DE69114051T2 - Verbesserungen an Ummantelungen von Turbinenrotoren. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ringwandkonstruktion für Hochdruckstufen von Axialverdichtern und Turbinen, wie sie beispielsweise in Gasturbinentriebwerken für Flugzeuge vorhanden sind. Eine Ringwandkonstruktion nach dem Stand der Technik ist aus dem Dokument GB-A-2 117 843 bekannt.
• Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet "radial" eine Richtung rechtwinklig zur Längsachse des Triebwerks, "stromauf" bedeutet in Richtung zum Lufteinlauf des Triebwerks, "stromab" bedeutet in Richtung zum Abgasauslaß des Triebwerks, und "umfangsmäßig" bezeichnet den Ort, der vom Ende eines Radius bestrichen wird, der unter rechtem Winkel zur Längsachse des Triebwerks verläuft und um diese rotiert.
• Axialverdichter oder Turbinenläuferstufen, die in Gasturbinentriebwerken bei hohen Gastemperaturen arbeiten, werden nun mit besonders konstruierten Wandringen zum Zwecke der Aufrechterhaltung von näher am Optimum liegenden Spielräumen zwischen den Laufschaufelspitzen und den Ringwänden über möglichst weite Rotordrehzahl- und Temperaturbereiche ausgerüstet. Deren Bedeutung liegt darin, daß zu große Schaufelspitzenspielräume bzw. Zwischenräume den Wirkungsgrad des Verdichters bzw. der Turbine verringern, während zu kleine Spielräume unter manchen Bedingungen Beschädigungen durch Schleifen der Schaufelspitzen auf dem Wandring verursachen können.
• Eine bekannte Methode zum Aufrechterhalten optimaler Schaufelspitzenspielräume über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen umfaßt die Anpassung des thermischen Ansprechverhaltens des Wandrings uhd seiner Tragkonstruktion - hinsichtlich der Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers mit der Betriebstemperatur - an die radiale Dehnung bzw. Zusammenziehung des Verdichter- bzw. Turbinenläufers infolge sich verändernder Fliehkräfte und Temperaturen. Um diese notwendige Anpassung zu erreichen, sind die Wandringe aus einer Anzahl von Segmenten zusammengesetzt, die jeweils nur einen verhältnismäßig kurzen Bogenabschnitt in Umfangsrichtung um die Rotorstufe umschreiben.
• Diese Ringwandsegmente sind einzeln mit der den Wandring umgebenden Tragkonstruktion verbunden. Beispielsweise ist das Gehäuse um die Turbinenschaufeln normalerweise aus einer Anzahl von Ringwandsegmenten aufgebaut, die jeweils durch benachbarte Leitschaufeltragkonstruktionen gehaltert werden. Eine Steigerung der Temperatur des Gasstroms bewirkt eine Wärmedehnung der Leitschaufeltragkonstruktionen, so daß der Wandring sich radial auswärts bewegt. Der Spitzenspielraum zwischen den Rotorschaufeln und dem Wandring wird dadurch vergrößert, was einen entsprechenden Abfall des Turbinenwirkungsgrads mit sich bringt.
• Jedoch muß in Gasturbinentriebwerken ein gewisser Schaufelspitzenspielraum vorhanden sein, damit die Laufschaufelspitzen auch unter den verschiedenen Betriebsbedingungen keine Berührung mit der Ringwand haben. Gewöhnlich wählt man einen Kompromiss, indem man den Spitzenspielraum groß genug auslegt, um eine Berührung zwischen den Laufschaufelspitzen und der Ringwand zu vermeiden, in andererseits aber für einen maximalen Wirkungsgrad möglichst klein macht.
• Ein weiter auftretendes Problem bei der Konstruktion von Ringwandsegmenten, die einzeln mit einer Tragkonstruktion verbunden sind, besteht in einem übermäßigen Dichtungsspielraum zwischen einem Ringwandsegment und seiner Tragkonstruktion. Dieser übermäßige Dichtungsspielraum kann sich aus Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Ringwandsegmente und der Tragkonstruktion ergeben, aber auch aufgrund von unterschiedlichen Wärmedehnungen oder Ausdehnungsgeschwindigkeiten zwischen den beiden Komponentenarten bei Veränderungen der Betriebstemperatur.
• Im Falle von Verdichtern bewirken übermäßige Dichtspalte einen geringeren Wirkungsgrad, weil sie Luft von der Hochdruckseite des Rotors zwischen den Ringwandsegmenten und der Tragkonstruktion zur Niederdruckseite des Rotors hin zwischen den Ringwandsegmenten und der Tragkonstruktion zur Niederdruckseite des Rotors hin auslecken lassen. Im Falle von Turbinen steigern übermäßige Dichtspalte den Verbrauch an Hochdruckkühlluft, die zu den Ringwandsegmenten und den angrenzenden Bauteilen zu deren Kühlung zugeführt wird. Dies verringert ebenfalls den Wirkungsgrad des Triebwerks. Große Dichtspalte verringern auch die Wirksamkeit der Kühlluft bei der Kühlung der Ringwandsegmente, da sie Kühlluft entweichen lassen, die sonst durch die kleinen Kühlluftkanäle in den Ringwandsegmenten hindurchpassieren würde.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ringwandkonstruktion zu schaffen, bei welcher die Ringwandsegmente in solcher Weise gehaltert werden, daß eine durch thermische oder andere Einflüsse entstehende Verformung von Leitschaufeln nur eine minimale Auswirkung auf die Spielräume zwischen Ringwandsegmenten und Laufschaufelspitzen hat.
• Allgemein gesagt, beinhaltet die Erfindung eine verbesserte Ringwandkonstruktion für ein Gasturbinentriebwerk, in dem Wärmedehnungswirkungen auf ein Ringwandsegment durch direkte Befestigung des Segments an einem luftgekühlten Teil des Triebwerks verringert werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Ringwandkonstruktion für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, das eine Anordnung von Laufschaufeln, die auf einer drehbaren Scheibe oder Trommel montiert sind, ein luftgekühltes rohrförmiges Gehäuse, welches die Schaufelanordnung umgibt, und eine Vielzahl von umfangsmäßig angeördneten Ringwandsegmenten aufweist, die radial zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jedes Ringwandsegment Befestigungsmittel aufweist, die mit dem Gehäuse in Eingriff stehen und in Bezug auf das Gehäuse so gestaltet und dimensioniert sind, daß der Eingriff der Befestigungsmittel mit dem Gehäuse bewirkt, daß mindestens ein Teil des Ringwandsegments an der Gehäuseinnenwandung anliegt, so daß dadurch das Ringwandsegment unter Spannung gesetzt wird, wenn die Befestigungsmittel aufgrund des Eingriffs mit dem Gehäuse radial auswärts gezogen werden.
• Vorzugsweise befinden sich die Befestigungsmittel zwischen umfangsmäßig gegenüberliegenden Extremitäten des Segments, und das Segment ist so geformt, daß die gegenüberliegenden Extremitäten an der Gehäuseinnenwandfläche anliegen und der Teil des Segments zwischen den Extremitäten einen Abstand vom Gehäuse hat.
• Vorzugsweise ist der Radius der umfangsmäßigen Krümmung der radial äußeren Oberfläche des Ringwandsegments größer als derjenige mindestens eines Teils der Gehäuseinnenwandfläche, wodurch die umfangsmäßigen Extremitäten des Segments an der Gehäuseinnenwandfläche anliegen und der zwischen diesen Extremitäten liegende Teil des Segments einen Abstand vom Gehäuse hat.
• Das Gehäuse ist vorzugsweise mit mindestens einer umfangsmäßigen Anordnung von Schlitzen versehen, wobei mindestens ein Schlitz jedem Ringwandsegment zugeordnet ist, und die Befestigungsmittel sind durch Haken gebildet, die vom Segment radial auswärts durch den entsprechenden Schlitz im Gehäuse hindurch verlaufen und mit der Außenwandung des Gehäuses in Eingriff stehen.
• Vorzugsweise befinden sich die Hakenmittel im wesentlichen mittig zwischen gegenüberliegenden umfangsmäßigen Extremitäten des Segments.
• Vorzugsweise sind die Hakenmittel jeweils durch zwei Haken gebildet, die jeweils am stromaufwärtigen und am stromabwärtigen Bereich des Segments angeordnet sind, und es sind zwei umfangsmäßige Schlitzanordnungen vorgesehen, wobei jeweils ein Schlitz jeder Anordnung einem entsprechenden Haken zugeordnet ist.
• Vorzugsweise ist der bzw. jeder Haken einstückig mit dem Ringwandsegment ausgebildet.
• Das Gehäuse ist vorzugsweise mit mindestens einer Kühlöffnung versehen, die so angeordnet ist, daß Kühlluft direkt auf die Ringwandsegmente geleitet wird, und jedes Ringwandsegment ist mit mindestens einer Kühlluftaustrittsöffnung versehen, durch welche verbrauchte Kühlluft hindurchtritt.
• Die Erfindung wird nachstehend lediglich beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegenden, nicht maßstäblichen Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
• Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Gasturbinentriebwerks, der eine Ringwandkonstruktion im Zusammenhang mit einer Laufschaufel darstellt,
• Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil der Fig. 1 in Richtung der Pfeile II-II, und
• Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil der Ringwandkonstruktion nach Fig. 1 längs der Linie III-III.
• Fig. 1 zeigt einen Teil einer Hochdruckverdichterstufe 10 eines Gasturbinentriebwerks, bestehend aus einem Schaufelkranz 12, einer Anordnung von Düsenleitschaufeln 14 stromauf der Rotorschaufeln, einen Kranz aus bogenförmigen Ringwandsegmenten 16, welche die Rotorschaufeln 12 umfangsmäßig umgeben, und einem in wesentlichen rohrförmigen Gehäuse 18, welches den Kranz aus Ringwandsegmenten umfangsmäßig umschließt. Der Klarheit halber ist nur der radial äußere Teil einer einzigen Laufschaufel 12 und einer einzigen Laufschaufel 14 dargestellt.
• Jedes Ringwandsegment 16 ist mit zwei damit einstückigen Haken 20, 22 ausgebildet, die am entsprechenden stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Teil des Segments radial außen wegragen. Wie Fig. 3 zeigt, ist jeder Haken 20, 22 mittig zwischen den umfangsmäßigen Extremitäten 24, 26 des Segments 16 angeordnet.
• Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist das Gehäuse 18 mit zwei umfangsmäßigen Anordnungen von Haken aufnehmenden Öffnungen bzw. Schlitzen 28, 30 versehen, die radial außerhalb der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Teile der Ringwandsegmente 16 gelegen sind. Des weiteren befindet sich jeder Schlitz 28, 30 mittig zwischen den umfangsmäßigen Extremitäten 24, 26 des betreffenden Segments 16.
• Wie in Fig. 3 gezeigt ist, liegt eine radial innere Wandfläche 32 des Gehäuses 18 an den umfangsmäßigen Extremitäten 24, 26 des Segments 16 an, ist aber von dem zwischen den Extremitäten liegenden Teil des Segments durch einen Abstand 34 beabstandet. Dieser Abstand kann auf mehrere Weise hergestellt werden. Beispielsweise, wie dargestellt, kann die Innenwandfläche 32 des Gehäuses 18 bogenförmig sein, wobei der Krümmungsradius von einem verhältnismäßig großen Wert in der Mitte bis zu einem Wert an den Extremitäten 24, 26 des Segments 16 variiert, der kleiner als der Krümmungsradius des Segments ist. Alternativ dazu kann der Krümmungsradius der Innenfläche 32 gleichbleibend, aber kleiner als derjenige des Segments sein, wodurch sichergestellt ist, daß das Segment nur an seinen genannten Extremitäten am Gehäuse anliegt.
• Jeder Haken 20, 22 ragt durch einen entsprechenden Schlitz 28, 30 im Gehäuse 18 hindurch, so daß ein entsprechender, radial äußerer.Teil 36, 38 des Hakens hinter eine radial äußere Fläche 40 des Gehäuses greift.
• Die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Teile 42, 44 der umfangsmäßigen Extremitäten 24, 26 des Segments 16, die radial innerhalb des Gehäuses 18 liegen und umfangsmäßig beiderseits der betreffenden hakenaufnehmenden Schlitze 28, verlaufen, liegen an der Innenwandfläche 32 des Gehäuses an, um eine Reaktion zum Eingriff des radial äußeren Teils des betreffenden Hakens 20, 22 mit der äußeren Fläche 40 des Gehäuses herzustellen. Das Segment 16 wird deshalb unter einer kleinen Einbauspannung an Ort und Stelle gehalten, die durch eine radial auswärts gerichtete Kraft erzeugt wird, die wegen des Eingriffs des Hakens 20, 22 mit dem Gehäuse 18 und der Anlage der Extremitäten des Segments am Gehäuse in der Segmentmitte erzeugt wird. Diese Einbauspannung nimmt während des Triebwerkslaufs leicht zu, wenn die Ringwandsegmentlänge mit der Temperatur zunimmt.
• Die Einbauspannung ermöglicht es, daß die innere Wandfläche der Ringwandsegmente auf das optimale Maß für einen minimalen Schaufelspitzenspielraum unter Zulassung der Längung der Laufschaufeln und irgendwelcher Temperaturänderungen während Übergangsbetriebsbedingungen geschliffen werden.
• Das Gehäuse 18 ist durch die Ringwandsegmente 16 und die Düsenleitschaufeln 14 gegen die heißen Gase, welche die Turbine durchströmen, abgeschirmt. Das Gehäuse wird durch auftreffende Luft gekühlt und bildet eine stabile Struktur zur Montage der Ringwandsegmente.
• Jedes Ringwandsegment 16 wird durch Luft gekühlt, die durch eine Mehrzahl von Öffnungen 46 an der Außenseite des Gehäuses 18 zugeführt wird. Diese Luft strömt über das Ringwandsegment und dann durch eine weitere Gruppe von Öffnungen 48 im stromabwärtigen Abschnitt des Ringwandsegments in den Hauptgasstrom aus.

Claims (6)

1. Ringwandkonstruktion für ein Gasturbinentriebwerk (10), das eine Anordnung von Laufschaufeln (12), die auf einer drehbaren Scheibe oder Trommel montiert sind, ein luftgekühltes rohrförmiges Gehäuse (18), welches die Schaufelanordnung umgibt, und eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten Ringwandsegmenten (16) aufweist, die radial zwischen den Laufschaufeln (12) und dem Gehäuse (18) angeordnet sind, wobei jedes Ringwandsegment (16) Befestigungsmittel (20, 22), aufweist, die mit dem Gehäuse (18) in Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (20, 22) mittig zwischen den umgangsmäßig entgegengesetzten Extremitäten "24, 26) des Segments (16) gelegen sind und das Segment (16) so gestaltet ist, daß der zwischen den Extremitäten (24, 26) liegende Teil des Segments (16) vom Gehäuse (18) beabstandet ist undn die entgegengesetzten Extremitäten (24, 26) an umfangsmäßig beabstandeten Stellen an der Innenwandfläche (32) des Gehäuses (18) anliegen, derart, daß das Ringwandsegment (16) einer Einbauspannung ausgesetzt ist, wenn die Befestigungsmittel (20, 22) aufgrund des Eingriffs mit dem Gehäuse in Richtung radial auswärts gezogen werden.

2. Ringwandkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der umfangsmäßigen Krümmung der radial äußeren Oberfläche des Ringwandsegments (16) größer als derjenige mindestens eines Teils der Innenwandfläche (32) des Gehäuses (18) ist, derart, daß die umfangsmäßigen Exrtemitäten (24, 26) des Segments (16) an der Innenwandfläche (32) des Gehäuses (18) anliegen und der zwischen den Extremitäten (24, 26) liegende Teil des Segments (16) vom Gehäuse (18) beabstandet ist.

3. Ringwandkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit mindestens einer umfangsmäßigen Anordnung von Schlitzen (28, 30) versehen ist, wobei mindestens ein Schlitz jedem Ringwandsegment (16) zugeordnet ist, und daß die Befestigungsmittel durch Hakenelemente (20, 22) gebildet sind, das von dem Segment (16) durch den entsprechenden Schlitz (28, 30) im Gehäuse (18) radial auswärts verläuft und mit der Außenfläche des Gehäuses (18) in Eingriff steht.

4. Ringwandkonstruktion nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hakenelemente durch zwei Haken (20, 22) gebildet sind, die jeweils von einem stromaufwärtigen (42) und einem stromabwärtigen (44) Bereich des Segments (16) wegragen, und daß zwei umfangsmäßige Anordnungen von Schlitzen (28, 30) vorhanden sind, wobei jeweils ein Schlitz einem Haken zugeordnet ist.

5. Ringwandkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. jedes Hakenelement (20, 22) mit dem Ringwandsegment (16) einstückig ausgebildet ist.

6. Ringwandkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (18) mit mindestens einer Kühlöffnung (46) versehen ist, durch welche Kühlluft zu den Ringwandsegmenten (16) geleitet wird, und daß jedes Ringwandsegment (16) mit mindestens einer Kühlluftaustrittsöffnung (48) versehen ist, durch welche verbrauchte Kühlluft austritt.