DE3011503A1

DE3011503A1 - Verdichteranordnung fuer ein axialgasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3011503A1
Application number: DE19803011503
Authority: DE
Inventors: William Graves Monsarrat; William Floyd Neal
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-03-28
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1980-10-09
Also published as: GB2048386B; GB2048386A; FR2452600B1; FR2452600A1

Description

Verdichteranordnung für ein Axialg'asturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Triebwerksgehäuseanordnungen von Gasturbinentriebwerken und betrifft insbesondere Verdichteranordnungen, die in Verbindung mit einer aktiven Steuerung von Ausdehnungsspielräumen in einem Triebwerk verwendbar sind.

In einem Gasturbinentriebwerk der vorgenannten Art werden Arbeitsmediumgase in einer Verdichtungssektion durch eine erste Reihe von am Rotor befestigten Laufschaufeln unter Druck gesetzt und dann axial stromabwärts zu einer Verbrennungssektion geleitet. Brennstoff wird mit den unter Druck gesetzten Gasen vereinigt und in der Verbrennungssektion verbrannt, um dem strömenden Medium Wärmeenergie zuzuführen. In einer Turbinensektion stromabwärts der Verbrennungssektion

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werden die Arbeitsmediumgase über eine zweite Reihe von am Rotor befestigten Laufschaufeln geleitet. Die zweite Reihe von Laufschaufeln entnimmt den strömenden Gasen Energie, um die Laufschaufeln der VerdichtungsSektion anzutreiben.

In einem Axialströmungstriebwerk sind die Laufschaufeln der Verdichtungs- und Turbinensektionen in Kränzen angeordnet, die sich von einem Triebwerksrotor aus radial nach außen über den Modiumströmungsweg erstrecken. Ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse umgibt die Spitzen der Laufschaufeln. Leitschaufeln erstrecken sich von dem Gehäuse aus zwischen jeweils zwei benachbarten Laufschaufelkränzen nach innen, um die Arbeitsmediumgase in Richtung eines bevorzugten Anstellwinkels zu leiten, wenn sie sich jedem stromabwärtigen Laufschaufelkranz nähern. Verdichtungssektionen und Turbinensektionen werden nach einer von zwei Konstruktionstechniken aufgebaut. Gemäß der ersten Konstruktionstechnik werden Kränze von Laufschaufeln und Leitschaufeln in abwechselnder Folge innerhalb eines zylindrischen Triebwerksgehäuses zusammengebaut. Bei der zweiten Konstruktionstechnik ist das zylindrische Gehäuse in einen oberen und einen unteren Abschnitt längsgeteilt. Die Laufschaufeln werden auf dem Rotor zusammengebaut, und die Leitschaufeln werden in die Gehäuseabschnitte eingebaut. Die Gehäuseabschnitte werden dann um den Rotor zusammengefügt, um die abwechselnde Laufschaufel- und Leitschaufelanordnung zu bilden. Die geteilte Gehäusekonstruktion ist beispielsweise aus der US-PS 2 848 156 bekannt. Die Leitschaufelkränze werden in dem geeigneten oberen oder unteren Abschnitt so zusammengebaut, daß, wenn der obere und der untere Abschnitt miteinander verbunden sind, die Leitschaufelkränze abwechselnd zwischen Laufschaufelkränzen angeordnet sind. Geteilte Gehäusekonstruktionen erleichtern im Vergleich mit einstückigen, zylindrischen Gehäusen den Zusammenbau und die Wartung.

Die Druckluft der Verdichtungssektion wird für Flugzeugbetriebszwecke und für Kühlzwecke innerhalb der Turbinensektion des Trieb-

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werks selbst benutzt. Darüber hinaus werden beträchtliche Mengen an Druckluft aus der Verdichtungssektion abgezapft, um die Starteigenschaften zu verbessern und die Empfindlichkeit des Verdichters hinsichtlich einer Pump- oder Strömungsabrißerscheinung im Betrieb zu verringern. Abzapfluftsammelleitungen für diese Zwecke sind um die VerdichtungsSektion des Triebwerkes herum aufgebaut. Die US-PS 3 597 106 beschreibt beispielsweise eine solche Sammelleitung, die vollständig in dem längsgeteilten Triebwerksgehäuse enthalten ist.

Außer der inneren Sammelleitung der aus der vorgenannten US-Patentschrift bekannten Art sind auch Sammelleitungsanordnungen bekannt, die außerhalb des Triebwerksgehäuses aufgebaut werden. Beim Einbau in längsgeteilte Gehäuseanordnungen sind jedoch die bekannten äußeren Sammelleitungen nur gebietsweise vorhanden und es ist nicht bekannt, daß sie sich über die Längsteilfuge in dem Gehäuse erstrecken. Gebietsweise vorhandene Sammelleitungen sind dort verwendbar, wo die Temperatur des Triebwerksgehäuses auf einem nahezu gleichmäßigen Wert gehalten wird. Wenn Abweichungen in der Gehäusetemperatur zu erwarten sind, verursachen gebietsweise vorhandene Sammelleitungen eine unerwünschte Verwindung des Gehäuses/ begleitet von Vergrößerungen des Ausdehnungsspielraums zwischen der Rotor- und der Statoranordnung. Wenn nicht ein ausreichender Anfangsspielraum zwischen dem Rotor- und dem Statorelement vorgesehen wird, kann es auch zu einer zerstörerischen Berührung zwischen diesen Teilen kommen.

Der Triebwerksbetriebswirkungsgrad ist weitgehend davon abhängig, daß minimale Ausdehnungsspielräume zwischen dem Rotor- und dem Statorelement des Triebwerksströmungsweges aufrechterhalten werden. Beispielsweise hat jedweder Spielraum zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und äußeren Luftdichtungen des Triebwerksgehäuses einen stark negativen Effekt auf den Verdichtungswirkungsgrad. Ungeachtet dessen muß der Spielraum ausreichend groß sein, um eine radiale Verlagerung der Laufschaufelspitzen während der Beschleunigung des Triebwerks zu ermöglichen, wenn die Temperatur der Arbeitsmediumgase ansteigt. Bei einer Zunahme

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der Temperatur dehnen sich die Laufschaufeln augenblicklich in Richtung der Spannweite nach außen zu der äußeren Luftdichtung hin aus. Die äußere Luftdichtung spricht jedoch mit dem Verdichtergehäuse, an dem sie abgestützt ist, mit viel langsamerer Geschwindigkeit auf die Temperaturerhöhung an. Es wird ein beträchtlicher Anfangsspielraum zwischen den Laufschaufelspitzen und der Ummantelung im kalten Zustand vorgesehen, um ein zerstörerisches Anstoßen der Laufschaufeln an der Ummantelung zu verhindern, wenn das Triebwerk beschleunigt wird und die Stromungswegtemperaturen ansteigen. Wenn thermisch stabile Zustände erreicht sind, wachsen leider das Gehäuse und die äußere Luftdichtung, die an diesem abgestützt ist, radial von den Laufschaufeln weg nach außen und lassen wieder einen beträchtlichen Spielraum zurück, der dem anfänglichen Spielraum nahekommt.

Kürzlich entwickelte aktive Techniken zum Verringern des Ausdehnungsspielraums zwischen dem Rotor- und dem Statorelement bei Gleichgewichtszuständen sind in den US-PSen 4 019 320 und 4 069 662 beschrieben. Bei diesen Techniken wird Kühlluft über das Triebwerksgehäuse geleitet, um den Gehäusedurchmesser bei Gleichgewichtszuständen zu verringern, so daß der radiale Spielraum zwischen dem Rotor- und dem Statorelement auf einen akzeptablen Mindestwert verringert wird. Die Kühltechniken, die aus diesen US-Patentschriften bekannt sind, wurden hauptsächlich für einteilige zylindrische Gehäuse entwickelt und wurden noch nicht mit Erfolg bei den Verdichtungssektionen von Triebwerken eingesetzt, bei denen eine längsgeteilte Verdichtergehäuseanordnung benutzt wird.

Die Kombination von aktiven Spielraumsteuertechnxken mit längsgeteilten Verdichteranordnungen bringt mehrere Probleme mit sich, deren Lösung Aufgabe der Erfindung ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung hauptsächlich eine äußere Sammelleitungsanordnung für Triebwerke mit längsgeteilten Verdichtergehäusen. Die sich ergebende Gehäuseanordnung

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soll so ausgebildet sein, daß sie zur Verwendung in Verbindung mit aktiven Spielraumsteuersystemen geeignet ist. Insbesondere sieht die Erfindung eine Abzapfsammelleitung mit beinahe gleichförmigem Querschnitt vor, die in der Lage ist, die thermische Verformung des Gehäuses zu vermeiden und ein Fluid über die Längsteilfuge in dem Verdichtergehäuse zu leiten.

Gemäß der Erfindung hat ein längsgeteiltes Verdichtergehäuse ei~ ne äußere Sammelleitung, die sich umfangsmäßig über die Längsteilfuge in dem Gehäuse erstreckt und mehrere öffnungen hat, die die Sammelleitung für Arbeitsmediumgase zugänglich machen.

Ein Hauptmerkmal der erfindungsgemäßen Kombination ist die Verdichtersammelleitung, die sich umfangsmäßig über die Längsteilfuge in dem Verdichtergehäuse erstreckt. Die Sammelleitung ist auf dem Umfang des Gehäuses durchgehend und hat wenigstens in einer Ausführungsform einen kreisförmigen Querschnitt, der den Ausstoß von Kühlluft gegen das Gehäuse unter der Sammelleitung zur Steuerung von Spielräumen innerhalb des Triebwerks ermöglicht, öffnungen, die die Sammelleitung für die Arbeitsmediumgase zugänglich machen, können mit einem Hitzeschutzmaterial ausgekleidet sein. In wenigstens einer Ausführungsform erstreckt sich ein Flansch an der Längsteilfuge durch die Sammelleitung.

Ein Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Kombination ist die geringere thermische Verwindung oder Formänderung des Verdichter·" gehäuses. Das Erstrecken der Sammelleitung über die Längsteilfuge in dem Gehäuse senkt die Tendenz, daß sich das Gehäuse bei Betriebstemperaturen verwindet. Hitzeschutzvorrichtungen, die die ZugangsÖffnungen auskleiden, verhindern die Ausbildung von unzulässigen Wärmegradienten um die Öffnungsquerschnitte. Das Erstrecken der Sammelleitung über die Längsteilfuge minimiert außerdem die erforderliche Querschnittsfläche der Abzapfsammelleitung und bringt eine Flexibilität bei der Anordnung der Abzapföffnungen mit sich. Die kreisförmige Querschnittsgeometrie der Sammelleitung verringert die erforderliche Mindestdicke des Materials, aus dem die Sammelleitung hergestellt ist, und ermöglicht das Ausstoßen von Kühlluft gegen das Gehäuse

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unter der Sammelleitung zur Steuerung von Spielräumen innerhalb des Triebwerkes.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrie-.ben. Es zeigt

Fig. 1 in einer vereinfachten Seitenansicht ein

Gasturbinentriebwerk mit einer Längsteilfuge in der Verdichtergehäuseanordnung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht durch die Ver

dichtersektion des Triebwerks, die die Beziehung zwischen AbzapfSammelleitungen und Teilen des Systems zur aktiven Ausdehnungsspielraumsteuerung zeigt;

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht einer Ab

zapfsammelleitung in dem Gebiet der Längsteilfuge des Gehäuses,

Fig. 4 in gleicher Ansicht wie in Fig. 3 eine an

dere Konstruktion und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die die Hitze

schutzkonstruktion zeigt.

Das Prinzip der Erfindung ist in der Turbofan-Gasturbinentriebwerksausführungsform von Fig. 1 dargestellt.

Das dargestellte Triebwerk hat eine Verdichtungssektion 10, eine Verbrennungssektion 12 und eine Turbinensektion 14. Ein Triebwerksgehäuse 16 in der Verdichtungssektion besteht aus einem oberen Abschnitt 18 und einem unteren Abschnitt 20. Der obere und der untere Abschnitt sind an einem Längsflansch 22 auf jeder Seite des Triebwerks miteinander verbunden. Sammelleitungen 24 und 26 sind integral mit dem oberen und dem unteren Abschnitt herge-

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stellt und erstrecken sich in der Umfangsrichtung um das Triebwerk. Die Sammelleitungen erstrecken sich über die Längsflansehe und empfangen Druckluft aus der Verdichtungsektion. Entlüftungsventile 28 sind auf den Sammelleitungen angeordnet, um das Ablassen von Druckluft aus den Sammelleitungen zu ermöglichen.

Eine Vorrichtung 30 zum aktiven Steuern des Durchmessers des Verdichtergehäuses stößt Kühlluft gegen das Gehäuse aus. In der dargestellten Form umgeben mehrere Sprührohre 32 mit Auslaßöffnungen das Gehäuse. Ein Ventil 34 in einer Kühlluftzufuhrleitung 36 öffnet unter Bedingungen, wenn eine Verringerung des Gehäusedurchmessers erwünscht ist, um Kühlluft durch die Auslaßöffnungen strömen zu lassen.

Die Beziehung zwischen den Sprührohren 32 und den Sammelleitungen ist in dem Teillängsschnitt der Verdichtersektion von Fig. 2 gezeigt. Zwei Sammelleitungen sind dargestellt, eine größere Startabzapfsammelleitung 24 und eine kleinere Turbinenkühlluftabzapfleitung 26. Die AbzapfSammelleitungen haben einen kreisförmigen Querschnitt und erstrecken sich in umfangsrichtung um das Gehäuse 16. Von den Sprührohren 32 mit Auslaßöffnungen 38 sind mehrere so ausgebildet, daß sie Kühlluft gegen das Gehäuse leiten. Der kreisförmige Querschnitt der Sammelleitungen ermöglicht das Ausstoßen von Kühlluft unter den Sammelleitungen in dem Gebiet A.

Innerhalb des Gehäuses erstrecken sich mehrere Kränze von an dem Gehäuse befestigten Leitschaufeln 40 über einen Strömungsweg 42 für Arbeitsmediumgase. Zwischen jedem Kranz der Leitschaufeln ist am Gehäuse eine äußere Luftdichtung 44 befestigt. Ein Kranz von Laufschaufeln 46 erstreckt sich nach außen über den Strömungsweg bis in die Nähe jeder äußeren Luftdichtung. Ein radialer Spalt oder Spielraum B ist zwischen der Spitze 48 jeder Laufschaufel und der entsprechenden äußeren Luftdichtung vorgesehen. Die äußeren Luftdichtungen und die Leitschaufeln sind durch sich umfangsmäßig erstreckende Haken 50 an dem Gehäuse befestigt.

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Unter Druck gesetztes Medium aus dem Strömungsweg findet Zugang zu den Sammelleitungen 24 und 26 über öffnungen 52_O Mehrere öffnungen sind für jede Sammelleitung in gegenseitigem Umfangsabstand um das Triebwerk herum angeordnet. Eine Anzahl von öffnungen in dem Bereich von 30 bis 50 hat ausreichende Durchflußquerschnitte ergeben, ohne übermäßige Störungen in der Durchströmung der VerdichtungsSektion hervorzurufen. Eine größere Anzahl von öffnungen würde eine geringere Störung hervorrufen.

Eine Büchse oder Einlage 54 ist in jeder öffnung 52 angeordnet. Die Büchse 54 wird durch Warzen oder Rippen 56 auf Abstand von den Wänden der öffnung gehalten, um eine Wärmeübertragung von der Druckluft auf das Gehäuse in dem Bereich der öffnung zu blockieren. Ein Abstand in der Größenordnung von 0,1 mm bis 0,25 mm hat sich als wirksam erwiesen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Beziehung des Längsflansches 22 zu der StartabzapfSammelleitung 24. In der Ausführungsform von Fig. 3 dringt der Flansch 22 nicht in die Sammelleitung ein. Gehäuseabblaskräfte in dem Sammelleitungsgebiet werden durch den Sammelleitungsflansch 58 allein aufgenommen. In der Ausführungsform von Fig. 4 erstreckt sich der Flansch 22 durch die Sammelleitung hindurch, um eine Gehäuseanordnung zu schaffen, die eine größere axiale Steifigkeit hat. Der Widerstand gegen eine Gehäuseabblaskraft wird dadurch verstärkt, daß eine oder mehrere Schrauben 60 in dem Flansch 22 innerhalb der Sammelleitung angebracht werden. Die Schrauben können durch die Entlüftungsventilöffnung oder durch andere speziell vorgesehene Zugangsöffnungen hindurch eingebaut werden.

Im Betrieb eines Triebwerks, in welchem die oben beschriebene Vorrichtung installiert ist, werden Arbeitsmediumgase durch die Laufschaufeln 46 der Verdichtungssektion unter Druck gesetzt. Druckverhältnisse zwischen Umgebungsbedingungen und dem stromabwärtigen Ende der Verdichtungssektion in der Größenordnung von 30 sind üblich. Der Gesamtverdichtungsprozeß wird vermut-

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lieh die Temperatur der Arbeitsmediumgase auf 500 ⁰C erhöhen, wobei die Temperatur in den Sammelleitungsgebieten typischerweise in dem Bereich von 300 bis 400 ⁰C liegen wird. Die Laufschaufeln 46 sind in inniger Berührung mit den heißen Arbeitsmediumgasen und sprechen schnell auf eine ansteigende Temperatur an. Infolgedessen werden die Spitzen der Laufschaufeln radial nach außen verlagert, wenn das Triebwerk beschleunigt wird und die Temperaturen ansteigen. Das Verdichtergehäuse, das die äußeren Luftdichtungen um die Spitzen der Laufschaufeln herum trägt, ist von den Arbeitsmediumgasen weiter entfernt und spricht langsamer als die Laufschaufeln auf ansteigende Temperaturen an. Der große Anfangsspalt B ist zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und der äusseren Luftdichtung vorgesehen, um das Ansprechen der Laufschaufeln auf die Beschleunigung zu berücksichtigen.

Im Gegensatz zu dem Zustand mit dem Anfangsspalt zum Be~ rücksichtigen eines vorübergehenden Wachstums ist ein minimaler Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen und den äußeren Luftdichtungen im Marschflug und bei anderen stabilen Zuständen erwünscht. Eine enge Entsprechung wird in dieser beschriebenen Ausführungsform geschaffen, indem Kühlluft gegen das Gehäuse strömt, um den Durchmesser des Gehäuses zu verringern oder, stattdessen, das diametrale Wachstum des Gehäuses zu begrenzen. Das Vermeiden von Gehäuseverbindungen bei dem Kühlverfahren ist hinsichtlich der Durchmesserkontrolle kritisch und wird hauptsächlich durch zwei Aspekte der Erfindung gelöst. Erstens ermöglicht der kreisförmige Querschnitt der Sammelleitungen, Kühlluft unter den Sammelleitungen in ^die Nähe der Haken 50 der Gebiete A auszustoßen. Zweitens erstrecken sich die Sammelleitungen über die Längstrennfuge, so daß ein umfangsmäßig gleichmäßiger Querschnitt in den Sammelleitungsgebieten geschaffen wird. Die Ver-

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formung als Ergebnis von örtlich begrenzten Sammelleitungen im Stand der Technik wird vermieden. Außerdem verstärkt und versteift der körperliche Ring der Sammelleitung das Gehäuse und verringert dessen Verwindung.

Ein weiterer Vorteil dessen, daß sich die Sammelleitungen über die Längstrennfuge in dem Gehäuse erstrecken, ist die größere Flexibilität hinsichtlich der Lage der Entlüftungsventile 28. Eine wesentliche Querströmung innerhalb der Sammelleitung wird zu der nahegelegensten Abzapföffnung gestattet, und zwar ungeachtet der Lage dieser öffnung bezüglich der Längstrennfuge. Die Sammelleitungsgröße kann als Ergebnis der in ihr ermöglichten Querströmung verringert werden.

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Claims

Patentansprüche :

Verdichteranordnung für ein Axialgasturbinentriebwerk mit einem Rotor- und einem Statorelement, welch letzteres ein längsgeteiltes Verdichtergehäuse aufweist, gekennzeichnet durch:

ein Verdichtergehäuse (16) mit wenigstens einer angeformten Sammelleitung (24), die sich in Umfangsrichtung um das Aussere des Gehäuses und über die Längstrennfuge in dem Gehäuse erstreckt und mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Öffnungen (52) aufweist, welche aus dem Inneren des Gehäuses in die Sammelleitung führen; und eine Vorrichtung (30) zum thermischen Steuern des Durchmessers des Gehäuses, mit einer Einrichtung (32), die in der Lage ist, Kühlluft unter der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Sammelleitung gegen das Gehäuse auszustoßen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch jede Öffnung (52) eine Büchse (54) zum Schutz des Gehäuses (16) vor in die Sammelleitung (24) einströmenden Arbeitsmediumgasen erstreckt.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (32) zum Ausstoßen von Kühlluft gegen das Gehäuse (16) unter der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Sammelleitung (24) wenigstens ein Rohr aufweist, das sich in Umfangsrichtung um das Gehäuse (16) und im wesentlichen
parallel zu der Sammelleitung erstreckt und mehrere Öffnungen

(38) hat, die Kühlluft unter der Sammelleitung (24) gegen das Gehäuse leiten.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) einen sich nach innen erstreckenden Haken (50)
zum Abstützen von Leitschaufein (40) und äußeren Luftdichtungen (44) in dem Triebwerksgehäuse (16) hat, der unter der Abzapfsammelleitung (24) angeordnet und durch die Einrichtung
(32) zum Ausstoßen von Kühlluft gegen das Gehäuse kühlbar ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Öffnungen (52) , die sich in die Sammelleitung (24) erstrecken, in dem Bereich von dreißig bis fünfzig liegt.

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