DE2810240A1

DE2810240A1 - Verstelleitgitter fuer axial durchstroemte turbinen von gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE2810240A1
Application number: DE19782810240
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1978-03-09
Filing date: 1978-03-09
Publication date: 1979-11-22
Also published as: DE2810240C2; GB2016091A; FR2419390B1; US4314791A; FR2419390A1; GB2016091B

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION 2810240

MÜNCHEN GMBH

München, den 17. Februar 1978

Verstelleitgitter für axial durchströmte Turbinen von Gasturbinentriebwerken

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verstelleitgitter für axial durchströmte Turbinen von Gasturbxnentriebwerken, insbesondere für Hochdruckturbinen, bei dem die Turbinenleitschaufeln jeweils um eine Drehachse drehbar angeordnet und ferner im Betrieb kühlbar sind.

Wie aus der Theorie bekannt, weisen Gasturbinentriebwerke mit verstellbaren Turbinenleitgittern eine Vielzahl wünschenswerter Eigenschaften gegenüber Gasturbinentriebwerken mit starren Leitgittern auf. Aus den erkannten Zusammenhängen sei beispielsweise auf folgende Vorteile hingewiesen:

- Verbesserung des Teillastverbrauchs bei Wärmetauschergasturbinen (starre Verdichterturbine, verstellbare Nut ζ turbine),

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- Verbesserung der LCF- und thermoschockabhängigen Bauteillebensdauer, des Beschleunigungsverhaltens und des Teillastverbrauchs bei Strahltriebwerken und Wellen-Gasturbinen ohne Wärmetauscher (verstellbare Verdichterturbine und ggf. verstellbare Nutzturbine), wobei unter LCF verstanden wird: jLpw ,cycle fatigue = Werkstoffermüdung unter niederfrequenter Schwellast,

- Veränderung der Schubcharakteristik und des spezifischen Brennstoffverbrauchs von Strahltriebwerken. Derartige Maschinen, als Triebwerke mit variablem Kreisprozeß - in der anglo-amerikanischen Literatur als Variable Cycle Engine = VCE - bekannt, weisen je nach Grad der Komplexität unterschiedliche Kombinationen verstellbarer Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen auf.

Bisher realisierte bzw. bekannt gewordene Lösungsvorschläge zur Realisierung verstellbarer Turbinenleitgitter sind in fast allen Fällen ungekühlte Leitgitter von Niederdruckturbinen, bei denen die in ihrer Gesamtheit um eine Achse drehbar angeordneten Leitschaufeln an nur einem Zapfen im Leitgitteraußenring gelagert sind. Der Leitgitterinnenring ist dabei kein bauteilmäßiger Bestandteil des Leitgitters, er muß vielmehr über ein zusätzliches, lagersternartiges Gehäuse gehalten werden. Dieses Gehäuse, das im Zusammenhang

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mit der umsetzung der Energie des Arbeitsmediuius in nutzbare Energie keine Funktion erfüllt, verursacht automatisch Strömungsverluste; je nach Temperatur des Arbeitsmediums ist auch eine Kühlung dieses Bauteils unvermeidlich. Ein weiterer Nachteil dieser Verstelleitgitterbauform ist die Tatsache, daß sich unabhängig von der jeweiligen Schaufelstellung der Spalt zwischen den Leitschaufeln und dem Leitgitterinnenring infolge des unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens von Verstelleitschaufeln und Leitgitteraußenring einerseits, lagersternartigem Gehäuse und Leitgitterinnenring andererseits, verändert und somit eine Quelle zusätzlicher Verluste darstellt. Ein weiterer Nachteil dieser Verstelleitgitterbauform ist in der mengenmäßigen Begrenzung der Kühlluftzufuhr zur Schaufel durch den Drehzapfen gegeben, wodurch eine Verwendung als Turbineneintrittsleitgitter in Maschinen mit höheren Turbineneintrittstemperaturen ausgeschlossen ist.

Diese aufgezeigten Nachteile soll die Erfindung vermeiden, und zwar im wesentlichen durch die Merkmale gemäß Patentanspruch 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen .,des Erfindungsgegenstands gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.

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Gasturbinentriebwerke mit verstellbaren Turbinenleitschaufeln sind zwar u.a. durch die US-Patentschriften 2,919,890, 3,224,194, 3,558,237 sowie die GB-PS 951 298 bekannt. Diese bekannten Lösungen können jedoch im Rahmen der aufgezeigten Sachproblematik nicht zur Erfindung hinführen.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 den Axialschnitt eines Hochdruckturbinenabschnitts mit Verstelleitgitter bei einem Gasturbinenstrahltriebwerk und

Fig. 2 den Axialschnitt eines Niederdruckturbinenabschnitts mit Verstelleitgitter zu dem unter Fig. 1 benannten Gasturbinenstrahltriebwerk gehörig.

Fig. 1 veranschaulicht ein Verstelleitgitter 1 für die axial durchströmte Hochdruckturbine eines Gasturbinenstrahltriebwerkes, bei dem die Turbinenleitschaufeln 2 jeweils im schaufelfuß sowie -kopfseitigen Bereich um eine gemeinsame Drehachse verschwenkbar angeordnet und ferner im Betrieb kühlbar sind. Hierbei ist der Innen- und Außenring des Verstelleitgitters 1 aus in Umfangsrichtung abdichtend in- oder übareinandergreifen-

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den Innen- und Außenringsegmenten 4 und 5 zusammengesetzt, wobei jede Turbxnenlextschaufel 2 mit ihren fuß- und kopfseitigen Drehzapfen 6, 7 an bzw. in einem zugeordneten Innen- und Außenringsegment 4, 5 schwenkbar angeordnet sowie lösbar befestigt ist. Jede Turbxnenlextschaufel 2 des Verstellgitters soll weiter über das zugehörige Innenringsegment 4 an einem Bauteil 31 des Turbinenstators zentriert sein, wobei jeweils das am Turbinengehäuse 9 angeordnete zugehörige Außenringsegment 5 im Zusammenwirken mit der Anordnung der noch später erläuterten Schaufelbefestigungsmittel die radiale Führung der Turbxnenlextschaufel 2 nebst zugehörigem Innenringsegment übernimmt. Die axiale sowie die ümfangssicherung des Verstellleitgitters 1 erfolgt mittels der jeweiligen Außenringsegmente 5.

Die Äußenringsegmente 5 sind hierbei jeweils in Umfangsnuten des Turbinengehäuses 9 aufgehängt und greifen - zwecks ümfangssicherung - mittels Zapfen 13 in axial gerichtete Ausnehmungen eines hakenartigen Gehäusebauteils 14. Die Turbinenleitschaufeln 2 weisen fuß- und kopfseitig im Bereich der Innen- und Außenwand 15, 16 des Turbinenkanals 17 liegende Schaufelteller 18, 19 auf, an denen - mit größtmöglichen Durchmessern ausgestattet - die außerhalb des Turbinenkanals 17 liegenden Drehzapfen 6, 7 befestigt sind, welche als hohlzylindrische Kühlluftführungen ausgebildet sind und mit dem Schaufelinnern

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in Verbindung stehen. Die in den Innen- und Außenringsegmenten angeordneten keramischen Lagerbuchsen können ggf. ballige Außendurchmesser aufweisen.

Die Innen- und Außenringsegmente 4,5 sowie die Schaufelteller 18, 19 können mittels Filmkühlung gekühlt werden. Hierzu ragen die inneren und äußeren Endwandteile 20, 21 einer Ringbrennkammer zwecks KühlfUmbildung in das Verstelleitgitter 1 hinein. Der Kühlluftfluß ist hierbei durch die Pfeile F gekennzeichnet. Zwischen den Außenringsegmenten 5 und dem angrenzenden äußeren Turbinengehäuse 9 befindet sich ein mittels Kühlluft beaufschlagbarer Zwischen- bzw. Ringraum 22, der über in den Verstellzapfen 10 der Turbinenleitschaufeln 2 enthaltene Öffnungen 24 mit den hohlzylindrischen Drehzapfen 7 für die Kühlluftzufuhr in die Schaufeln in Verbindung steht. Nicht weiter dargestellt, können die Turbinenleitschaufeln 2, als Hohlschaufeln ausgebildet, zwecks optimaler Kühlung mit Kühleinsätzen versehen sein, wobei die Kühlluft über in der Schaufelhinterkante enthaltene Längsbohrungen 25 die Leitschaufel verläßt und dem Gasstrom im Turbinenkanal 17 zugeführt werden kann.

Zwischen den in das Leitgitter 1 ragenden Endwandteilen 20, 21 der Ringbrennkammer, bzw. zwischen den Innen- und Außenringsegmenten 4, 5 und angrenzenden Turbxnenstatorbautexlen befinden sich weitere von der Ringbrennkammer her mittels Kühl-

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luft beaufschlagbare Zwischen- bzw. Ringräume 26, 27» Bei diesen Statorbauteilen handelt es sich einerseits um eine in Umfangsrichtung ringförmig verlaufendes, mit dem inneren Endwandbauteil 20 der Ringbrennkammer verbundenes Tragbauteil 28, welches über öffnungen 29 eine Kühlluftverbindung zwischen dem Ringraum 26 und einem weiteren Ringraum 30 herstellt, der im wesentlichen zwischen dem Tragbauteil 28 und einem als Fortsetzung des Brennkammeraußengehäuses ausgebildeten Bauteil 31 liegt, welches mit dem ungeteilten Statorinnenring S versehen ist, der über eine Verzahnung Z und einer Nut-Feder-Anordnung N an den Leitgitterinnenringsegmenten 4 zentriert ist.

Am schaufelfußseitigen Ende des Leitgitters 1 bildet das Bauteil 31 zusammen mit seitlichen Wand- und Führungsabschnitten der Inhenringsegmente 4 einen weiteren Ringraum 32, der über die schaufelfußseitigen Drehzapfen 6 mit den Schaufelinnenräumen bzw. Kühllufteinsätzen in Verbindung steht und hauptsächlich über die hinteren öffnungen 29" im Tragbauteil vom Ringraum 30 aus mittels Kühlluft beaufschlagbar ist (Pfeil G). " .

Der jeweils hintere Wand- bzw. Führungsabschnitt 33 der Innenringsegmente 4 weist gegen die Laufradscheibe 34 und in ümfangsrichtung gerichtete Vordralldüsen 35 zur Kühl- und Sperrluft-

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zufuhr auf, wobei die an der Laufradscheibe 34 befestigten Laufschaufeln der Hochdruckturbine mit 36 bezeichnet sind.

Wie aus Fig. 1 weiter entnommen werden kann, weisen die Außenringsegmente 5 Bohrungen 37 auf, welche die Ringräume 27 und für die Kühlluftzufuhr untereinander verbinden.

Beim Verstelleitgitter nach Fig. 1 können somit die Turbinenleitschaufeln 2 auch im lagerseitigen Bereich intensiv gekühlt werden mit der gleichzeitigen Möglichkeit, die Kühlluft von oben und unten den Turbinenleitschaufeln 2 zuführen zu können.

Die Verstellzapfen 10 der Leitschaufeln 2 weisen im übrigen an der Durchtrittsstelle durchs Turbinengehäuse 9 kolbenringartige Dichtelemente 38 auf. Der Verstellzapfen ist in seinem Durchmesser kleiner als die zulässige Bohrung des in der Ebene des Verstellzapfen geteilten Turbinengehäuses, so daß im Bereich der Verschiebbarkeit der Kolbenringe Versätze der Verstelleitschaufeln bezüglich des Außengehäuses möglich sind (z.B. bei instationären Betriebszuständen).

Gemäß Fig. 1 sind weiter die Innen- und Außenringsegmente 4, 5 sowie die Turbinenleitschaufeln 2 über an den Drehzapfen 6, 7 angebrachte Sprengringe 39, 40 mit darübergestülpten Sicherungsbüchsen 41, 42 zueinander fixiert.

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Zur Verstellung des Leitgitters 1 sind sämtliche Verstellzapfen 10 der Turbinenleitschaufeln 2 mit Verstellhebeln 43
gekoppelt₇ an die ein für die Schaufelverstellung verdrehbarer Stellring 44 gelenkig angreift.

Fig. 2 veranschaulicht die beim gleichen Gasturbinentriebwerk der Hochdruckturbine nach Fig= 1 nachgeschaltete und von deren Abgas beaufschlagbare Niederdruckturbine, wobei diejenigen Bauteile der Niederdruckturbine nach Fig. 2, deren Aufbau sowie
Anordnung und Wirkungsweise im wesentlichen identisch mit der Anordnung, dem Aufbau sowie der Wirkungsweise der Bauteile der Hochdruckturbine nach Fig. 1 ist, durch die Bezugszeichen 1¹, 2¹, 3' usw. gekennzeichnet sind.

Ein erster nennenswerter Unterschied der Anordnung nach Fig. 2 gegenüber Fig. 1 besteht darin, daß beim Verstellgitter 1'
nach Fig. 2 die Kühlluftzufuhr ausschließlich durch die
Außenringsegmente nach innen erfolgt; d. h., die an geeigneter Stelle am Verdichter entnommene Kühlluft gelangt zunächst über eine seitliche Umgehungsleitung 45 in einen Ringraum 46 und von dort über öffnungen in den Außenringsegmenten 5' in den
Ringraum 47 und von diesem aus weiter über die öffnungen 24'
sowie weiter dann über die Drehzapfen 7¹ in die Hohlräume bzw. Kühleinsätze der Turbinenleitschaufeln 2'. Während ein Teil der zugeführten Kühlluft über Bohrungen an der Schaufelhinterkante 25' in den Turbinenkanal 17 gelangt und dem Gasstrom zugeführt

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wird, gelangt ein übriger Teil der Kühlluft über die fußseitigen Drehzapfen 6' in einen, diesen benachbarten Ringraum 48, welcher einerseits zwischen den Wand- bzw. Führungsabschnitten der Innenringsegmente 4' sowie einem unteren Zentrierungsblech 49 als ungeteiltem Statorinnenring liegt. Über die im hinteren Wand-bzw. Führungsabschnitt 33· angeordneten Vordralldüsen 35' kann die aus dem Ringraum 48 entweichende Kühlluft weiter zur Kühlung der Laufschaufeln 36" der Niederdruckturbine bzw. als Sperrluft zugeführt werden. In klammerartig nach oben abgebogenen Endabschnitten 50, 51 des Zentrierungsbleches 49 sind die hinteren Wand- bzw. Führungsabschnitte 33" der Innenringsegmente 4¹ radial-elastisch geführt. Das Zentrierungsblech 49 ist im übrigen an einem winkelförmig von der Innenwand 15 des Turbinenkanals 17 nach außen abgebogenen Abschnitt 52 dieser Wand befestigt, und zwar so, daß die der Gasströmung zugewandten Flächen der Innenringsegmente 4' sowie die fußseitigen Schaufelteller 18' die Kontur der Innenwand 15 des Turbinenkanals 17 kontinuierlich fortsetzen.

Fig. 2 weicht von Fig. 1 weiter dahingehend ab, daß am Leitgitter 1' weder fuß- noch kopfseitig an den Turbinenleitschaufeln 2¹ eine Filmkühlung vorgesehen ist.

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Im Gegensatz zu der in Fig. 7 beschriebenen Ausführung erfolgt die Lagerung der Verstelleitschaufeln in den Außenringsegmenten einerseits und im Turbinengehäuse, das wiederum in der Ebene der Verstellzapfen geteilt ist, andererseits.

Zusammengefaßt ergeben sich aus der Erfindung im Rahmen der Fig. 1 und 2 folgende Vorteile:

- Durch die Abwandlung eines bekannten Bauprinzips - Segmentierung der Leiträder - klar überschaubares Betriebsverhalten bei instationären Betriebszuständen,

- Anwendung optimaler Kühl- und FeEtigungsmethoden sowohl für die Leitschaufeln als auch für die Leitschaufelinnen- und Außenringsegmente,

- klare übersichtliche, aus einfachen zumindest teilweise vielfach erprobten Bauelementen aufgebaute Konstruktion,

niedriges Spannungsniveau der betreffenden Bauteile, auch bei instationären Betriebsbedingungen.

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Claims

Patentansprüche

Verstelleitgitter für axial durchströmte Turbinen, insbesondere Hochdruckturbinen von Gasturbinentriebwerken, bei dem die Turbinenleitschaufeln jeweils tun eine Drehachse drehbar angeordnet und ferner im Betrieb kühlbar sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Der Innen- und Außenring des Verstelleitgitters ist aus in Umfangsrichtung abdichtend in-oder übereinandergreifenden Innen- und Außenringsegmenten (4, 5) zusammengesetzt, wobei jede Turbinenleitschaufel (2) mit ihren fuß- und kopfseitigen Drehzapfen (6, 7) an bzw» in je einem zugeordneten Innen- und Außenringsegment drehbar angeordnet sowie lösbar befestigt ist;

b) ein ungeteilter Statorinnenring (S) ist über eine Verzahnung (Z) und eine Nut-Feder-Anordnung (N) an den Leitgitterinnenringsegmenten (4) zentriert,

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wobei jedes am Turbinengehäuse (9) angeordnete Außenringsegment (5) im Zusammenwirken mit der Anordnung der Schaufelbefestigungsmittel für die radiale Führung der Turbinenleitschaufel nebst zugehörigem Innenringsegment ausgebildet ist;

c) die radiale, axiale sowie die Umfangssicherung des Verstelleitgitters (1) erfolgt über die jeweiligen Außenringsegmente (5)>

d) die Turbinenleitschaufeln (2) weisen fuß- und kopfseitig im Bereich der Innen- und Außenwand des Turbinenkanals (17) liegende Schaufelteller (18, 19) auf, an denen - mit größtmöglichen Durchmessern ausgestattet - die außerhalb des Turbinenkanals liegenden Drehzapfen (6, 7) befestigt sind, welche als hohlzylindrische Kühlluftführungen ausgebildet sind und mit dem Schaufelinnern in Verbindung stehen.

2. Verstelleitgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Außenringsegmente (4, 5) sowie die Turbinenleitschaufeln (2) über an den Drehzapfen (6, 7) angebrachte Sprengringe (39, 40) mit darübergestülpten Sicherungsbüchsen (41, 42) zueinander fixiert sind.

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3. Verstelleitgitter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Außenringsegmente (4, 5) sowie die Schaufelteller (18, 19) mittels Filmkühlung kühlbar s ind.

4. Verstelleitgitter nach Anspruch 1,2 und 3, insbesondere als Eintrittsleitgitter für die Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks, dadurch gekennzeichnet, daß die Endwandteile (20, 21) der Innen- und Außenwand einer Ringbrennkammer zwecks Kühlfilmbildung in das Verstellleitgitter (1) hineinragen.

5. Verstelleitgitter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Außenringsegmenten (5) und dem angrenzenden äußeren Turbinengehäuse (9) ein mittels Kühlluft beaufschlagbarer Zwischen- bzw. Ringraum (22) gebildet sind, welcher über in den Verstellzapfen (10) der Turbinenleitschaufeln (2) enthaltene öffnungen (24) mit den kopfseitigen, hohlzylindrischen Drehzapfen (7) für die Kühlluftzufuhr in die Schaufeln in Verbindung stehen.

6. Verstelleitgitter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den in das Leitgitter ragenden Endwandteilen (20, 21) der Ringbrennkammer bzw.

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zwischen den Innen- und Außenringsegmenten (4, 5) und den angrenzenden Turbinenstatorbauteilen (28, 29) mittels von der Brennkammer abgezapfter Kühlluft beaufschlagbare Zwischen- bzw. Ringräume (26, 27) gebildet sind.

7. Verstelleitgitter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenringsegmente mit Bohrungen (37) für die Kühlluftzufuhr ausgestattet sind.

8. Verstelleitgitter nach den Ansprüchen 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellzapfen (10) an der Durchtrittsstelle durchs Turbinengehäuse (9) mit Dichtungselementen (38) versehen sind.

9. Verstelleitgitter nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die fuß- und kopfseitigen Drehzapfen der Leitschaufeln aus einem keramischen Material mit jeweils balliger Oberfläche gefertigt sind.

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