DE69805546T2

DE69805546T2 - Passives thermostatisches ventil zur kontrolle des spiels von turbinenschaufelspitzen

Info

Publication number: DE69805546T2
Application number: DE69805546T
Authority: DE
Inventors: J. Dobson; Sylvain Pierre
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: EP1038093B1; EP1038093A1; JP4087058B2; CA2312952A1; WO1999030010A1; CA2312952C; JP2001526347A; US6116852A; DE69805546D1; RU2217599C2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem und ein entsprechendes Verfahren, welches ein temperaturabhängig arbeitsfähiges passives Ventil nutzt, um so eine radiale Ausdehnung der Kranzsegment-Abstützverkleidung bei niedrigen und hohen Leistungseinstellungen der Maschine zu kontrollieren.

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung ist auf das Kurieren des Problems in Gasturbinenmaschinen gerichtet, bei dem die Spitzen der Turbinenlaufschaufeln der Maschine in die Auskleidungen der Kranzsegmente eindringen, welche diese umgeben und dadurch das gewünschte Spiel dazwischen mit einem sich ergebenden Verlust an Wirkungsgrad bei bestimmten Flugzuständen zerstören. Zahlreiche Anstrengungen wurden unternommen, um das Problem des Kontrollierens der radialen Ausdehnung des Gehäuses um die Turbinenlaufschaufeln während des Starts und anderer transienter Betriebsbedingungen der Maschine zu kurieren, bei denen der Unterschied zwischen der Laufschaufelspitzen- und Verkleidungs-Ausdehnung größer ist. Bei transienten Bedingungen ist es wünschenswert, die Verkleidung heiß zu halten, während es bei Dauerbedingungen wünschenswert ist, die Verkleidung zu kühlen.
Frühere Lösungen des Versuchs, den Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen und den Kranzsegmenten zu kontrollieren, haben die Verwendung großer mechanischer Ventile und Leitungsanordnungen beinhaltet, welche in den Räumen untergebracht werden mussten, die in dem Maschinenkompartment vorgesehen sind. Diese Ventile und die zugehörigen Leitungsanordnungen waren von sehr großer Größe und benötigten folglich kritische Räume und trugen zusätzliches Gewicht und Kosten zu der Maschine bei.
Bei manchen der Versuche, das vorangehend angegebene Problem zu kurieren, haben sich Manche auf die Verwendung von Proportionierern verlegt, welche Zumessgeräte nutzen, die die Zufuhr von heißer oder kalter oder vermischter Luft zu dem Kranz-Sammelraum zugelassen haben. Ein derartiges Gerät ist beispielsweise in dem US-Patent 5,064,343, welches am 12. November 1991 erteilt wurde, gezeigt und beschrieben. Der Proportionierer, wie er darin beschrieben ist, kontrolliert die Menge an heißer oder kalter Luft, welche in den Sammelraum über den Rotorkranz geht, um das Spitzenspiel mit den Triebwerkszuständen zu kontrollieren. Dieser Proportionierer verlässt sich auf Heißgastemperaturen für eine thermische radiale Ausdehnung relativ zu anderen statischen Teilen, welche der Temperatur der Kaltluftzufuhr folgen. Es ist dieser thermische Unterschied, kombiniert mit geeigneten diskreten Öffnungen, der ein Zumessen von heißer oder kalter oder vermischter Luftzufuhr in dem Kranz-Sammelraum zulässt. Der Proportionierer ist ein U-förmiger Ring, der sich in einem Schlitz radial nach innen und nach außen bewegt, was Verschleiß und möglichen Verlust von Dichtungsfläche bei den statischen Teilen impliziert. Mit der Zeit scheint eine Kaltluftleckage unvermeidbar, und das beeinträchtigt die Funktion des Systems.
In dem US-Patent 3,966,354 ist auch ein thermisch betätigtes Ventil zur Spielkontrolle unter Verwendung von Zapfluft von dem Dichter vorgeschlagen, um heiße oder kühlere Luft zum Erwärmen oder zum Kühlen des Kranzes zuzuführen. Das passive thermische Ventil bildet einen Bypass für kühlere Luft und lässt heiße Luft gegen den Kranz von den Zapfluftleitungen ein. Die Reaktionszeit der Ausdehnung und Kontraktion des Kranzes ist, verglichen mit der Reaktionszeit der Rotorlaufschaufeln, langsam. Die vorgeschlagene Struktur belegt außerdem wertvollen Raum in dem Kranz.
Die US-Patente 4,805,398 und 5,064,343 beschreiben beide eine Turbinen- Spitzenspiel-Kontrollvorrichtung zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine, bei der die Kontrolle durch gegenüberliegende Platten oder Plattenabschnitte geschaffen ist, die in reibmäßigem Kontakt miteinander sind und sich in reibendem Gleitkontakt verlagern, um so Öffnungen oder Schlitze zu exponieren, die in jeder der Platten in gegenüberliegender Beziehung vorgesehen sind, wenn die Platten Wärme ausgesetzt sind. Wenn sich die Platten ausdehnen, beginnen die Öffnungen, die in jeder der Platten vorgesehen sind, sich selbst auszurichten, um eine Kühlluftströmung einzuführen. Bei Normalbedingungen sind die Öffnungen nicht miteinander ausgerichtet, und folglich lässt das Ventil keine Kühlluftströmung zu.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Gegensatz zu dem Stand der Technik ist das passive thermische Turbinenventil der vorliegenden Erfindung so konstruiert, dass es einen Kerngasströmungseinlass in die Kranzsegmente und die Turbinenabstützverkleidung bei niedrigen Leistungseinstellungen zulässt, um die Kränze und die Verkleidung zu erwärmen, um das Auftreten von Turbinenklemmern zu vermeiden, beispielsweise zwischen Triebwerksbeschleunigung und -verlangsamung, aber die Strömung von Kühlluft bei höheren Leistungseinstellungen zulässt, um die Maschinenleistung zu optimieren. Auch benötigt das passive thermische Ventil nicht irgendeine Abstützstruktur, sondern es ist direkt an der Turbinenabstützverkleidung angebracht, um einen Sammelraum über dem Prallelement der Turbinenabstützverkleidung zu bilden. Außerdem belegt die vorgeschlagene passive thermische Ventilanordnung einen vergleichsweise kleinen Raumumfang. Darüber hinaus wird die Luftströmung, die zum Aktivieren des passiven thermischen Ventils verwendet wird, nicht zum Leitschaufelkühlen verwendet, sondern zum Kühlen der Kranzsegmente.
Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Gasturbinenmaschinen- Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem bereitzustellen, welches ein Kühlluftströmungsgehäuse mit einem passiven Ringventil verwendet, welches von einer engen Passung zu einem radialen Spalt oder einer losen Passung übergeht, um so umgebende kalte Luft in das Gehäuse und die Passageeinrichtung einzulassen, um die Verkleidung und die Kranzsegmentanordnung zu kühlen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Kontrollieren des Spiels zwischen den Spitzen einer Stufe von Turbinenlaufschaufeln und einer diese umgebenden ringförmigen Verkleidung und der zugehörigen Kranzsegmentanordnung einer Gasturbinenmaschine durch Verwenden eines Kühlluftströmungsgehäuses mit einem passiven Ringventil, welches automatisch sein Öffnen und Schließen kontrolliert, um eine Verbindung für Kühlluftströmung in das Gehäuse und um die Verkleidung und die zugehörige Kranzanordnung zu schaffen oder zu unterbinden.
Gemäß der vorangehenden Merkmale liefert die vorliegende Erfindung nach einem breiten Aspekt ein Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzen-Kontrollsystem, aufweisend ein ringförmiges Gehäuse, welches um eine Maschinenverkleidung gebildet ist, an der eine ringförmige Kranzsegmentanordnung befestigt ist und die eng um die Laufschaufelspitzen eine Stufe von Laufschaufeln beabstandet ist. Das ringförmige Gehäuse bildet eine Luftpassage, welche mit der Verkleidung eine Verbindung schafft, um einen Kühlluftstrom zu der Maschinenverkleidung zu lenken. Die Maschinenverkleidung ist mit einer ringförmigen Prallpassage versehen, die darin in einer der ringförmigen Kranzsegmentanordnung entgegengesetzten Wandfläche gebildet ist. Die Prallpassage ist zwischen gegenüberliegend beabstandeten ringförmigen Seitenwänden der Verkleidung definiert. Ein temperaturabhängig arbeitsfähiges passives Ringventil ist durch zwei überlappende Metallringsegmente gebildet, die einen unterschiedlich gewählten Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, um so einen radialen Spalt zwischen den Ringsegmenten zu erzeugen, wenn die Temperatur der Ringsegmente einen vorbestimmten Wert erreicht. Der radiale Spalt lässt eine Kühlluftströmung in das Gehäuse zum Kühlen der Verkleidung, um die radiale Ausdehnung zu kontrollieren. Das ringförmige Gehäuse ist von einer Ringventilabstützstruktur gebildet, die über der Verkleidung der ringförmigen Kranzsegmentanordnung entgegengesetzt befestigt ist. Die zwei überlappenden Metallringe sind in die Abstützstruktur integriert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die überlappenden Metallringe in flächigem Kontakt miteinander befinden und dass der radiale Spalt durch einen Raum zwischen den Metallringen gebildet wird, wenn sich die Ringe voneinander in Folge des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten trennen. Der radiale Spalt ist ein veränderlicher radialer Spalt, dessen Größe durch die Temperatur der Ringsegmente beeinflusst wird, um eine zugemessene Kühlluftströmung zu dem Gehäuse zu lassen.
Gemäß einem weiteren breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine bereitgestellt, welche darin das Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem und das entsprechende Verfahren der vorliegenden Erfindung inkorporiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht des Verbrennungsabschnitts und Turbinenabschnitts einer Gasturbinenmaschine des Stands der Technik;
Fig. 2A bis 2C sind vereinfachte Schnittansichten des vorderen Endes der Turbinenmaschine und zeigen den Betrieb des Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist ein Kurvendiagramm, welches die Turbinenspitzenspieländerung bei verschiedenen Maschinenverhalten zeigt;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht ähnlich zu den Fig. 2A bis 2C, sie zeigt jedoch eine Ausführungsform des Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht ähnlich der Fig. 4 und zeigt eine weitere Ausführungsform des Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine auseinander gezogene Teilansicht, welche die Konstruktion der ringförmigen Metallplatten zeigt; und
Fig. 7 ist eine Teilansicht, welche eine Ausführungsform einer Verlagerungs- Beschränkungseinrichtung zum Halten der Platten, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, in flächiger Ausrichtung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Fig. 1 Bezug genommen. Dort ist generell bei 10 der Verbrennungsabschnitt und der Hochdruckturbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine des Stand der Technik gezeigt. Der Verbrennungsabschnitt beinhaltet eine Brennkammer 11, in der verdichtete Luft von der sie umgebenden Kammer 12 durch ihre perforierte Wand 13' eingelassen wird, um sich mit dem Brennstoff, welcher durch die Düse 14 gelangt, zu vermischen, um eine brennbare Mischung zu bilden. Das heiße Verbrennungsgas befindet sich typischerweise bei Temperaturen, die 2000ºF überschreiten und wird in den Turbinenabschnitt 15 eingeleitet, in dem eine oder mehrere Stufen 16 von Rotorlaufschaufeln 17 angebracht sind. Wie hier gezeigt, ist das Spitzenende 17' der Rotorlaufschaufel 17 in enger Beabstandung mit einer ringförmigen Kranzsegmentanordnung 18 positioniert. Die Kranzsegmentanordnung 18 wird von einer ringförmigen Verkleidung 19 abgestützt. Die ringförmige Verkleidung 19 ist mit Durchgangsbohrungen 20 oder -kanälen versehen, um Kühlluft von der umgebenden Kammer 12 darüber und in den Bereich der ringförmigen Kranzsegmentanordnung 18 zu lassen, um diese zu kühlen. Während eines transienten Maschinenbetriebs ist jedoch die thermische Ausdehnung der Rotorlaufschaufeln 17 viel schneller als die der ringförmigen Verkleidung 19, und weil die Verkleidung konstant gekühlt wird, kann das zu einem Turbinenklemmen zwischen den Laufschaufelspitzen und dem ringförmigen Gehäuse führen, was einen unerwünschten Verschleiß und deshalb einen Verlust an Turbinenwirkungsgrad verursacht. Deshalb ist beim Stand der Technik das Laufschaufe/Verkleidungs-Spiel erhöht, um ein Turbinenklemmen während transienter Bedingungen zu vermeiden, mit einem sich daraus ergebenden Verlust an Turbinenwirkungsgrad bei üblichen Betriebsbedingungen. Wie vorangehend beschrieben, ist es wünschenswert, die thermische Ausdehnung der ringförmigen Verkleidung 19 und entsprechend der von dieser abgestützten ringförmigen Kranzsegmentanordnung zu kontrollieren, um das Spitzenspiel 21, wie in Fig. 2A gezeigt, zwischen der Laufschaufelspitze 17' und der äußeren Oberfläche 22 des ringförmigen Kranzsegments 18 zu kontrollieren. Die vorliegende Erfindung liefert ein Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem, welches diese Aufgabe automatisch durchführt, wie es nun mit weiterer Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2C und 3 beschrieben werden wird.
Die vorliegende Erfindung liegt im Kontrollieren der radialen Ausdehnung der Turbinenabstützverkleidung bei niedriger und hoher Leistungseinstellung der Maschine durch ein passives Ventilsystem, um das minimal mögliche Einbauspiel und deshalb das minimale Turbinenspitzenspiel für Maschinenbetrieb zu erhalten für den Fall von Turbinen, bei denen die radiale Ausdehnung statischer Komponenten erfolgt durch ein gekühltes Gehäuse, welches Kranzsegmente und einen Turbinenrotor abstützt. Wir haben deshalb eine Turbinenverkleidung, die bei einem niedrigen Leistungszustand eine durchschnittliche Metalltemperatur ähnlich der mittleren Temperatur für Hochleistungsdauerzustand oder darüber hat. Das eliminiert das Auftreten von Turbinenklemmspiel während der Triebwerksbeschleunigung oder Wieder-Beschleunigung. Um das zu erzielen, erlaubt es das System, die durchschnittliche Gehäusetemperatur durch den Heissgasweg bei einem niedrigen Leistungszustand und durch die Kühllufttemperatur bei einem Hochleistungszustand zu kontrollieren, wo die Schwelle von einem zu dem anderen durch das zusätzliche Erfordernis, dass das System für den Reisezustand korrekt gekühlt wird, bestimmt ist.
Es wird nun auf die Fig. 3 Bezug genommen. Dort sind zwei charakteristische Kurven gezeigt, welche das Spaltverhalten zwischen einer Maschine mit und ohne das Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung vergleichen. Die erste Kurve 23 illustriert die Änderung des Turbinenspitzenspiels einer Maschine ohne das Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem, und die zweite Kurve 26 illustriert das Turbienenspitzenspiel einer Maschine, die mit dem Spitzenspielkontrollsystem der vorliegenden Erfindung versehen ist. Wie nachfolgend gezeigt beginnt während einer Verlangsamung von Triebwerkshochleistung das Spitzenspiel beim Stand der Technik abzunehmen, wie durch den Teil 24 der Kurve 23 gezeigt, weil die Verkleidung weiterhin von der Kühlluft von der umgebenden Kammer 12 der Maschine gekühlt wird, während die Turbinenscheibentemperatur nicht so schnell abnimmt. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch während diesem Zeitraum, wie beim Abschnitt 25 der Kurve 26 gezeigt, die Verkleidung durch das passive Ventil des Systems heiß gehalten, welches während niedriger Leistungszustände geschlossen ist, wie nachfolgend beschrieben werden wird. Wenn kurz danach die Maschine wieder auf Hochleistung beschleunigt wird, wie es beispielsweise bei der Position 27 der Kurve 26 gezeigt ist, nimmt das Laufschaufelspiel der Maschine des Stands der Technik schnell in Richtung auf den Klemmpunkt 28 ab. Das geschieht in Folge der Tatsache, dass die thermische Ausdehnung des Gehäuses und des Kranzes nicht an die der Rotorlaufschaufel angepasst ist. Im Gegensatz dazu bleibt bei dem Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung das passive Ventil geschlossen, um ein Kühlen der Maschinenverkleidung zu verhindern, bis die Maschine wieder auf hohe Leistung beschleunigt wurde, und an diesem Punkt öffnet das passive Ventil, um ein Kühlen der Maschinenverkleidung zuzulassen. Man kann erkennen, dass das Spitzenspiel des Kontrollsystems der vorliegenden Erfindung über dem Klemmpunkt 28 bleibt, so wie bei 29 an der Kurve 26 gezeigt. Man kann auch erkennen, dass während des Dauerbetriebs der Maschine bei hoher Leistung bei dem Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung das Spitzenspiel bei einer engen Toleranz beibehalten ist, wie beim Abschnitt 30 an der Kurve 26 gezeigt, während bei dem Stand der Technik der Spalt oder das Spitzenspiel viel größer beibehalten wird, wie durch den Abschnitt 31 der Kurve 23 gezeigt, um ein Klemmen zu vermeiden und somit zu einem Verlust an Wirkungsgrad der Maschine wegen diese größeren Spalts führt.
Es wird nun auf die Fig. 2A und 2B Bezug genommen. Dort wird das Konzept und der Betrieb des Systems der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Bei der vorliegenden Erfindung ist eine ringförmige Kammer 35 gebildet, die von einem Gehäuse 42 definiert ist, welches über der Prallplatte oder Prallelement 36 der Maschinenverkleidung 13 gebildet ist. Die Prallplatte 36 ist mit Öffnungen 37 zum Einlassen einer Kühlluftströmung in die Prallpassage 38, welche die Verkleidung 13 umgibt durch das passive Ringventil 39 versehen. Wie in der 28 gezeigt, ist das passive Ringventil 39 geschlossen, wenn sich die Maschine bei niedriger Leistung befindet. Folglich wird die Heißgasluft durch die Verkleidung 13 und über die Kranzsegmentanordnung 18 und in die ringförmige Kammer oder den Sammelraum 35 durch die Öffnungen 40 der Verkleidung und Öffnungen 37 der Prallplatte 36 strömen und bewirken, dass die Verkleidung und die ringförmige Kranzsegmentanordnung 18 Wärme zusammen mit der Laufschaufel 17 absorbieren, um zusammen zu expandieren und ein minimales Spitzenspiel 21 beizubehalten. Diese Wärme in der Kammer 12 ist bei niedriger Leistung nicht ausreichend, das passive Ventil 39 zu öffnen.
Es wird nun auf die Fig. 2C Bezug genommen. Man kann erkennen, dass bei Hochleistungsbetrieb der Maschine das passive Ventil 39 wegen der hohen Hitze in der Kammer 12, die durch einen derartigen Betrieb erzeugt wird, geöffnet wird und das passive Ventil 39 so eine Kühlluftströmung, wie durch die Pfeile 41 angezeigt, in die Gehäusepassage 38 durch die Prallplatte 36 und über die Verkleidung 13 und dann durch die Verkleidung durch die Durchgangsbohrungen 40 und über die Kranzanordnung 18 einlässt und dann in den Heißgasweg ablässt. Folglich werden diese Strukturen gekühlt, um eine radiale Ausdehnung der Verkleidung und der ringförmigen Kranzsegmentanordnung 18 zu begrenzen und den Spitzenspielspalt 21 innerhalb minimaler zulässiger Toleranzen beizubehalten, um einen effizienteren Betrieb der Maschine bei hoher Leistung zu liefern.
Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Spitzenspielkontrollsystems der vorliegenden Erfindung, in der das Gehäuse 42 durch Abstützstrukturen 42' gebildet ist, die ringförmige Metallhülsen sind, die aus dem gleichen Material wie die Verkleidung 13 gebildet sein können. Das ist jedoch nicht essenziell.
Wie man erkennen kann, ist die obere Wand 43 der Abstützstrukturen 42' beabstandet, um einen Spalt 44 zu bilden, über den zwei überlappende Metallringsegmente 45 und 46 befestigt sind, die aus Metallen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sind. Diese Ringsegmente 45 und 46 sind an freien Endbereichen 46' und 45' überlappend und definieren dazwischen einen Spalt, wenn sich die Segmente trennen. Die Abstützstrukturen 42' und die dünnen überlappenden Ringe 45' und 46' definieren eine Einschließung 35 die als ein Sammelraum 35 agiert, wenn der radiale Spalt 44 geöffnet ist. Der Sammelraum 35 erlaubt es, dass sich die Luft, welche durch den radialen Spalt 44 gelangt, innerhalb des Sammelraums 35 stabilisiert und eine gleichförmige Zuführung zu den Prallöffnungen der Prallplatte 36 erlaubt, um die Maschinenverkleidung 13 zu kühlen.
Wenn die Ringe 45 und 46 in engem reibmäßigen Kontakt sind, so wie in Fig. 4 gezeigt, was einem Zustand mit niedriger Leistung entspricht, ist der radiale Spalt 44 geschlossen und erlaubt keiner oder wenig Kühlluft ein Strömen in die ringförmige Kammer 35.
Wenn die Temperatur der Luft in der umgebenden Kammer 12 zunimmt (wie während einer Triebwerksbeschleunigung auf hohe Leistung), öffnet sich der radial geschlossene Spalt wegen des Unterschieds der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Ringen 45 und 46 (45: höherer Wärmeausdehnungskoeffizient, 46: niedrigerer Wärmeausdehnungskoeffizient). Dieser radiale Spalt erlaubt es, dass Kühlluft aus 12 in den Sammelraum 35 gelangt und die Maschinenverkleidung durch die Kühlöffnungen 36 und 40 kühlt; die Größe des radialen Spalts wird von der Materialwahl für die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten abhängen und wird proportional zur Temperatur der umgebenden Kammer 12 sein.
Die Größe der Ringe 45 und 46 ist festgelegt, um eine niedrige thermische Trägheit relativ zu der Maschinenverkleidung sicherzustellen, so dass eine transiente thermische Reaktion von 1 bis 10 Sekunden die transiente Reaktion der Maschinenverkleidung von 2 bis 5 Minuten nicht beeinflusst (höhere thermische Trägheit).
Während einer Beschleunigung ist die anfängliche Temperatur der Maschinenverkleidung nahe bei/höher als ihre endgültige Dauertemperatur, so dass die transiente Temperaturänderung der Verkleidung 13 klein ist, und deshalb gibt es kein transientes Klemmen mit dem Rotor. Während einer Verlangsamung von hoher Leistung auf niedrige Leistung schließt sich das Ventil schnell, da die anfängliche Verkleidungstemperatur hoch ist, und wieder ist die transiente Temperaturänderung der Maschinenverkleidung klein. Eine Wiederbeschleunigugn auf hohe Leistung nach dieser plötzlichen Verlangsamung auf niedrige Leistung würde zeigen, dass die Verkleidung thermisch nicht sehr reaktiv ist, da die anfängliche Verkleidungstemperatur immer noch nahe bei der endgültigen Dauertemperatur sein wird. Es gäbe keinen transienten Klemmzustand mit dem Rotor, wie vorangehend beschrieben und in Fig. 3 gezeigt.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Konstruktion des temperaturabhängig arbeitsfähigen passiven Ringventils der vorliegenden Erfindung bei niedrigem Leistungszustand. Wie dort gezeigt, ist der passive Ventilring 50 von doppelten überlappenden Prallplatten, nämlich der Platte 51 und der Platte 52 gebildet. Die Prallplatte 52 ist also aus einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet, während die Platte 51 aus einem Material mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform bildet die Prallplatte 51 einen Teil der Verkleidung 13 und ist deshalb aus dem gleichen Material wie das Material der Verkleidung 13. Diese Prallplatten 51 und 52 sind als ringförmige Hülsen gebildet und um den Prallhohlraum 38 der Verkleidung 13 abgestützt. Eine Abstützeinrichtung ist in der Form einer Ausnehmung 53 in dem oberen inneren Randabschnitt 54 jeder der ringförmigen Seitenwände 55 gebildet, welche die Prallpassage 38 definieren. Diese Ausnehmungen 53 sind ausgerichtet und so dimensioniert, dass sie eine Verlagerung der Platte 52 relativ zur Platte 51 und der Maschinenverkleidung 13 erlauben, um ein Separieren der Platten 51 und 52 zu bewirken und eine Luftströmung in die Prallpassage 38 durch Passageneinrichtungen, die in den Platten vorgesehen sind, zuzulassen.
Die Passageneinrichtungen in den Platten sind durch gleichweit beabstandete Öffnungen gebildet, wobei die Öffnungen 56 in der oberen Platte größer als die Öffnungen 57 in einem Prallkühlmuster in der Bodenplatte 52 sind. Die Größe und axiale Anordnung der Öffnungen 56 ist derart, dass sie die Kühlluftströmung durch die Öffnungen 57 nicht einschränken, wenn beide Platten 51 und 52 separiert sind. Die Anordnung der Öffnungen 56 ist axial versetzt zu denen von 57, so dass, wenn sich die Platten in einer engen Passung befinden, die Öffnungen nicht kommunizieren.
Wie in der Fig. 7 gezeigt, kann die Platte 52 mit einer Ausnehmung 58 versehen sein, um die Platte mit den Vorsprüngen 59 auszurichten, die der Seitenwand 55 an jeder Seite der Prallpassage vorgesehen sind. Eine ähnliche Ausnehmung ist auch in der oberen Platte 51 zum Positionieren gegen einen Ausrichtvorsprung 60 vorgesehen, wodurch die Platten 51 und 52 während der Ausdehnung der Platten in Ausrichtung gehalten sind, wenn das Ventil öffnet. Diese Platten sind anfänglich in einer engen Passung miteinander. Bei hoher Leistung werden sie sich wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Prallplatten trennen und eine Luftströmung zwischen einem Spalt, der zwischen den Platten gebildet ist, und den Öffnungen 56 und 57 bewirken. Der Betrieb ist der Gleiche, wie er hier bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
Während einer transienten Beschleunigung/Verzögerung trennen sich die Prallplatten 51 und 52 sehr schnell/kommen eng zusammen und stellen so eine Kühlung/keine Kühlung der Verkleidung in Folge der niedrigen thermischen Trägheit (1 bis 10 Sekunden), verglichen mit der Verkleidung (1 bis 2 Minuten) bereit, und stellen so eine kleine mittlere Temperaturabweichung der Verkleidung sicher. Während der Beschleunigung von Leerlauf auf Startzustand hat die Verkleidung eine kleine transiente Temperaturvariation und eine kleine transiente unterschiedliche radiale Ausdehnung, da die anfängliche Verkleidungstemperatur nahe bei oder über der endgültigen Dauertemperatur für Start ist, und folglich kommt es zu keinem Klemmen zwischen den Laufschaufelspitzen und der ringförmigen Kranzsegmentanordnung. Bei einer Verlangsamung beginnt die Verkleidung bei einer hohen Temperatur, und da die Prallplatten schnell eng zusammengehen und die Verkleidungs-Prallpassage 38 abdichten, wird die Verkleidung durch die Kühlluft nicht länger gekühlt und wird in heißer Luft aus dem Gasweg gebadet und hält die Maschinenverkleidungstemperatur nahe an der anfänglichen Hochleistungstemperatur.
Während transienter Zustände, wie heißem Neustart/Neustart im Flug befindet sich die Verkleidung bei einer hohen Anfangstemperatur, und es wird viel länger dauern, sie abzukühlen, weil die Ringe 45 und 46 bzw. die Platten 51 und 52 eng zusammen sind und die Verkleidung gegen die kalte Strömung abschirmen, verglichen mit Systemen ohne dieses passive Kontrollsystem, und liefert deshalb eine bessere Anpassung an die langsame Abkühlzeit der Turbinenscheibe.
Es ist im Bestreben der vorliegenden Erfindung, sämtliche offensichtlichen Modifikationen der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform abzudecken, sofern diese Modifikationen in den Umfang der breiten Ansprüche fallen.

Claims

1. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem aufweisend ein ringförmiges Gehäuse (42), wobei das Gehäuse um eine Maschinenverkleidung (13) geformt ist, an der eine ringförmige Kranzsegmentanordnung (18) befestigt ist und die eng um die Laufschaufelspitzen (17') einer Stufe (16) von Laufschaufeln (17) beabstandet ist, wobei das ringförmige Gehäuse (42) eine Luftpassage (41) bildet, welche mit der Verkleidung (13) zum Lenken einer Kühlluftströmung an die Maschinenverkleidung kommuniziert, wobei die Maschinenverkleidung (13) mit einer ringförmigen Prallpassage (38) versehen ist, die darin in einer Wandoberfläche gebildet ist, die entgegengesetzt zu der ringförmigen Kranzsegmentanordnung (18) vorgesehen ist, wobei die Prallpassage zwischen zwei gegenüberliegend beabstandeten ringförmigen Seitenwänden (55) der Verkleidung (13) und einem passiv temperaturabhängig arbeitsfähigem Ringventil (39) definiert ist, wobei das Ringventil (39) durch zwei überlappende Metallringsegmente (45, 46, 51, 52) mit einem unterschiedlich gewählten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist, um so einen radialen Spalt zwischen den Ringsegmenten zu bilden, wenn die Temperatur der Ringsegmente einen vorbestimmten Wert erreicht, wobei der radiale Spalt eine Kühlluftströmung in das Gehäuse zum Kühlen der Verkleidung (13) einlässt, um die radiale Ausdehnung zu kontrollieren, wobei das ringförmige Gehäuse (42) von einer Ringventil-Abstützstruktur (42, 54) gebildet ist, die um die Verkleidung der ringförmigen Kranzsegmentanordnung (18) entgegengesetzt befestigt ist, wobei die zwei überlappenden Metallringe (45, 46, 51, 52) in die Abstützstruktur integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die überlappenden Metallringe in flächigem Kontakt miteinander sind, wobei der radiale Spalt von einem Raum zwischen den Metallringen gebildet wird, wenn sich die Ringe voneinander in Folge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten trennen, wobei der radiale Spalt ein variabler radialer Spalt ist, dessen Größe durch die Temperatur der Ringsegmente (45, 46, 51, 52) beeinflusst wird, um eine zugemessene Kühlluftströmung zu der Verkleidung (13) zu lassen.

2. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die zwei überlappenden Metallringsegmente (45, 46) einem entsprechenden Rand des ringförmigen Spalts benachbart befestigt sind und in flächigem Kontakt an freien Endbereichen /45', 46') davon überlappen.

3. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die Ringsegmente (51, 52) eine erste ringförmige Metallplatte (51) aufweisen, die um die ringförmigen Seitenwände (55) befestigt sind, um das ringförmige Gehäuse (42) zu bilden, und eine zweite ringförmige Metallplatte (52) mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, die unter der ersten ringförmigen Metallplatte (51) in engem Reibkontakt mit der ersten ringförmigen Metallplatten gefangen gehalten ist, und Abstützmittel (54) für die zweite ringförmige Metallplatte aufweist, um eine Wärmeausdehnung der ersten ringförmigen Metallplatte und des Gehäuses relativ zu der zweiten ringförmigen Metallplatte zuzulassen, wobei jede Platte durch sich Luftpassagen (57) aufweist.

4. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem nach Anspruch 3, wobei die Luftpassagen (56, 57) Öffnungen umfassen, die in der ersten und der zweiten ringförmigen Metallplatte vorgesehen sind, wobei die Öffnungen (56) in der ersten Platte von den Öffnungen (57) in der zweiten Platte versetzt sind.

5. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem nach Anspruch 4, wobei weniger der Öffnungen (56) in der ersten ringförmigen Metallplatte vorgesehen sind und die Öffnungen (57) in der zweiten ringförmigen Metallplatte einen geringeren Querschnitt als die Öffnungen in der ersten ringförmigen Metallplatte aufweisen.

6. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem nach Anspruch 3, wobei das Abstützmittel eine Ausnehmung (53) ist, die oben an einem inneren Randabschnitt von jeder der ringförmigen Seitenwände (55) der Prallpassage (38) gebildet ist, wobei die Ausnehmungen ausgerichtet und dimensioniert sind, dass sie eine Verlagerung der ersten Platte (51) und der Verkleidung relativ zu der zweiten Platte (52), die darüber positioniert ist, zulassen, wenn diese einer Wärmeausdehnung unterworfen sind und so bewirken, dass sich die Platten trennen und eine Luftströmung in das Gehäuse durch die Luftpassagen und zwischen den getrennten Platten zulassen.

7. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem nach Anspruch 6, wobei ferner eine Verlagerungsbegrenzungseinrichtung (58, 59) vorgesehen ist, um die Platten im Wesentlichen in flächiger Ausrichtung beizubehalten, wodurch die Öffnungen versetzt sind, um eine Luftströmung abzuschalten, wenn die Platten in engem flächigen Kontakt miteinander sind.

8. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem nach Anspruch 3, wobei die erste ringförmige Metallplatte (51) aus einem Material gebildet ist, welches gleich dem der Maschinenverkleidung ist.

9. Gasturbinenmaschinen-Laufschaufelspitzenspiel-Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die Verkleidung (13) mit Durchgangsbohrungen (40) versehen ist, um Kühlluft und heiße Verbrennungsgase dadurch zu lenken, um die Verkleidung zu kühlen oder zu erwärmen.