DE2811934C2

DE2811934C2 - Mantelhalterung für eine Turbomaschine

Info

Publication number: DE2811934C2
Application number: DE2811934A
Authority: DE
Inventors: William Roy Cincinnati Ohio Patterson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1978-03-18
Publication date: 1987-03-19
Also published as: IT7821546A0; FR2395403B1; JPS5410817A; IT1093607B; US4127357A; DE2811934A1; GB1548148A; FR2395403A1; JPS616243B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mantelhalterung für eine Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Mantelhalterung ist aus der DE-AS 11 78 253 bekannt.
Da die Turbinentriebwerke durch Veränderungen in den Methoden, Gestaltungen und Materialien immer zuverlässiger und wirksamer werden, werden Verluste, die durch überhöhte Spielräume zwischen relativ zueinander umlaufenden Teilen auftreten, immer wichtiger bei den vielen Konstruktionen. Bei vielen Anwendungsfällen von Turbinentriebwerken ist es erforderlich, bei variablen stationären Drehzahlen zu arbeiten und im normalen Betrieb nach Wunsch zwischen diesen Drehzahlen zu wechseln. Beispielsweise muß bei einem Strahltriebwerk, wie es zum Antrieb von Flugzeugen verwendet wird, die Bedienungsperson bzw. der Pilot bei Bedarf auf eine gewünschte Drehzahl übergehen können. Die dabei auftretenden Veränderungen in der Temperatur und Rotordrehzahl bedingen ein relatives Wachsen zwischen dem Rotor und dem diesen umgebenden Mantelring, und um den gewünschten Wirkungsgrad beizubehalten, muß dieses relative Wachsen irgendwie aufgenommen werden. Das primäre Interesse ist dabei, einen minimalen Spielraum oder Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor einzuhalten, wobei jeder Reibungseingriff zwischen diesen Teilen verhindert werden soll, der einen Abrieb und eine daraus resultierende Vergrößerung des Radialspalts während des nachfolgenden Betriebes bewirken würde. Wenn die vorstehend erörterten transienten Betriebserfordernisse betrachtet werden, stellen die relativen mechanischen und thermischen Wachstumsvorgänge des Rotors und des Mantelringes ein sehr schwieriges Problem dar.
Es sind verschiedene Anordnungen entwickelt worden, um den stationären Mantelring in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Triebwerkes variabel anzuordnen, um auf diese Weise diesen Radialspalt zwischen dem Rotor und dem Mantelring zu verkleinern. Eine derartige Anordnung ist in der US-PS 39 66 354 gezeigt, wonach die Kühlluftmenge gesteuert wird, die über die Turbinenmantelhalterung in Abhängigkeit von der Temperatur der Kühlluft geleitet wird.
Die eingangs genannte DE-AS 11 78 253 beschreibt eine Kreiselradmaschine, bei der sowohl die Laufschaufelspitzen als auch der Abdeckring konisch sind. Dort kann eine Änderung des Radialspaltes nur durch eine axiale Verschiebung des Abdeckringes erreicht werden. Diese axiale Verschiebung ist auch nur zum Einstellen der gewünschten Lage des Abdeckringes vorgesehen, in der er dann fixiert wird.
Weiterhin ist aus der US-PS 31 46 992 eine Turbomaschine bekannt, bei der radial verschiebbare Mantelsegmente durch bimetallische Halterungselemente, die von einem zum Kühlen der Mantelhalterung verwendeten Strömungsmittel umströmt sind, in Abhängigkeit von der Temperatur des Strömungsmittels selbsttätig gesteuert werden. Dort sind jedoch zahlreiche voneinander unabhängige bimetallische Halterungselemente vorgesehen, die sich unterschiedlich bewegen können, so daß ein ungleichmäßiger Radialspalt entstehen kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Mantelhalterung für eine Turbomaschine so auszugestalten, daß bei sich verändernden Betriebsbedingungen ein im wesentlichen gleichförmiger minimaler Radialspalt erhalten wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß jedes Mantelsegment durch zwei in Umfangsrichtung beabstandeter Exzenterwellen gehaltert ist, die bei variablen Betriebsparametern gedreht werden, um die radiale Stellung des Mantels selbsttätig zu verändern und dadurch den Radialspalt zwischen dem Mantel und dem davon umschlossenen Rotor auf ein Minimum zu reduzieren. Die exzentrischen Abschnitte der Welle stehen durch Reibung mit radial nach außen verlaufenden Befestigungsflanschen von den Mantelsegmenten in Eingriff, um so die Drehbewegung der Welle in eine im wesentlichen lineare radiale Richtung umzusetzen.
Durch die Auswahl der Exzentrizität der Welle und der Länge der zugehörigen Stellglieder können verschiedene Kombinationen von Bewegungen in Abhängigkeit von der Temperatur erhalten werden. Zusätzlich können durch Einstellung der Masse des äußeren Mantels und der Lage der Halterung des thermischen Stellgliedes verschiedene Kombinationen von transienten Ansprechverhältnissen erhalten werden. Somit kann die Position des Mantelringes verändert bzw. gesteuert werden, daß der Radialspalt zwischen Rotor und Mantelring während transienter und stationärer Betriebsbedingungen gleichförmig und auf einem Minimum gehalten wird.
Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht des Turbinen/Mantelabschnittes eines Strahltriebwerkes mit einer Mantelhalterung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. -1.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. -1.
Fig. 1 zeigt eine Mantelhalterung 10, die auf ein Gasturbinentriebwerk anwendbar ist, das eine Reihe in Umfangsrichtung beabstandeter Turbinenschaufeln 11 umfaßt, die von mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten und sich überlappenden Mantelsegmenten 12 umgeben sind. Die Mantelsegmente 12 weisen an ihrem Innenumfang ein abschleifbares Material 13 auf, wie beispielsweise ein Honigwabenmaterial oder ähnliches, um eine gelegentliche Störung und einen daraus resultierenden Abrieb durch die Schaufeln 11 unter gewissen Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Wie bei einem üblichen Betrieb einer einstufigen Hochdruckturbine strömen die heißen Austrittsgase aus dem Brenner (nicht gezeigt) durch die Reihe der Hochdruckdüsen 14, durch die Reihe der Turbinenschaufeln 11, um diesen eine Drehbewegung zu erteilen, und stromabwärts durch die Reihe der Niederdruckdüsen 16. Die Kühlluft wird den Hochdruckdüsen 14 und den Niederdruckdüsen 16 durch Kühlluftkammern 17 bzw. 18 zugeführt, wie es allgemein bekannt ist.
Die Kühlluft für das System wird in der Weise erhalten, daß Luft von dem Verdichter abgezweigt und über zahlreiche Abzweigleitungen 19 in eine Kammer 21 eingeführt wird, die an der Außenseite durch einen Verteiler 22 begrenzt ist. Ferner wird die Kammer 21 an ihrer Innenseite durch einen Mantelhalterungsring 23 begrenzt, der am stromabwärtigen Ende des Verteilers 22 durch mehrere Bolzen 24 befestigt ist. Von dem Mantelhalterungsring 23 ragen zwei Flansche 26, 27 radial nach außen, die die Masse des Mantelhalterungsrings 23 und deshalb dessen thermische Trägheit vergrößern. Die Größe dieser Flansche und ihre Anzahl kann variiert werden, um irgendein gewünschtes thermisches Verhalten der Mantelhalterung zu erzielen. Von dem Hauptkörper des Mantelhalterungsrings 23 führt ein vorderer Flansch 28 radial nach innen, der darin ausgebildete, in Umfangsrichtung beabstandete Löcher 29 aufweist zur drehbaren Aufnahme eines zylindrischen Abschnittes 31 einer Exzenterwelle 32.
Stromabwärts von dem vorderen Flansch 28, nahe dem Flansch 26, befindet sich ein hinterer L-förmiger Flansch 33, dessen axialer Schenkel 34 teilweise eine Umfangsnut 36 bildet. Ein Aufhängering 37, der einen T-förmigen Querschnitt mit einem axialen Abschnitt 38 und einem radialen Abschnitt 39 aufweist, ist fest an dem Mantelhalterungsring 23 angebracht, indem das eine Ende des axialen Abschnittes 38 in den Schlitz 36 eingesetzt und das andere Ende an den Mantelhalterungsring 23 durch in Umfangsrichtung beabstandete Bolzen 41 befestigt ist.
In dem radialen Abschnitt 39 des T-förmigen Aufhängerings 37 sind in Umfangsrichtung beabstandete Löcher 42 ausgebildet zur Aufnahme eines stromabwärtigen zylindrischen Abschnittes 43 der Exzenterwelle 32. Zwischen den zylindrischen Abschnitten 31 und 43 ist ein langgestreckter, zylindrischer Nockenabschnitt 44 angeordnet, der den übrigen Abschnitt der Exzenterwelle 32 bildet und dessen Achse gegenüber derjenigen der zylindrischen Abschnitte versetzt ist, wie es aus Fig. 3 zu ersehen ist.
Die Mantelsegmente 12 sind an zwei Exzenterwellen 32 an deren Nockenabschnitt 44 befestigt und durch diese gehaltert. An jedem Umfangsende von jedem Mantelsegment 12 befinden sich axial beabstandete Flansche 46 und 47 mit Kreislöchern 48 bzw. 49, die darin zur Aufnahme des Nockenabschnittes 44 der Exzenterwelle 32 ausgebildet sind.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, hat die Exzenterwelle 32 die Funktion, das Mantelsegment 12 wie folgt radial einzustellen. Wenn die Exzenterwelle 32 auf der Achse des zylindrischen Abschnittes 43 aus der gezeigten Position herausgedreht wird, folgt der Nockenabschnitt 44 einer exzentrischen Bahn, um das Mantelsegment sowohl in Umfangsrichtung als auch radial nach außen zu bewegen. Eine fortgesetzte Drehung bewegt dann das Mantelsegment in Umfangsrichtung in der anderen Richtung und radial nach innen. Durch richtige selektive Anordnung des Nockenabschnittes in seinem Drehwinkel kann man die gewünschte radiale Bewegung des Mantels erhalten, um den richtigen Spielraum bzw. Spalt aufrechtzuerhalten. Da alle Segmente gemeinsam bewegt werden, bewirkt eine Umfangsbewegung nur, daß die Segmente sich gemeinsam drehen und deshalb ihr Dichtungseingriff nicht unterbrochen wird.
Um die Exzenterwellen 32 zu drehen, wird auf den stromabwärtigen zylindrischen Abschnitt 43 ein Drehmoment durch ein Zahnrad 51 ausgeübt, das durch Kraftpassung oder ähnliches darauf befestigt ist. Jedes Mantelsegment 12 weist weiterhin ein Paar in Umfangsrichtung beabstandeter Flansche 47 mit zugehörigen Exzenterwellen 32 und Zahnrädern 51 auf. Die gemeinsame Drehung der Zahnräder 51 wird durch einen einzelnen Zahnradring 52 herbeigeführt, der an seinem Innenumfang mit den Zahnrädern 51 kämmt. Die Drehung des Zahnradringes 52 wird durch einen bogenförmigen Stellring 53 herbeigeführt, der nahe an dem Außenumfang des Zahnradringes 52 angeordnet ist und von dem das eine Ende 54 durch Bolzen 56 fest an dem Zahnring 52 angebracht ist und von dem das andere Ende 57 durch einen Bolzen 58 fest an dem axialen Abschnitt des T-förmigen Aufhängerings 37 befestigt ist.
Obwohl das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel einen Stellring 53 für jedes Mantelsegment 12 aufweist, sei darauf hingewiesen, daß eine kleinere Anzahl von Stellgliedern vorgesehen sein kann und trotzdem genügend Drehmoment auf den Zahnradring 52 für dessen Drehung übertragen werden kann. Um den Zahnradring 52 und den Stellring 53 zusammen sicher in einer axialen Position zu halten, ist ein L-förmiger Befestigungsring 59 axial daneben durch mehrere Bolzen 41 befestigt.
Der Betätigungsring 53 hat die Aufgabe, den Zahnradring 52 in Abhängigkeit von der thermischen Umgebung, der er ausgesetzt ist, zu drehen. Demzufolge ist es erforderlich, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Stellringes 53 unterschiedlich ist von demjenigen des Mantelhalterungsrings 23, da es gerade der Mantelhalterungsring oder eine Verlängerung davon, der T-förmige Aufhängering 37, ist, an der der Stellring 53 an seiner Basis oder dem Befestigungsende 57 befestigt ist. Das andere Ende des Stellringes 53 ist selbstverständlich frei für ein Wachsen relativ zum Mantelhalterungsring 23 in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, um dadurch den Zahnradring 52 zu drehen.
Im Betrieb wird Kühlluft, die von dem Kompressor abgezweigt wird, so daß ihre Temperatur von der Drehzahl des Triebwerkes abhängig ist, über die Leitung 19 in die Kammer 21 eingeführt, wo sie direkt mit dem Mantelhalterungsring 23 in Kontakt kommt, um seine Temperatur und deshalb seine Größe zu ändern. Ein Teil der Luft wird durch die Löcher 61 gerichtet, um die Niederdruckdüsen 16 zu kühlen. Da der Mantelhalterungsring 23, der T-förmige Aufhängering 37 und der Stellring 53 alle so nahe zusammengehören, haben sie im wesentlichen die gleiche Temperatur. Da sich ferner der thermische Ausdehnungskoeffizient für den Mantelhalterungsring 23 und den Stellring 53 unterscheidet, wächst oder schrumpft der Stellring 53 in bezug auf den Mantelhalterungsring 23, wenn sich deren Temperaturen ändern. Dieses relative thermische Wachsen oder Schrumpfen dreht seinerseits den Zahnradring 52 und die Zahnräder 51, um eine radiale Bewegung des Mantelelementes 12 in einer Bahn zu bewirken, die die Aufrechterhaltung eines kleinen Radialspaltes zwischen Mantel und Rotor für alle stationären und transienten Betriebsbedingungen des Triebwerkes erleichtert. Durch eine richtige Auswahl der Exzentrizität der Exzenterwelle 32 und der Länge der einzelnen Stellringe 53 können verschiedene Anpassungen der Bewegung an die Temperatur erhalten werden. Zusätzlich können durch richtige Einstellung der Masse der Mantelhalterung 23 und derjenigen des thermischen Stellringes 53 verschiedene Kombinationen von transientem Ansprechverhalten erhalten werden. Durch diese Auswahl der Konstruktion für eine Anpassung an die Leistungserfordernisse kann der Radialspalt für alle Betriebsphasen auf ein Minimum reduziert werden.
Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise ist der Nockenabschnitt 44 der Exzenterwelle 32 in der Weise beschrieben worden, daß er einen zylindrischen Abschnitt darstellt, der gegenüber einem anderen zylindrischen Abschnitt versetzt ist; aber diese Form des Nockenabschnittes kann auch verändert werden, um die gewünschte Bewegung in Abhängigkeit von den Mantelsegmenten aufzunehmen. Ferner kann die Drehung der Exzenterwelle 32 durch andere Mittel als durch einen Zahnradring 52 und mehrere bogenförmige Stellringe 53 erreicht werden. Beispielsweise könnte ein thermostatisch betätigter Mechanismus, wie beispielsweise ein Motor oder ähnliches, verwendet werden, um die einzelnen Exzenterwellen 32 zu drehen.

Claims

1. Mantelhalterung für eine Turbomaschine mit einem Rotor, der mit kleinem radialen Abstand zu ihn umgebenden Mantelsegmenten angeordnet ist, die durch Exzenterwellen verstellbar gehaltert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterwellen (32) um eine zur Rotorachse parallele Achse drehbar und die Mantelsegmente (12) durch eine Drehung der Exzenterwelle (32) radial verschiebbar sind, und daß die Drehung der Exzenterwelle (32) durch einen Bimetallmechanismus (23, 37, 53), der von einem zum Kühlen der Mantelhalterung verwendeten Strömungsmittel umströmt ist, in Abhängigkeit von der Temperatur des Strömungsmittels selbsttätig gesteuert wird.

2. Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelsegment (12) an wenigstens zwei Stellen durch Flansche (46, 47) gehaltert ist, die von diesem radial nach außen verlaufen.

3. Mantelhalterung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flansch (46, 47) mit der Exzenterwelle (32) in Reibeingriff steht und durch diese gehaltert ist.

4. Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem einen Ende der Exzenterwelle (32) ein Zahnrad (51) angeordnet ist, das mit einem Zahnradring (52) kämmt, der sich in Abhängigkeit von Änderungen in den vorbestimmten Triebwerksparametern dreht.

5. Mantelhalterung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnradring (52) durch einen Stellring (53) gedreht wird, dessen Länge von der Temperatur des Kühlmittels, dem er ausgesetzt ist, abhängig ist.

6. Mantelhalterung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterwelle (32) zwei Exzenter (31, 43) aufweist, die in jeweils einem Flansch (46, 47) drehbar gehaltert sind.