WO2008011864A1 - Gasturbine mit einem mantelringsegment umfassend einen rezirkulationskanal - Google Patents

Gasturbine mit einem mantelringsegment umfassend einen rezirkulationskanal Download PDF

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Roland Huttner
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/612—Foam

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine, in particular a gas turbine aircraft engine, according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbines particularly gas turbine aircraft engines, typically include a plurality of rotating blades in the region of a compressor and a turbine, and a plurality of stationary vanes, the blades rotating together with a rotor, and the blades and vanes being surrounded by a fixed housing.
  • a plurality of rotating blades in the region of a compressor and a turbine, and a plurality of stationary vanes, the blades rotating together with a rotor, and the blades and vanes being surrounded by a fixed housing.
  • sealing systems include the so-called sealing systems.
  • blades have no shroud, especially in the compressor. Therefore, the radially outer ends of the blades are exposed to so-called rubbing into the fixed housing a direct frictional contact with the housing.
  • Such a rubbing of the tips of the blades into the housing is caused by setting a minimum radial gap by manufacturing tolerances.
  • As is removed by the frictional contact of the tips of the blades on the same material, over the entire circumference of the housing and rotor can set an undesirable gap magnification.
  • Another way to avoid the wear on the tips or radially outer ends of the blades and to ensure an optimized seal between the tips or tips of the blades and the stationary housing consists in the coating of the housing with a so-called inlet lining.
  • housings with inlet lining are known from the prior art, wherein the inlet lining is typically associated with housing-side shroud segments, which serve as a carrier for the inlet lining. Such shroud segments are also referred to as shrouds.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel gas turbine with reduced aerodynamic gap losses.
  • This problem is solved by a gas turbine according to claim 1.
  • the gas turbine has at least one channel in order to apply a pressure prevailing on the high pressure side of blades of a rotor at a low pressure side thereof in the region of the gap between the radially outer ends of the blades and the housing and thus to prevent flow through the gap.
  • the channel extends at least in sections in a serving as a support for the inlet lining, housing-side shroud segment, such that the channel opens on the high pressure side in the region of the shroud segment in a flow channel and on the low pressure side in the region of the inlet lining in the gap to be sealed.
  • Fig. 1 is a highly schematic section of a erf ⁇ ndunmultien gas turbine.
  • FIG. 1 shows a highly schematic section of a gas turbine 10 according to the invention in the region of a high-pressure compressor 11, wherein the high-pressure compressor 11 has a rotating rotor, of which in FIG. 1 a rotor blade 12 is shown.
  • the blades 12 of the rotor of the high-pressure compressor 11 are surrounded by a fixed housing 13, wherein the housing 13 are associated with shroud segments 14 which serve, inter alia, as a carrier for an inlet lining 15.
  • the gas turbine 10 has at least one channel 18 to the prevailing on the high pressure side of the blades 12 pressure on the low pressure side thereof in the region of the gap to be sealed 17th to apply.
  • the inlet lining 15 is a gas-permeable inlet lining, which preferably has an open-pored structure.
  • the inlet lining 15 is designed as an open-pored metal foam.
  • the channel 18 shown in FIG. 1 extends at least in sections in the housing-side shroud segment 14 serving as a carrier for the inlet lining 15, wherein the channel 18 on the high-pressure side, at which the pressure P H prevails, in the region of the shroud segment 14 into a flow channel of High-pressure compressor 11 of the gas turbine 10 opens.
  • the channel 16 opens in the region of the inlet lining 15 into the gap 17 to be sealed.
  • a cross-section of the or each channel 18 is preferably dimensioned such that an optionally flowing through the respective channel air in the region of the gap 17 to be sealed acts as sealing air.
  • guide elements z. As baffles or guide grille, be integrated to aerodynamically optimally guide the flowing through the channel 18 sealing air.
  • the invention is not limited to use on high pressure compressors.
  • the invention can also be used on other compressors and on turbines.

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Abstract

Es wird eine Gasturbine, mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine vorgestellt, wobei der oder jeder Verdichter und/oder die oder jede Turbine einen von einem feststehenden Gehäuse (13) umgebenen, Laufschaufeln (12) umfassenden Rotor aufweist, und wobei dem Gehäuse ein Einlaufbelag (15) zugeordnet ist. Die Gasturbine umfasst mindestens einen Kanal (19), um einen auf der Hochdruckseite von Laufschaufeln (12) eines Rotors herrschenden Druck an einer Niederdruckseite derselben im Bereich eines Spalts (17) zwischen den radial außenliegenden Enden (16) der Laufschaufeln (12) und dem Gehäuse (13) anzulegen und so eine Strömung durch den Spalt (17) zu unterbinden.

Description

GASTURBINE MIT EINEM MANTELRINGSEGMENT UMFASSEND EINEN REZIRKULATIONSKANAL
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere ein Gasturbinenflugtriebwerk, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gasturbinen, insbesondere Gasturbinenflugtriebwerke, weisen in der Regel im Bereich eines Verdichters und einer Turbine mehrere rotierende Laufschaufeln sowie mehrere feststehende Leitschaufeln auf, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren, und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse umgeben sind. Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme.
Besonders problematisch ist die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters einer Gasturbine. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich hohe absolute Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung der rotierenden Laufschaufeln zum feststehenden Gehäuse erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln auf Deckbänder, wie sie üblicherweise bei Turbinenlaufschaufeln verwendet werden, verzichtet wird. Es sind auch Turbinenlaufschaufeln ohne Deckbänder bekannt.
Wie bereits erwähnt, verfügen Laufschaufeln insbesondere im Verdichter über kein Deckband. Daher sind die radial außen liegenden Enden der Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Spitzen der Laufschaufeln in das Gehäuse wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Spitzen der Laufschaufeln an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen. Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden der Laufschaufeln mit einem harten Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern. Eine andere Möglichkeit, den Verschleiß an den Spitzen bzw. radial außen liegenden Enden der Laufschaufeln zu vermeiden und für eine optimierte Abdichtung zwischen den Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse zu sorgen, besteht in der Beschichtung des Gehäuses mit einem sogenannten Einlaufbelag.
Bei einem Materialabtrag an einem Einlaufbelag wird der Radialspalt nicht über den gesamten Umfang vergrößert, sondern in der Regel nur sichelförmig. Gehäuse mit Einlaufbelag sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei der Einlaufbelag typischerweise gehäu- seseitigen Mantelringsegmenten zugeordnet ist, die als Träger für den Einlaufbelag dienen. Solche Mantelringsegmente werden auch als Shrouds bezeichnet.
Wie oben ausgeführt, vergrößert sich auch bei Verwendung eines Einlaufbelags der Spalt zwischen den Spitzen bzw. radial außen liegenden Enden der Laufschaufeln und dem Gehäuse, so dass nach dem Stand der Technik eine aerodynamische Strömung durch diesen Spalt von einer Hochdruckseite der Laufschaufeln zu einer Niederdruckseite derselben nicht gänzlich unterbunden werden kann. Es stellen sich demnach aerodynamische Spaltverluste ein. Dies reduziert den Wirkungsgrad von Gasturbinen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Gasturbine mit verringerten aerodynamischen Spaltverlusten zu schaffen. Dieses Problem wird durch eine Gasturbine gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist die Gasturbine mindestens einen Kanal auf, um einen auf der Hochdruckseite von Laufschaufeln eines Rotors herrschenden Druck an einer Niederdruckseite derselben im Bereich des Spalts zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln und dem Gehäuse anzulegen und so eine Strömung durch den Spalt zu unterbinden.
Mit der hier vorliegenden Erfindung können aerodynamische Spaltverluste im Bereich des Spalts zwischen den radial außen liegenden Enden der rotierenden Laufschaufeln und dem Gehäuse, der sich im Betrieb beim Einlaufen der Laufschaufeln in einen Einlaufbelag ausbildet, minimiert werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad von Gasturbinen optimiert. Vorzugsweise verläuft der Kanal zumindest abschnittweise in einem als Träger für den Einlaufbelag dienenden, gehäuseseitigen Mantelringsegment, derart, dass der Kanal auf der Hochdruckseite im Bereich des Mantelringsegments in einen Strömungskanal und auf der Niederdruckseite im Bereich des Einlaufbelags in den abzudichtenden Spalt mündet.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer erfϊndungemäßen Gasturbine.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 in größerem Detail beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Gasturbine 10 im Bereich eines Hochdruckverdichters 11, wobei der Hochdruckverdichter 11 einen rotierenden Rotor aufweist, von welchem in Fig. 1 eine Laufschaufel 12 gezeigt ist. Die Laufschaufeln 12 des Rotors des Hochdruckverdichters 11 sind von einem feststehenden Gehäuse 13 umgeben, wobei dem Gehäuse 13 Mantelringsegmente 14 zugeordnet sind, die unter anderem als Träger für einen Einlaufbelag 15 dienen.
Gemäß Fig. 1 laufen im Betrieb der Gasturbine radial außen liegende Enden 16 der Laufschaufeln 12 in den Einlaufbelag 15 ein, so dass sich zwischen dem Einlaufbelag 15 und den radial außen liegenden Enden 16 der Laufschaufeln ein Spalt 17 ausbildet. Durch diesen Spalt 17 kann sich im Betrieb der Gasturbine eine Leckageströmung von der Hochdruckseite der Laufschaufeln 12 zur Niederdruckseite derselben ausbilden, wobei in der Darstellung der Fig. 1 die rechte Seite der Laufschaufeln 12 die Hochdruckseite ist, in welcher der Druck PH herrscht, und wobei die Niederdruckseite die linke Seite der Laufschaufeln ist, an welcher der Druck PL herrscht. Um nun eine Leckageströmung durch den Spalt 17 zu unterbinden, wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die Gasturbine 10 mindestens einen Kanal 18 aufweist, um den auf der Hochdruckseite der Laufschaufeln 12 herrschenden Druck an der Niederdruckseite derselben im Bereich des abzudichtenden Spalts 17 anzulegen.
Hierdurch liegt dann im Bereich des Spalts 17 an der eigentlichen Niederdruckseite desselben in etwa der gleiche Druck an wie an der Hochdruckseite, so dass eine Leckageströmung durch den Spalt 17 und damit den Wirkungsgrad der Gasturbine beeinträchtigende, aerodynamische Spaltverluste effektiv vermieden werden können.
Bei dem Einlaufbelag 15 handelt es sich um einen gasdurchlässigen Einlaufbelag, der vorzugsweise eine offenporige Struktur aufweist. Insbesondere ist der Einlaufbelag 15 als offenporiger Metallschaum ausgebildet.
Der in Fig. 1 gezeigte Kanal 18 verläuft zumindest abschnittsweise in dem als Träger für den Einlaufbelag 15 dienenden, gehäuseseitigen Mantelringsegment 14, wobei der Kanal 18 auf der Hochdruckseite, an welcher der Druck PH herrscht, im Bereich des Mantelringsegments 14 in einen Strömungskanal des Hochdruckverdichters 11 der Gasturbine 10 mündet. Auf der Niederdruckseite, an welcher der Druck PL herrscht, mündet der Kanal 16 hingegen im Bereich des Einlaufbelags 15 in den abzudichtenden Spalt 17.
Ein Querschnitt des oder jedes Kanals 18 ist vorzugsweise derart bemessen, dass eine gegebenenfalls durch den jeweiligen Kanal strömende Luft im Bereich des abzudichtenden Spalts 17 als Sperrluft wirkt. In den oder jeden Kanal 18 können Leitelemente, z. B. Leitbleche oder Leitgitter, integriert sein, um die durch den Kanal 18 strömende Sperrluft aerodynamisch optimal zu führen.
Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz an Hochdruckverdichtern beschränkt. Die Erfindung kann auch an anderen Verdichtern und an Turbinen zum Einsatz kommen.

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbine, insbesondere Gasturbinenflugtriebwerk, mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine, wobei der oder jeder Verdichter und/oder die oder jede Turbine einen von einem feststehenden Gehäuse umgebenen, Laufschaufeln umfassenden Rotor aufweist, und wobei dem Gehäuse ein Einlaufbelag zugeordnet ist, gekennzeichnet durch mindestens einen Kanal (19), um einen auf der Hochdruckseite von Laufschaufeln (12) eines Rotors herrschenden Druck an einer Niederdruckseite derselben im Bereich eines Spalts (17) zwischen den radial außenliegenden Enden (16) der Laufschaufeln (12) und dem Gehäuse (13) anzulegen und so eine Strömung durch den Spalt (17) zu unterbinden.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (15) gasdurchlässig ist und eine offenporige Struktur aufweist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (15) als Metallschaum ausgebildet ist.
4. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Kanal (18) zumindest abschnittweise in einem als Träger für den Einlaufbelag (15) dienenden, gehäuseseitigen Mantelringsegment (14) verläuft, derart, dass der Kanal (18) auf der Hochdruckseite im Bereich des Mantelringsegments (14) in einen Strömungskanal und auf der Niederdruckseite im Bereich des Einlauf- blags (15) in den abzudichtenden Spalt (17) mündet. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des oder jedes Kanals (18) derart ausgelegt ist, dass durch den jeweiligen Kanal (18) strömende Luft als Sperrluft im Bereich des Spalts (17) wirkt.
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