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Hintergrund der Erfindung
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Der
hierin offengelegte Erfindungsgegenstand betrifft Abstandssteuerungstechniken,
und insbesondere ein System zum Anpassen des Abstandes zwischen
einer stationären
Komponente und einer Rotationskomponente einer Rotationsmaschine.
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In
bestimmten Anwendungen kann ein Abstand zwischen Komponenten vorliegen,
die sich in Bezug zueinander bewegen. Beispielsweise kann ein Abstand
zwischen rotierenden und stationären
Komponenten in einer Rotationsmaschine wie z. B. einem Verdichter,
einer Turbine oder dergleichen vorliegen. Der Abstand kann während des
Betriebs der Rotationsmaschine aufgrund von Temperaturänderungen oder
anderen Faktoren zunehmen oder abnehmen. Wie man erkennen kann,
kann ein kleinerer Abstand Leistung und Wirkungsgrad in einem Verdichter
oder einer Turbine verbessern, da weniger Fluid zwischen Laufschaufeln
und einem umgebenden Deckmantel austritt. Ein kleinerer Abstand
erhöht
jedoch auch die Möglichkeit
des Auftretens eines Reibzustands. Die Betriebsbedingungen beeinflussen
ebenfalls die Möglichkeit
eines Reibzustandsauftritts. Beispielsweise kann die Möglichkeit
des Auftretens eines Reibungszustands während Übergangszuständen zunehmen,
und während
stabiler Zustandsbedingungen abnehmen. Leider steuern bestehende
Systeme den Abstand in Rotationsmaschinen nicht in angemessener
Weise.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Bestimmte
dem Schutzumfang der ursprünglich
beanspruchten Erfindung entsprechende Ausführungsformen sind nachstehend
zusammengefasst. Diese Ausführungsformen
sollen nicht den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken, sondern
stattdessen sollen diese Ausführungsformen
nur eine kurze Zusammenfassung möglicher
Formen der Erfindung bereitstellen. Tatsächlich kann die Erfindung eine
Vielfalt von Formen umfassen, die den nachstehend beschriebenen
Ausführungsformen ähneln oder
sich davon unterscheiden.
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In
einer Ausführungsform
enthält
ein System eine Turbinenkühlbaugruppe.
Die Turbinenkühlbaugruppe
enthält
einen ersten Kühlmitteleinsatz,
der für eine
Befestigung in einer ersten Aussparung in einem Turbinenbereich
konfiguriert ist. Der erste Kühlmitteleinsatz
enthält
mehrere erste radiale Kühlmittelkanäle. Die
Turbinenkühlbaugruppe
enthält
ferner einen zweiten Kühlmitteleinsatz,
der für
eine Befestigung in einer gegenüber
der ersten Aussparung axial versetzten zweiten Aussparung in dem
Turbinenbereich konfiguriert ist. Der zweite Kühlmitteleinsatz enthält mehrere
zweite radiale Kühlmittelkanäle. Zusätzlich enthält die Turbinenkühlbaugruppe
ein Verbindungsteil, das für
eine Befestigung an dem Turbinenbereich zwischen den ersten und
zweiten Kühlmitteleinsätzen konfiguriert
ist, wobei das Verbindungsteil wenigstens einen axialen Kühlmittelkanal enthält, der
mit den mehreren ersten radialen Kühlmittelkanälen und den mehreren zweiten
radialen Kühlmittelkanälen verbunden
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthält ein
System einen Turbinenkühlmitteleinsatz,
der für eine
Befestigung in einer Aussparung in einem Turbinengehäuse konfiguriert
ist, das ein Deckband um mehrere Turbinenlaufschaufeln herum unterstützt, wobei
der Turbinenkühlmitteleinsatz
mehrere radiale Kühlmittelkanäle enthält, die
dafür konfiguriert
sind, sich radial in einen Deckbandhaken des Turbinengehäuses zu
erstrecken. Der Turbinenkühlmitteleinsatz ist
ferner dafür
konfiguriert, den Abstand zwischen dem Deckband und den Turbinenlaufschaufeln
auf der Basis eines Kühlmittelstroms
durch den Turbinenkühlmitteleinsatz
anzupassen.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
enthält
ein System ein Turbinengehäuse
mit einem ersten Haken, der für
eine Vereinigung mit einem zweiten Haken zum Unterstützen eines
Turbinendeckbandes um mehrere Turbinenlaufschaufeln herum konfiguriert
ist. Das Turbinengehäuse
enthält
einen Kühlmittelkreislauf,
der dafür
konfiguriert ist, einen Abstand zwischen dem Turbinendeckband und
den Turbinenlaufschaufeln auf der Basis eines Kühlmittelstroms durch den Kühlkreislauf
anzupassen. Der Kühlmittelkreislauf
enthält
mehrere erste radiale sich in den ersten Haken erstreckende Kühlmittelkanäle.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich,
wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch
die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
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1 eine
Darstellung ist, die ein System veranschaulicht, das ein Gasturbinentriebwerk
mit Abstandssteuerungseinrichtungen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Technik enthält;
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2 eine
Schnittseitenansicht des in 1 dargestellten
Turbinensystems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Technik ist;
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3 ein
axialer Teilquerschnitt der Turbine von 1 entlang
einer bogenförmigen
Linie 3-3 von 2 ist und eine Ausführungsform
eines Turbinengehäuses
mit Kühlmittelkanälen zur
Abstandssteuerung veranschaulicht;
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4 eine
perspektivische Teilexplosionsansicht des Turbinengehäuses von 3 ist,
die die Baugruppe von Kühlmitteleinsätzen und
einem Verbindungsteil darstellt, die mehrere radiale und axiale Kühlmittelkanäle gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Technik definiert;
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5 ein
radialer Teilquerschnitt des Turbinengehäuses von 3 entlang
einer Schnittlinie 5-5 ist und einen Abschnitt eines Kühlmitteleinsatzes mit
mehreren radialen Kühlmittelkanälen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Technik darstellt;
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6 ein
radialer Teilquerschnitt des Turbinengehäuses von 3 entlang
einer Schnittlinie 6-6 ist und einen Abschnitt eines Verbindungsteils
mit mehreren axialen Kühlmittelkanälen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Technik darstellt;
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7 ein
radialer Teilquerschnitt entlang einer Schnittlinie 6-6 von 3 ist
und einen Abschnitt eines Verbindungsteils mit mehreren axialen
Kühlmittelkanälen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Technik darstellt;
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8 ein
detaillierterer axialer Teilquerschnitt des Turbinengehäuses entlang
einer bogenförmigen
Linie 8-8 von 3 und entlang der Schnittstelle
8-8 von 4 ist und einen Kühlmittelstrom durch
die radialen und axialen Kanäle
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Technik darstellt; und
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9 ein
Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Steuern eines Abstandes
auf der Basis eines Betriebszustandes eines Turbinensystems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Technik darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Eine
oder mehrere spezifische Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem
Bemühen,
eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können nicht
alle Merkmale einer tatsächlichen
Implementation in der Beschreibung beschrieben werden. Es dürfte erkennbar
sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen
Implementation wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt
zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden
müssen,
um die spezifischen Ziele des Entwicklers, wie z. B. Übereinstimmung
mit systembezogenen und geschäftsbezogenen
Einschränkungen
zu erreichen, welche von einer Implementation zur anderen variieren
können. Ferner
dürfte
erkennbar sein, dass eine derartige Entwicklungsanstrengung komplex
und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung, Herstellung
und Fertigung für
den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenlegung eine Routineaufgabe
wäre.
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Wenn
Elemente verschiedener Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel ”einer,
eines, eine”, ”der, die,
das” und ”besagter,
besagte, besagtes” die
Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden
sein kann. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen
einschließend
sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente außer den
aufgelisteten Elementen vorhanden sein können. Alle Beispiele von Betriebsparametern
und/oder Umgebungsbedingungen schließen weitere Parameter/Bedingungen
der offengelegten Ausführungsformen
nicht aus.
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Wie
nachstehend im Detail beschrieben, betrifft die vorliegende Offenlegung
Abstandssteuerungstechniken unter Verwendung einer Zwangskonvektionskühlung. Derartige
Techniken können
in einem System, wie z. B. in einem Turbinen-basierenden System
(wie z. B. Flugzeug, Lokomotive, Stromerzeugungsgenerator, usw.)
implementiert sein. So wie hierin verwendet, ist der Begriff ”Abstand” oder dergleichen
als ein Zwischenraum oder Spalt zu verstehen, der zwischen einer
oder mehreren Komponenten des Systems vorliegen kann, die sich während des
Betriebs in Bezug zueinander bewegen. Der Abstand kann einem ringförmigen Spalt,
einem geradlinigen Spalt, einem rechteckigen Spalt oder irgendeiner
anderen von dem System abhängigen
Geometrie, Bewegungstyp oder anderen verschiedenen Faktoren entsprechen,
wie der Fachmann erkennt. In einer Anwendung kann der Abstand dem
radialen Spalt oder Zwischenraum zwischen Gehäusekomponenten entsprechen,
die eine oder mehrere rotierende Schaufeln eines Verdichters, einer
Turbine oder dergleichen umgeben. Durch Steuern des Abstandes unter
Anwendung der vorliegend offengelegten Techniken kann die Leckagemenge
zwischen den rotierenden Schaufeln und dem Gehäuse aktiv verringert werden,
um den Betriebswirkungsgrad zu erhöhen, während gleichzeitig die Möglichkeit
des Auftretens eines Reibvorgangs (z. B. eines Kontaktes zwischen Gehäusekomponenten
und den rotierenden Schaufeln) minimiert wird. Wie bekannt, kann
die Leckage jedes beliebige Fluid, wie z. B. Luft, Dampf, Verbrennungsgase
usw. betreffen.
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Gemäß Ausführungsformen
der Erfindung kann ein die hierin offengelegten Abstandssteuerungseinrichtungen
verwendendes Turbinentriebwerk ein Turbinengehäuse mit mehreren radialen und
axialen Kühlmittelkanälen enthalten.
Beispielsweise kann in einer Ausführung einer Turbinenanwendung
mit einer oder mehreren Stufen das Turbinengehäuse für jede Stufe einen ersten und
zweiten Haken enthalten, der dafür
konfiguriert ist, sich jeweils mit einem entsprechenden dritten
und vierten Haken auf einem Deckbandteil zu verbinden, das in Umfangsrichtung
um eine Rotationsachse der Turbine positioniert ist und eine oder
mehrere Turbinenschaufeln umschließt. Eine ringförmige Nut
kann sich radial in jeden von den ersten und zweiten Haken des Turbinengehäuses erstrecken.
Ein Kühlmitteleinsatzelement
mit radialen Nuten auf beiden Seiten kann in jede der ringförmigen Nuten
eingesetzt oder darin versenkt sein. Die radialen Nuten auf jeder
Seite des Kühlmitteleinsatzes
können
fluidführend
verbunden sein, um somit mehrere im Wesentlichen U-förmige Kanäle in jeder
ringförmigen
Nut zu definieren. Ein Verbindungsteil mit mehreren axialen Nuten
kann auf dem Turbinengehäuse
zwischen den ringförmigen Nuten
angeordnet sein, und somit mehrere axiale Kanäle definieren. In einigen Ausführungsformen
kann das Verbindungsteil im Wesentlichen ringförmig sein. Die axialen Kanäle können die
U-förmigen
Kanäle
in dem ersten Haken fluidführend
mit den U-förmigen Kanälen in dem
zweiten Haken verbinden.
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Wie
vorstehend diskutiert, kann ein radialer Spalt zwischen den Turbinenschaufeln
und einem Deckband während
des Betriebs aufgrund von Temperaturänderungen oder anderen Faktoren
zunehmen oder abnehmen. Beispielsweise kann, wenn sich die Turbine
während
des Betriebs erwärmt,
eine Wärmeausdehnung
der Turbinengehäusekomponenten
eine radiale Bewegung des Deckbandes von der Rotationsachse weg
bewirken und somit den Abstand zwischen den Schaufeln und dem Deckband vergrößern. Dieses
ist im Allgemeinen unerwünscht, da
Verbrennungsgase, die die Laufschaufeln über den radialen Spalt umgehen,
nicht von den Laufschaufeln erfasst werden und daher nicht in Rotationsenergie
umgewandelt werden. Dieses verringert den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe
des Turbinentriebwerks.
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Um
den Abstand zu steuern, kann ein Kühlmittelstrom in die vorstehend
diskutierten U-förmigen und
axialen Kanäle
eingeführt
werden. Das Kühlmittelfluid
kann relativ kühler
als die durch die Turbine strömenden
Verbrennungsgase sein und kann, in einigen Ausführungsformen, Luft sein, die
aus einer oder mehreren Stufen eines Verdichters stammt. In weiteren
Ausführungsformen
kann eine getrennte Luftquelle und/oder Wärmetauscher verwendet werden,
um einen Kühlmittelstrom
zu erzeugen. In weiteren Ausführungsformen
kann auch ein flüssiges Kühlmittel
verwendet werden. Im Betrieb wird das Kühlmittel in einem ersten Satz
von U-förmigen
Kanälen
in den ersten Haken eingeführt.
Das Kühlmittel strömt durch
den ersten Satz der U-förmigen
Kanäle, d.
h., radial zu der und dann von der Rotationsachse weg in von dem
Verbindungsteil definierte entsprechende axiale Kanäle und dann
in einen zweiten Satz von U-förmigen
Kanälen
in dem zweiten Haken. Das Kühlmittel
kann den zweiten Satz U-förmiger
Kanäle in
einen durch eine Außenoberfläche des
Turbinengehäuses
und eine in Umfangsrichtung darum angeordnete Kühlmittelhülse definierten ringförmigen Kanal
verlassen. Das Kühlmittel
kann stromabwärts
(d. h., in Bezug auf dem Strom der Verbrennungsgase) entlang dem
ringförmigen
Kanal strömen
und den ringförmigen
Kanal über
einen oder mehrere Einlässe
auf dem Turbinengehäuse
verlassen, die den ringförmigen
Kanal mit einem Hohlraum auf der Innenoberfläche des Turbinengehäuses verbinden.
So wie hierin verwendet, soll der Begriff ”stromabwärts” als Bezeichnung für die axiale
Strömungsrichtung
des Kühlmittelstroms
durch die Kühlmittelkanäle (z. B.
in derselben Richtung wie die Strömung der Verbrennungsgase durch
die Turbine) verstanden werden, und der Begriff ”stromaufwärts” soll in der Bedeutung der
zu dem Kühlmittelstrom
in der Stromabwärtsrichtung
entgegengesetzten axialen Richtung verstanden werden.
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Wie
es nachstehend detaillierter diskutiert wird, kann der Kühlmittelstrom
durch die Kühlmittelkanäle (z. B.
die U-förmigen
und axialen Kanäle)
das Turbinengehäuse über eine
Zwangskonvektionskühlung
kühlen,
was der Wärmeausdehnung
des Deckbandes entgegenwirken und/oder diese reduzieren kann. D.
h., das Turbinengehäuse
kann so konfiguriert sein, dass es sich um einen bestimmten Betrag auf
der Basis der Temperatur und/oder Durchflusses des Kühlmittels
in dem Kühlmittelkanal
zusammenzieht oder ausdehnt. Eine Steuerung kann bei dem Turbinensystem
eingesetzt werden, um den Kühlmittelstrom
und/oder die Temperatur aktiv zu steuern. Auf diese Weise kann ein
gewünschter
Abstand in Bezug auf rotierende Schaufeln und das Deckband aktiv
eingehalten werden. In einigen Ausführungsformen können die
Kühlmittelkanäle an verschiedenen Umfangsstellen
des Turbinengehäuses
anders konfiguriert sein. Beispielsweise können Bereiche des Turbinengehäuses, die
für Wärmeeffekte
empfindlicher sind, so konfiguriert sein, dass sie einen größeren Kühlmittelstrom
(z. B. durch eine größere Konzentration
von Kühlmittelkanälen) aufnehmen.
Somit kann ein gewünschter
Abstand selbst dann eingehalten werden, wenn das Turbinengehäuse selbst
unrund ist oder während
des Betriebs (z. B. aufgrund einer durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung
bewirkten Deformation) unrund wird. Es sollte angemerkt werden,
dass jeder von den Kühlmitteleinsätzen und
das Verbindungsteil einzeln hergestellt werden können. Somit kann die Herstellung
des Turbinengehäuses
mit den vorstehend erwähnten
Kühlmittelkanälen vereinfacht
werden, indem die Kühlmitteleinsätze und
das Verbindungsteil als getrennte diskrete Komponenten bereitgestellt
werden, die leicht in das Turbinengehäuse in einer modularen Weise
(im Gegensatz zu einer maschinellen Bearbeitung des Turbinengehäuses aus
nur einem einzigen Materialteil) eingebaut werden können.
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Ferner
kann zusätzlich
zu Kühlmitteln
ein Heizfluid ebenfalls in die Kühlmittelkanäle eingeführt werden,
um eine Wärmeausdehnung
unter bestimmten Bedingungen zu beschleunigen oder zu erhöhen. Beispielsweise
kann es während Übergangszuständen vorteilhaft
sein, einen größeren radialen
Spalt bereitzustellen, um die Möglichkeit
des Auftretens eines Reibvorgangs wenigstens solange zu vermeiden,
bis der Betrieb einen stabilen Zustand erreicht. Somit dürfte sich,
obwohl die U-förmigen
und axialen Kanäle
hierin als ”Kühlmittelkanäle” bezeichnet
werden, verstehen, dass diesen auch ein Heizfluid zugeführt werden
kann, um den Spalt unter bestimmten Bedingungen zu vergrößern. Demzufolge
kann die Steuerung ferner von Sensoren, wie z. B. Temperatursensoren,
Schwingungssensoren, Positionssensoren usw., gemessene Zustände erfassen.
Abhängig
von den erfassten Bedingungen kann der Spalt verkleinert werden
(indem man z. B. ein Kühlmittel durch
die Kühlmittelkanäle strömen lässt) oder
vergrößert werden
(indem man beispielsweise ein Heizfluid durch die Kühlmittelkanäle strömen lässt), um das
Turbinenbetriebsverhalten wesentlich zu verbessern. Diese Aspekte,
Vorteile und verschiedenen weiteren Merkmale werden nachstehend
unter Bezugnahme auf die 1–9 diskutiert.
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In
Anbetracht des Vorstehenden ist 1 eine Blockdarstellung
eines exemplarischen Systems 10, das ein Gasturbinentriebwerk 12 mit
radialen und axialen Kühlmittelkanälen zur
Abstandssteuerung gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Technik enthält.
In bestimmten Ausführungsformen kann
das System 10 ein Flugzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Lokomotivenfahrzeug,
ein Energieerzeugungssystem oder eine Kombination davon beinhalten.
Demzufolge kann das Turbinentriebwerk 12 eine Vielfalt
von Lasten, wie z. B. einen Generator, einen Propeller, ein Getriebe,
ein Antriebssystem oder eine Kombination davon antreiben. Das System 10 kann Flüssig- oder
Gasbrennstoff, wie z. B. Erdgas und/oder wasserstoffreiches synthetisches
Gas, verwenden, um das Turbinensystem 10 zu betreiben. Das
Turbinentriebwerk 12 enthält einen Lufteinlassbereich 14,
einen Verdichter 16, einen Brennerabschnitt 18,
eine Turbine 20 und einen Abgasbereich 22. Gemäß Darstellung
in 1 kann die Turbine 20 zum Antrieb mit
dem Verdichter 16 über
eine Welle 24 verbunden sein.
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Im
Betrieb tritt (durch Pfeile dargestellte) Luft in das Turbinensystem 10 durch
den Lufteinlassbereich 14 ein und kann in dem Verdichter 16 unter Druck
gesetzt werden. Der Verdichter 16 kann mit der Welle 24 verbundene
Verdichterschaufeln 26 enthalten. Die Verdichterschaufeln 26 können den
radialen Spalt zwischen der Welle 24 und einer Innenwand oder
Oberfläche 28 eines
Verdichtergehäuses 30,
in welchem die Verdichterschaufeln 26 angeordnet sind, überspannen.
Beispielsweise kann die Innenwand 28 im Wesentlichen eine
ringförmige
oder konische Form haben. Die Rotation der Welle 24 bewirkt eine
Rotation der Verdichterschaufeln 26, um dadurch Luft in
den Verdichter 16 zu ziehen und die Luft vor dem Eintritt
in den Brennerbereich 18 zu verdichten. Der Verdichterabschnitt 18 enthält ein Brennergehäuse 32,
das konzentrisch oder ringförmig
um die Welle 24 und axial zwischen dem Verdichter 16 und der
Turbine 20 angeordnet ist. In dem Brennergehäuse 32 kann
der Brennerbereich 20 mehrere Brenner 34 enthalten,
die in mehreren Umfangspositionen in einer im Wesentlichen runden
oder ringförmigen Konfiguration
um die Welle 24 herum angeordnet sind. Während die
verdichtete Luft den Verdichter 16 verlässt und in jeden der Brenner 34 eintritt,
kann die verdichtete Luft mit Brennstoff zur Verbrennung in jedem
entsprechenden Brenner 34 vermischt werden. Beispielsweise
kann jeder Brenner 34 eine oder mehrere Brennstoffdüsen enthalten,
die ein Brennstoff/Luft-Gemisch in den Brenner 34 in einem
geeigneten Verhältnis
für optimale
Verbrennung, Emissionen, Brennstoffverbrauch und Energieabgabe einspritzen.
Die Verbrennung der Luft und des Brennstoffs kann heiße unter
Druck stehende Abgase erzeugen, die dann dazu genutzt werden können, eine oder
mehrere Turbinenschaufeln 36 in der Turbine 20 anzutreiben.
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Die
Turbine 20 kann die vorstehend erwähnten Turbinenschaufeln 36 und
ein äußeres Turbinengehäuse 40 enthalten.
Wie es nachstehend detaillierter dargestellt wird, kann das äußere Gehäuse 40 ein Deckband 38 enthalten,
das um die Turbinenschaufeln 36 herum angeordnet ist, sowie
ein inneres Turbinengehäuse,
das mit dem Deckband verbunden und konzentrisch in einem äußeren Turbinengehäuse angeordnet
ist. Die Turbinenschaufeln 36 können mit der Welle 24 verbunden
sein und den radialen Spalt zwischen der Welle 24 und dem
Deckband 38, welcher im Wesentlichen ringförmig oder
konisch in der Form sein kann, überspannen.
Ein kleiner radialer Spalt trennt im Wesentlichen die Turbinenschaufeln 36 von
dem Deckband 38, um die Möglichkeit eines Kontaktes zwischen
den Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 zu
verringern. Wie es sich versteht, kann der Kontakt zwischen den
Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 zu einem
unerwünschten
Zustand führen,
welcher im Allgemeinen als ”Reibvorgang” bezeichnet
wird und einen übermäßigen Verschleiß oder eine
Beschädigung
an einer oder mehreren Komponenten des Turbinentriebwerks 12 bewirken
kann.
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Die
Turbine 20 kann ein Rotorelement enthalten, das jede von
den Turbinenschaufeln 36 mit der Welle 24 verbindet.
Zusätzlich
enthält
die in der vorliegenden Ausführungsform
dargestellte Turbine 20 drei Stufen, wobei jede einzelne
Stufe durch eine entsprechende von den dargestellten Turbinenschaufeln 36 repräsentiert
wird. Leitvorrichtungen können
zwischen jeder Stufe angeordnet sein, um den Strom der Verbrennungsgase
durch die Turbine 20 zu führen. Es dürfte erkennbar sein, dass weitere Konfigurationen
mehr oder weniger Turbinenstufen enthalten können. Im Betrieb strömen die
in und durch die Turbine 20 strömenden Verbrennungsgase gegen
und zwischen die Turbinenschaufeln 36, um dadurch die Turbinenschaufeln 36 anzutreiben
und somit die Welle 24 zum Antrieb einer Last in Rotation zu
versetzen. Die Rotation der Welle 24 bewirkt auch, dass
die Schaufeln 26 in dem Verdichter 16 die von dem
Einlass 14 erhaltene Luft ansaugen und unter Druck setzen.
Ferner kann in einigen Ausführungsformen
das den Abgasbereich 22 verlassende Abgas als eine Schubquelle
für ein
Fahrzeug, wie z. B. für ein
Strahlflugzeug, verwendet werden.
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Wie
es weiter in 1 dargestellt ist, kann das
Turbinensystem 10 ein Spaltsteuerungssystem 44 enthalten.
Das Spaltsteuerungssystem 44 kann eine Spaltsteuerung 46 sowie
einen oder mehrere Sensoren 48 enthalten, die an verschiedenen
Stellen des Turbinensystems 10 angeordnet sein können. Die
Spaltsteuerung 46 kann verschiedene Hardware- und/oder
Softwarekomponenten enthalten, die zur Ausführung von Routinen und Algorithmen
zum Einstellen des Abstandes (z. B. eines radialen Spaltes) zwischen
den Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 verwendet
werden können.
Die Sensoren 48 können
dazu genutzt werden, verschiedene Daten 50 über die
Betriebszustände
des Turbinentriebwerks 12 an die Abstandssteuerung 46 zu übertragen,
sodass die Abstandssteuerung 46 dementsprechend den Abstand
aktiv anpassen kann. Beispielsweise können die Sensoren 48 Temperatursensoren zum
Messen einer Temperatur, Durchflusssensoren zum Messen eines Durchflusses,
Positionssensoren oder irgendwelche andere Sensoren, die für die Detektion
verschiedener Betriebsparameter des Turbinentriebwerks 12,
wie z. B. Drehzahl der Welle 24, Leistungsabgabe, usw.
geeignet sind, enthalten. Obwohl sie mit der Turbine 20 verbunden
dargestellt sind, dürfte
erkennbar sein, dass die Sensoren 48 an/in jeder beliebigen
Komponente des Turbinensystems 10, einschließlich Einlass 14,
Verdichter 16, Brenner 18, Turbine 20 und/oder
Abgasbereich 22, usw. positioniert sein können.
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Ein
Kühlmittelstrom
kann den Kühlmittelkanälen der
Turbine 20 über
die Zuflussleitungen 52 und 54 zugeführt werden.
Gemäß Darstellung
kann die Zuflussleitung 52 dafür konfiguriert sein, einen aus
dem Verdichter 16 abgezweigten Luftstrom zu liefern. Wie
bekannt, wird in jeder aufeinanderfolgenden Stufe des Verdichters 16 die über den
Einlass 14 aufgenommene Luft einer erhöhten Unter-Druck-Setzung unterzogen
und erhöht
somit ihre Temperatur. Beispielsweise kann die Temperatur der Druckluft
an der achten Stufe eines Verdichters mit sechzehn Stufen zwischen
angenähert
204 bis 316°C
(400 bis 600°F)
haben und die Temperatur der Druckluft in der zwölften Stufe kann angenähert 371
bis 538°C
(700 bis 1000°F)
haben. Während
die Verdichterluft in den Brenner 34 eingespeist wird und
mit Brennstoff reagiert, um den Verbrennungsprozess zu erzielen, kann
die Temperatur der sich ergebenden Verbrennungsgase in dem Brenner 34 Temperaturen
zwischen etwa 1093 bis 1927°C
(2000 bis 3500°F)
oder mehr erreichen. Während
die Verbrennungsgase den Brenner 34 verlassen und in die
Turbine 20 (z. B. als Abgase) eintreten, kann sich die
Temperatur der Verbrennungsgase beispielsweise auf 482 bis 704°C (900 bis
1300°F)
abgekühlt
haben. Somit sollte angemerkt werden, dass die Verdichterluft im
Allgemeinen in Bezug auf die Temperatur der in die Turbine 20 strömenden Verbrennungsgase
immer noch kühler ist.
Demzufolge kann in bestimmten Ausführungsformen die Steuerung 46,
abhängig
von der erforderlichen Kühlmenge,
die zum Aufrechterhalten eines Sollabstandes unter einem speziellen
Satz von Betriebsbedingungen benötigt
wird, dafür
konfiguriert sein, eine Luftquelle für die Zuflussleitung 52 aus
einer der Verdichterstufen auszuwählen oder könnte Luft aus nur einer Verdichterstufe
verwenden und den Durchfluss verändern.
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Die
Zuflussleitung 54 ist mit einem Wärmetauscher 56 verbunden,
welcher mit einer externen Fluidquelle 58 verbunden ist.
Der Wärmetauscher 56 kann
in das System 10 integriert sein oder kann auf einer getrennten
externen Baugruppe vorgesehen sein. Der Wärmetauscher 56 kann
in Reaktion auf Steuersignale 68 aus der Steuerung 46 die
externe Fluidquelle 58 auf eine Solltemperatur beispielsweise auf
der Basis der gemessenen Daten 50 abkühlen oder erwärmen. Somit
kann abhängig
von der erforderlichen Kühlung
um einen speziellen Sollabstand einzuhalten, die Steuerung 46 entweder
die Zuflussleitung 52 oder 54 zum Liefern eines
Kühlmittelstroms
an die Kühlmittelkanäle in der
Turbine 20 auswählen.
Gemäß Darstellung
kann jede von den Zuflussleitungen 52 und 54 Ventile 60 bzw. 62 enthalten.
Die Steuerung 46 kann die Ventile 60 und 62 über Steuersignale 64 bzw. 66 aktiv
manipulieren, um aktiv einen Durchfluss des Kühlmittels durch die Zuflussleitungen 52 und 54 zu
steuern. Beispielsweise können
die Ventile 60 und 62 dafür konfiguriert sein, einen
Bereich von Durchsätzen
zwischen angenähert
0 bis 6,8 kg/s (0 bis 15 pounds per second) Sekunde zu liefern.
In einer Ausführungsform
können die
Durchsätze
wenigstens angenähert
1,36, 1,82, 2,27, 2,72, 3,18, 3, 63, 4,09 oder 4,54 kg/s (3, 4,
5, 6, 7, 8, 9 oder bis 10 pounds per second) betragen. In einer
weiteren Ausführungsform
können
die Ventile 60 und 62 Ein/Aus-Ventile sein und
die Steuerung kann die Ventile 60 oder 62 zwischen
einem offenen und geschlossenen Zustand umschalten, um einen Kühlmittelstrom
zu erzeugen oder nicht. Zusätzlich kann
wie vorstehend erwähnt,
ein Heizfluid den Kühlmittelkanälen in der
Turbine 20 zugeführt
werden, um den Abstand beispielsweise während Übergangsbetriebsbedingungen
der Turbine zu erhöhen.
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In 2 ist
eine Schnittseitenansicht einer Ausführungsform des schematisch
in 1 gezeigten Turbinentriebwerks 12 dargestellt.
Das Turbinentriebwerk 12 enthält eine oder mehrere innerhalb
eines oder mehrerer Brenner 34 angeordneter Brennstoffdüsen 70.
Im Betrieb tritt Luft in das Turbinentriebwerk 12 durch
den Lufteinlass 14 ein und wird in dem Verdichter 16 unter
Druck gesetzt. Die verdichtete Luft kann dann mit Gas zur Verbrennung
in dem Brenner 34 vermischt werden. Beispielsweise können die
Brennstoffdüsen 70 ein
Brennstoff/Luft-Gemisch in dem Brenner 34 in einem geeigneten
Verhältnis
für optimale
Verbrennung, Emissionen, Brennstoffverbrauch und Leistungsabgabe
einspritzen. Die Verbrennung erzeugt heiße unter Druck stehende Abgase,
welche dann eine oder mehrere Schaufeln 36 in der Turbine 20 antreiben,
um die Welle 24 rotieren zu lassen. Die Rotation der Welle 24 veranlasst
die Verdichterschaufeln 26 in dem Verdichter 16,
durch den Einlass 14 aufgenommene Luft anzusaugen und unter
Druck zu setzen.
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Wie
nachstehend detaillierter diskutiert, kann die Turbine 20 ein
mit dem Deckband 38 verbundenes inneres Turbinengehäuse enthalten.
Mehrere radiale und axiale Kühlmittelkanäle können den
von den Zuflussleitungen 52 und/oder 54 bereitgestellten Kühlmittelstrom
wie vorstehend diskutiert aufnehmen. Während der Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle strömt, wird
Wärme aus
dem Turbinengehäuse
aufgrund von Zwangskonvektionskühlungsprinzipien
abgeführt
und somit kann die Wärmeausdehnung
des Turbinengehäuses
und/oder des Deckbandes verringert werden, um somit einen radialen Spalt
zwischen den Turbinenschaufeln 36 und dem Deckband 38 zu
verringern. In einer Ausführungsform
kann das Kühlmittel
ein Teil der über
die Zuflussleitung 52 zugeführten Verdichterluft sein und
kann zwischen 0,1 bis 10 Prozent der gesamten in dem Verdichter 16 strömenden Luft
betragen. Beispielsweise kann der Anteil der über die Zuflussleitung 52 gelieferten
Verdichterluft wenigstens kleiner als etwa 0,1, 0,5, 1, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Prozent der gesamten Verdichterluft sein.
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Die
hierin beschriebenen aktiven Abstandssteuerungseinrichtungen werden
besser durch Bezugnahme auf 3 verständlich,
welche einen axialen Teilquerschnitt der Turbine 20 der 1 und 2 entlang
einer bogenförmigen
Linie 3-3 von 2 darstellt. Die dargestellte
Ausführungsform
ist eine dreistufige Turbine gemäß Darstellung
durch die Turbinenschaufeln 36a der ersten Stufe, Turbinenschaufeln 36b der
zweiten Stufe und Turbinenschaufeln 36c der dritten Stufe.
Weitere Ausführungsformen
können
weniger oder mehr Turbinenstufen enthalten. Während die Verbrennungsgase 74 das stromabwärts befindliche
Ende des Brenners 34 verlassen, strömen die Verbrennungsgase 74 durch
die Leiteinrichtung 76 der ersten Stufe, die dafür konfiguriert
ist, die Verbrennungsgase 74 auf die Schaufeln 36a der
ersten Stufe zu lenken. Die Verbrennungsgase 74 strömen dann
durch den Leitapparat 78 der zweiten Stufe zu den Schaufeln 36b der
zweiten Stufe. Schließlich
strömen
die Verbrennungsgase 74 durch den Leitapparat 80 der
dritten Stufe und zu den Schaufeln 36c der dritten Stufe.
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Gemäß Darstellung
kann die Spitze 86 der Turbinenschaufel 36a von
dem inneren Deckbandbereich 38a durch einen radialen Spalt 84 getrennt
sein. Ebenso kann die Spitze der Turbinenschaufel 36b von
dem inneren Deckbandbereich 38b durch einen radialen Spalt 92 getrennt
sein. Wie vorstehend diskutiert, verringern die radialen Spalte 84 und 92 die Möglichkeit
eines Kontaktes zwischen den Turbinenschaufeln 36a und 36b und
den inneren Deckbandbereichen 38a und 38b und
stellen auch einen Pfad für
Verbrennungsgase 74 zur Umgehung der Turbinenschaufel 36 bereit,
während
die Verbrennungsgase 74 stromabwärts entlang der stromabwärts zeigenden
axialen Richtung 140 gemäß Anzeige durch die Bezugsachsen
strömen.
Wie man erkennen kann, ist ein Gasumgehungspfad im Allgemeinen unerwünscht, da
Energie aus dem Gas des Umgehungspfades durch die Turbinenschaufeln 36 nicht erfasst
und in Rotationsenergie umgewandelt und somit der Wirkungsgrad und
die Leistungsabgabe des Turbinentriebwerks 12 verringert
wird. D. h., der Turbinensystemwirkungsgrad ist wenigstens teilweise
von der Menge der von den Turbinenschaufeln 36 erfassten
Verbrennungsgase abhängig.
Somit kann durch Verkleinerung der radialen Spalte 84 und/oder 92 die
Leistungsabgabe aus der Turbine 20 gesteigert werden. Jedoch
kann, wie vorstehend erwähnt, wenn
der radiale Spalt 84 und/oder 92 zu klein ist,
ein Reibvorgang zwischen den Turbinenschaufeln 36 und dem
Deckband 38 auftreten, was zu einem möglichen Verschleiß und einer
Beschädigung
an Komponenten des Turbinentriebwerks 12 führt.
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Die
offengelegten Ausführungsformen
liefern ein Kühlmittel
an mehrere fluidführend
verbundene radiale und axiale Kühlmittelkanäle in einem
inneren Turbinengehäuse 98,
um einen geeigneten Ausgleich zwischen einer Erhöhung des Wirkungsgrades der
Turbine 20 und einer Verringerung der Kontaktmöglichkeit
oder eines Reibvorgangs zwischen den Turbinenschaufeln 36 und
dem inneren Deckband (z. B. 38a, 38b) zu erzeugen.
Das innere Turbinengehäuse 98 kann
mehrere Haken enthalten, die für
eine Verbindung mit entsprechenden Haken auf den Deckbandsegmenten
konfiguriert sind. Beispielsweise enthält gemäß Bezugnahme auf die erste
Stufe der Turbine 20 das innere Turbinengehäuse 98 Haken 100 und 102,
welche mit entsprechenden Haken 104 bzw. 106 des
inneren Deckbandbereiches 38a in Verbindung stehen. In
der zweiten Stufe enthält
das Turbinengehäuse 98 Haken 110 und 112,
welche mit entsprechenden Haken 114 und 116 des
inneren Deckbandbereiches 38b in Verbindung stehen. Während des
Betriebs des Turbinentriebwerks 12 kann die Wärme aus
den Verbrennungsgasen 74 das innere Turbinengehäuse 98 und
das Deckband 38 zu einer thermischen Ausdehnung, d. h.,
einer Auswärtsbewegung
in der radialen Richtung 136 mit einer größeren Rate
als die Turbinenschaufeln 36 veranlassen. Sobald eine Wärmeausdehnung
auftritt, können die
radialen Spalten 84 und 92 zunehmen. Wie vorstehend
diskutiert, führt
eine Zunahme in dem Abstand dazu, dass mehr Gas die Turbinenschaufeln 36 umgeht,
und somit Turbinenausgangsleistung und Wirkungsgrad verringert.
In einigen Ausführungsformen
können
die inneren Deckbandbereiche 38a und 38b Positionssensoren
enthalten, welche Daten an die Steuerung 46 zur Verwendung
bei der Ermittlung geeigneter Steueraktionen zum Einhalten eines
speziellen Abstandes zurückmelden.
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Um
den Abstand zu steuern, können
mehrere fluidführend
verbundene radiale und axiale Kühlmittelkanäle in dem
inneren Turbinengehäuse 98 bereitgestellt
sein. Beispielsweise erstrecken sich gemäß Bezugnahme auf die erste
Stufe der Turbine 20 ringförmige Nuten 112 und 120 radial
in die Haken 100 bzw. 102. Kühlmitteleinsätze können in
jede der ringförmigen
Nuten 108 und 120 eingesetzt oder versenkt sein.
Beispielsweise kann ein Kühlmitteleinsatz 122 in
die ringförmige
Nut 118 versenkt sein und ein Kühlmitteleinsatz 124 kann
in die ringförmige
Nut 120 versenkt sein. Obwohl es in der vorliegenden Querschnittsansicht
nicht dargestellt ist, kann jeder von den Kühlmitteleinsätzen 122 und 124 mehrere
radiale Nuten an einer stromaufwärts
liegenden Seite enthalten, wovon jede einer entsprechenden radialen Nut
auf einer stromabwärts
liegenden Seite des Einsatzes entspricht. Wenn sie in ihre entsprechenden Nuten 112 und 120 versenkt
sind, können
die radialen Nuten auf den Kühlmitteleinsätzen 122 und 124 mehrere
U-förmige
Kühlmittelkanäle erzeugen,
wobei jeder radiale Kühlmittelkanal
auf einer stromaufwärts
liegenden Seite eines Kühlmitteleinsatzes
fluidführend
mit einem entsprechenden radialen Kühlmittelkanal auf der stromabwärts liegenden
Seite des Kühlmitteleinsatzes
verbunden ist. Mit anderen Worten, die Kühlmitteleinsätze 122 und 124 können, wenn
sie in ringförmige
Nuten 118 und 120 versenkt sind, mehrere U-förmige Kühlmittelkanäle ausbilden, die
in Umfangsrichtung in jeder ringförmigen Nut 118 und 120 in
Abstand angeordnet sind. Wie es nachstehend diskutiert wird, können die
U-förmigen
Kanäle
in den ringförmigen
Nuten 118 und 120 fluidführend durch mehrere axiale
Kühlmittelkanäle verbunden sein,
um einen Kühlfluidstrom
durch jeden der Haken 100 und 102 (z. B. in den
Richtungen 136 und 138) zu erzeugen.
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Ein
im Wesentlichen ringförmiges äußeres Turbinendeckband 128 kann
konzentrisch mit dem inneren Turbinengehäuse 98 verbunden sein.
Das stromaufwärts
befindliche Ende 132 des äußeren Deckbandes 128 kann
mehrere Einlässe 130 enthalten,
welche in Umfangsrichtung auf dem äußeren Deckband 128 angeordnet
und dafür
konfiguriert sein können,
einen Kühlmittelstrom
aus den Zuflussleitungen 52 und/oder 54 gemäß Darstellung
durch den Pfeil 133 aufzunehmen. Ein Dichtungselement 134 ist
zwischen dem inneren Turbinengehäuse 98 und dem äußeren Deckband 128 angeordnet
und kann dafür
konfiguriert sein, den Kühlmittelstrom 133 in
die radialen Kanäle
auf der stromaufwärts
befindlichen Seite des ersten Kühlmitteleinsatzes 122 zu
lenken. In einer weiteren Ausführungsform
kann das Dichtungselement 134 eine weitere Öffnung(en)
enthalten und kann den Eintritt der radialen Kanäle auf dem Einsatz 122 so überspannen,
dass das Kühlmittel durch
die Öffnung(en)
auf dem Dichtungselement und in die radialen Kanäle des Einsatzes 122 strömt. Demzufolge
kann das Kühlmittel
entlang den radialen Kanälen
auf der stromaufwärts
liegenden Seite des Kühlmitteleinsatzes 122 in
der radialen Richtung 138 (zu der Rotationsachse 139 der
Welle 24 hin) und dann entlang der stromabwärts liegenden
Seite des Kühlmitteleinsatzes 122 in
der entgegengesetzten radialen Richtung 138 (z. B. von
der Rotationsachse 139 der Welle 24 weg) strömen, sodass
der Strömungspfad
im Wesentlichen U-förmig
ist. Das Kühlmittel
kann dann entlang einem oder mehreren im Wesentlichen axialen Kanälen, die
beispielsweise durch Nuten auf einem Verbindungsteil 142 definiert sind,
weiterströmen.
Die axialen Kanäle
verbinden fluidführend
die U-förmigen
Kanäle
in der Nut 118 mit ähnlich
konfigurierten U-förmigen
Kanälen
in der Nut 120. Somit strömt das Kühlmittel in einer axialen Richtung 140 entlang
den axialen Kanälen
des Verbindungsteilers 142 und in radiale Kanäle auf der stromabwärts liegenden
Seite des zweiten Kühlmitteleinsatzes 124 (z.
B. in der Nut 120). Das Kühlmittel strömt dann
in der radialen Richtung 138 entlang einem radialen Kanal
auf der stromabwärts
liegenden Seite des Kühlmitteleinsatzes 124,
und dann in der radialen Richtung 136 entlang entsprechenden
radialen Kanälen
auf der stromabwärts
liegenden Seite des Einsatzes 124.
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Während der
Kühlmittelstrom
die stromabwärts
liegenden radialen Kanäle
des Einsatzes 124 verlässt,
strömt
das Kühlmittel
in einen zwischen der Außenoberfläche des
inneren Turbinengehäuses 98 und
einer Kühlmitteldichtung 144 definierten
ringförmigen
Kanal 143. Das Kühlmittel
strömt
dann im Wesentlichen entlang der Außenoberfläche des inneren Turbinengehäuses 98 weiter
stromabwärts
(140) und zu mehreren Einlässen 146, welche in
Umfangsrichtung auf dem Turbinengehäuse 98 angeordnet
sein können.
Der Kühlmittelstrom
verlässt
den ringförmigen
Kanal 143 und tritt in den Hohlraum 148 ein. Von hier
aus kann der austretende Kühlmittelstrom
verteilt und/oder weiter stromabwärts zu dem Abgasbereich 22 geführt werden.
Obwohl der Kanal 146 als Ablauf des Kühlmittels in den Hohlraum 148 in
der vorliegenden Ausführungsform
dargestellt ist, könnte der
Kanal 146 in anderen Ausführungsformen an anderen Positionen
entlang des inneren Turbinengehäuses 98,
wie z. B. in der Zone zwischen Haken 110 und 112 angeordnet
sein. Die Konfiguration der hierin diskutierten U-förmigen und
axialen Kanäle
wird nachstehend detaillierter dargestellt und diskutiert.
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Eine
Zone 150 kann durch das äußere Deckband 128 und
das innere Turbinengehäuse 98 gebildet
werden und kann als eine Begrenzung zwischen dem Kühlmittelstrom
(z. B. durch die U-förmigen
und axialen Kanäle)
und einem Luftstrom durch einen Hohlraum 152 zwischen dem äußeren Turbinengehäuse 40 und
dem äußeren Deckband 128 dienen. Der
Hohlraum kann einen Luftstrom über
die Einlässe 154 und 156 aufnehmen.
Aufgrund von Druckunterschieden, die zwischen der Luft in dem Hohlraum 152 und
dem durch das innere Turbinengehäuse 98 strömenden Kühlmitteln
vorliegen können,
kann die Zone 150 eine Isolation erzeugen. In einigen Ausführungsformen
kann die Zone 150 mit einem isolierenden Material gefüllt sein.
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Wie
bekannt, kann, sobald Kühlmittel
durch die U-förmigen
Kanäle
hindurch und in die Haken 100 und 102 strömt, eine
Wärmeübertragung
aufgrund einer Zwangskonvektionskühlung auftreten. Somit kann,
da das innere Turbinengehäuse 98 zunehmend
gekühlt
wird, die Wärmeausdehnung
verringert und somit das innere Turbinengehäuse 98 und insbesondere
die Haken 100 und 102 veranlasst werden, sich
in der radialen Richtung 138 zusammenzuziehen, um den radialen
Spalt 84 zu verkleinern. Beispielsweise kann der Bereich
der Ausdehnung/Zusammenziehung des inneren Turbinengehäuses 98 unter
Anwendung hierin offengelegter Abstandssteuerungstechniken als eine
Funktion des Durchmessers des inneren Gehäuses 98 ausgedrückt werden (z.
B. an dem mit einer Düse
des Brenners 34 gemessenen Ende). Beispielsweise kann der
Ausdehnungs/Zusammenziehungs-Bereich angenähert 10 bis 30 Radial-μm pro cm
Durchmesser (1 bis 3 radial-mil per inch Durchmesser) betragen.
Somit kann beispielsweise unter der Annahme eines Durchmessers von
254 cm (100 inches) eines inneren Gehäuses 98 und eines
Ausdehnungsbetrags von 12,5 Radial-μm pro cm Durchmesser, der Ausdehnungs/Zusammenziehungs-Bereich
des inneren Turbinengehäuses 98 angenähert 1250
Radial-μm
(1,25 Radial-mm) in Bezug auf die Rotationsachse 139 betragen.
Ebenso kann, wenn der Ausdehnungsbetrag 20 Radial-μm pro cm
Durchmesser ist, der Ausdehnungs/Zusammenziehungs-Bereich des inneren
Turbinengehäuses 98 angenähert 2000
Radial-μm
(2 Radial-mm) in Bezug auf die Rotationsachse 139 betragen.
Wiederum dürfte
erkennbar sein, dass die hierin angegebenen spezifischen Beziehungen
nur beispielhaft sind. Tatsächlich
können
abhängig
von der speziellen Implementation, von Betriebstemperaturen, Materialien
und/oder eingesetzten Kühlmitteln, unterschiedliche
Ausdehnungs/Zusammenziehungs-Raten erzielt werden.
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Ferner
sollte angemerkt werden, dass eine ähnliche Anordnung von Kühlmittelkanälen in den Haken 110 und 112 implementiert
werden kann, um die Abstandssteuerung des radialen Spaltes 92 zu verbessern.
Tatsächlich
kann abhängig
von der Konfiguration des Turbinentriebwerks 12 die Anordnung der
hierin diskutierten Kühlmittelkanäle in einer
oder mehreren Turbinenstufen implementiert werden. Zur Vereinfachung
sind die Kühlmittelkanäle in 3 nur in
der ersten Stufe der Turbine 20 dargestellt und beschrieben.
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In 4 ist
eine perspektivische Teilexplosionsansicht des inneren Turbinengehäuses 98,
der Kühlmitteleinsätze 122 und 124 und
des Verbindungsteils 142 gemäß einer Ausführungsform
dargestellt. Der erste Einsatz 122, welcher vollständig aus der
ringförmigen
Nut 128 herausgetreten und mit einer radialen Höhe 184 dargestellt
ist, enthält
radiale Nuten 166 auf einer stromaufwärts liegenden Seite 160 und
radiale Nuten 168 auf einer stromabwärts liegenden Seite 162.
Die radialen Nuten 166 und 168 sind fluidführend durch
einen axialen Zwischenraum 163 an der Basis des Einsatzes 122 verbunden
und definieren somit im Wesentlichen U-förmige Nuten, welche, wenn sie
in die ringförmige
Nut 118 versenkt sind, mehrere erste U-förmige Kanäle definieren. Ferner
können
sich in der vorliegenden Ausführungsform
die radialen Nuten 166 entlang der gesamten radialen Höhe 164 des
Einsatzes 122 erstrecken, während sich die radialen Nuten 168 nur
entlang einem Teil der radialen Höhe 164 erstrecken
können,
sodass das Kühlmittel
in entsprechende axiale Nuten 172 auf der Unterseite 173 des
Verbindungsteils 142 geleitet werden, welches axiale Kanäle ausbildet, wenn
das Verbindungsteil 142 in das innere Turbinengehäuse 98 eingebaut
ist.
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Der
zweite Einsatz 124 ist als teilweise aus der ringförmigen Nut 120 herausgetreten
und mit einer radialen Höhe 178 dargestellt.
Abhängig
von der Konfiguration des inneren Turbinengehäuses 98 und der Einsätze 122 und 124 können die
radialen Höhen 164 und 178 dieselben
sein oder sich unterscheiden. Der Einsatz 124 enthält radiale
Nuten 180, die mit der gestrichelten Führungslinie auf einer stromaufwärts liegenden
Seite 174 bezeichnet sind und enthält radiale Nuten 182 auf
einer stromaufwärts
liegenden Seite 176. Die radialen Nuten 180 und 182 sind
fluidführend
durch einen axialen Zwischenraum 183 an der Basis des Einsatzes 124 verbunden
und definieren im Wesentlichen U-förmige Nuten, welche, wenn sie in
die ringförmige
Nut 120 versenkt sind, mehrere zweite U-förmige
Kanäle
definieren. Ferner können sich,
wie dargestellt, die radialen Nuten 180 nur entlang einem
Teil der Höhe 178 erstrecken,
um so den die axialen Kanäle 172 verlassenden
Kühlmittelstrom in
der radialen Richtung 138 zu lenken. Die radialen Nuten 182 können sich
entlang der gesamten radialen Höhe 178 des
Einsatzes 124 erstrecken, um einen Austritt für den Kühlmittelstrom
in den ringförmigen
Kanal 143 (3) bereitzustellen.
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Gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
die Kühlmitteleinsätze 122 und 124 im
Wesentlichen den Umfang der ringförmigen Nuten 118 und 120 überspannen,
können
aber aus mehreren Segmenten (z. B. 2 bis 100 Segmenten) ausgebildet
sein. Beispielsweise kann der Kühlmitteleinsatz 122 vier
bogenförmige
Elemente enthalten, wovon jeder 90 Grad des Umfangs der ringförmigen Nut 118 umspannt.
In einer Ausführungsform
kann jedes von den Segmenten unabhängig durch die Steuerung 46 gesteuert
werden. Beispielsweise können
getrennte unabhängige
Kühlmittelströme entlang
den Zuflussleitungen 52 oder 54 bereitgestellt
werden und in die U-förmigen
Kanäle
jedes entsprechenden einzelnen Einsatzsegmentes geleitet werden.
Zusätzlich
kann abhängig
von den thermischen Eigenschaften des inneren Turbinengehäuses 98 dort,
wo sich ein spezielles Einsatzsegment befindet, die Konfiguration
der radialen Nuten auf jedem Einsatzsegment variieren. Beispielsweise
kann ein Einsatz in einem besonders wärmeempfindlichen Bereich des
inneren Turbinengehäuses 98 dafür konfiguriert
sein, mehr Kühlmittel
als andere Segmente aufzunehmen und/oder kann mehr und/oder tiefere radiale
Nuten 166 und 168 enthalten. Zusätzlich können die
Nuten 166 und 168 unterschiedliche Zwischenraumanordnungen
haben. In einer weiteren Ausführungsform
können
die radialen Nuten 166 und 168 im Wesentlichen
für jedes
Segment des Einsatzes 122 gleichförmig sein, und die Steuerung 46 kann
unabhängige
Kühlmittelströme mit variierenden Temperaturen
und/oder Durchsätzen
abhängig
von den Wärmeeigenschaften
jedes Einsatzsegmentes vorgeben. Beispielsweise kann, wenn sich
ein spezieller Bereich des Turbinengehäuses 98 rascher ausdehnt,
die Steuerung 46 einen Kühlmittelstrom aus einer kühleren Verdichterstufe
zuführen
oder alternativ den Durchfluss des Kühlmittels erhöhen. Ebenso kann,
wenn sich ein spezieller Abschnitt des Turbinengehäuses langsamer
ausdehnt, die Steuerung einen Kühlmittelstrom
aus einer wärmeren
oder heißeren
Verdichterstufe zuführen
oder alternativ einen langsameren Durchfluss des Kühlmittels
bereitstellen. In weiteren Ausführungsformen
kann das Turbinengehäuse 98 selbst
und/oder das Kühlteil 142 mehrere
Bereiche enthalten, die durch Schrauben oder irgendeinem anderen
geeigneten Befestigungselementtyp verbunden sind.
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Wie
bekannt, kann die unabhängige
Steuerung des Kühlmittelstroms
zu mehreren Bereichen des Einsatzes (welcher segmentiert sein kann),
besonders bei der Behandlung von Unrundheitsproblemen nützlich sein.
Beispielsweise kann das Turbinengehäuse 98 während des
Betriebs aufgrund des Umstandes verformt werden, dass in einigen
Ausführungsformen
das Turbinengehäuse 98 in
einer durch die Wellenmittellinie (z. B. die Rotationsachse 139) verlaufenden
Ebene geteilt sein kann, um einen besseren Zugang zu den internen
Komponenten der Turbine 20 beispielsweise während Wartung
und Instandhaltung zu ermöglichen.
In einer derartigen Konfiguration kann eine horizontale Verbindung
verwendet werden, um die zwei Teile der inneren Turbinengehäusestruktur 98 miteinander
zu verbinden. Beispielsweise kann die Verbindung zwei Gegenflansche
mit Durchgangsschrauben enthalten, die einen Klemmdruck zwischen
den Flanschen erzeugen und somit die Teile des Turbinengehäuses 98 miteinander verbinden.
Jedoch kann die zusätzliche
radiale Dicke aufgrund des Vorhandenseins der Flansche zu einer Wärmereaktion
in der unmittelbaren Nähe
der Flansche führen,
die sich von Rest des Turbinengehäuses 98 entscheidet,
sowie zu einer Diskontinuität
in den Umfangsspannungen, die während
des Betriebs der Turbine 20 entstehen können. Die kombinierte Auswirkung
der thermischen Reaktion und der Spannungsdiskontinuität an den
Flanschverbindungen kann bewirken, dass das Turbinengehäuse 98 während des
Betriebs der Turbine 20 unrund wird. Somit kann durch Zuführen unabhängig steuerbarer
Kühlmittelströme an mehrere
Bereiche des inneren Turbinengehäuses 98 die
Wärmeausdehnung
gesteuert werden, um die Kreisformabweichung des Turbinengehäuses 98 aufgrund
der Unrundheit zu minimieren und somit einen geeigneten Abstand
um den gesamten Umfang der Turbine 20 trotz einer möglichen Kreisformabweichung
des Turbinengehäuses 98 und des
Deckbandes 38 einzuhalten.
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Vor
der Fortsetzung der Beschreibung sollte angemerkt werden, dass jeder
von den Kühlmitteleinsätzen 122 und 124 und
das Verbindungsteil 142 einzeln (z. B. durch mechanische
Bearbeitung) gefertigt oder hergestellt werden kann. Somit können die
Herstellungskosten des inneren Turbinengehäuses 98 durch die
Bereitstellung von Kühlmitteleinsätzen 122 und 124 und
des Verbindungsteils 142 als diskreten Komponenten verringert
werden, die in das Turbinengehäuse 98 in
einer modularen Weise unter Verwendung beliebiger geeigneter Befestigungstechniken wie
z. B. Bolzen, Schrauben, Schweißnähte usw.
eingebaut werden können.
In weiteren Ausführungsformen
könnte
das Verbindungsteil 142 ein einzelnes festes Teil (z. B.
nicht modular) sein. Zusätzlich
könnte
in einer weiteren Ausführungsform
das Verbindungsteil 142 als ein ringförmiges Element ohne Nuten 172 bereitgestellt
werden, sodass ein ringförmiger
Kanal gebildet wird, wenn das Verbindungsteil 142 an den
Einsätzen 122 und 124 befestigt
wird. In solchen Ausführungsformen
tritt der die Einsätze 122 verlassende
Kühlmittelstrom
in den ringförmigen
Kanal (statt in getrennte entsprechend axiale Nuten) ein und strömt in die
radialen Kanäle
auf den Einsätzen 124.
Lediglich beispielsweise könnte
in derartigen Ausführungsformen
das Verbindungsteil 142 ein ringförmiges Teil aus einem Metallblech
sein, das für
einen Sitz um das innere Turbinengehäuse 98 in einer konzentrischen
Weise angepasst ist, um den ringförmigen Kanal zu definieren,
der die radialen Kanäle auf
den Einsätzen 122 und 124 verbindet.
Ferner dürfte
es sich, obwohl die Nuten 172 in der dargestellten Ausführungsform
als im Wesentlichen in der axialen Richtung 139 gerade
und parallel zueinander verlaufend dargestellt sind, verstehen,
dass die Nuten 172 andere Konfigurationen in unterschiedlichen Ausführungsformen
haben können.
Beispielsweise können
die Nuten 172 auch Kanäle
definieren, die bogenförmig
und/oder v-förmig
(nicht parallel zueinander) sind, oder Kanäle, die eine axiale Komponente
in Verbindung mit radialen und/oder Umfangs-Komponenten (in Bezug
auf die Rotationsachse 139) haben.
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Des
Weiteren ist in 5 ein radialer Teilquerschnitt
mit einem Abschnitt des inneren Turbinengehäuses 98 und des Kühlmitteleinsatzes 122 entlang
der Schnittlinie 5-5
von 3 dargestellt. Gemäß Darstellung ist der Kühlmitteleinsatz 122 in
der ringförmigen
Nut 118 versenkt. Die stromaufwärts liegende Seite 160 des
Einsatzes 122 enthält
die vorstehend diskutierten mehreren radialen Nuten 166, welche
radiale Kanäle
ausbilden, wenn sie in der ringförmigen
Nut 108 versenkt sind. Für die Zwecke dieser Beschreibung
sollen mittels der entsprechenden Nuten auf den Einsätzen 122 oder 124 oder
auf dem Verbindungsteil 142 ausgebildete Kühlmittelkanäle mit gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sein.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind die radialen Kanäle 166 in
Vierer-Gruppen angeordnet, obwohl jede beliebige andere geeignete
Anordnung implementiert werden kann. Zwischen jeder Gruppierung
der radialen Kanäle 166 kann
der Einsatz 122 einen nutenfreien Abschnitt 189 mit
einer Öffnung 194 enthalten.
Die Öffnungen 194 können für die Aufnahme
eines Bolzens oder Schraube oder irgendeines anderen geeigneten
Befestigungselementtyps konfiguriert sein, um den Einsatz 122 an dem
inneren Turbinengehäuse 98 während des
Zusammenbaus zu befestigen. Wie vorstehend diskutiert, wird ein
Kühlmittelstrom
in jeden von den radialen Kanälen 166 auf
der stromaufwärts
liegenden Seite 160 des Einsatzes 122 gemäß Darstellung durch
Strömungspfeile 190 geführt. Das
Kühlmittel strömt radial
zu der Rotationsachse 139 (3) der Welle 24 und
durch die axialen Zwischenräume 163 in
entsprechende radiale Kanäle 168 auf
der stromabwärts
liegenden Seite 162 (dargestellt durch gestrichelte Pfeile
und Führungslinien).
Wie vorstehend diskutiert, können
sich die radialen Kanäle 168 nur entlang
einem Teil der radialen Höhe 164 erstrecken, um
somit den Kühlmittelstrom
in entsprechende stromabwärts
befindliche axiale Kanäle 172 zu
lenken, die auf dem Verbindungsteil 142 ausgebildet sind.
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In 6 ist
ein radialer Teilquerschnitt, der einen Abschnitt des inneren Turbinengehäuses 98 und
des Verbindungsteils 142 entlang der Schnittlinie 6-6 von 3 zeigt,
dargestellt. Wie dargestellt, ist das Verbindungsteil 142 auf
das innere Turbinengehäuse 98 gebaut,
um die axialen Kanäle 172 zu
definieren. Das Verbindungsteil 142 kann Öffnungen 196 enthalten,
welche zu den Öffnungen 194 auf
dem Einsatz 122 ausgerichtet sein können. Somit können sich
Befestigungselemente (z. B. Bolzen oder Schrauben), die zum Befestigen
des Einsatzes 122 an dem inneren Turbinengehäuse 98 verwendet
werden, durch die Öffnungen 196 hindurch
erstrecken, um zusätzlich
das Verbindungsteil 142 an dem Einsatz 122 und
dem inneren Turbinengehäuse 98 zu befestigen.
In der dargestellten Ausführungsform sind
die axialen Kanäle 172 im
Wesentlichen in Vierer-Gruppen angeordnet, sodass sie jeder Gruppe von
in 5 dargestellten radialen U-förmigen Kanälen 1:1 entsprechen. D. h.,
jeder radiale Kanal 168 (auf der stromabwärts befindlichen
Seite 162 des Einsatzes 162) kann fluidführend mit
einem entsprechenden von den dargestellten axialen Kanälen 172 verbunden
sein.
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In
einigen Ausführungsformen
können
die axialen Kanäle 172 den
radialen Kanälen 168 nicht 1:1
entsprechen. Beispielsweise ist in 7 ein radialer
Teilquerschnitt dargestellt, der eine weitere Ausführungsform
eines Abschnittes des inneren Turbinengehäuses 98 und des Verbindungsteils 142 entlang
der Schnittlinie 6-6 von 3 dargestellt. Hier können die
axialen Kanäle 172 zwei
oder mehr von den radialen Kanälen 169 entsprechen.
Beispielsweise können,
wie dargestellt, die axialen Kanäle 172a fluidführend mit
zwei radialen Kanälen 168 verbunden
sein, und die axialen Kanäle 172b können fluidführend mit
einer gesamten Gruppierung von vier radialen Kanälen 168 verbunden
sein. Wie vorstehend diskutiert, kann das die radialen Kanäle 168 verlassende
Kühlmittel
in der axialen Richtung (Richtung 140 in 3)
stromabwärts
zu mehreren zweiten U-förmigen
Kanälen
auf dem Einsatz 124 in der ringförmigen Nut 120 strömen. Das
Kühlmittel
kann die radialen Kanäle 182 auf
der stromabwärts
liegenden Seite des Einsatzes 124 in einen ringförmigen Kanal 143 verlassen,
der durch eine Kühlmitteldichtung 144 und
das innere Turbinengehäuse 98 gebildet
wird.
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Der
Durchflusspfad des Kühlmittels
durch die U-förmigen und
axialen Kanäle
wird besser verständlich,
wenn er unter Bezugnahme auf 8 beschrieben
wird, welche ein detaillierterer axialer Teilquerschnitt des inneren
Turbinengehäuses 98 entlang
der bogenförmigen
Linie 8-8 von 3 und entlang der Schnittlinie
8-8 von 5 ist. Gemäß Darstellung in 8 tritt
ein Kühlmittelstrom 133,
welcher durch die Kühlmittelzuflussleitungen 52 oder 54 (mittels
der Steuerung 46) zugeführt
werden kann, in Einlässe 130 ein,
welche in Umfangsrichtung entlang dem stromaufwärts liegenden Ende 132 des äußeren Deckbandes 128 angeordnet
sein können.
Der Kühlmittelstrom 133 tritt
in den Hohlraum 198 ein und wird in den radialen Kanal 166 (Pfeil 190)
in der Richtung 138 geleitet. Wie vorstehend diskutiert,
ist der radiale Kanal 166 durch radiale Nuten auf der stromaufwärts liegenden
Seite des Einsatzes 122 definiert, wenn dieser in die ringförmige Nut 118 eingesetzt
ist. Das Kühlmittel
strömt
weiter in der Richtung 138, bis es den axialen Zwischenraum 163 erreicht.
Hier kehrt der Kühlmittelstrom
um (Pfeil 220) und strömt
in der Richtung 136 entlang dem radialen Kanal 168.
Aus dem radialen Kanal 168 tritt das Kühlmittel in einen axialen Kanal 172 ein,
welcher durch den Aufbau des Verbindungsteils 142 auf das
innere Turbinengehäuse 98 ausgebildet
werden kann.
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Das
Kühlmittel
strömt
weiter entlang dem axialen Kanal 172 (Pfeil 202)
und tritt in einen radialen Kanal 180 auf der stromaufwärts liegenden
Seite des Einsatzes 124 ein. Das Kühlmittel wird durch den radialen
Kanal (Pfeil 204) in der Richtung 138 geleitet,
bis es den axialen Zwischenraum 183 erreicht. Das Kühlmittel
strömt
dann in Richtung 136 durch den radialen Kanal 182 (Pfeil 206)
und verlässt schließlich den
radialen Kanal 182 und tritt in den ringförmigen Kanal 143 ein,
welcher, wie vorstehend diskutiert, durch die Außenoberfläche des inneren Turbinengehäuses 98 und
die Kühlmitteldichtung 144 definiert
ist. Das Kühlmittel
strömt
dann weiter stromabwärts
(Richtung 140) und tritt schließlich in den ringförmigen Kanal 142 über einen
oder mehrere Einlässe 146 (3)
aus. Wie vorstehend diskutiert, kann eine Zone 150 zwischen
dem inneren Turbinengehäuse 98 und
dem äußeren Deckband 128 definiert
sein.
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Wie
vorstehend diskutiert, ermöglicht
der Kühlmittelstrom
durch die U-förmigen
Kanäle
eine Wärmeübertragung
durch Zwangskonvektionskühlung.
Durch die Bereitstellung der radialen Kanäle in den Haken 100 und 102 bietet
die vorliegende Technik eine verbesserte Wärmeübertragung in diesen Zonen
und eine effektivere Abstandssteuerung. Insbesondere erzeugen die
Einsätze 122 und 124 mit U-förmigen radialen
Kanälen
eine (z. B. in radialer Richtung 138) tiefere Kühlung in
die Haken 100 und 102 und erzeugen somit eine
größere prozentuale Kühlung in
der radialen Richtung und demzufolge einen größeren Bereich einer Abstandssteuerung.
Im Wesentlichen ermöglicht
das größere Kühlvolumen die
Erzeugung einer größeren Ausdehnung
und Zusammenziehung in dem inneren Turbinengehäuse 98. Wie bekannt,
kann der Grad der erzeugten Ausdehnung und Zusammenziehung in etwa
proportional zu der Tiefe sein, mit welcher sich die U-förmigen radialen
Kanäle
radial in die Haken 100 und 102 erstrecken. Insbesondere
ermöglicht
eine tiefere Kühlung
(z. B. in die Haken 100 und 102 hinein) eine effizientere
Nutzung des Kühlmittels,
um eine verbesserte Zusammenziehung/Ausdehnung des Innengehäuseteils 98 bereitzustellen.
Eine tiefere Kühlung
in den Haken kann eine Wärmebarriere
bereitstellen, welche in eine niedrigere Durchschnittstemperatur des
inneren Turbinengehäuses 98 übergehen
kann. Zusätzlich
können
die mittels des Verbindungsteils 142 gebildeten axialen
Kanäle 172 eine
Wärmebarriere
dergestalt bereitstellen, dass im Wesentlichen eine konstante Temperatur über dem
Zwischenraum zwischen den Einsätzen 122 und 124 und über den axialen
Kanälen 172 (z.
B. in der radialen Richtung 136) vorliegt.
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Wie
vorstehend diskutiert, können
von den Sensoren 48 erhaltene Daten durch die Abstandssteuerung 46 genutzt
werden, um einen Durchfluss und/oder Temperatur des an einen oder
mehrere Bereiche der Turbine 20 gelieferten Kühlmittels
zu verändern.
Wenn die Steuerung 46 feststellt, dass der Abstand zu verkleinern
ist, kann ein Kühlmittelstrom durch
die radialen Kanäle 166, 168,
den axialen Kanal 172 und die radialen Kanäle 180 und 182 Wärme abführen und
somit die Wärmeausdehnung
des inneren Turbinengehäuses 98 während des
Turbinenbetriebs verringern. Sobald sich das innere Turbinengehäuse 98 zusammenzieht,
können
sich die Haken 100 und 102 radial zu der Rotationsachse 139 der Welle 24 (Richtung 138)
hin zusammenziehen, und somit ebenfalls ein Deckband (z. B. den
inneren Deckbandbereich 38a) veranlassen, sich radial zu der
Rotationsachse 139 (Richtung 138) hin zu bewegen.
Demzufolge wird ein radialer Spalt (z. B. 84) zwischen
dem Deckband 38 und den Turbinenschaufeln 36 verringert,
um dadurch die Turbinenausgangsleistung und den Wirkungsgrad zu
erhöhen.
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Zusätzlich kann
in einigen Ausführungsformen
auch ein Heizfluid in die radialen Kanäle 166, 168,
den axialen Kanal 172 und die radialen Kanäle 180 und 182 eingeführt werden,
um die Wärmeausdehnung
zu vergrößern oder
zu beschleunigen, wie z. B. während Übergangsbetriebszustände. Beispielsweise
kann es während
eines Hochfahrvorgangs vorteilhaft sein, ein größeres Abstandsmaß bereitzustellen,
um die Möglichkeit
eines Reibvorgangs wenigstens bis zu dem Zeitpunkt zu vermeiden,
bis stabile Betriebszustände
erreicht werden.
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In 9 ist
ein Computer-implementiertes Verfahren 212 zum aktiven
Anpassen des Abstandes auf der Basis gemessener Parameter des Turbinentriebwerks 12 dargestellt.
Das Verfahren 212 kann mit der Überwachung eines oder mehrerer
Parameter des Turbinentriebwerks 12 gemäß Darstellung bei dem Block 214 beginnen.
Die Parameter können durch
die vorstehend diskutierten Turbinensensoren gemessen und dann mit
jedem geeigneten Parameter des Turbinentriebwerks 12 in
Beziehung gesetzt werden, der dazu verwendet werden kann, einen
geeigneten Abstand zu bestimmen. Beispielsweise können sich
einige Parameter auf die Temperatur in der Turbine 20 oder
von bestimmten Komponenten der Turbine 20 (z. B. der Schaufeln 36,
des inneren Turbinengehäuses 98,
usw.), auf Schwingungspegel in der Turbine 20, die Drehzahl
der Welle 24, die Leistungsabgabe des Turbinentriebwerks 12,
einen Durchfluss von Verbrennungsgasen, Druckdaten oder eine beliebige
Kombination davon beziehen. Zusätzlich
können
sich einige Parameter auf ein Steuereingangssignal des Turbinentriebwerks 12 beziehen.
Beispielsweise können
sich einige Parameter auf einen spezifizierten Leistungspegel oder
Betriebszustand des Turbinentriebwerks 12, eine verstrichene
Zeitdauer seit dem Hochfahren des Turbinentriebwerks 12 oder
einen Hochfahr- und/oder Herunterfahr-Eingabebefehl beziehen.
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Bei
dem Block 214 überwachte
Parameter des Turbinentriebwerks 12 können dazu genutzt werden, um
eine gewünschte
Abstandseinstellung bei den Entscheidungsblöcken 216 und 218 zu
bestimmen. Beispielsweise kann die Steuerung 46 auf der Basis
der im Block 214 gemessenen Parameter bei dem Block 216 bestimmen,
ob die Parameter auf einen Übergangszustand
des Turbinentriebwerks 12 hinweisen, d. h., einen Zustand,
in welchem ein sich ändernder
Parameter des Turbinentriebwerks 12 eine Tendenz zu einer
raschen Änderung
in dem Abstand haben kann. Beispielsweise können einer oder mehrere Parameter
eine Temperatur des äußeren Gehäuses 40,
inneren Gehäuses 98,
der Schaufeln 36 oder irgendeiner anderen Komponente des
Turbinentriebwerks 12 betreffen. Wenn eine rasche Änderung
der Temperatur festgestellt wird, kann dieses darauf hinweisen,
dass sich das Turbinentriebwerk 12 in einem Übergangszustand
wie z. B. Hochfahren oder Herunterfahren befindet.
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Wenn
ein Übergangszustand
detektiert wird, geht das Verfahren 212 zum Block 218 über, bei
welchem Steueraktionen implementiert werden, um eine Übergangszustandseinstellung
zu erreichen. Beispielsweise können
in einer Ausführungsform
derartige Steueraktionen eine Vergrößerung oder Beschleunigung
der Wärmeausdehnung
des inneren Turbinengehäuses 98 bewirken,
indem man ein Heizfluid durch die Kühlmittelkanäle in die Turbinenhaken 100 und 102 mit
dem Ziel einer Einstellung des Abstandes auf einen maximalen Wert
so schnell wie möglich,
strömen
lässt,
um die Möglichkeit
eines Kontaktes zwischen den Deckbandabschnitten 38 und
den Turbinenschaufeln 36 während des Übergangszustandes zu vermeiden.
Danach kann das Verfahren 212 zu dem Block 214 zurückkehren
und den/die Betriebsparameter des Turbinentriebwerks 12 weiter überwachen.
In einer Ausführungsform kann
die Feststellung, ob das Turbinentriebwerk 12 in einem Übergangszustand
oder stabilen Betriebszustand arbeitet, auch auf der Basis empirischer
Messungen oder theoretischer Abschätzungen unter Berücksichtigung
des Zeitbedarfs basieren, den das Turbinentriebwerk 12 zum
Erreichen eines stabilen Zustandes nach dem Hochfahren oder nach
einer bestimmten anderen Änderung
in der Leistungseinstellung des Turbinentriebwerks 12 benötigt. Die
empirischen Daten können
dann zum Einprogrammieren spezifizierter Zeitkonstanten in die Abstandssteuerung 46 verwendet
werden, die den Zeitaufwand repräsentieren,
der zum Erreichen stabiler Zustände benötigt wird,
nachdem bestimmte Änderungen
in der Leistungseinstellung des Turbinentriebwerks 12 initiiert
worden sind. Beispielsweise kann, nachdem eine spezielle Änderung
in der Leistungseinstellung des Turbinentriebwerks 12 stattgefunden
hat, die Abstandssteuerung 46 den Zeitbedarf verfolgen,
der seit der Änderung
der Leistungseinstellung verstrichen ist, um festzustellen, ob sich
das Turbinentriebwerk 12 in einem Übergangszustand oder stabilen Zustand
befindet. Wenn die verstrichene Zeit größer als die spezifizierte Zeitkonstante
ist, kann dieses darauf hinweisen, dass das Turbinentriebwerk 12 einen
stabilen Betriebszustand erreicht hat. Wenn jedoch die verstrichene
Zeit kürzer
als die spezifizierte Zeitkonstante ist, kann dieses darauf hinweisen, dass
das Turbinentriebwerk 12 sich noch in einem Übergangsbetriebszustand
befindet.
-
Ferner
kann bei dem Entscheidungsblock 216, wenn die überwachten
Parameter nicht auf einen Übergangszustand
hinweisen, dann das Verfahren 120 mit dem Entscheidungsblock 220 für den stabilen
Zustand fortfahren. Wenn beispielsweise festgestellt wird, dass
der gemessene Parameter (z. B. die Temperatur) über eine Zeitdauer relativ
konstant ist, kann dieses darauf hinweisen, dass das Turbinentriebwerk 12 einen
stabilen Betriebszustand erreicht hat. Somit fährt das Verfahren 212 mit
dem Schritt 222 fort, bei welchem eine oder mehrere Steueraktionen
implementiert werden, um eine Einstellung für den stabilen Zustand zu erzielen.
Beispielsweise können
derartige Aktionen durch die Steuerung 46 implementiert
werden, um den Abstand zwischen dem Deckband 38 und den
Turbinenschaufeln 36 zu verringern. Beispielsweise kann
die Steuerung 46 einen Kühlmittelstrom einführen, wie
z. B. (durch Manipulieren der Ventile 60 und 62) über die
Zuflussleitungen 52 oder 54. Wie vorstehend diskutiert,
kann das Kühlmittel
durch die U-förmigen Kanäle (166 und 168, 180 und 182)
und axiale Kanäle 172 strömen und
somit die Haken 100 und 102 mittels einer Zwangskonvektionswärmeübertragung
kühlen
und die Wärmeausdehnung
des Turbinengehäuses 98
verringern
oder umkehren. Sobald sich das innere Turbinengehäuse 98 zusammenzieht,
können
sich die Haken 100 und 102 radial (Richtung 138)
zu der Rotationsachse der Welle 24 hin zusammenziehen, und
somit ebenfalls eine Bewegung der Deckbandes (z. B. des inneren
Deckbandbereiches 38a) radial (Richtung 138) zur
Rotationsachse hin bewirken. Demzufolge wird ein radialer Spalt
(z. B. 84) zwischen dem Deckband 38 und den Turbinenschaufeln 36 verringert,
um dadurch Turbinenabgabeleistung und Wirkungsgrad zu erhöhen. Danach
kehrt das Verfahren 212 von dem Block 222 aus
zu dem Block 214 zurück
und fährt
mit der Überwachung
der Betriebsparameter des Turbinentriebwerks 12 fort. Zusätzlich kann
das Verfahren 212 auch von dem Entscheidungsblock 220 zu
dem Block 214 zurückkehren
und die Überwachung
der Turbinenparameter fortsetzen, wenn weder ein Übergangszustand
noch ein stabiler Betriebszustand bei den Entscheidungsblöcken 216 oder 220 detektiert
werden.
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Obwohl
sich die vorstehende Beschreibung auf eine Anordnung von Kühlmittelkanälen in Bezug auf
Haken 100 und 102, welche im Wesentlichen der ersten
Stufe der Turbine 20 entsprechen, fokussiert hat, dürfte es
sich verstehen, dass die vorstehend beschriebenen Techniken auch
in anderen Stufen der Turbine 20 angewendet werden könnten. Beispielsweise
kann eine ähnliche
Anordnung von Kühlmittelkanälen in Haken 110 und 112 der
zweiten Stufe der Turbine 20 (3) vorgesehen
sein. Tatsächlich
können
in einer mehrstufigen Turbine 20 die Kühlmittelkanäle in einer oder mehreren von
den Turbinenstufen vorgesehen sein. Ferner dürfte erkennbar sein, dass,
obwohl die vorliegenden Beispiele im Wesentlichen die Anwendungen
der hierin beschriebenen Abstandssteuerungstechniken unter Bezugnahme auf
eine Turbine eines Turbinensystems beschrieben haben, die vorstehenden
Techniken auch auf einen Verdichter des Turbinensystems sowie irgendeine andere
Art von System angewendet werden kann, das eine feststehende Komponente
und eine rotierende Komponente enthält, und in welchen ein Abstand
zwischen den feststehenden und rotierenden Komponenten einzuhalten
ist.
-
Diese
Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich der
besten Ausführungsart offenzulegen,
und um auch jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung einschließlich
der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller
einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentierbare
Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere
Beispiele umfassen, die für
den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Derartige weitere
Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein,
sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem
Wortlaut der Ansprüche
unterscheiden, oder wenn sie äquivalente
strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem
Wortlaut der Ansprüche
enthalten.
-
Ein
System 10 enthält
ein Turbinengehäuse 98 mit
einem ersten Haken 100, der für eine Vereinigung mit einem
zweiten Haken 104 konfiguriert ist, um ein Turbinendeckband 38 um
mehrere Turbinenschaufeln 36 herum zu unterstützen. Das
Turbinengehäuse 98 enthält einen
Kühlmittelkreislauf,
der dafür
konfiguriert ist, den Abstand zwischen dem Turbinendeckband 38 und
den Turbinenschaufeln 36 auf der Basis eines Kühlmittelstroms
durch den Kühlkreislauf
einzustellen. Der Kühlmittelkreislauf
enthält mehrere
sich in den ersten Haken 100 erstreckende erste radiale
Kühlmittelkanäle 166, 168.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Turbinensystem
- 12
- Turbinentriebwerk
- 14
- Einlass
- 16
- Verdichter
- 18
- Brennerbereich
- 20
- Turbine
- 22
- Abgas
- 24
- Welle
- 26
- Verdichterschaufel
- 28
- Innenwand
- 30
- Verdichtergehäuse
- 32
- Verdichtergehäuse
- 34
- Brenner
- 36
- Turbinenschaufel
- 38
- Innenwand
- 40
- Turbinengehäuse
- 44
- Steuersystem
- 46
- Abstandssteuerung
- 48
- Sensoren
- 50
- Daten
- 52
- Zuflussleitung
- 54
- Zuflussleitung
- 56
- Wärmetauscher
- 58
- Fluidquelle
- 60
- Ventil
- 62
- Ventil
- 64
- Steuersignal
- 66
- Steuersignal
- 68
- Steuersignal
- 70
- Brennstoffdüse
- 74
- Verbrennungsgase
- 76
- Leiteinrichtung
der ersten Stufe
- 78
- Leiteinrichtung
der zweiten Stufe
- 80
- Leiteinrichtung
der dritten Stufe
- 84
- radialer
Spalt
- 86
- Spitze
- 92
- radialer
Spalt
- 94
- Spitze
- 98
- inneres
Turbinengehäuse
- 100
- Haken
- 102
- Haken
- 104
- Haken
- 106
- Haken
- 110
- Haken
- 112
- Haken
- 114
- Haken
- 116
- Haken
- 118
- ringförmige Nut
- 120
- ringförmige Nut
- 122
- Kühlmitteleinsatz
- 124
- Kühlmitteleinsatz
- 128
- Turbinendeckband
- 130
- Einlass
- 132
- stromaufwärts liegendes
Ende
- 133
- Kühlmittelstrom
(Pfeil)
- 134
- Dichtungselement
- 136
- radiale
Richtung
- 138
- radiale
Richtung
- 139
- Rotationsachse
- 140
- axiale
Richtung
- 141
- Umfangsrichtung
- 142
- Verbindungsteil
- 143
- ringförmiger Kanal
- 144
- Kühlmitteldichtung
- 146
- Kanal
- 148
- Hohlraum
- 150
- Zone
- 152
- Hohlraum
- 154
- Einlass
- 156
- Einlass
- 160
- stromaufwärts liegende
Seite
- 162
- stromabwärts liegende
Seite
- 163
- axialer
Zwischenraum
- 164
- radiale
Höhe
- 166
- radiale
Nuten
- 168
- radiale
Nuten
- 172
- axiale
Nuten
- 173
- Unterseite
- 174
- stromaufwärts liegende
Seite
- 176
- stromabwärts liegende
Seite
- 178
- radiale
Höhe
- 180
- radiale
Nuten
- 182
- radiale
Nuten
- 183
- axialer
Zwischenraum
- 189
- nutenfreier
Abschnitt
- 190
- Strömungspfeile
- 194
- Öffnung
- 196
- Öffnung
- 198
- Hohlraum
- 200
- Strömungspfeil
- 202
- Strömungspfeil
- 204
- Strömungspfeil
- 206
- Strömungspfeil
- 208
- Strömungspfeil
- 212
- Verfahren
- 214
- Block
- 216
- Entscheidungsblock
- 218
- Block
- 220
- Entscheidungsblock
- 222
- Block