DE3941174C2 - Spitzenspalt-Einstellvorrichtung für die Turbinenrotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spitzenspalt-Einstell­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Spitzenspalt-Einstellvorrichtung ist aus der DE 28 55 157 C2 bekannt. Hierbei ist eine ringförmige Tur­ binenschaufelspitzendichtung vorgesehen, die mit dem Tur­ binengehäuse zwischen den Befestigungen der Turbinenleit­ schaufeln starr verbunden ist, und dieser Dichtring trägt zwei Verschleißstreifen, welche radial mit einem entspre­ chenden Paar von Messerkanten zusammenwirken. Der Dichtring ist in Segmente geteilt, die mit Abstand von dem Turbinen­ gehäuse starr derart abgestützt sind, daß zwischen den Ringsegmenten und dem sie tragenden Gehäuseteil ein Wärme­ austauschkanal gebildet wird. Dieser Wärmeaustauschkanal erstreckt sich axial über die gesamte axiale Länge des jeweiligen Mantelringsegments. Die Mantelringsegmente sind stromoberseitig und stromunterseitig starr derart am Ge­ häuse festgelegt, daß sie sich zusammen mit dem Turbinen­ gehäuse radial zur Triebwerksachse ausdehnen bzw. zusammen­ ziehen können, um den Spitzenspalt einzustellen. Da der Dichtring am Turbinengehäuse abgestützt ist, wird der Spalt zwischen den Turbinenrotorschaufelspitzen und dem Dichtring durch Erhitzen und Aufweiten des Turbinengehäuses gesteuert, wenn der Spalt zu klein ist, oder er wird durch Abkühlen und Zusammenziehen des Gehäuses verringert, wenn er im Betrieb zu groß ist. Dem Kanal wird zu diesem Zweck ent­ weder Kühlluft vom Kompressor zugeführt, oder es werden heiße Turbinengase zugeführt, wobei die Steuerung durch Druckeinstellung der Medien bestimmt wird. Bei dieser be­ kannten Spitzenspalt-Einstellvorrichtung muß das gesamte Turbinengehäuse zwischen den Leitschaufeln ausgedehnt bzw. zusammengezogen werden, was eine erhebliche Energiezufuhr erfordert.

Die DE-OS 29 15 626 beschreibt eine Kühlluftleitung für ein Gasturbinentriebwerk, die zu verstellbaren Turbinenleit­ schaufeln führt. Die Kühlluftleitung und die sie durch­ strömende Kühlluft bewirken eine Kühlung der Turbinenleit­ schaufeln. Sie haben jedoch keine Stellfunktion für den Spitzenspalt der Rotorschaufeln.

Die DE 31 26 359 A1 beschreibt einen in Achsrichtung bieg­ samen und in Radialrichtung steifen Halte- und Abdichtungs­ ring für ein Gasturbinentriebwerk. Dieser Ring ist radial innerhalb einer Reihe von Statorschaufeln und zwischen einem ringförmigen Strömungskanal für die heißen Arbeits­ gase und einem ringförmigen Strömungskanal für die Kühlluft angeordnet. Der Ring ist in Radialrichtung steif und in Axialrichtung biegsam, um sich unterschiedlichen Dehnungen der Statorschaufeln sowohl in Radialrichtung als auch in Achsrichtung durch elastische Verformung anpassen zu kön­ nen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungs­ gemäße Spitzenspalt-Einstellvorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und bei der die Spalteinstellung durch thermische Beaufschlagung eines axial relativ kurzen Gehäuseteils gewährleistet wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeich­ nungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die thermische Beaufschlagung durch Kühlluft erfolgt er­ findungsgemäß gezielt nur auf jenem Gehäuseteil, der den Mittelabschnitt der Rotorstufe umgibt. Das Turbinengehäuse zieht sich demgemäß nur in diesem mittleren Abschnitt zu­ sammen, während die axial sich anschließenden Gehäuseteile dieser Zusammenziehung nur begrenzt folgen. Hierdurch wird eine Schwenkbewegung um eine in Umfangsrichtung umlaufende Achse bewirkt. Die Schwenkbewegung erfolgt vorzugsweise in dem Sinne, daß der stromabwärtige Teil eines jeden Mantel­ ringsegmentes sich frei bewegen kann, was zur Folge hat, daß der stromabwärtige Dichtungsspalt kleiner wird als der stromaufwärtige Dichtungsspalt, wie dies in der Praxis zweckmäßig ist. Diese Schwenkbewegung kommt dadurch zu­ stande, daß das Gehäuse nur im Mittelabschnitt der Rotor­ schaufeln, d. h. im Bereich der Verbindungsflansche ab­ gekühlt wird.

Eine zusätzliche Steuerfunktion der Schwenkbewegung kann durch die Merkmale der Ansprüche 4 bis 6 erreicht werden. Die hier gekennzeichneten Merkmale bewirken bei Bedarf eine radiale Verlagerung des stromoberseitigen Endes eines jeden Mantelringabschnitts.

Die Erfindung betrifft auch ein Gasturbinentriebwerk, das im Turbinenteil mit einer Spitzenspalt-Einstellvorrichtung für die Rotorschaufeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgerüstet ist.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ist eine Schnittansicht der oberen Hälften eines Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks mit einer Spitzen­ spiel-Einstellvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht eines Teils der Niederdruckturbine des Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks nach Fig. 1 in größerem Maßstab,

Fig. 3 ist eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Spitzenspiel-Einstell­ vorrichtung gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk 10 in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß 11, einen Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hoch­ druckkompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 18 und eine Abgasdüse 19. Das Triebwerk arbeitet in herkömmlicher Weise, wobei Luft durch den Lufteinlaß 11 angesaugt und durch den Fan 12 komprimiert wird. Die vom Fan 12 austretende Luft wird aufgeteilt, und ein Teil wird zur Erzeugung eines Vortriebschubes benutzt, und der Rest wird in den Zwischendruckkompressor 13 ge­ leitet. Dort wird die Luft weiter komprimiert, bevor sie nach dem Hochdruckkompressor 14 abgegeben wird, wo nochmals eine Kompression stattfindet. Die komprimierte Luft wird dann der Verbrennungseinrichtung 15 zugeführt, wo sie mit Brennstoff vermischt und wo das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Die sich ergebenden heißen Verbrennungsgase expandieren dann durch die Hochdruck-, die Zwischendruck- und die Niederdruckturbine 16, 17, 18, die antriebsmäßig mit dem Hochdruckkompressor 14, dem Zwischendruckkompressor 13 bzw. mit dem Fan 12 verbunden sind. Nachdem die Gase die drei Turbinenstufen durchströmt haben, werden sie durch die Düse 19 ausgeblasen, um einen zusätzlichen Antriebsschub zu liefern.

Ein Teil der Niederdruckturbine 18 ist deutlicher aus Fig. 2 ersichtlich. Die Niederdruckturbine 18 hat ein Gehäuse 20, welches drei Rotorstufen umschließt, von denen nur die Rotorschaufel 21 einer Rotorstufe aus Fig. 2 ersichtlich ist. Diese Rotorstufe liegt axial zwischen zwei Stator­ schaufelkränzen 22, 23, wie dies bei Axialströmungsturbinen üblich ist.

Jeder Statorschaufelkranz 22, 23 bildet mit seinen radial äußeren Enden 24, 25 integrale Bestandteile des Gehäuses, jedoch ist ein solcher integraler Aufbau für die Erfindung nicht zwingend. Die Gehäuseteile 24 und 25 sind mit Ring­ flanschen 26 und 27 zur gegenseitigen Verbindung versehen. Die Flansche 26 und 27 liegen unmittelbar radial außerhalb der Rotorschaufeln 21.

Der Flansch 27 des stromabwärtigen Gehäuseteils 25 ist an seinem radial inneren Umfang mit einer axial gerichteten Ringnut 28 versehen. Die Ringnut 28 nimmt einen Arm eines im Querschnitt S-förmigen Tragkörpers 30 auf und stützt diesen ab. Der andere, parallel zu dem Arm 29 verlaufende Arm 31 ist an einem Mantelringsegment 32 festgelegt. Es gibt mehrere Tragkörper und Mantelringsegmente 32, die innerhalb des Gehäuses 20 zusammenwirken und eine ring­ förmige Abschirmung bilden, die die radial äußeren Spitzen 33 der Rotorschaufeln 21 umgibt.

Jedes Mantelringsegment 32 ist in Achsrichtung gestuft ausgebildet, so daß drei radial nach innen weisende Ober­ flächen 34, 35 und 36 gebildet werden, auf denen je ein ringsumlaufender Verschleißstreifen 37 festgelegt ist. Die Verschleißstreifen 37 stehen radial und in Umfangsrichtung verlaufenden Rippen 38 gegenüber, die an dem Deckband 39 der Rotorschaufeln 21 vorgesehen sind. Die Rippen 38 und die Verschleißstreifen 37 wirken zusammen, um drei axial im Abstand zueinander liegende Dichtungen zu bilden, die Leck­ ströme heißer Verbrennungsabgase zwischen den Rotorschau­ felspitzen 33 und dem Turbinengehäuse 20 verhindern.

Das stromoberseitige Ende 40 eines jeden Mantelringseg­ mentes 32 ist zu einem C-förmigen Querschnitt verformt, der in einer entsprechend gestalteten Ausnehmung 41 ruht, die zwischen dem Stator-Schaufelkranz 22 und dem Gehäuseteil 24 angeordnet ist. Dies dient zur radialen Festlegung der Stromaufwärtigen Enden 40 der Mantelringsegmente 32 relativ zum Turbinengehäuse 20. Die stromabwärtigen Enden 42 der Mantelringsegmente sind nicht auf diese Weise befestigt. Statt dessen sind sie frei, so daß eine relative Radial­ bewegung zwischen dem stromabwärtigen Ende 42 jedes Mantel­ ringsegmentes und dem Turbinengehäuse 20 möglich ist.

Im Betrieb strömen heiße Verbrennungsgase durch die Nieder­ druckturbine 18 und bewirken ein Ansteigen der Temperatur verschiedener Bauteile, welche die Turbine 18 bilden. Dies führt unweigerlich zu einer thermischen Ausdehnung jener Bauteile, und dies wiederum führt zu einer Vergrößerung des Spiels zwischen den Dichtungsrippen 38 der Turbinenrotor­ schaufeln 31 und den Verschleißstreifen 37, was zur Folge hat, daß ein erhöhter Turbinengasleckstrom über die Schau­ felspitzen 33 fließt und der Wirkungsgrad der Turbine ent­ sprechend abfällt. Um dieser Vergrößerung des Turbinen­ rotorschaufel-Spitzenspiels entgegenzuwirken, wird Kühlluft auf die Gehäuseflansche 26 und 27 über gelochte Ringlei­ tungen 43 geleitet, die benachbart zu den Flanschen 26 und 27 angeordnet sind. Die Luft für die Ringleitungen 43 wird vom Hochdruckkompressor 14 des Triebwerks zugeführt.

Die örtliche Kühlung des Turbinengehäuses 20 im Bereich der Flansche 26 und 27 führt zu einer entsprechenden örtlichen thermischen Zusammenziehung des Gehäuses 20. Da die Mantel­ ringsegmente 32 am Gehäuse 20 im Bereich der Flansche 26 und 27 durch die Tragkörper 30 festgelegt sind, ergibt sich eine resultierende, radial nach innen gerichtete Bewegung der Mantelringsegmente 32, wodurch der Zwischenraum zwi­ schen den Dichtungsrippen 38 und den Verschleißstreifen 37 verringert wird, so daß sich die Gasabdichtung dazwischen verbessert. Es ist jedoch dabei zu berücksichtigen, daß jener Teil des Gehäuses 20, der die radiale Abstützung für die stromaufwärtigen Enden 40 der Mantelringsegmente be­ wirkt, nicht abgekühlt wird und sich deshalb nicht in glei­ cher Weise wie die gekühlten Gehäuseflansche 26 und 27 zusammenzieht. Wenn sich die Mittelabschnitte der Mantel­ ringsegmente 32 demgemäß radial nach innen infolge der örtlichen Zusammenziehung des Gehäuses 20 bewegen, tun dies die stromaufwärtigen Enden 40 der Mantelringsegmente 32 nicht. Da die stromabwärtigen Enden 42 der Mantelringseg­ mente 32 frei sind, ergibt sich eine hieraus resultierende Verschwenkung eines jeden Mantelringsegmentes 32 um seinen Befestigungspunkt am Gehäuse 20 durch den Tragkörper 30, was durch Biegung des Tragkörpers ermöglicht wird. Diese Schwenkbewegung bewirkt eine Vergrößerung des Zwischenraums zwischen den stromaufwärtigen Rippen 38 und den Verschleiß­ streifen 37, und eine Verringerung des Spiels zwischen den stromabwärtigen Dichtungsrippen 38 und den Verschleißstrei­ fen 37. Da bei jeder mehrstufigen Abdichtung die letzte Stufe die größte Dichtungswirkung hat, bewirkt diese Ver­ schwenkung der Mantelringsegmente 32 insgesamt eine Er­ höhung der Wirksamkeit der Dichtung zwischen den Rotor­ schaufelspitzen 33 und den Mantelringsegmenten 32.

Die Strömungsrate der Kühlluft kann moduliert werden, um das gewünschte Ausmaß der Kühlung und demgemäß der thermi­ schen Zusammenziehung des Gehäuses 20 zu erhalten.

Obwohl bei der oben beschriebenen Version Kühlluft auf das Gehäuse 20 über zwei Ringleitungen 43 geleitet wird, kann man sich vorstellen, daß andere Mittel benutzt werden kön­ nen, um die so erforderliche Luft zu richten. Tatsächlich kann unter gewissen Umständen Luft, die betriebsmäßig über das Gehäuse 20 strömt, ausreichen, um das notwendige Ausmaß der Kühlung herbeizuführen.

In Fig. 3 ist ein Teil einer Niederdruckturbine 18 dar­ gestellt, die der Turbine nach Fig. 2 entspricht, und dem­ gemäß sind einander entsprechende Teile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen, wobei bei den Bezugszeichen nach Fig. 3 ein a angehängt wurde.

Der Hauptunterschied zwischen den Teilen der Niederdruck­ maschine 18 gemäß Fig. 2 bzw. 3 liegt in der Art und Weise, wie die stromaufwärtigen Enden 40 und 40a der Mantelring­ segmente 32 bzw. 32a abgestützt werden. Während die strom­ aufwärtigen Enden 40 der Mantelringsegmente 32 radial re­ lativ zum Gehäuse 20 fixiert sind, ist dies bei den strom­ aufwärtigen Enden 40a der Mantelringsegmente 32a nicht der Fall. Vielmehr ruht jedes stromaufwärtige Ende 40a der Mantelringsegmente 32a in einem axial gerichteten, in Um­ fangsrichtung verlaufenden Schlitz 44, der in einem Ring 45 vorgesehen ist, welcher aus einem Metall mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht im Vergleich mit dem Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses 20a.

Der Ring 45 ist auf einer radial inneren Oberfläche des Gehäuses 20a durch Querkeile 46 festgelegt. Die Querkeile 46 verhindern eine Drehung des Rings 45 relativ zum Gehäuse 20a, aber sie ermöglichen es dem Ring 45, sich thermisch unabhängig von dem Gehäuse 20a auszudehnen und zusammen­ zuziehen. Obgleich die Mantelringsegmente 32a in der Lage sind, in der gleichen Weise wie die Mantelringsegmente 32 zu schwenken, so wird das Ausmaß der Schwenkbewegung durch die Radiallage des Rings 35 relativ zum Turbinengehäuse 20a bestimmt.

In einer typischen Situation, in der die Turbine 18 in normaler Weise mit heißen Verbrennungsabgasen arbeitet, die über die Schaufeln 21, 22 und 23 abfließen, expandiert der Ring 45 mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten in einem größeren Ausmaß als das Turbinengehäuse 20a. Dies bewirkt eine Steigerung der Schwenkwirkung der Mantelring­ segmente 32a, so daß eine weitere Verminderung des Spiels zwischen den stromabwärtigen Dichtungsrippen 38 und den Verschleißstreifen 37 auftritt. Wenn eine solche weitere Verminderung unerwünscht oder unnötig ist, kann der Ring 45 mit hoher thermischer Ausdehnung dennoch zweckmäßig sein; denn bei einem gegebenen Ausmaß der Verschwenkung des Man­ telringsegmentes 32a ist eine geringere Kühlung der Ge­ häuseflansche 26 und 27 dann notwendig, wenn der Ring 14 vorhanden ist, gegenüber einer Anordnung mit fehlendem Ring 45.

Um die Erwärmung des Rings 45 zu steigern, können Löcher 47 in den äußeren Plattformen 48 der Statorschaufeln 22a vor­ gesehen werden, damit eine heiße Verbrennungsabgasströmung direkt auf den Ring 45 trifft.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer Niederdruckturbine beschrieben, bei der eine permanente Gehäusekühlung vorgesehen ist. Es ist jedoch auch möglich, daß andere Turbinenabschnitte diese erfin­ dungsgemäße Ausbildung aufweisen und daß die Kühlluftströ­ mung gemäß den jeweiligen Triebwerks-Betriebsparametern moduliert wird.

Claims (9)

1. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung für die Turbinen­ rotorschaufeln (21, 21a) eines Gasturbinentriebwerks mit einem Turbinengehäuse (20, 20a) und einem durch mehrere Mantelringsegmente (32, 32a) gebildeten Mantelring zwischen den Rotorschaufelspitzen (33, 33a) und dem Gehäuse (20, 20a), wobei die Einstellung des Spitzenspaltes durch ther­ mische Beeinflussung des Turbinengehäuses erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabschnitt eines jeden Mantelringsegmentes (32, 32a) von einem Gehäuseteilabschnitt (26, 27) schwenkbar getragen wird, so daß jedes Mantel­ ringsegment (32, 32a) relativ zum Gehäuse (20, 20a) ver­ schwenkbar ist, wobei ein axiales Ende (42, 42a) eines jeden Mantelringsegmentes (32, 32a) begrenzt radial be­ weglich ist, und daß Kühlluftzuführungsmittel (43) vor­ gesehen sind, um den die Mantelringsegmente (32, 32a) tra­ genden Gehäuseteilabschnitt (26, 27) gezielt zu kühlen.

2. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftzuführungsmittel als gelochte Ringleitungen (43) ausgebildet sind, die be­ nachbart zu den Gehäuseteilabschnitten (26, 27) vorgesehen sind.

3. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Mantelringsegment (32) an seinem stromaufwärtigen Ende (40) in Radialrichtung gegen­ über dem Gehäuse (20) festgelegt ist.

4. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Mantelringsegment (32a) mit seinem stromaufwärtigen Ende (44) an einem Ring (45) festgelegt ist, der koaxial innerhalb des Gehäuses (20a) liegt, und daß der Ring (45) einen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten besitzt, der größer ist als der des Gehäuses (20a), und daß der Ring (45) sich thermisch unabhängig vom Gehäuse (20a) ausdehnen und zusammenziehen kann.

5. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (45) im Gehäuse (20a) durch Querkeile (46) festgelegt ist, die eine thermische Expansion und Kontraktion des Ringes (45) unabhängig vom Gehäuse (20a) zulassen.

6. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung nach dem Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Löcher (47) in den radial äuße­ ren Plattformen (48) der Statorschaufeln (22a) vorgesehen sind, um heiße Turbinengase aus dem Arbeitskanal auf den Ring (45) zu richten und um diesen gesteuert auszudehnen.

7. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Mantelringsegment (32, 32a) mit dem Gehäuse (20, 20a) über einen Tragkörper (30) festgelegt ist, der eine solche Flexibilität aufweist, daß eine begrenzte Schwenkbewegung erfolgen kann.

8. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufelspitzen (33, 133a) der Rotorschaufeln (21, 21a) ein Deckband (39, 39a) tragen, das an seiner radial äußeren Oberfläche Rippen (38, 38a) trägt, die mit Verschleißstreifen (37, 37a) der Man­ telringsegmente (32, 32a) zusammenwirken.

9. Spitzenspalt-Einstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20, 20a) im Be­ reich der Verbindung mit den Mantelringsegmenten (32, 32a) mit Flanschen (26, 27; 26a, 27a) versehen ist, und daß die Kühlluftzuführungs-Ringleitungen (43) axial benachbart zu diesen Flanschen (26, 27) angeordnet sind.