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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abstandsverstellung zwischen einem Turbinenrad und einem Turbinengehäuse einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine.
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Im Bereich einer Turbine ist es erforderlich, den radialen Spalt zwischen dem Rotor, insbesondere ummantelten Rotorblattspitzen und dem Turbinengehäuse auf einen möglichst geringen, konstanten Wert einzustellen. Durch zu große Abstände sinkt der Wirkungsgrad der Turbine, bedingt durch eine Leckageströmung. Bei zu geringen Abständen besteht die Gefahr einer Berührung des Deckbandes oder der Schaufelspitzen mit dem Turbinengehäuse.
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Weiterhin erweist es sich als nachteilig, dass beim Stand der Technik das von seiner radial äußeren Seite mittels Kühlluft gekühlte Turbinengehäuse vielfach keine kreisrunde Form annimmt, da die Zuleitung der Kühlluft sowie Kühlluft-Temperatur über den Umfang unterschiedlich sein können.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mittels Sensoren und Aktuatoren derartige Verformungen mittels einer segmentweisen Regelung zu kompensieren. Dies bedingt einen hohen konstruktiven Aufwand, der hohe Kosten und hohes Gewicht mit sich bringt.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf ein klassisches Turbotriebwerk, welches beliebig viele Wellen haben kann und mit oder ohne Mantelstrom ausgeführt sein kann. Zwischen den mehreren Rotoren der Turbine sind üblicherweise Statoren angeordnet.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Maßnahmen vorbekannt, um die Kühlluft zuzuführen. Diese Maßnahmen sind jedoch vielfach sehr aufwendig und nicht unter allen Betriebsbedingungen optimal wirkend.
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Weiterhin kennt der Stand der Technik Lösungen, bei denen die Abstandseinstellung zwischen den ummantelten Rotorblattspitzen und dem Turbinengehäuse durch Anblasen des Turbinengehäuses mit Kühlluft erfolgt. Während des Betriebes werden keinerlei Messungen durchgeführt, vielmehr ergeben sich die Werte für die Menge, die Temperatur und den Druck der Kühlluft aus Versuchen, wobei vom ungünstigsten Fall ausgegangen wird. Diese Vorgehensweise ist nicht für alle Gasturbinen und für alle Betriebszustände optimal.
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Weiterhin ist es bekannt, den Abstand zwischen den ummantelten Rotorblattspitzen und dem Turbinengehäuse durch unterschiedliche Drücke anzupassen, wobei in einer das Turbinengehäuse umgebenden Druckkammer verschiedene Drücke erzeugt werden können, welche unterschiedlich einstellbar sind. Auch diese Vorgehensweise ist nicht immer optimal.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abstandsverstellung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Anwendbarkeit eine optimale Spalteinstellung zwischen einem Turbinenrad und einem Turbinengehäuse ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Turbinengehäuses gemäß Anspruch 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass in einem Gehäuse eines Turbotriebwerks, welches am Umfang in mehrere Segmente unterteilt ist, welche sich in Umfangsrichtung und in Axialrichtung erstrecken und eine innere Gehäusewandung bilden, eine sich im Bereich jedes Segments zumindest radial nach innen gerichtete Ausnehmung zur Durchleitung von Kühlluft vorgesehen ist und dass radial von den Segmenten nach außen gerichtete Wärmetauscher-Trennelemente vorgesehen sind, welche voneinander beabstandet sind und selektiv mit Kühlluft beaufschlagbar sind.
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Erfindungsgemäß ist somit das Turbinengehäuse so ausgebildet, dass es ein inneres Gehäuse umfasst. Dieses innere Gehäuse ist in die erwähnten Segmente unterteilt und wird bevorzugterweise von einem äußeren Gehäuse umgeben, um die Kühlluft einleiten zu können.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Möglichkeit, die Wärmetauscher-Trennelemente selektiv mit Kühlluft zu beaufschlagen, ist es möglich, am Umfang des Turbinengehäuses unterschiedliche Kühlwirkungen zu erzielen. Die unterschiedliche Kühlung führt zu einer thermischen Ausdehnung oder Kontraktion, wodurch der Ringspalt zwischen den Schaufelspitzen des Rotors und dem Turbinengehäuse exakt einstellbar ist. Erfindungsgemäß lassen sich somit insbesondere Unrundheiten über den Umfang des Turbinengehäuses so ausgleichen, dass über den gesamten Umfang eine kreisringförmige innere Gehäusewandung gegeben ist, welche mit einer üblicherweise vorgesehenen Labyrinthdichtung oder anderen Dichtungen zwischen den ummantelten Spitzen des Turbinenrotors und der Gehäusewandung in optimaler Weise zusammenwirkt.
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Erfindungsgemäß sind zur Abstandskontrolle zwischen dem Turbinengehäuse und den ummantelten Rotorblattspitzen keine Sensoren oder Aktuatoren erforderlich, weiterhin wird keine Temperaturkontrolle oder Temperaturregelung benötigt. Durch die unterschiedliche, selektive Beaufschlagung mit Kühlluft ist es vielmehr möglich, konstruktiv Vorsorge zu treffen, dass die am Umfang vorgesehenen Bereiche des Turbinengehäuses in geeigneter Weise gekühlt werden, um durch die unterschiedliche Wärmekontraktion den Ringspalt einzustellen und zu optimieren. Erfindungsgemäß können sich somit die Segmente unabhängig voneinander abkühlen, wodurch sich eine optimierte Kreisform ergibt.
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Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn die Wärmetauscher-Trennelemente stegartig oder alternativ hierzu wabenartig ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich bevorzugterweise eine Labyrinthführung für die durchströmende Kühlluft. Durch diese Labyrinthführung ist es möglich, den Kühlluftstrom entsprechend den Anforderungen zu bemessen, um die gewünschte, über den Umfang ungleichmäßige Kühlwirkung zu erzielen.
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Erfindungsgemäß ist es günstig, wenn die Ausnehmungen zur Einleitung von Kühlluft in den Innenraum des Turbinengehäuses in Richtung auf die Rotoren bzw. Statoren durch Ausnehmungen in der inneren Gehäusewandung gebildet werden. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, diese Ausnehmungen durch Spalte zwischen benachbarten Segmenten auszubilden.
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Um den Wärmeübergang zwischen der Kühlluft und den Segmenten zu optimieren und eine ausreichende Kühlung sicherzustellen, kann es günstig sein, wenn die Wärmetauscher-Trennelemente zur Bildung der Labyrinthführung mit radial außen an den Segmenten angeordneten Luftführungselementen in Zusammenwirkung bringbar sind. Hierdurch ist es möglich, die Kühlluftströmung über eine vergrößerte Oberfläche zu leiten und das Kühlluftvolumen zu optimieren.
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Zur Vorab-Einstellung des Kühlluftvolumens kann es weiterhin vorteilhaft sein, von radial außen selektiv Verschlusselemente einzubringen, welche die Kühlluftführung und den Kühllufteintritt zu den Wärmetauscher-Trennelementen ganz oder teilweise verschließen. Hierdurch ist es möglich, die Kühlluftströmung weiter zu optimieren.
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Um eine optimale Kühlung der einzelnen Segmente sicherzustellen, kann es günstig sein alle oder, zumindest einzelne der Segmente mit einer zusätzlichen Isolierschicht zu versehen, welche an der radial nach außen weisenden Seite der inneren Gehäusewandung angebracht ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Turbinenbereichs einer Gasturbine,
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2 eine vergrößerte Detailansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses mit großem Radialspalt,
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3 eine Ansicht, analog 2, mit geringem Radialspalt,
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4 eine Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels, analog 2,
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5 eine Ansicht des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels, analog 3, mit geringem Randspalt, und
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6 eine vereinfachte Radialschnittdarstellung.
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Die 1 zeigt einen Teilbereich eines Turbinenbereichs einer Fluggasturbine im Axialschnitt. Dabei sind gemäß dem Stand der Technik ausgebildete Turbinenrotoren 9 dargestellt, deren radial nach außen weisende Schaufelspitzen jeweils mittels eines Deckbands 11 verbunden sind, wobei das Deckband 11 mit einer Labyrinthdichtung versehen ist, welcher eine Abdichtung zu einem Turbinengehäuse bildet. Die Zuführung von Kühlluft 6 ist durch die gestrichelten Linien schematisch dargestellt.
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Die 2 bis 5 zeigen Detailansichten des Bereichs zwischen dem Deckband 11 des Turbinenrotors 9 und einer inneren Gehäusewandung 2, jeweils in einer Radialschnittebene, so wie dies auch in 6 dargestellt und durch den Detailkreis markiert ist.
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Das Turbotriebwerk 1 weist somit eine innere Gehäusewandung 2 auf, welche durch einzelne Segmente 3 gebildet wird. Die Segmente erstrecken sich, wie aus 6 ersichtlich ist, in Umfangsrichtung sowie in Axialrichtung (siehe 1). Die Segmente weisen Kühlluftdurchleit-Ausnehmungen 4 auf, durch welche die Kühlluft, welche von radial außerhalb einströmt, in den Bereich der inneren Gehäusewandung 2 (an deren radial innenliegenden Seite) geleitet werden kann. Die Ausnehmungen 4 können durch Spalte zwischen benachbarten Segmenten 3 gebildet werden, so wie dies insbesondere aus 6 ersichtlich ist.
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Die 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem an der radial äußeren Seite der inneren Gehäusewandung 2 mehrere Wärmetauscher-Trennelemente 5 vorgesehen sind, welche fächerartig oder rippenartig ausgebildet sind. Die Wärmetauscher-Trennelemente 5 wirken mit Luftführungselementen 7 zusammen, welche eine Labyrinthführung 13 für die Kühlluft 6 ausbilden. Durch geeignete Dimensionierung sowohl der Luftführungselemente 6 als der Wärmetauscher-Trennelemente 5 sowie durch geeignete Wahl der Abstände zwischen diesen beiden ist es möglich, das Volumen an Kühlluft 6 sowie die Strömungsgeschwindigkeit und die Druckverhältnisse selektiv zu wählen. Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Randspalt relativ groß ist, während die 3 einen Zustand zeigt, bei welchem der Randspalt gering ist. Durch unterschiedliche Kühlluftführungen ist es somit möglich, die Wärmekontraktion oder Wärmeausdehnung der Segmente 3 geeignet zu beeinflussen, um einen möglichst geringen, gleichbleibenden Randspalt zwischen dem Deckband 11 und der inneren Gehäusewandung 2 zu erzielen und um Unrundheiten (bezogen auf einen Radialschnitt, siehe 6) zu kompensieren.
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Bei dem in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich Verschlusselemente 8, beispielsweise in Form von Schrauben, vorgesehen, welche die Kühlluft-Eintrittskanäle ganz oder teilweise verschließen können, so dass in diesen Bereichen keine Kühlung durch Kühlluft erfolgt bzw. nur eine geringere Kühlung erfolgt. Auch hierbei zeigt die 4 einen größeren Randspalt, während die 5 einen geringeren Randspalt darstellt.
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Erfindungsgemäß erfolgt somit die Kühlluft-Einleitung durch die Kühlluftdurchleit-Ausnehmungen 4 so, dass auch der Kühleffekt im Randspalt zwischen dem Deckband 11 und der inneren Gehäusewandung 2 (in der Axialströmung) optimiert und den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden kann. Durch eine verstärkte Kühlung zieht sich das Gehäuse zusammen, wodurch der Randspalt kleiner wird. Durch eine geringere Kühlung dehnt sich das Gehäuse aus, so dass der Randspalt größer wird.
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Die 4 und 5 zeigen in schematischer Weise eine Isolierschicht an den Luftführungselementen 7, welche zur Trennung der Kühlluftzuführung von den zu kühlenden Elementen/Segmenten vorgesehen ist.
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Da die Wärmeübergänge und die Kühlverhältnisses bei der Konstruktion bzw. beim Bau der Gasturbine vorbestimmbar oder simulierbar sind, ist es somit erfindungsgemäß möglich, vorab eine bauliche Anpassung vorzunehmen, so dass während des Betriebs der Gasturbine keine Anpassungen oder Verstellungen zur Veränderung der Kühlung und zur Einstellung des Randspaltes erforderlich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbotriebwerk
- 2
- innere Gehäusewandung
- 3
- Segment
- 4
- Kühlluftdurchleitausnehmung
- 5
- Wärmetauscher-Trennelement
- 6
- Kühlluft
- 7
- Luftführungselement
- 8
- Verschlusselement
- 9
- Turbinenrotor
- 10
- Turbinenstator
- 11
- Deckband
- 12
- Isolierschicht
- 13
- Labyrinthführung