DE2556519A1

DE2556519A1 - Thermisch betaetigtes ventil zur abstands- bzw. ausdehnungsspielsteuerung

Info

Publication number: DE2556519A1
Application number: DE19752556519
Authority: DE
Inventors: William Roy Patterson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-12-19
Filing date: 1975-12-16
Publication date: 1976-07-01
Also published as: IT1051188B; US3966354A; BE836784A; JPS5186615A; FR2295239A1

Description

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Dr. Horst Pch.Ulör ^ Dezember 1975

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6 Frankfurt /Maini

Niddastr.52 3797-13DV-6482

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Thermisch betätigtes Ventil zur Abstands- bzw. Ausdehnungsspielsteuerung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf eine thermisch betätigte Steuereinrichtung zum Aufrechterhalten eines minimalen Abstands bzw. Spiels zwischen einem Rotor und einer diesen umgebenden Ummantelung.

Um einen großen Wirkungsgrand aufrechtzuerhalten, erstreben Heisteller von Turbinentriebwerken ein Aufrechterhalten des engst möglichen Abstands zwischen dem Triebwerksrotor und dem umgebenden Statorgebilde, da jegliches Gas, das zwischen diesen Teilen hindurchgelangen kann, einen Energieverlust des Systems bedeutet. Wenn ein System nur unter Dauerzustands- bzw. eingeschwungenen Bedingungen arbeitet, ist es einfach, die erwünschte enge Abstandsbeziehung zwischen dem Rotor und dem Stator herzustellen, um den größtmöglichen Wirkungsgrad herzustellen, ohne daß eine Reibungsstörung bzw. -beeinflussung zwischen den Elementen zugelassen wird. Jedoch müssen in Wirklichkeit alle Turbinentriebwerke anfänglich aus einem Stillstand bis zur Dauerzustandsdrehzahl gebracht bzw. hochgefahren und dann schließlich bib zum Stillstand abgebremst werden. Dieser Übergangsbetrieb verträgt sich nicht mit dem soeben beschriebenen

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idealen Zustand eines kleinen Abstands bzw. Spiels, da die Veränderung der Rotordrehzahl auch eine Veränderung der Rotorgröße begründet, und zwar infolge einer durch Zentrifugalkräfte hervorgerufenen mechanischen Expansion bzw. Ausweitung. Natürlich unterliegt der stationäre Stator nicht einer mechanischen Vergrößerung, und es ergibt sich deshalb zwischen den zwei Gebilden während der Perioden eines Übergangsbetriebes eine relative mechanische Vergrößerung. Wenn ferner das Turbinentriebwerk vom Stillstand bis zu einer Drehzahl hochgefahren wird, ergibt sich eine anteilige bzw. proportionale Vergrößerung der Temperatur des hindurchgelangenden Gases, wodurch der Rotor und der Stator veränderlichen Temperaturbedingungen ausgesetzt werden. Diese Temperaturbedingungen begründen ein thermisches Wachsen bzw. Vergrößern beider Gebilde. Wenn diese unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, was im allgemeinen zutrifft, ergibt sich auch eine relative thermische Ausdehnung zwischen den Elementen. In charakteristischer Weise ist ein Rotor notwendigerweise ein Element mit einer großen Masse, das eine Drehung bei sehr hohen Drehzahlen erlaubt und das wegen seiner großen Masse ein sehr langsames thermisches Ansprechvermögen (große thermische Trägheit) aufweist. Andererseits ist der Stator ein stationäres Element, das vorzugsweise ein sehr großes bzw. schnelles thermisches Ansprechvermögen (kleine thermische Trägheit) hat, um ein thermisches Wachsen bzw. Vergrößern des Stators während Beschleunigungsperioden zu ermöglichen und hierdurch eine Anpassung an das mechanische Wachsen bzw. Vergrößern des Rotors während dieser Perioden durchzuführen.

Bei vielen Turbinentriebwerksanwendungen ist es erforderlich, bei variablen Dauerζustandsdrehzahlen zu arbeiten und im normalen Betriebsverlauf zwischen diesen Drehzahlen überzuwechseln, wenn dieses erwünscht ist. Beispielsweise ist es bei einem Strahltriebwerk derjenigen Art, die zum Antreiben eines Flugzeuges benutzt wird, erforderlich, daß die Bedienungsperson immer dann zu einer erwünschten Drehzahl übergehen kann, wenn sie einen solchen Wechsel wählt. Die sich ergebenden Temperatur- und Rotordrehzahländerungen führen deshalb zu einem hiermit verbundenen relativen Wachsen bzw. Vergrößern zwischen dem Rotor und dem Stator, wofür eine Anpassung

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geschaffen werden muß. Wie es bereits erwähnt wurde, besteht das Hauptanliegen darin, den Minimalabstand bzw. -spalt zwischen dem Stator und dem Rotor des Triebwerks aufrechtzuerhalten und jegliche Reibungsstörung zwischen diesen Teilen zu vermeiden.

Ein typischer Betriebszyklus eines B'lugzeugstrahltriebwerks beginnt mit einem Stoßbetrieb des kalten Rotors ('cold rotor burst¹), durch den das Triebwerk von einem Leerlaufbetriebszustand zu einem Zustand maximaler Drehzahl überwechselt. Der Rotor großer thermischer Trägheit vergrößert sich schnell infolge seiner mechanischen Ausdehnung, um dann langsam infolge seiner thermischen Ausdehnung zu wachsen, bis er einen Dauerzustandsdurchmesser erreicht. Andererseits wächst der Stator schnell infolge seiner relativ kleinen thermischen Trägheit, um hierdurch Raum zu schaffen, in dem sich der Rotor vergrößern kann. Unter der Annahme, daß das Strahltriebwerk einen Betriebsdauerzustand maximaler Drehzahl erreicht, kann sich der nächste Drehzahlwechsel bzw. -Übergang durch eine Drosselung ('throttle chop¹) ergeben, aufgrund derer das Triebwerk wiederum zu seiner Leerlaufdrehzahl zurückgelangt. Hierbei erfolgt ein schnelles und mechanisches Schrumpfen des Rotors, und dieser Vorgang setzt sich dann infolge der Temperaturänderung langsam fort. Andererseits unterliegt der Stator keinem mechanischen Schrumpfvorgang, sondern er beginnt mit einer relativ großen Geschwindigkeit thermisch zu schrumpfen. Wenn der Betrieb nunmehr eine Vollgas betätigung in Richtung maximaler Drehzahl zu der Zeit fordert, bei der der Stator seinen Dauerzustand bzw. seine verminderte Größe erreicht, erfolgt ein sofortiges mechanisches Ausdehnen des Rotors zu einer größeren Form als im Fall eines Stoßbetriebes des kalten Rotors. Da der Stator schneller und weiter als der Rotor geschrumpft ist, ergibt es sich während dieser Betriebsperiode, daß der Abstand bzw. der Spalt zwischen den zwei Elementen ein Minimum annimmt, so daß er einen kritischen Punkt für die Ausbildung bzw. Konstruktion eines Flugzeugstrahltriebwerks darstellt. Wenn das thermische Ansprechvermögen des Stators.vermindert wird, um ein langsameres Schrumpfen desselben zu begründen und hierdurch eine Anpassung an das langsamere Schrumpfen des Rotors zu erzielen, werden die erforderlichen schnelleren Ausdehnungseigenschaften während

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ORIGINAL INSPECTED.

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Beschleunigungsperioden gehemmt. Wenn beispielsweise nach einer Drosselung ('throttle chop¹) wieder eine

maximale Drehzahl herbeigeführt wird (Stoßbetrieb des heißen Rotors), muß sich der Stator zum Aufnehmen der mechanischen Ausdehnung des Rotors schnell ausweiten können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Gasturbinentriebwerks, das zwischen verschiedenen Drehzahlen unter Aufrechterhaltung eines zulässigen Abstandes bzw. Spiels zwischen seinem Rotor und Stator überwechseln kann. Es soll sich um ein schneilaufendes Gasturbinentriebwerk mit großen Wirkungsgradeigenschaften während eines Dauerzustandsbetriebes und eines Übergangsbetriebes handeln. Das Triebwerk soll ohne Störung zwischen dem Rotor und dem Stator drehzahlvariabel sein.

Entsprechend einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Ummantelung eines Gasturbinentriebwerks mit einem radial aussen angeordneten Ummantelungsstützgebilde verbunden und von diesem gehalten, das in Abhängigkeit von der Temperatur, der es ausgesetzt ist, wächst und schrumpft. Die Temperatur des Stützgebildes wird in einer vorbestimmten Weise durch seine Strömungsverbindung mit einer Luftzufuhr von dem Triebwerkskompressor verändert. Infolge der Eigenschaften eines Gasturbinentriebwerks verändert sich die Temperatur der Gaszufuhr anteilig bzw. proportional zur Drehzahl des Triebwerks. Ferner wirkt ein thermisch betätigtes Ventil auf die Luftzufuhr bzw. -Versorgung und das Stützgebilde in der Weise ein, daß während Triebwerksbeschleunigungsperioden eine freie Luftzufuhrströmung zum Stützgebilde vorliegt und während Abbremsperioden das Stützgebilde vom Strom der Luftzufuhr relativ getrennt ist. Wenn das Triebwerk infolge einer stoßartigen Drosselbeeinflussung beschleunigt wird, erfolgt auf diese Weise ein öffnen des thermisch betätigten Ventils, wodurch die heiße Luft vollständig mit dem Stützgebilde in Strömungsverbindung steht und dieses dadurch zu einem relativ schnellen Auswe.iten veranlassen kann. Wenn das Triebwerk dann beispielsweise durch eine Drosselung abbremst, erfolgen ein Abfallen der Temperatur der Luftzufuhr sowie ein Schließen des Ventils, und das Stützgebilde ist dadurch von der

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Luftzufuhr relativ abgetrennt, so daß es dazu neigt, die höhere Temperatur beizubehalten und hierdurch mit einer kleineren Geschwindigkeit als beim Expandieren bzw. Ausweiten zu schrumpfen. Das relative Wachsen bzw. die relative Größenveränderung zwischen dem Stator- und dem Rotorgebilde wird hierdurch während Triebwerksübergangsperioden auf ein Minimum reduziert.

Nach einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das thermisch betätigte Ventil ein Bimetall-Ventil, und es weist einen Zylinder großer thermischer Ausdehnung auf, der der Luftzufuhr ausgesetzt wird und mit dem Stützgebilde in Wechselwirkung tritt, um einen dazwischen befindlichen radialen Spalt in Abhängigkeit von der Temperaturänderung der Luftzufuhr zu öffnen und zu schließen. Ein Ende des Zylinders ist mit einem Material kleiner thermischer Ausdehnung fest verbunden, und das andere Ende des Zylinders ist frei, um sich zur Bildung des Ventilspalts auszuweiten und zusammenzuziehen. Das Wachsen bzw. die Größenveränderung des freien Zylinderendes hängt dann von der Temperatur der Luftzufuhr ab und wird durch die Tatsache betont, daß das andere Ende festgehaiLen und an einem Wachsen bzw. Vergrößern gehindert wird.

Zusammengefaßt ist eine einen Rotor großer thermischer Trägheit eng umgebende Ummantelung erfindungsgemäß mit einem Stützgebilde versehen, das kleine thermische Trägheitseigenschaften aufweist. Das Stützgebilde wird während eines Übergangsbetriebes mittels eines thermisch betätigten Ventiles verschiedenen Temperaturbedingungen ausgesetzt, um während Triebwerksbeschleunigungsperioden ein schnelles Wachsen bzw. Vergrößern und während Triebwerksabbremsperioden ein langsames Schrumpfen desselben zu begründen. Auf diese Weise wird die Abstandsbeziehung zwischen der Ummantelung und dem umschlossenen Rotor während Perioden eines Dauerzustands und eines Obergangsbetriebes unter Vergrößerung des Wirkungsgrades bzw. der Leistungsfähigkeit der Kombination auf einem Minimum gehalten.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen. In den nunmehr zu beschreibenden Zeichnungen ist eine bevorzugte Aus-

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führungsform beispielhaft dargestellt, jedoch können im Rahmen der vorliegenden. Erfindung zahlreiche Abwandlungen und konstruktive Änderungen vorgenommen werden. Es zeigen:

Figur 1 - in einer schematischen Darstellung ein Strahltriebwerk, an dem die vorliegende Erfindung verkörpert ist, und

Figur 2 - in einem Teilschnitt einen Turbinenabschnitt des Strahltriebwerks zum Aufzeigen der besonderen erfindungsgemässen Details.

Gemäß Figur 1 enthält ein Turbogebläsetriebwerk Io einen Gebläserotor 11 und einen Kerntriebwerksrotor 12. Der Gebläserotor 11 enthalte eine Vielzahl von Gebläseschaufeln 13 und 14, die zur Durchführung einer Drehbewegung auf einer Scheibe 16 befestigt sind. Der Gebläserotor 11 enthält ferner eine Niederdruck- oder Gebläseturbine 17, die die Gebläsescheibe 16 in einer bekannten Weise antreibt. Der Kerntriebwerksrotor 12 enthält einen Kompressor 18 und eine Leistungs- oder Hochdruckturbine 19, die den Kompressor 18 antreibt. Das Kerntriebwerk enthält ferner ein Verbrennungssystem 21, das einen Brennstoff mit dem Luftstrom mischt und die Mischung zündet, um thermische Energie in das System einzuspeisen.

Im Betrieb tritt durch einen Lufteinlaß 22, der von einer geeigneten und den Gebläserotor 11 umgebenden Verkleidung oder einem Rumpf 2 3 gebildet wird, Luft in das Gasturbinentriebwerk Io ein. Die in den Einlaß 22 eintretende Luft wird durch die Drehbewegung der Gebläseschaufeln 13 und 14 komprimiert und danach zwischen einem ringförmigen Durchgang 24, der von dem Rumpf 2 3 und einem Triebwerksgehäuse 26 begrenzt wird, und einem Kerntrxebwerksdurchgang 27 aufgeteilt, dessen äußere Grenze von dem Triebwerksgehäuse 2 6 gebildet wird. Die in den Kerntrxebwerksdurchgang 2 7 eintretende unter Druck gesetzte Luft wird durch den Kompressor 18 weiter unter Druck gesetzt und danach zusammen mit hochenergetischem Brennstoff im Verbrennungssystem 21 gezündet. Dieser hochenergetische Gasstrom strömt dann durch die Hochdruckturbine 19, um den Kompressor 18 anzutreiben, und danach durch das Gebläsetriebwerk 17, um die Gebläserotorscheibe 16 anzutreiben. Das Gas strömt dann aus einer Hauptdüse bzw. -ausströmöffnung 28, um dem Triebwerk in bekannter Weise

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Vorschubkräfte zu erteilen. Eine zusätzliche Vorschubkraft wird
durch die aus dem ringförmigen Durchgang 2 4 ausgestoßene Druckluft erzielt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß sich zwar die vorliegende Beschreibung auf ein Flugzeuggasturbinentriebwerk bezieht, daß aber die
vorliegende Erfindung auf irgendeine Gasturbinentriebwerk-Kraftanlage anwendbar ist, wie eine solche, die für Marine- und industrielle Anwendungen benutzt wird. Die Beschreibung des in Figur 1 dargestellten Triebwerks hat somit lediglich beispielhaften Charakter für die Triebwerksart, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist.

In Figur 2 ist der Hochdruckturbxnenteil des Triebwerks detaillierter dargestellt. Er weist eine einstufige Reihe aus Rotor- oder
Laufschaufeln 29 auf, die im Strömungspfad der heißen Gase drehbar angeordnet sind, wie es durch Pfeile dargestellt ist. Die heißen
Gase strömen von einem ringförmigen Brennerinnengehäuse 31 rückwärts zu einer Reihe von am Umfang unter Abstand angeordneten Hochdruckdüsen 32, durch die umfangsmäßig verteilte Reihe der Laufschaufeln 29 und durch eine umfangsmäßig verteilte stationäre Reihe aus Niederdruckdüsen 33, um schließlich auf eine umfangsmäßig verteilte Reihe aus drehbaren Niederdruckturbinenschaufeln oder Laufschaufeln 34 der Gebläseturbine 17 aufzutreffen und dann aus der
Hauptdüse 2 8 ausgestoßen zu werden. Um die Reihe der Hochdruck-Lauf schaufeln 29 erstreckt sich in enger Abstandsbeziehung eine
ringförmige Ummantelung 36, die aus einem geeigneten abreibbaren
bzw. abschleifbaren Material hergestellt ist, um die Laufschaufeln 29 eng zu umgeben und aber einen gewissen Reibungseingriff sowie
eine Abnutzung in besonderen Betriebsaugenblicken zuzulassen, bei
denen der Abstand zwischen der Ummantelung und den Schaufeln zeitweilig entfallen kann. Die Ummantelung ist vorzugsweise aus einer
Anzahl von ringförmigen Sektoren hergestellt, die durch herkömmliche Mittel an der Innenseite eines ringförmigen Bereiches 37 befestigt sind. Dieser Ringbereich 37 ist vorzugsweise aus einer Anzahl von Sektoren hergestellt, die einen vollständigen Kreis bilden. Der Ringbereich 37 wird seinerseits durch einen Ring 38 gestützt bzw.

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gehalten, der an seinem rückwärtigen Ende einen sich radial einwärts erstreckenden Kragen 39 hat, der mittels eines ringförmigen Bügels 41 an dem Ringbereich 37 befestigt ist. Die vordere Seite des Ringbereichs 37 ist durch einen L-förmigen Ringarm 42 und eine Vielzahl von Schrauben 43 am Ring 38 festgelegt. Eine Abstützung für den Ring 38 ergibt sich durch eine Verbindung mit einer Niederdruckdüsenstütze 44 über Schrauben 45 am rückwärtigen Ende und durch eine Verbindung mit einem Turbinengehäuse 46 sowie einer Hochdruckdüsenstütze 47 über eine Vielzahl von umfangsmäßig über das Gehäuse verteilten Schrauben 48.

Da sich das Turbinengehäuse 46 rückwärts um den Hochdruckturbinenteil des Triebwerks erstreckt, erfolgt eine plötzliche Erweiterung des Turbinengehäuses 46 durch einen Verteilerabschnitt 49 der zwischen dem Verteiler und dem Ring 38 einen Ringraum 51 bildet. Mit diesem Ringraum 51 ist strömungsmäßig eine Vielzahl von Abzapfluftleituncjen 5o verbunden, die von den Zwischenstufen des Kompressors 18 zum Zwecke einer bekannten Turbinendusenkühlung Abzapfluft heranführen.

Auf dem Ring 38 ist ein sich radial nach außen in den Raum 51 erstreckender Flansch 52 ausgebildet. Unter axialem Abstand in Rückwärtsrichtung erstreckt sich ebenfalls ein L-förmiger Flansch 53 radial nach außen, jedoch nicht in dem Ausmaß des Außendurchmessers des Flansches 52. Der Ring 38 und seine Flansche 52 sowie 53 bestehen aus einem Material mit einem relativ kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Am Flansch 52 ist ein sich nach vorne zum Turbinengehäuse 46 erstreckendes zylindrisches Gebilde 54 befestigt, das einen Teil des Rings 38 umgibt, um zwischen diesen Gliedern einen Hohlraum 56 zu bilden. Um den Umfang des zylindrischen Gebildes 54 ist eine Vielzahl von öffnungen 57 angeordnet, um eine Strömungsverbindung zwischen dem Raum 51 und dem Hohlraum 56 zu bilden. Durch eine Vielzahl von sich axial erstreckenden, im Flansch 52 ausgebildeten öffnungen 59 ergibt sich eine Strömungsverbindung zwischen dem Hohlraum 56 und dem Bereich 58, der von den axial unter Abstand angeordneten Flanschen 52 und 53 bestimmt wird. Zum weiteren Abgrenzen des Bereichs 58 zwischen den zwei Flanschen

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52 sowie 53 ist ein Zylinder 61 durch eine Vielzahl von Schrauben 62 fest am Flansch 52 angebracht, und dieser Zylinder 61 erstreckt sich axial nach hinten, um die äußere Oberfläche 63 des Flansches

53 zu umschließen. Der Zylinder 61 ist aus einem Material mit grossem thermischem Ausdehnungskoeffizienten zusammengesetzt, das mit dem Ring 38 und den zugeordneten Flanschen zusammenwirkt, um die Strömung der Abzapfluft im Raum 51 während Übergangs- und Dauerzustandsperioden des Triebwerkbetriebes zu steuern und den erwünschten Zustand von Wachstumseigenschaften für ein Begründen passender Abstände zwischen der Ummantelung 36 und den Turbinenlaufschaufeln 29 zu erzielen.

Am rückwärtigen Ende des Leitungsteils 49 ist an diesem durch eine Vielzahl von Schrauben 65 ein ringförmiges Stützgebilde 64 befestigt, um die zweite Stufe der Niederdruckdüsen 33 zu halten. Das Stützgebilde 64 ist mit der Düsenstütze 44 der ersten Stufe verbunden, und diese Glieder begrenzen zum Teil einen zweiten Raum 66, der stromabwärts vom Raum 51 angeordnet ist und mit Kühlluft versorgt wird. Eine Vielzahl von umfangsmäßig verteilten Löchern 67 sorgt für eine Strömungsverbindung zwischen dem zweiten Raum 66 und den Düsenhohlräumen 68, um die Düsen in einer bekannten Weise zu kühlen. Der zweite Raum 66 wird ferner durch einen ringförmigen schräg verlaufenden Flansch 69 begrenzt, der durch Schrauben 65 mit dem Leitungsteil 49 verbunden ist und sich radial nach innen erstreckt, um den L-förmigen Flansch 53 an einer radial außerhalb gelegenen Position zu umgeben und dazwischen ein Ende des Zylinders 61 einzufassen. Der ringförmige Flansch 69 und seine mit ihm mechanisch verbundenen Teile sind aus einem Material mit einem relativ kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zusammengesetzt. Das Zusammenwirken des Zylinders 61 mit den angrenzenden Oberflächen der Flanschaußenfläche 63 sowie einer Sitzoberfläche 7o des ringförmigen schrägen Flansches erfolgt nach Art eines temperaturempfindlichen Ventils, das in der gestrichelt dargestellten Position geschlossen und in der in Figur 2 dargestellten Position geöffnet ist.

Bei einem typischen Betrieb eines Flugzeugturbinentriebwerke sei

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angenommen, daß sich das Flugzeugtriebwerk im Leerlaufzustand befindet. Die in den Raum 51 eintretende Luft ist relativ kühl, da sie nicht in einem größeren Maße komprimiert wurde, und der Zylinder 61 befindet sich daher in einem relativ zusammengezogenen Zustand, wie es durch die gestrichelten Linien in Figur 2 zum Aufzeigen eines geschlossenen Ventilzustands dargestellt ist. Die Luftströmung vom Raum 51 durch die Öffnungen 57 zum Ringschlitz 59 ist daher faktisch unterbrochen, und der Luftstrom neigt zu einem Verlauf, wie er durch die gestrichelten Pfeile vom Raum 51 zum zweiten Raum 66 dargestellt ist. Wenn das Triebwerk beschleunigt wird, beispielsweise zum maximalen Schubzustand, wird das Luftverdichtungsausmaß im Kompressor 18 vergrößert, und die an den Raum 51 gelieferte Luft ist relativ heiß. Diese heiße Luft wirkt auf den freiliegenden Zylinder 61 ein, um eine schnelle Vergrößerung bzw. Aufweitung desselben zu begründen. Umgekehrt sprechen der Ring 38 und seine zugeordneten Flansche 52 sowie 53 sehr langsam auf diese Temperaturänderung an. Außerdem erweitern sich diese Glieder, wenn sie auf die Temperatur ansprechen, nicht bis zu dem Ausmaß des Zylinders 61. Im Ergebnis erweitert sich bzw. expandiert das freie Ende des Zylinders bis zu der in Figur 2 durch durchgezogene Linien dargestellten Position, um das Ventil zu öffnen. Die Luft vom Raum 51 gelangt dann durch die Öffnungen 57 sowie die Löcher 59 in den Raum 58 und dann in den Raum 66, wie es in Figur 2 mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt ist. Da die Luft über die Flansche 52 sowie 53 und über den Ring 38 strömt, neigen die heißen Gase dazu, das kombinierte Gebilde schnell aufzuheizen bzw. zu erwärmen und ein relativ schnelles Ausweiten desselben zu begründen, um hierdurch den Innendurchmesser der gestützten bzw. gehaltenen Ummantelung 36 zu vergrößern. Wenn die Drehzahl des Triebwerks nachfolgend vermindert wird, wie durch eine Rückstellung des Gashebels

(throttle chop), ist die zum Raum 51 gelieferte Luft wiederum relativ kühl, und der Zylinder 61 spricht schnell auf die thermische Veränderung an, um zu der in Figur 2 gestrichelten Position zurückzuschrumpfen und das Ventil zu schließen. Der Ring 38 und die zugeordneten Flansche 52 sowie 53 sind daher mit den heißen Gasen abgetrennt, und sie neigen zu einem sehr langsamen Abkühlen, um hierdurch die Ummantelung 36 bei einer sehr langsamen Geschwindig-

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keit in ihren zusammengeschrumpften Zustand zurückzubringen. Wenn nunmehr angenommen wird, daß der Gashebel erneut zur Position eines maximalen Schubes bewegt wird (Stoßbetrieb des heißen Rotors), werden der Zylinder 61 erneut den heißen Gasen ausgesetzt und das Ventil geöffnet, damit das Stützgebilde wiederum dazu veranlaßt wird, relativ schnell die Größe des vom Mantel umschlossenen Bereiches zu vergrößern.

Selbstverständlich können zahlreiche andere Ausbildungen und Konfigurationen zum Erreichen der Ziele nach der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Beispielsweise kann das thermische Ventil, das im Zusammenhang mit dem Ring 38, dem Zylinder 61 und dem Flansch 69 beschrieben worden ist, zahlreiche andere Ausführungen aufweisen, um die Regelung der Temperatur der Ummantelungsabstützung durchzuführen. Die 'öffnungs-¹ und 'Schließ-¹ Positionen des Ventils können eingeschoben bzw. zwischengeschaltet werden, um das thermische Fluid in der erwünschten Richtung und Weise zu steuern. Das Fluid kann von einer vom Kompressor abweichenden Stelle abgeleitet werden, und seine Temperatur muß nicht in der beschriebenen Weise proportional zur Triebwerksdrehzahl sein, sondern sie kann eine abweichende Beziehung bzw. Abhängigkeit aufweisen. Ferner ist das dargestellte und beschriebene ümmantelungsstützgebilde lediglich als Beispiel für verschiedene Gebilde anzusehen, die bezüglich ihrer Größe thermisch geregelt werden können, um das Erzielen der erwünschten Radialpositionen der Ummantelung für die transienten und stationären Zustände zu erleichtern.

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Claims

- 12 - 2 5 5 ß 51 9 Ansprüche

1.; Gasturbotriebwerk mit einem unter engem Abstand in einem Stator .,__/ angeordneten Rotor für einen Betrieb über große Temperatur- und Drehzahlbereiche, gekennzeichnet durch eine einen Teil (2 9) des Rotors (19) umgebende Ummantelung (36), wobei der Rotor eine relativ große thermische Trägheit aufweist, durch eine Ummantelungsabstützung (37, 38, 39, 42) zum radialen Positionieren der Ummantelung (36) in bezug auf den Rotor (19), wobei die Ummantelungsabstützung eine relativ kleine thermische Trägheit hat und sich während Perioden einer Maschinenbeschleunigung radial ausdehnen sowie einer Abbremsung zusammenziehen kann, und durch Mittel (61, 63, 7o) zum Steuern der Temperatur der Ummantelungsabstützung, damit diese eine relativ schnelle bzw. kurze Wachstumsperiode und eine relativ langsame bzw. lange Schrumpfungsperiode hat.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuerungsmittel (61_f 63, 7o) eine Luftquelle enthalten, deren Temperatur im wesentlichen der Turbinendrehzahl proportional ist.

3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftquelle von einem Kompressorteil (18) der Turbine herrührt.

4. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Turbinenrotor (19) ist und daß der von der Ummantelung (36) umgebene Teil eine Stufe aus Turbinenrotorblättern (29) enthält.

5. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelungsabstützung (37, 38, 39, 42) zumindest ein ringförmiges Element enthält, das während bestimmter Perioden des Maschinenbetriebes in Strömungsverbindung mit einem Kühlmedium steht.

6. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuerungsmittel ein Ventil (61, 63, 7o) aufweisen, das den Luftstrom während Triebwerksbeschleunigungsperioden über die

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Ummantelungsabstützung (38) leitet und während Triebwerksabbremsperioden von der Ümmantelungsabstutzung ableitet.

7. Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein ßimetallventil ist, wobei ein Metallelement (52) dasjenige der ümmantelungsabstutzung (38) und das andere ein hieran befestigtes Element (61) mit einem abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind.

8. Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (63) des Ventils von einem Teil (53) der Ümmantelungsabstutzung (38) gebildet wird.

9. Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Element ein Zylinder (61) ist, dessen eines Ende an der ümmantelungsabstutzung (38) befestigt ist.

10. Triebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Zylinders (61) an seiner Innenseite lösbar mit dem Ventilsitzteil (63) in Eingriff treten kann.

11. Thermisches Ventil, das auf die Temperatur eines Fluids anspricht, dem das Ventil ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch einen ersten Ring (52) mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, durch einen zweiten und vom ersten Ring (52) unter Axialabstand angeordneten Ring (53) mit einem vorgeschriebenen Durchmesser und einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und durch einen Zylinder (61) mit einem großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie einem Durchmesser, der von demjenigen des zweiten Rings (53) abweicht, wobei das eine Ende des Zylinders fest mit dem ersten Ring (52) verbunden ist und das andere Ende den zweiten Ring (53) axial überlappt sowie mit diesem in Abhängigkeit von Änderungen der Fluidtemperaturen radial in Eingriff treten kann.

12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Zylinders (61) größer als derjenige des zweiten Rings

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(53) ist, so daß der Zylinder den zweiten Ring unter Eingriff umgibt, wenn sich das Ventil in der Schließposition befindet.

13. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Ringe (52, 53) in unmittelbarer Nähe ihrer inneren Durchmesserbereiche mechanisch verbunden sind.

14. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Ringe (52, 53) mit einem dazwischen befindlichen ringförmigen Kragen (38, 39) einteilig ausgebildet sind.

15. Ventil nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen dritten Ring

(7o), der radial außerhalb des Zylinders (61) sowie des zweiten Rings (52) angeordnet ist, um mit der Außenseite des anderen Zylinderendes in Eingriff zu treten, wenn sich das Ventil in seiner Öffnungsposition befindet.

16. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ring (52) mit einem axialen Loch (59) ausgebildet ist, durch das das_ Fluid zum zweiten Ring (53) geleitet wird.

17. Verfahren zum Aufrechterhalten eines minimalen zulässigen Spiel-

zwis.chen
raumes / einem Rotor und exner diesen umgebenden Ummantelung während Perioden eines Übergangsbetriebes in einem Gasturbotriebwerk mit einem Rotor und einer diesen umgebenden Ummantelung für einen Betrieb über große Temperatur- und Drehzahlbereiche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstützung zum radialen Positionieren der Ummantelung in Abhängigkeit von Drehzahländerungen des Triebwerks geschaffen wird, wobei die Abstützung eine relativ kleine thermische Trägheit hat, daß die Abstützung während Perioden einer Triebwerksbeschleunigung einer thermischen Fluidströmung ausgesetzt wird, um ein schnelles Wachsen bzw. Erweitern der Ummantelung zu begründen, und daß die Strömung des. thermischen Fluids während Perioden einer Triebwerksabbremsung von der Abstützung abgenommen wird, um ein langsames Zusammenziehen der Ummantelung zu begründen.

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18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidströmung während eines Dauerzustandsbetriebes des Triebwerks über die Abstützung geleitet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidströmung von einem Kompressorteil des Turbotriebwerks abgeleitet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des thermischen Fluids im wesentlichen proportional zur Drehzahl des Turbotriebwerks ist.

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