DE60314476T2

DE60314476T2 - Anordnung eines Gehäuses einer Gasturbine und einer Rotorschaufel

Info

Publication number: DE60314476T2
Application number: DE60314476T
Authority: DE
Inventors: Richard Stewart Booth
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2002-07-20
Filing date: 2003-06-28
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2023-06-29
Also published as: GB0216952D0; DE60314476D1; US6832890B2; US20040013518A1; EP1382799A2; EP1382799B1; EP1382799A3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für ein Gasturbinen-Triebwerk. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bezieht sich diese Erfindung auf die Rotorbaugruppe und das diese umgebende Gehäuse eines Gasturbinen-Triebwerks.
Ein Gasturbinen-Triebwerk umfasst in Serie ein Gebläse (oder einen Niederdruck-Kompressor), einen oder mehrere Kompressoren für einen höheren Druck, eine Verbrennungskammer zum Verbrennen der komprimierten Luft von den Kompressoren mit Treibstoff, und eine oder mehrere Turbinen, die durch die Abgase von der Verbrennungskammer angetrieben werden. Diese Bauteile des Gasturbinen-Triebwerks sind in einem ringförmigen Gehäuse enthalten.
Die Kompressoren von Gasturbinen-Triebwerken sind üblicherweise Axial-Kompressoren, die abwechselnde Reihen von rotierenden (Rotor-) Schaufeln und stationären (Stator-) Leitschaufeln umfassen, um die durch diese hindurchströmende Luft zu beschleunigen und zu diffundieren, bis ein erforderlicher Druckanstieg erreicht wird. Das die Kompressoren umgebende Gehäuse umfasst normalerweise eine Anzahl von axial benachbarten zylindrischen Gehäuseelementen, die miteinander verschraubt sind. Die Größe des Spiels zwischen den Spitzen der Kompressor-Rotorschaufeln und der Innenoberfläche des ringförmigen Gehäuses ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Gasturbinen-Triebwerk-Konstruktion, weil ein größerer Spalt zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln und der inneren Gehäuseoberfläche ein größeres Ausmaß an Arbeits-Strömungsmedium-Leckage über die Spitzen der Schaufeln ermöglichen würde, als dies wünschenswert ist.
Es ist bekannt, die Innenoberfläche des Kompressor-Gehäuses mit einer abschleifbaren Auskleidung zu versehen, die durch Abnutzung aufgebraucht wird, wenn auf dieser die Spitzen der Rotorschaufeln reiben. Kompressor-Rotorschaufeln werden in vielen Fällen aus Titan hergestellt, die sich entzünden können, wenn sie gegen eine nicht ausgekleidete Innenoberfläche des Gehäuses reiben. Die Bereitstellung einer derartigen abschleifbaren Auskleidung unterstützt das Halten des Rotorspitzen-Spiels auf ein Minimum und trägt weiterhin dazu bei, Schäden an den Rotorspitzen zu verhindern, die durch Reibungs-Feuer von Titan-Rotoren hervorgerufen werden.
Es ist weiterhin bekannt, Schlitze in der Innenoberfläche des Gehäuses in Radialrichtung benachbart zu den Kompressor-Rotorschaufel-Spitzen vorzusehen. Diese Schlitze ergeben den Vorteil, dass sie die Rezirkulation des Arbeitsströmungsmediums über die Schaufelspitzen innerhalb der Schlitze ermöglichen, wobei bekannt ist, dass dies aerodynamische Vorteile bietet. Eine Anordnung nach dem Stand der Technik ist in dem Dokument US 5762470 A1 gezeigt.
Die Bereitstellung von Schlitzen innerhalb der Innenoberfläche des Kompressor-Gehäuses in Kombination mit einer abschleifbaren Auskleidung ist jedoch problematisch. Die maschinelle Bearbeitung derartiger Schlitze in einem Gehäuse, das bereits ausgekleidet wurde, kann die Auskleidung beschädigen und deren Nutzen für den Triebwerks-Wirkungsgrad verringern. Das Aufbringen der abschleifbaren Auskleidung nach der maschinellen Bearbeitung der Schlitze, beispielsweise durch Abdecken der Schlitze vor dem Aufsprühen des Auskleidungsmaterials, kann zu ausgefransten Rändern des Auskleidungsmaterials um die Schlitze herum führen. Weiterhin hat das Auskleidungsmaterial die Neigung, von dem Gehäuse abzufallen.
Wenn die Innenoberfläche des Kompressor-Gehäuses nicht mit einer abschleifbaren Auskleidung versehen ist, so ist es bekannt, die Spitzen der Kompressor-Rotorschaufeln dünner auszugestalten. Dies fördert die Wärmeabfuhr in dem Fall, dass die Schaufelspitze gegen das Gehäuse reibt, wodurch die Gefahr des Zündens eines Titan-Feuers in dem Kompressor verringert wird. Schaufel-Schäden bei starkem Reiben können ebenfalls verringert werden. Alternativ können die Schaufel-Spitzen durch das Aufbringen einer harten Beschichtung gehärtet werden, sas dazu beiträgt, die Gefahr von Titan-Feuern dadurch zu verringern, dass verhindert wird, dass das Titan direkt gegen das Material des Gehäuses reibt. Als weitere Alternative können die Schaufel-Spitzen hinterschnitten werden, um auf diese Weise das Spitzen-Spiel zu vergrößern. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit eines Reibens, jedoch auf Kosten des Wirkungsgrades.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung für ein Gasturbinen-Triebwerk geschaffen, wobei die Anordnung einen Rotor und ein diesen umgebendes Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse eine allgemein zylindrische Innenoberfläche aufweist, wobei die Innenoberfläche einen ersten zylindrischen Abschnitt und einen zweiten axial benachbarten zylindrischen Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt mit einer Anzahl von Ausnehmungen in einer Umfangs-Anordnung versehen ist und der zweite Abschnitt mit einer abschleifbaren Auskleidung versehen ist, wobei der Rotor eine ringförmige Anordnung von Rotorschaufeln hat, wobei jede Schaufel eine äußere Spitze aufweist und jede der Spitzen einen behandelten Teil und einen unbehandelten Abschnitt Teil, wobei der behandelte Teil der Spitze zumindest teilweise gegenüberliegend zu dem ersten zylindrischen Abschnitt der Innenoberfläche des Gehäuses liegt und der unbehandelte Teil der Spitze benachbart zu dem zweiten zylindrischen Abschnitt der Innenoberfläche des Gehäuses liegt.
Vorzugsweise ist der erste zylindrische Abschnitt in Axialrichtung stromaufwärts von dem zweiten zylindrischen Abschnitt angeordnet.
Die Ausnehmungen können Schlitze umfassen, die in der zylindrischen Innenoberfläche des Gehäuses vorgesehen sind. Jeder Schlitz kann einen allgemein rechtwinkligen Querschnitt haben.
Der behandelte Teil der Rotorschaufel-Spitze kann an dem voreilenden Kantenbereich der Rotorschaufel vorgesehen sein.
Der behandelte Teil der Rotorschaufel-Spitze kann härter als der unbehandelte Teil der Rotorschaufel-Spitze sein.
Der behandelte Teil der Rotorschaufel-Spitze kann mit einer harten Beschichtung versehen sein, wobei die Beschichtung härter als der unbehandelte Teil der Schaufelspitze ist. Die harte Beschichtung kann ein Aluminiumoxid sein.
Die Dicke des behandelten Teils der Rotorschaufel-Spitze kann geringer als die des unbehandelten Teils sein.
Der Rotor kann ein Hochdruck-Kompressor-Rotor für ein Gasturbinen-Triebwerk sein.
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gasturbinen-Triebwerk geschaffen, das einen Kompressor einschließt, der eine Anordnung beinhaltet, wie sie in einem der vorhergehenden neun Absätze beschrieben ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr lediglich in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Querschnittsansicht einer Hälfte eines Gasturbinen-Triebwerks ist;
2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A nach 1 ist, die einen Teil der Gehäuse-Struktur und eine zugehörige Rotorschaufel zeigt;
3 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie B-B nach 2 ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Rotorschaufel-Spitze nach den 2 und 3 ist; und
5 eine eine perspektivische Ansicht einer Rotorschaufel-Spitze gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Gemäß 1 umfasst ein allgemein bei 10 gezeigtes Gasturbinen-Triebwerk in Reihe in Axialströmungsrichtung einen Lufteinlass 11, ein Vortriebsgebläse 12, einen Mitteldruck-Kompressor 13, einen Hochdruck-Kompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15, eine Turbinenanordnung, die eine Hochdruck-Turbine 16, eine Mitteldruck-Turbine 17 und eine Niederdruck-Turbine 18 umfasst, und eine Auslassdüse 19.
Das Gasturbinen-Triebwerk 10 arbeitet in konventioneller Weise, so dass in den Einlass 11 eintretende Luft durch das Gebläse 12 beschleunigt wird, das zwei Luftströmungen erzeugt, eine erste Luftströmung in den Mitteldruck-Kompressor 13 und eine zweite Luftströmung, die einen Vortriebs-Schub liefert. Der Mitteldruck-Kompressor komprimiert die Luftströmung, die auf ihn gelenkt wird, bevor diese Luft an den Hochdruck-Kompressor 14 geliefert wird, an dem eine weitere Kompression erfolgt.
Die von dem Hochdruck-Kompressor 14 ausgestoßene komprimierte Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 15 gelenkt, in der sie mit Treibstoff gemischt und die Mischung verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte dehnen sich dann durch die Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruck-Turbinen 16, 17 und 18 aus und treiben diese an, bevor sie durch die Düse 19 hindurch ausgestoßen werden, um einen zusätzlichen Vortriebs-Schub zu liefern. Die Kompressoren 13 und 14, die Verbrennungseinrichtung 15 und die Turbinen 16, 17 und 18 sind von einer ringförmigen Gehäuse-Struktur 24 umschlossen.
Die Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruck-Turbinen 16, 17 bzw. 18 treiben den Hochdruck- und Mitteldruck-Kompressor 14 und 13 und das Gebläse 12 über jeweilige Verbindungswellen 26, 28 und 30 an. Die Antriebswellen 26, 28 und 30 sind konzentrisch um die Mittelachse X-X des Gasturbinen-Triebwerkes herum befestigt. Die Mittel- und Hochdruck-Kompressoren 13 und 14 umfassen abwechselnde Anordnungen von Rotorschaufeln 20 und Statorschaufeln 22. Die radial innen liegende Oberfläche 32 des Gehäuses 24 ist allgemein zylindrisch und so angeordnet, dass sie den Rotor umgibt. Die Rotorschaufeln 20 sind aus Titan hergestellt und in einer Umfangs-Anordnung angeordnet, die sich von der Achse X-X in Radialrichtung nach außen erstreckt. Die Rotorschaufeln 20 sind unterhalb der Innenoberfläche 32 des Gehäuses 24 angeordnet und an ihren Basisteilen auf jeweiligen Plattformen 34 und 36 befestigt. Die Schaufeln weisen einen Flügel-Querschnitt auf, und die Spitzen 38 der Schaufeln sind eng benachbart zu der Innenoberfläche 32 des Gehäuses 24 angeordnet. Jede Rotorschaufel umfasst eine voreilende Kante 50 und nacheilende Kante 52.
Gemäß den 2 und 3 ist eine Anzahl von Ausnehmungen 40 innerhalb des Innenoberfläche 32 des Gehäuses 24 vorgesehen, und die Ausnehmungen bilden eine Umfangsrichtungs-Anordnung um die Rotorschaufeln 20 herum, von denen eine in 2 und 3 gezeigt ist. Bei der Ausführungsform sind vier Ausnehmungen 40a–40d in Radialrichtung außen liegend von jeder Rotorschaufel 20 angeordnet. Die Ausnehmungen sind als gewinkelte Schlitze in dem Gehäuse 24 ausgebildet. Der Abstand der Schlitze und der Winkel, mit dem sie sich in das Gehäuse hinein erstrecken, hängt von der aerodynamischen Effizienz ab, die bei vorgegebenen Triebwerks-Bedingungen erforderlich ist. Entsprechend hängt die Wahl des Schlitz-Winkels und dessen Tiefe von den Betriebseigenschaften der einzelnen Triebwerke ab. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Schlitze unter einem Winkel von ungefähr 30° zu dem Innengehäuse 32 abgewinkelt. Jeder Schlitz 40 weist einen rechtwinkligen Kastenquerschnitt auf, obwohl andere geeignete Querschnitte verwendet werden können, wie z.B. zylindrisch oder kubisch. Die Schlitze werden durch maschinelle Bearbeitung oder durch Funkenerosions-(EDM-)Techniken während der Herstellung des Gehäuses 24 geformt. Bei diesem Beispiel sind die Schlitze als Blindschlitze gezeigt, sie könnten jedoch alternativ miteinander innerhalb des Körpers des Gehäuses 24 durch einen Kanal miteinander verbunden sein, der als Plenum bekannt ist.
Wie dies in 3 gezeigt ist, ist der geschlitzte Teil 42 des Gehäuses 24 stromaufwärts von einem nicht geschlitzten Teil 44 des Gehäuses 24 und in Axialrichtung benachbart zu diesem Teil angeordnet. Um die Schlitze 40 aufzunehmen, ist der geschlitzte Teil des Gehäuses 24 mit einer größeren radialen Dicke dargestellt, als der axial benachbarte ungeschlitzte Teil 44, der keine Schlitze 40 enthält. Dies muss jedoch nicht immer erforderlich sein. In 3 ist der äußere Teil eines Schlitzes 40b oberhalb des inneren Endes des benachbarten Schlitzes 40c sichtbar. Die Ansicht irgendeines Teils hängt von den Einzelheiten der Schlitzform, Schlitzgröße, des Abstandes und der Ausrichtung ab. Der ungeschlitzte Teil 44 des Gehäuses 24 ist mit einer abschleifbaren Auskleidung 46 versehen. Die abschleifbare Auskleidung 46 wird während des Herstellungsprozesses auf die Innenoberfläche 32 des Gehäuses 24 aufgesprüht, wobei der geschlitzte Bereich des Gehäuses 24 während des Aufbringens gegenüber dem abschleifbaren Material abgedeckt wird. Der ungeschlitzte Teil 44 des Gehäuses 24 liegt axial benachbart zu dem geschlitzten Teil 42 einer Stromabwärts-Richtung gegenüber der Richtung der Luftströmung durch das Gasturbinen-Triebwerk 10 von dem Gebläse 12 zu der Auslassdüse 19.
Die äußeren Spitzen der Rotorschaufeln 20 sind mit Abstand radial nach innen von der Innenoberfläche 32 des Gehäuses 24 angeordnet, um ein kleines Spaltspiel 48 zwischen diesen Teilen zu schaffen. Die Spitze 38 jeder Rotorschaufel 20 ist mit einem voreilenden Teil 54 versehen, der gegenüber dem Rest der Rotorschaufel 20 gehärtet ist, wie dies in 4 gezeigt ist, oder der dünner gemacht ist, wie dies in 5 gezeigt ist. Das Härten kann durch Aufbringen eines geeigneten Beschichtungsmaterials, wie z.B. eines Aluminiumoxids Al₂O₃, oder durch irgendwelche bekannten Material-Härtungstechniken bewirkt werden. Das Härten oder das Verringern der Dicke der Schaufel-Spitze verringert die Gefahr eines Titan-Feuers, wie es vorstehend beschrieben wurde. Die Dicke des eine verringerte Dicke aufweisenden Teils 54 der Rotor-Spitze kann bis herunter zu ungefähr 0,010 mm reichen.
Der Teil 54 der Schaufel-Spitze, der mit der Härtungs- oder Dickenverringerungs-Behandlung versehen ist, befindet sich gegenüberliegend zu dem geschlitzten Bereich der Innenoberfläche des Gehäuses 32, so dass er sich teilweise über die radial benachbarten Schlitze erstreckt. Der verbleibende Teil der Schaufel-Spitze 38, der den unbehandelten Bereich umfasst, befindet sich gegenüberliegend zu der abschleifbaren Auskleidung 46 des Gehäuses 44. Somit schließt die Innenoberfläche 32 des Gehäuses 24 sowohl eine abschleifbare Auskleidung 46 als auch einen geschlitzten Abschnitt 42 auf, wobei der letztere in Axialrichtung stromauf von der abschleifbaren Auskleidung 46 angeordnet ist. Der geschlitzte Abschnitt des Gehäuses umgibt in Umfangsrichtung die behandelten Teile 54 der Rotorschaufel- Spitzen, und der ausgekleidete Abschnitt 46 des Gehäuses 32 umgibt in Umfangsrichtung die unbehandelten Schaufel-Spitzen-Teile.
Im Gebrauch kann der behandelte Teil 54 der Rotorschaufel-Spitze gegen die Innenoberfläche des geschlitzten Abschnitts des Gehäuses 24 reiben. Dies ruft eine Abnutzung der Schaufel oder des Gehäuses oder von beiden hervor. In vielen praktischen Situationen wird die Schaufel-Spitze wahrscheinlich bevorzugt gegenüber dem Gehäuse abgenutzt, jedoch ist eine gewisse Abnutzung an beiden wahrscheinlich. Das Ausmaß der Abnutzung hängt von Faktoren ab, wie z.B. der Materialauswahl, den Wellendrehzahlen usw.. Als eine Alternative zum Härten oder zum Verringern der Dicke des Teils 54 kann die Schaufel-Spitze in dem Teil 54 hinterschnitten werden, um das Spitzen-Spiel in diesem Bereich zu vergrößern und die Gefahr eines Reibens zu verringern. Es wird in Betracht gezogen, dass die Hinterschneidung an der voreilenden Kante der Schaufel 20 ein Maximum sein würde und sich in der Nähe der Grenzfläche zwischen den behandelten und unbehandelten Teilen 54 bzw. 38 der Schaufel-Spitze auf Null verringern würde.
Der verbleibende oder unbehandelte Teil der Schaufel-Spitze 38 kann gegen die abschleifbare Auskleidung 46 reiben, wodurch wiederum ein Spalt-Spiel 48 zwischen der Schaufel-Spitze und der Innenoberfläche des Gehäuses gebildet werden kann, wahrscheinlich durch Abnutzung der Auskleidung 46, jedoch kann auch eine Abnutzung des unbehandelten Teils der Spitze 38 auftreten. Somit werden die aerodynamischen Vorteile der Bereitstellung von Schlitzen innerhalb der Gehäuse-Struktur in Kombination mit den Vorteilen einer abschleifbaren Auskleidung erzielt.

Claims

Anordnung für ein Gasturbinen-Triebwerk, wobei die Anordnung einen Rotor und ein diesen umgebendes Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse eine allgemein zylindrische Innenoberfläche aufweist, wobei die Innenoberfläche einen ersten zylindrischen Abschnitt und einen zweiten axial benachbarten zylindrischen Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt mit einer Anzahl von Ausnehmungen in einer Umfangsrichtungs-Anordnung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt mit einer abschleifbaren Auskleidung versehen ist und der Rotor eine ringförmige Anordnung von Rotorschaufeln umfasst, wobei jede Schaufel eine äußere Spitze aufweist, wobei jede der Spitzen einen behandelten Teil und einen unbehandelten Teil umfasst, so dass der behandelte Teil der Spitze sich zumindest teilweise gegenüberliegend zu dem ersten zylindrischen Abschnitt der Innenoberfläche des Gehäuses befindet und der unbehandelte Teil der Spitze zumindest teilweise gegenüberliegend zu dem zweiten zylindrischen Abschnitt der Innenoberfläche des Gehäuses liegt.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der der erste zylindrische Abschnitt in Axialrichtung stromauf von dem zweiten zylindrischen Abschnitt angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Ausnehmungen Schlitze umfassen, die innerhalb der zylindrischen Innenoberfläche des Gehäuses vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 3, bei der jeder Schlitz einen allgemein rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der behandelte Teil des Rotorschaufel-Spitze an dem voreilenden Kantenbereich der Rotorschaufel vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der behandelte Teil der Rotorschaufel-Spitze härter als der unbehandelte Teil der Rotorschaufel-Spitze ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der behandelte Teil der Rotorschaufel-Spitze mit einer harten Beschichtung versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 7, bei der die harte Beschichtung eine Aluminiumoxid-Beschichtung ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Dicke des behandelten Teils der Rotorschaufel-Spitze kleiner als die des unbehandelten Teils ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Rotor ein Hochdruck-Kompressor-Rotor eines Gasturbinen-Triebwerkes ist.
Gasturbinen-Triebwerk, das einen Kompressor einschließt, der eine Anordnung beinhaltet, wie sie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist.