DE102010036071A1

DE102010036071A1 - Gehäuseseitige Struktur einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE102010036071A1
Application number: DE102010036071A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Weidmann
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2012-03-01
Also published as: EP2611992A1; EP2611992B1; US9540953B2; US20130183149A1; WO2012028140A1

Abstract

Gehäuseseitige Struktur einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem insbesondere segmentierten Mantelring (16), der einen Einlaufbelag für radial außen liegende Enden rotorseitiger Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes trägt, wobei der den Einlaufbelag tragende Mantelring (16) über mindestens eine Engstelle (18) mit einem an den Mantelring (16) radial außen angrenzenden, statorseitigen Gehäuseteil (19) verbunden und von demselben thermisch entkoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine gehäuseseitige Struktur einer Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 11. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Aus der DE 10 2004 037 955 A1 ist eine Turbomaschine mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist. Die rotorseitigen Laufschaufeln bilden mindestens einen Laufschaufelkranz, der an einem radial außen liegenden Ende an eine radial innen liegende Gehäusewand des Gehäuses angrenzt, von derselben umgeben ist und mit derselben einen radialen Spalt begrenzt. Die radial innen liegende Gehäusewand des Gehäuses wird auch als Innenring bzw. Mantelring bezeichnet und dient insbesondere als Träger für einen Einlaufbelag. Der Innenring bzw. Mantelring eines Verdichters bzw. einer Turbine kann segmentiert und demnach aus mehreren Mantelringsegmenten zusammengesetzt sein, wobei ein Mantelringsegment auch als Shroud bezeichnet wird. Aus der DE 10 2004 037 955 A1 ist weiterhin bekannt, dass der Spalt zwischen dem Mantelring des Gehäuses und dem radial außen liegenden Ende des oder jedes Laufschaufelkranzes zur Bereitstellung eines sogenannten Active Clearance Control über Stelleinrichtungen in seinem Spaltmaß eingestellt bzw. angepasst werden kann, um so automatisch den Spalt zu beeinflussen und über alle Betriebsbedingungen eine optimale Spalthaltung und so einen optimalen Pumpgrenzanstand und optimalen Wirkungsgrad zu gewährleisten. Dabei ist nach diesem Stand der Technik jedem Mantelringsegmenten des Mantelrings eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, die vorzugsweise als elektro-mechanische Aktuatoren ausgeführt sind. Auf diese Art und weise kann ein aktives Spaltmaßhaltungsprinzip bereitgestellt werden.
Die Spaltmaßhaltung des Spalts zwischen den radial außen liegenden Enden der Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes und dem Innenring bzw. Mantelring des Gehäuses über ein Active Clearance Control ist konstruktiv aufwendig. Es ist daher gewünscht, die Spaltmaßhaltung mit geringerem Aufwand zu realisieren.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine gehäuseseitige Struktur einer Turbomaschine zu schaffen, die ein neuartiges, einfaches Spaltmaßhaltungsprinzip erlaubt. Dieses Problem wird durch eine gehäuseseitige Struktur einer Turbomaschine gemäß Anspruch 1 bzw. 11 gelöst. Erfindungsgemäß ist der den Einlaufbelag tragende Mantelring über mindestens eine Engstelle mit einem an den Mantelring radial außen angrenzenden, statorseitigen Gehäuseteil verbunden und von demselben thermisch entkoppelt.
Mit der erfindungsgemäßen gehäuseseitigen Struktur einer Turbomaschine wird in Folge der thermischen Entkopplung des Mantelrings bzw. Innenrings vom radial außen angrenzenden Gehäuse ein thermisches Überschwingen, insbesondere in transienten Betriebsbereichen der Turbomaschine beim Beschleunigen bzw. Abbremsen derselben, reduziert, wodurch die Spaltmaßhaltung zwischen dem Laufschaufelkranz und dem radial außen an den Laufschaufelkranz angrenzenden Mantelring verbessert werden kann. Die thermische Entkopplung erfolgt über mindestens eine Engstelle zwischen dem Mantelring und dem radial außen an denselben angrenzenden Gehäuseteil. Durch das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip einer gehäuseseitigen Struktur einer Turbomaschine, welches insbesondere bei Hochdruckverdichtern zum Einsatz kommt, kann ein gewichtsoptimales, kompaktes, kostengünstiges, zuverlässiges und einfaches Design bereitgestellt werden, mit welchem eine Spaltmaßhaltung zwischen radial außen liegenden Enden von Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes und einem radial außen angrenzenden Mantelring und so ein optimaler Pumpgrenzabstand sowie optimaler Wirkungsgrad ohne aufwendiges Active Clearance Control bereitgestellt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an dem an den Mantelring radial außen angrenzenden, statorseitigen Gehäuseteil ein Flansch ausgebildet, wobei an dem Flansch vorzugsweise ein Stützelement befestigt ist, das mit mindestens einem Abschnitt an einem stromabwärtigen Ende des Mantelrings zur Stabilisierung desselben anliegt. Durch das Stützelement ist der Mantelring gegen Verkippen gesichert und wird dadurch stabilisiert. Weiterhin übernimmt das Stützelement, das an einem stromabwärtigen Ende des Mantelrings zur Anlage kommt, eine Abdichtfunktion.
Vorzugsweise verhindert ein Wärmeschild einen Heißgaseintritt in eine gehäuseseitige Ausnehmung. Durch den Wärmeschild kann die Spaltmaßhaltung weiter verbessert werden.
Die erfindungsgemäße Turbomaschine ist in Anspruch 12 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen Ausschnitt aus einer Turbomaschine im Bereich einer erfindungsgemäßen, gehäuseseitigen Struktur derselben nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen Ausschnitt aus einer Turbomaschine im Bereich einer erfindungsgemäßen, gehäuseseitigen Struktur derselben nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 einen Ausschnitt aus einer Turbomaschine im Bereich einer erfindungsgemäßen, gehäuseseitigen Struktur derselben nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine gehäuseseitige Struktur einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine. Die Erfindung kommt insbesondere bei Verdichtern, vorzugsweise bei Hochduckverdichtern, zum Einsatz.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Turbomaschine im Bereich einer gehäuseseitigen Struktur eines Verdichters nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei in 1 ein rotorseitiger Laufschaufelkranz 10 mit Laufschaufeln 11 sowie stromaufwärts und stromabwärts des Laufschaufelkranzes 10 statorseitige Leitschaufelkränze 12 bzw. 13 mit Leitschaufeln 14 bzw. 15 gezeigt sind. Eine solcher Verdichter kann längsgeteilt oder quergeteilt ausgeführt sein.
Radial außen an den Laufschaufelkranz 10 bzw. die Laufschaufeln 11 desselben grenzt ein Mantelring 16 an, der als Träger für einen Einlaufbelag für die radial außenliegenden Enden der rotorseitigen Laufschaufeln 11 des Laufschaufelkranzes 10 dient und mit denselben einen Spalt 17 definiert.
Um mit einfachen, konstruktiven Mitteln eine Spaltmaßhaltung des Spalts 17 zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln 11 des Laufschaufelkranzes 10 und dem Mantelring 16 zu gewährleisten, ist im Sinne der hier vorliegenden Erfindung der Mantelring 16 der gehäuseseitigen Stuktur unter Ausbildung mindestens einer Engstelle 18 mit einem an den Mantelring 16 radial außen angrenzenden, statorseitigen Gehäuseteil 19 verbunden und von demselben sowie übrigen Gehäuse thermisch entkoppelt. Die Engstelle 18 ist in 1 mittig zum Mantelring 16 angeordnet, wobei vorzugsweise die Engstelle 18 bis zum ersten Drittel stromaufwärts des Mantelrings 16 angeordnet sein kann.
An diesem statorseitigen Gehäuseteil 19, welches sich radial außen an den Mantelring 16 anschließt und mit demselben über die Engstelle 18 verbunden ist, ist ein Flansch 20 ausgebildet, an welchem im Ausführungsbeispiel der 1 ein Stützelement 21 befestigt ist, das in 1 mit einem Abschnitt 22 am stromabwärtigen Ende des Mantelrings 16 zur Stabilisierung und insbesondere Abdichtung desselben anliegt. Über das Stützelement 21 kann ein Verkippen des Mantelrings 16 vermieden werden.
Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Abschnitt 22 des Stützelements 21, mit welchem derselbe am Mantelring 16 zur Stabilisierung und insbesondere Abdichtung desselben anliegt, im Wesentlichen in horizontaler bzw. axialer Richtung, wobei dieser Abschnitt 22 mit einer sich im Wesentlichen in horizontaler bzw. axialer Richtung erstreckenden Fläche an einer sich ebenfalls im Wesentlichen in horizontaler bzw. axialer Richtung erstreckenden Fläche des Mantelrings 16 unter Ausbildung eines Dichtbereichs und damit Abdichtfunktion anliegt.
Gemäß 1 ist das Stützelement 21 an dem Flansch 20 des Gehäuseteils 19 über insbesondere als Schraubelemente ausgebildete Befestigungselemente 34 befestigt. Über den Umfang des Stützelements 21 sind mehrere Befestigungselemente 34 verteilt.
Das Stützelement 21 ist vorzugsweise als segmentierter Ring ausgebildet.
Um einen Eintritt von Heißgas aus dem Strömungskanal der Turbomaschine in eine gehäuseseitige Ausnehmung 23 zu verhindern, verfügt die gehäuseseitige Struktur der Turbomaschine weiterhin über einen Hitzeschild bzw. Wärmeschild 24, wobei der Wärmeschild 24 mit einem ersten Ende 25 in eine Ausnehmung 26 eines sich an den Mantelring 16 stromabwärts anschließenden, statorseitigen Bauteils eingreift, nämlich gemäß 1 in die Ausnehmung 26 einer Leitschaufel 15, und wobei der Wärmeschild 24 mit einem zweiten Ende 27 an dem Stützelement 21 anliegt, welcher der Stabilisierung und insbesondere Abdichtung des Mantelrings 16 dient. Der Wärmeschild 24 ist vorzugsweise als metallischer Ring ausgebildet.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen gehäuseseitigen Struktur einer Turbomaschine zeigt 2, wobei das Ausführungsbeispiel der 2 im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1 entspricht, sodass zur Vermeidungen unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden und nachfolgend nur aus solche Details eingegangen wird, durch die sich das Ausführungsbeispiel der 2 vom Ausführungsbeispiel der 1 unterscheidet.
Im Ausführungsbeispiel der 2 sind zwei Engstellen 18A und 18B vorhanden, über die der den Einlaufbelag tragende Mantelring 16 mit dem an den Mantelring 16 radial außen angrenzenden, statorseitigen Gehäuseteil 19 verbunden und von demselben thermisch entkoppelt ist. In Axialrichtung gesehen sind die Engstellen 18A und 18B demnach außermittig zum Mantelring 16 positioniert, wohingegen im Ausführungsbeispiel der 2 die Engstelle 18 in Axialrichtung gesehen mittig zum Mantelring 16 positioniert ist.
Es kann auch nur eine außermittige Engstelle vorhanden sein. So ist es möglich, dass im Ausführungsbeispiel der 2 die stromaufwärtige Engstelle 18A vorhanden ist, jedoch nicht die stromabwärtige Engstelle 18B.
Wie das Ausführungsbeispiel der 2 durch eine gestrichelte Linienführung zeigt, kann im Ausführungsbeispiel der 2 auf das Stützelement 21 verzichtet werden, insbesondere dann, wenn die stromabwärtige Engstelle 18B, die stabilisierend wirkt, vorhanden ist. In diesen Fall kann dann auch auf die Befestigungselemente 34 verzichtet werden. In diesem Fall liegt der Wärmeschild 24 mit dem zweiten Ende 27 nicht an dem Stützelement 21 an, sondern vielmehr am Flansch 20 des Gehäuseteils 19.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen gehäuseseitigen Struktur einer Turbomaschine zeigt 3, wobei im Ausführungsbeispiel der 2 wiederum ein Stützelement 21' vorhanden ist, welches der Stabilisierung und insbesondere Abdichtung des Mantelrings 16 dient, und welches am Flansch 20 befestigt ist, der an dem Gehäuseteil 19 ausgebildet ist, welches über die Engstelle 18 mit dem Mantelring 16 verbunden ist. Die Engstelle 18 dient wiederum der thermischen Entkopplung des Mantelrings 16 vom Gehäuseteil 19.
Im Ausführungsbeispiel der 3 liegt das Stützelement 21' mit zwei Abschnitten 28 und 29 an einem stromabwärtigen Ende des Mantelrings 16 an, nämlich mit einem sich im Wesentlichen in horizontaler bzw. axialer Richtung erstreckenden ersten Abschnitt 28 und einem sich im Wesentlichen in vertikaler bzw. radialer Richtung erstreckenden Abschnitt 29. Der sich im Wesentlichen in horizontaler bzw. in axialer Richtung erstreckende Abschnitt 28 des Stützelements 21' liegt an einer sich ebenfalls im Wesentlichen in horizontaler bzw. axialer Richtung erstreckenden Fläche des Mantelrings 16 an, wohingegen der Abschnitt 29 an einer sich im Wesentlichen in vertikaler bzw. radialer Richtung erstreckenden Abschnitts des Mantelrings 16 anliegt. Diese Abschnitte 28, 29 dienen insbesondere der Stabilisierung des Mantelrings 16 und Abdichtung desselben.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist am Stützelement 21' ein weiterer Abschnitt 30 ausgebildet, der sich ebenfalls im Wesentlichen in axialer bzw. horizontaler Richtung erstreckt und in stromabwärtiger Richtung gegenüber dem Mantelring 16 vorsteht und radial außen ein sich stromabwärts an den Mantelring 16 anschließendes, statorseitiges Bauteil 31 abschnittsweise überdeckt.
Bei einer thermischen Ausdehnung des Bauteils 31 im Betrieb kommt dasselbe am Abschnitt 30 des Stützelements 21' zur Anlage und verhindert so, dass aus dem Strömungskanal Heißgas durch einen zwischen dem Stützelement 21 und Bauteil 31 ausgebildeten Spalt 32 in eine gehäuseseitige Ausnehmung eintritt. Bei diesem Bauteil 31 kann es sich um einem Abschnitt eine statorseitigen Leitschaufelkranzes oder um einen statorseitigen Strömungskanalabschnitt handeln.
Eine radial innere Kontur 35 des Abschnitts 29 des Stützelements 21', die einen Strömungskanal radial außen abschnittsweise begrenzt, nämlich im Übergangsbereich zum Bauteil 31, ist derart ausgestaltet bzw. konturiert, dass dieselbe eine Gasströmung nach radial innen lenkt und so einen Heißgaseintritt über den Spalt 32 in die gehäuseseitige Ausnehmung 23 verhindert bzw. deutlich reduziert.
Auch im Ausführungsbeispiel der 3 ist ein Hitzeschild bzw. Wärmeschild 33 vorhanden, der jedoch im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 zusammen mit dem Stützelement 21' am Flansch 20 befestigt ist. Auch der Wärmeschild 33 der 3 verhindert einen Heißgaseintritt in eine gehäuseseitige Ausnehmung. Der Wärmeschild 33 ist vorzugsweise als metallischer Ring ausgebildet.
Mit der hier vorliegenden Erfindung kann auf konstruktiv einfache Art und Weise eine effektive und zuverlässige Spaltmaßhaltung zwischen radial außen liegenden Enden von Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes und einem sich radial außen anschließenden Mantelring 16 gewährleistet werden. Der Mantelring 16 ist thermisch vom Gehäuse über mindestens eine Engstelle 18, 18A, 18B entkoppelt.
Ein Verkippen des Mantelrings 16 wird vorzugsweise durch ein Stützelement 21 bzw. 21' verhindert, welches den Mantelring 16 mechanisch stabilisiert sowie insbesondere gegenüber Heißgaseintritt abdichtet.
Über einen zusätzlichen Wärmeschild 24 bzw. 33 kann die Spaltmaßhaltung weiter verbessert werden.
Bezugszeichenliste

10: Laufschaufelkranz
11: Laufschaufel
12: Leitschaufelkranz
13: Leitschaufelkranz
14: Leitschaufel
15: Leitschaufel
16: Mantelring
17: Spalt
18, 18A, 18B: Engstelle
19: Gehäuseteil
20: Flansch
21, 21': Stützelement
22: Abschnitt
23: Ausnehmung
24: Wärmeschild
25: Ende
26: Ausnehmung
27: Ende
28: Abschnitt
29: Abschnitt
30: Abschnitt
31: Gehäuseteil
32: Spalt
33: Wärmeschild
34: Befestigungselement
35: Kontur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004037955 A1 [0002]

Claims

Gehäuseseitige Struktur einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem, insbesondere segmentierten, Mantelring, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelring (16) über mindestens eine Engstelle (18, 18A, 18B) mit einem an den Mantelring (16) radial außen angrenzenden, statorseitigen Gehäuseteil (19) verbunden und von demselben thermisch entkoppelt ist.
Gehäuseseitige Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem an den Mantelring (16) radial außen angrenzenden, statorseitigen Gehäuseteil (19) ein Flansch (20) ausgebildet ist.
Gehäuseseitige Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Flansch (20) ein Stützelement (21; 21') befestigt ist, das mit mindestens einem Abschnitt (22; 28, 29) an einem stromabwärtigen Ende des Mantelrings (16) zur Stabilisierung desselben anliegt.
Gehäuseseitige Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (21), welches der Stabilisierung des Mantelrings (16) dient, mit ausschließlich einem Abschnitt (22) an dem stromabwärtigen Ende des Mantelrings (16) anliegt, wobei sich dieser Abschnitt (22) im wesentlichen in horizontaler bzw. axialer Richtung erstreckt.
Gehäuseseitige Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (21'), welches der Stabilisierung des Mantelrings (16) dient, mit über einen sich im wesentlichen in horizontaler bzw. axialer Richtung erstreckenden Abschnitt (28) und einen sich im wesentlichen in vertikaler bzw. radialer Richtung erstreckenden Abschnitt (29) an dem stromabwärtigen Ende des Mantelrings (16) anliegt.
Gehäuseseitige Struktur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich im wesentlichen in horizontaler bzw. axialer Richtung erstreckender Abschnitt (30) des Stützelements (21'), welches der Stabilisierung des Mantelrings (16) dient, in stromabwärtiger Richtung gegenüber dem Mantelring (16) vorsteht und einen Anschlag für ein angrenzendes Bauteil (31) bildet, an welchem das angrenzendes Bauteil bei einer thermischen Ausdehnung desselben zur Anlage kommt.
Gehäuseseitige Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Wärmeschild (24; 33), der einen Heißgaseintritt in eine gehäuseseitige Ausnehmung verhindert.
Gehäuseseitige Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeschild (33) zusammen mit dem Stützelement (21'), welches der Stabilisierung des Mantelrings (16) dient, am Flansch (20) des sich an den Mantelring (16) radial außen angrenzenden, statorseitigen Gehäuseteils (19) befestigt ist.
Gehäuseseitige Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeschild (24) mit einem ersten Ende (25) in eine Ausnehmung (26) eines sich an den Mantelring (16) stromabwärts anschließenden, statorseitigen Bauteils (15) eingelegt ist und mit einem zweiten Ende (27) an dem Stützelement (21), welches der Stabilisierung des Mantelrings (16) dient, oder am Flansch (20) des statorseitigen Gehäuseteil (19) anliegt.
Gehäuseseitige Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeschild (24; 33) als metallischer Ring ausgebildet ist.
Gehäuseseitige Struktur einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem insbesondere segmentierten Mantelring, der einen Einlaufbelag für radial außen liegende Enden rotorseitiger Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes trägt, und mit einem an den Mantelring in stromabwärtiger Richtung angrenzenden Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäuseseitige Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist, wobei die rotorseitigen Laufschaufeln mindestens einen Laufschaufelkranz bilden, wobei der oder jeder Laufschaufelkranz an einem radial außen liegenden Ende an einen statorseitigen Mantelring einer gehäuseseitige Struktur des Gehäuses angrenzt, von demselben umgeben ist und mit demselben einen Spalt begrenzt, wobei der jeweilige Mantelring einen Einlaufbelag für die radial außen liegenden Enden der rotorseitigen Laufschaufeln des jeweiligen Laufschaufelkranzes trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäuseseitige Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.