DE3038603C2 - Einrichtung zur Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraums eines Gasturbinenlaufrads - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraums zwischen einem Gasturbinenlaufrad und dem dieses umschließenden Strömungskanalwandabschnitt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind bereits rahlreiche Vorschläge zur Steuerung des Schaufelspitzenspielraums im Sinne einer Konstanthaltung bekanntgeworden. Diese reichen von einem Anblasen des mit den Laufschaufelspitzen zusammenwirkenden Strömungskanalwandabschnitts mit aus dem Verdichter abgezweigter kalter Luft zur Verzögerung der Ausdehnung dieses Strömungskanalwandabschnitts bis zum Rückleiten heißer Verbrennungsgase aus dem Turbinenkanal zum Zwecke der Erwärmung des das Laufrad umschließenden Strömungskanalwandabschnitts zwecks Verzögerung von dessen Zusammenzie^ hung bei einer Verzögerung der Gaslürbifte. Dazu sind Ventil- und Steuereinrichtungen erforderlich Und wegen der Strömungsmittelabzweigung muß eine gewisse-Verschlechterung des Gasturbinenwirkungsgrades in Kauf genommen werden. Außerdem können mittels derartiger Maßnahmen nicht alle im Betrieb eines Gasturbinentriebwerks auftretenden Betriebszuständs wie beispielsweise Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge ausreichend berücksichtigt werden.

Aus der CH-PS 4 82 915 ist es bekannt, an einem stromauf eines Turbinenlaufrades angeordneten segmentierten Leitrad, das aus einem teilsegmentierten Innenring, einem segmentierten Außenring und dazwischen verlaufenden Leitschaufeln besteht und bezüglich des Tuminengehäuses radial bewegungsfähig ist, einen das Laufrad umschließenden, ebenfalls segmentierten Abdeckring anzuordnen, der als stromabwärtiger Axialansatz des Außenringes des Leitrades ausgebildet ist Damit wird angestrebt, eine Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraums zwischen den Laufschaufeln und dem Abdeckring aufgrund der Tatsache zu erreichen, daß sich die Leitschaufeln und die Laufschaufeln, die etwa der gleichen Strömungsmitteltemperatur ausgesetzt sind, etwa gleichmäßig ausdehnen und zusammenziehen. Dieser bekannte Vorschlag berücksichtigt jedoch nicht den für das radiale Wärmebewegungsverhalten des Laufrades insgesamt wesentlichen Einfluß des radialen WärmedehnungsverhaUens der Laufradscheibe, die eine im Verhältnis zu den Schaufeln große, thermisch träge Masse hat und einer ganz anderen thermischen Umgebung ausgesetzt ist als die im Strömungskanal befindlichen Schaufeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraums der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die besser als die bisher bekannten Einrichtungen dieser Art das Wärmebewegungsverhalten des gesamten Gasturbinenlaufrades, nämlich unter Einbeziehung des besonderen Wärmebewegungsverhaltens der Laufradscheibe, berücksichtigt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Da der das Gasturbinenla.Jrad umschließende Strömungskanalwandabschnitt stromaufseitig und stromabseitig des Laufrades von einem bezüglich des Turbinengehäuses radial bewegungsfähigen Leitrad bzw. einer ebenfalls bezüglich des Turbinengehäuses radial bewegungsfähigen Haltekonstruktion gehaltert ist und da das Leitrad bzw. die Haltekonstruktion radial innen jeweils mit der der Laufradscheibe verkleinert nachgebildeten und hinsichtlich ihres Wärmebewegungsverhaltens auf diese abgestimmten Ringscheibe gekuppelt ist, werden die radialen Bewegungen des das Gasturbinenlaufrad umschließenden Strömungskanalwandabschnitts von zwei Komponenten bestimmt, nämlich einerseits von den Wärmebewegungen des Leitrades bzw. der Haltekonstruktion, die etwa dem gleichen thermischen Einfluß wie die Laufschaufeln unterliegen und auch hinsichtlich ihrer thermisch tragen Masse mit den Laufschaufeln vergleichbar sind, und andererseits von den Wärmebewegungen der der Laufradscheibe entsprechenden Ringscheiben, so daß die resultierenden radialen Bewegungen des genannten Strömungskanalwandabschnitts sehr genau den insgesamt auftretenden Wärmebewegungen des GasturbinenlaUfrädes entsprechen Und dadurch der Schaufelspitzenspieiraum mit größer Genauigkeit konstant gehaltert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nächste* herid mit Bezug auf die Zeichnung mehr im einzelnen beschrieben, die in schematischem Axialhalbschnitt

einen Ausschnitt der Turbine eines Gasturbinen-Flugzeugtriebwerks mit einer Einrichtung nach der Erfindung zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte Hochdruckturbine vyeist ein Turbinenlaufrad auf, das aus einer ringförmigen Laufradscheibe 20 mit verdicktem Nabenteil 21 und einer Vielzahl von am Laufradscheibenumfang gehalterten Laufschaufeln 22 besteht. Die Laufschaufeln 22 haben übliche Tannenbaumfüße, die in entsprechende Haltenuten der Radscheibe 20 eingesetzt sind. Die Radscheibe 20 ist über Flansche 23 mit der zugehörigen Welle verbunden.

Das stromauf des Turbinenlaufrades angeordnete und diesem zugeordnete Leitrad 25 der Hochdruckturbine besteht aus einer Anzah! von Leitradsegmenten 26, die jeweils mehrere Leitschaufeln 27 umfassen, die zwischen einer radial inneren Plattform 28 und einem radial äußeren Deckbandsegment 9 verlaufen. An ihrer Unterseite sind die Plattformen 28 der Leitradsegmente jeweils mit zwei einen gegenseitigen Axialabstand aufweisenden und radial einwärts ragenden Flanschen 219 versehen, in denen Bohrungen zur Aufnahme eines oder mehrerer Stifte 30 gebildet sind.

Die Stifte 30, die außerdem durch radial orientierte Langlöcher 31 eines in den Zwischenraum zwischen den beiden Flanschen 29 jedes Leitradsegmentes hineinragenden Radialflansches 32 hindurchverlaufen, halten die Leitradsegmente 26 radial beweglich auf dem Radiallflansch 32, der seinerseits an der Flammrohrkonstruktion 33 der Brennkammer des Triebwerks gehaltert ist.

Radial außen sind die Leitradsegmente 26 im Bereich der Leitschaufeleintrittskanten mittels hakenförmiger Ansätze 34 am Turbinengehäuse 36 gehaltert, die an einer am Turbinengehäuse 36 gebildeten Anschlagfläche 35 anliegen.

Stromab des Turbinenlaufrades 20, 22 befindet sich ein weiteres Leitrad 37, das einer nachfolgenden Mitteldruckturbinenstufe zugeordnet ist, deren Laufrad nicht dargestellt ist. Dieses weitere Leitrad 37 ist ähnlich wie das Leitrad 25 der Hochdruckturbine aufgebaut und besteht aur einer Mehrzahl von Segmenten 38, die jeweils mehrere Leitschaufeln 39 umfassen, die zwischen einer radial inneren Plattform 40 und einem äußeren Deckbandsegment 41 verlaufen.

Die Segmente 38 des weiteren Leitrades 37 sind radial außen im Bereich der Leitschaufelaustrittskanten mittels eines Radialflansches 42, det an einer Anschlagfläche 43 des Turbinengehäuses 36 anliegt, an diesem gehaltert.

Sowohl dem der Hochdruckturbine zugeordneten Leitrad 25 als auch dem der Mitteldruckturbine zugeordneten Leitrad 37 ist jeweils eine Ringscheibe 44 bzw. 45 zugeordnet, die hinsichtlich ihres Wärmebewegungsverhaltens auf dasjenige der Hochdruckturbinenlaufradscheibe abgestimmt ist.

Mit der Ringscheibe 44 sind sämtliche Segmente 26 des Hochdruckturbinenleitrades 25 mittels der Stifte 30 verbunden, und zwar unterhalb der jeweiligen Plattform 28 und im Austrittskantenbereich der l.eitschaufeln 27. Bei radialen Wärmedehnungen und Zusammenziehungen der Ringscheibe 44 nimmt dieser die Leitradsegmente 26 mit Und bewegt sie radial auswärts oder einwärtSj wobei er ein Drehmoment auf die Leitradseg* mente 26 um deren radial äußere Hakenansätze 34 herum ausübt. IfI entsprechender Weise haben radiale Wärmedehnungen und Zusammenziehungen des Ringes 45 eine Mitnahme der Leitradsegmente 38 des Mitteldrucklurbinenlaüiiades radial auswärts oder einwärts zur Folge, wobei jeweils ein Drehmoment um die Ringflansche 42 auf diese Leitradsegmente ausgeübt wird.

Die Segmente 26 des Hochdrucklurbinenleitrades 25 sind in der rückwärtigen Stirnfläche ihrer Deckbandsegmente 9 jeweils mit einer Aussparung 47 versehen, in weiche ein als Hohlkonstruktion ausgebildeter segmentierter Strömungskanalwandabschnitt 48,49 mit seinem stromaufseitigen Ende eingreift Das stromaufseitige Ende des Strömungskanalwandabschnitts 48,49 greift in entsprechende Aussparungen 50 in der stromaufwärtigen Stirnfläche der Deckbandsegmente 41 des Mitteldruckturbinenleitrades 37 ein. Der als Hohlkonstruktion ausgebildete Strömungskanalwandabschnitt besteht aus einer segmentierten Wandschale 48 und aus einem luftbestrichenen äußeren Mantel 49. Zwischen dem Mantel 49 und einer Dichtungsfläche 52 des Turbinengehäuses 36 ist eine Dichtungsplp.tte 51 angeordnet, welche radiale Relativbewegungen des Strömungskanalwandabschnitts zuläßt.

Der luftbestrichene äußere Mantel 49 kann mit abwechselnd von beiden Stirnendtii aus eingeschnittenen Schlitzen versehen sein, die ihm eine ausreichende Flexibilität verleihen, damit er den radialen Bewegungen der Deckbandsegmente 9 und 41 der Leiträder 25 und 37 folgen kann. Außerdem ist der Mantel 49 mit einer Vielzahl von Durchbrüchen versehen, durch welche Kühlluft vcn außerhalb des inneren Brennkammergehäuses zu der segmentierten Wandschale 48 hin durchtreten und diese kühlen kann.

Die beiden Ringscheiben 44 und 45 sind jeweils in Form von verkleinerten Turbinenlaufradscheiben ausgebildet und haben jeweils eine Nabenverdickung 53, obwohl sie feststehende Ringe sind. Die Nabenverdikkung 53 dient jedoch als thermisch träge Masse zur Steuerung des thermischen Ansprechverhaltens der Ringscheiben 44 und 45. Außerdem sind die beiden Ringscheiben 44 und 45 aus solchen Werkstoffen hergestellt, die zusammen mit der Gestaltung dieser Ringscheiben sicherstellen, daß ihre wärmebedingten radialen Dehnungen und Zusammenziehungen den WHrmebewegungen des Turbinenlaufrades 20, 21 entsprechen. Zur Anpassung des thermischen Ansprechverhaltens der beiden Ringscheiben 44 und 45 sind diese jeweils durch eine Wärmeabschirmung 54 bzw. 55 abgeschirmt.

Die der Ringscheibe 44 zugeordnete Abschirmung 54 ist an der feststehenden Triebwerkskonstruktion 56 angeschraubt und hält die Stifle 30 so. daß eine gewisse Kippbewegung der Leitradsegmente 26 um ihre Hakenansätze 34 möglich ist, wozu ein gewisses axiales Bewegungsspiel des Flansches 29 erforderlich ist. beispielsweise indem man eine gewisse axiale \'erschiehbarkeit der Konstruktion 56 zuläßt. Die Durchorüche des Radialflansches 32 der feststehenden Konstruktion 56. durch welche die Stifte 30 hindurchverlaufen, sind, wie schon erwähnt, als radial orientierte Langlöcher ausgebildet, um radiale Bewegungen der Ringscheibe 44. der Stifte 30 und der Leitradsegmente 26 zu ermögliche".

Die der Ringscheibe 45 zugeordnete Abschirmung 55 ist einerseits mittels der dem Mitteldruckturbinenleitrad 37 zugeordneten Stifte 46 an diesen gehalten und andererseits über einen radial beweglichen Ansatz: 58 an den Segmenten des Leitrades 37 abgestützt. Die Durchbrüche in d^r Abdeckung 55, durch welche die Stifte 46 hindurchverlaufen, sind wiederum Langlöcher, so daß eine radiale Bewegung des Ringes 45, der Stifte

46 und der Leilradsegmente 38 relativ zur Abschirmung 55 und deren Tragkonstruktion 57 möglich ist. Die Abschirmung 55 und ihre Tragkonstruktion 57 bilden außerdem den feststehenden Teil einer Labyrinthdichtung.

Die Wirkung der Ringscheiben 44 und 45 im Betrieb besteht darin, daß sie die Segmente der Leiträder 25 und 37 bei ihren eigenen Wärmebewegungen mitnehmen und über diese die segmentierte Strömungskanalwandschale 48 radial bewegen, um den jeweils richtigen Schaufelspitzenspielraum zwischen ihnen Und den Spitzen der Laufschaufeln 22 aufrechtzuerhalten. Da das thermische Ansprechverhalten der beiden Ringscheiben 44 und 45 genau auf dasjenige des Turbinenlaufrades

abgestimmt ist, werden die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden der Segmente der Strömungskanalwandschale 48 jeweils gemeinsam radial bewegt und der Schaufelspitzenspielraum zwischin ihnen und den Laufschaufeln 22 mit größerer Genauigkeit konstant gehalten, als es bisher möglich war.

Die Bewegung der Leitradsegmenie 26 und 38 erfolgt jeweils in Form einer Kippbewegung um ihre Anlagestellen am äußeren Turbinengehäuse 36, d. h, die Leitradsegmehte 26 werden zur Vergrößerung des Schaufelspitzenspielraums im Gegenuhrzeigersinn und die Leitradsegmente 38 im Uhrzeigersinn und zur Verringerung des Schaufelspitzenspielräurns in umgekehrtem Sinne gekippt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraums zwischen einem Gasturbinenlaufrad und dem dieses umschließenden Strömungskanalwandabschnitt, wobei der als Hohlkonstruktion ausgebildete, segmentierte Strömungskanalwandabschnitt stromaufseitig von einem dem Laufrad zugeordneten, segmentierten und bezüglich des <o Turbinengehäuses radial bewegungsfähigen Leitrad und stromabseitig von einer stromab des Laufrades angeordneten, ebenfalls segmentierten und bezüglich des Turbinengehäuses radial bewegungsfähigen Haltekonstruktion gehaltert ist, dadurch ge- ;s kennzeichnet, daß dem Leitrad (25) und der Haltekonstruktion (37) jeweils eine radial innerhalb des Strömungskanals angeordnete konzentrische Ringscheibe (44, 45) zugeordnet ist, die in ihrer Querschnittsform dem Laufradscheibenquerschnitt verkleiner·, nachgebildet und durch eine entsprechende wärmeabschirmung (54, 55) auf das thermische Ansprechverhalten der Laufradscheibe (20) abgestimmt ist und die über Mitnehmerverbindungen (30, 46) mit jedem Segment des Leitrades (25) bzw. der Haltekonstruktion (37) verbunden ist und bei Wärmedehnungs- und -zusammenziehungsbewegungen diese Segmente und die von diesen gehalterten Strömungskanalwandsegmente (48, 49) mitnimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, .'aß die stromab des Laufrades (20) angeordnete Haltekonstru^!"ion (37) ein weiteres segmentiertes Leitrad ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitradsegmente (26, 38) jeweils bezüglich des Turbinengehäuses (36) gelenkig angeordnet sind und die ihnen zugeordnete Ringscheibe (44,45) ein Drehmoment im Sinne einer radial gerichteten Bewegung der Segmente des Strömungskanalwandabschnitts (48, 49) auf die einzelnen Leitradsegmente ausübt.