. Dessutom kan ytterytan eller utsidan 49, som bringas i kontakt eller överensstämmelse med den inre cylindriska ytan 48, företrädesvis ha väsentligen samma krök- ningsradie som den korresponderande cylindriska ytan 48.

Det har visat sig att det centrala läget hos den i nämnda fattning införda pinnen 90 hindrar varje enskilt rotor- mantelsegment 50 från att utvidga sig utan att detta inverkar på det nästa angränsande rotormantelsegmentets utvidgning. I fig. 3 utvidgar sig således varje rotormantelsegment 50 utåt från mitten i förhållande till utvidgningsregleringsringen 44 i stället för att utvidga sig från en spärrad punktl vid den ena änden.

Fig. 2 visar en tvärsektion av rotormantelsegmentet 50 i förhållande till den korresponderande turbinskoveln 14. Man ser att rotormantelsegmentet 50 är utformat med ett längsgåen- de spår 96. I det längsgående spåret 96 är ett slipbart mate- rial 98 anbragt på i och för sig känt sätt. Detta slipbara material har till uppgift att skydda turbinskovelns 14 spets för det fallet att turbinskoveln 14 kommer i beröring med rotor- mantelsegmentet.

I fig. 5 ser man att ändarna hos varje rotormantelseg- ment 50 är så utformade, att de överlappar varandra. Den första änden 100 överlappar således den andra änden 102 hos det nästa angränsande rotormantelsegmentet.

För att uppfinningens arbetssätt skall kunna förstås bättre hänvisas nu till fig. l. Man ser att kylluft matas från turbinmotorns kompressordel till kanaler som är bildade i mun- PÛÛE 1, ¿_ vrf-s.. 7910211-7 8 stycksskovlarna 26. Sedan kylluften har genomlöpt munstycks- skovlarna 26 förs den ut från varje munstycksskovel genom ut- loppsöppningen 28 in i kammaren 30 och därifrån till rören 34.

Varje rör 34 är isolerat av material 33, som exempelvis kan. ut- göras av ett keramiskt fibermaterial. Detta material hindrar att temperaturen i kylluften som passerar från munstycksskov- larna 26 ökas på vägen till mantelaggregatet 40. Luft förs till avgreningsringen 54 från rören 34 via urtagningarna 74. Sam- tidigt förs en del av kylluften från urtagningarna 74 genom Dorrningarna 76, 78 och 76' till urtagningarna 74”. Kylluften i urtagningarna 74 och 74' passerar genom öppningarna 80 och 80' och riktas reglerbart mot korsningspunkten mellan skänkel- delen 52 och tvärstycksdelen 46 hos utvidgningsregleringsringen 44.

Såsom är markerat medelst pilar i fig. 2 förs kylluft utåt mellan rotormantelsegmenten 50 och turbinhöljet 18 samt in i huvudströmmen av het gas vid lägen uppströms och ned- ströms från turbinskovlarna 14. Denna luftströmningsbana är särskilt fördelaktig på så sätt att heta gaser i turbinhuvud- strömmen hindras effektivt från att nå utvidgningsreglerings- ringen.

Det bör observeras att rotormantelsegmenten 50 inte står i direktkontakt med den angränsande delen av turbinhöljet.

Värme kommer således inte att ledas i någon större omfattning från höljet direkt till rotormantelsegmenten. Varje rotorman- telsegment 50 är anslutet till turbinhöljetlß genom utvidg- ningsregleringsringen 44 och närmare bestämt genom skänkel- delen 52. Eftersom kylluft riktas reglerbart mot skänkeldelen kommer ledning av värme från turbinhöljet 18 genom skänkel- delen 52 att minskas samtidigt som skänkeldelen och tvärstycks- delen själva kyls av luften som slår an mot dem.

Ehuru uppfinningen ovan har beskrivits i anslutning till en bestämd utföringsform skall den inte anses vara begränsad till denna, utan gränsen sätts endast av bifogade patentkrav. ï?C)c)E{}:ñ3zäLñsF§,

Claims (7)

7910211-7 9 PATENTKRAV

1. Turbinmantelaggregat (40), k ä n n e t e c k n a t därav, att det innefattar en utvidgningsregleringsring (44) med en inre cylindrisk yta (48), avgreningsorgan (54, 56) för att rikta kylmedium mot pà förhand utvalda ställen på utvidgninge- regleringsringen (44) och bärorgan (62) för att uppbära utvidg~ ningsregleringsringen (44) koaxiellt i förhållande till av- greningsorganen (54, 56) under varierande temperaturförhållan- den, att utvidgningsregleringsringen (44) har en i stort sett T-formad tvärsektion som inkluderar en skänkeldel (52) och en tvärstycksdel (46) vars övre yta bildar utvidgningsreglerings- ringens (44) inre cylindriska yta (48), att skänkeldelen (52) sträcker sig radiellt utåt från tvärstycksdelen (46), och att avgreningsorganen innefattar första (54) och andra (56) av- greningsringar anordnade på var sin sida om skänkeldelen (52), varvid vardera av de första och andra avgreningsringarna (54, 56) är försedd med ett flertal mediumöppningar (80, 80') som är orienterade mot motstàende sidor hos skänkeldelen (52).

2. Aggregat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att stödorganen innefattar en distansring (62).

5. Aggregat enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att distansringen (62) har en axiell tjocklek som är något större än skänkeldelens (52) tjocklek och att distansringen (62) är belägen mellan de första (54) och andra (56) avgrenings- ringarna och radiellt utanför skänkeldelen (52).

4. Aggregat enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att utvidgningsregleringsringen (44) har en geometrisk axel och är försedd med ett flertal från nämnda skänkeldel (52) ut- skjutande utsprång på förutbestämda ställen och att distans- ringen (62) på sin inre omkrets har ett flertal urtagningar (70), av vilka var och en har en bredd som är i huvudsak lika med bredden hos utsprången 72 och är anordnad att mottaga ett individuellt utsprång (72). ?@@ëlcraforar,zmr.aa - 7910211-7 10

5. Aggregat enligt krav 4, av, att de båda avgreningsringarna (54, 56) och distansringen (62) är försedda med ett flertal mittför varandra belägna hål (76, 76', 78) och att wn'ochenav de nämnda första och andra avgreningsringarna (54, 56) har två väsentligen parallella plana ytor, varvid den ena av dessa ytor är försedd med ett cirkulärt spår (58, 58') och med ett flertal urtagningar (74, 74') som sätter ett förutbestämt antal av de mittför varandra liggande hålen (76, 76') i var och en av avgreningsringarna (54, 56) i förbindelse med nämnda spår (58, 58'). k ä n n e t e c k n a t där-

6. Aggregat enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t där- av, att mediumöppningarna (80, 80') är orienterade i en sådan vinkel att kylmedium som passerar genom dem i huvudsak träffar respektive förbindelseområde mellan tvärstycksdelen (46) och skänkeldelen (52) hos utvidgningsregleringsringen (44).

7. Aggregat enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t där- av, att det är bildat av ett flertal segment (50) som är mon- terade på den inre cylindriska ytan hos utvidgningsreg1erings~ ringen (44). goes ouzamsrv