DE102009054006A1

DE102009054006A1 - Turbine housing for gas turbine of turbo engine, particularly aircraft, is subdivided in multiple segments at circumference, where segments are extended in circumferential direction and in axial direction

Info

Publication number: DE102009054006A1
Application number: DE200910054006
Authority: DE
Inventors: Rudolf Lück; Sinikka Salchow
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-05-26

Abstract

The turbine housing is subdivided in multiple segments at circumference, where the segments are extended in circumferential direction and in axial direction. The segments form an inner housing wall. A radially inwardly directed recess is formed for a carriage of cooling air (6) in the area of each segment.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abstandsverstellung zwischen einem Turbinenrad und einem Turbinengehäuse einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine.The invention relates to a device for adjusting the distance between a turbine wheel and a turbine housing of a gas turbine, in particular an aircraft gas turbine.

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.In the area of a turbine, it is necessary to set the radial gap between the rotor, in particular shrouded rotor blade tips, and the turbine housing to a very low, constant value. Too large distances reduce the efficiency of the turbine, due to a leakage flow. Too small distances there is a risk of contact of the shroud or the blade tips with the turbine housing.

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.Furthermore, it proves to be disadvantageous that in the prior art, the cooled by its radially outer side by means of cooling air turbine housing often does not take a circular shape, since the supply of cooling air and cooling air temperature can be different over the circumference.

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.From the prior art, it is known to compensate for such deformations by means of sensors and actuators by means of a segment-by-segment control. This requires a high design effort, which brings high costs and high weight.

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.The invention thus relates to a classic turbo engine, which can have any number of waves and can be designed with or without sheath current. Stators are usually arranged between the several rotors of the turbine.

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.From the prior art, various measures are already known to supply the cooling air. However, these measures are often very expensive and not optimally effective under all operating conditions.

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.Furthermore, the prior art knows solutions in which the distance adjustment between the shrouded rotor blade tips and the turbine housing is effected by blowing the turbine housing with cooling air. During the operation, no measurements are made, but the values for the amount, the temperature and the pressure of the cooling air result from experiments, starting from the worst case. This approach is not optimal for all gas turbines and for all operating conditions.

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.Furthermore, it is known to adjust the distance between the sheathed rotor blade tips and the turbine housing by different pressures, wherein in a pressure chamber surrounding the turbine housing different pressures can be generated, which are adjustable differently. This procedure is not always optimal.

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.The invention has for its object to provide a distance adjustment of the type mentioned above, which allows for a simple structure and simple, cost-effective applicability optimal gap adjustment between a turbine wheel and a turbine housing.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Turbinengehäuses gemäß Anspruch 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the features of the turbine housing according to claim 1, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.

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.According to the invention it is thus provided that in a housing of a turbo-engine, which is divided on the circumference into a plurality of segments which extend in the circumferential direction and in the axial direction and form an inner housing wall, in the region of each segment at least radially inwardly directed recess for the passage of Cooling air is provided and that radially outwardly of the segments outwardly directed heat exchanger separating elements are provided, which are spaced apart from each other and can be acted upon selectively with cooling air.

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.According to the invention, the turbine housing is thus designed such that it comprises an inner housing. This inner housing is subdivided into the mentioned segments and is preferably surrounded by an outer housing in order to be able to introduce the cooling air.

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.By inventively provided possibility of selectively applying cooling air to the heat exchanger separating elements, it is possible to achieve different cooling effects on the circumference of the turbine housing. The different cooling leads to a thermal expansion or contraction, whereby the annular gap between the blade tips of the rotor and the turbine housing is precisely adjustable. According to the invention, it is thus possible in particular to compensate for out-of-roundness over the circumference of the turbine housing in such a way that over the entire circumference there is an annular inner housing wall which optimally interacts with a commonly provided labyrinth seal or other seals between the shrouded tips of the turbine rotor and the housing wall.

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.According to the invention, no sensors or actuators are required for distance control between the turbine housing and the shrouded rotor blade tips; furthermore, no temperature control or temperature control is required. Due to the different, selective admission with Cooling air, it is rather possible to make constructive provision that the provided on the circumference areas of the turbine housing are cooled in a suitable manner to adjust and optimize the annular gap by the different thermal contraction. According to the invention, the segments can thus cool independently of each other, resulting in an optimized circular shape.

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.According to the invention, it is particularly advantageous if the heat exchanger separating elements are web-like or, alternatively, honeycomb-like. This results in a labyrinth guide for the cooling air flowing through. Through this labyrinth guide, it is possible to measure the cooling air flow according to the requirements in order to achieve the desired, non-uniform cooling effect over the circumference.

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.According to the invention it is advantageous if the recesses for introducing cooling air into the interior of the turbine housing in the direction of the rotors or stators are formed by recesses in the inner housing wall. It is also possible according to the invention to form these recesses by gaps between adjacent segments.

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.In order to optimize the heat transfer between the cooling air and the segments and to ensure sufficient cooling, it may be favorable if the heat exchanger separating elements for forming the labyrinth guide can be brought together with air guide elements arranged radially on the outside of the segments. This makes it possible to direct the cooling air flow over an enlarged surface and to optimize the cooling air volume.

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.For pre-adjustment of the cooling air volume, it may also be advantageous to introduce radially from the outside selectively closure elements which completely or partially close the cooling air flow and the cooling air inlet to the heat exchanger separating elements. This makes it possible to further optimize the cooling air flow.

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.In order to ensure optimum cooling of the individual segments, it may be favorable to provide all or at least some of the segments with an additional insulating layer which is attached to the radially outwardly facing side of the inner housing wall.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of embodiments in conjunction with the drawing. Showing:

1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Turbinenbereichs einer Gasturbine, 1 FIG. 2 is a schematic partial sectional view of a turbine section of a gas turbine; FIG.

2 eine vergrößerte Detailansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses mit großem Radialspalt, 2 an enlarged detail view of an embodiment of the turbine housing according to the invention with a large radial gap,

3 eine Ansicht, analog 2, mit geringem Radialspalt, 3 a view, analog 2 , with a small radial gap,

4 eine Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels, analog 2, 4 a view of a modified embodiment, analog 2 .

5 eine Ansicht des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels, analog 3, mit geringem Randspalt, und 5 a view of the in 4 shown embodiment, analog 3 , with low marginal gap, and

6 eine vereinfachte Radialschnittdarstellung. 6 a simplified radial section representation.

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.The 1 shows a portion of a turbine portion of an aircraft gas turbine in axial section. In this case, formed according to the prior art turbine rotors 9 represented, the radially outwardly facing blade tips each by means of a shroud 11 are connected, wherein the shroud 11 is provided with a labyrinth seal, which forms a seal to a turbine housing. The supply of cooling air 6 is shown schematically by the dashed lines.

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.The 2 to 5 show detail views of the area between the shroud 11 of the turbine rotor 9 and an inner housing wall 2 , each in a radial section plane, as well as in 6 represented and marked by the detail circle.

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.The turbo engine 1 thus has an inner housing wall 2 on which by individual segments 3 is formed. The segments extend as out 6 is visible, in the circumferential direction and in the axial direction (see 1 ). The segments have Kühlluftdurchleit-recesses 4 on, through which the cooling air, which flows from radially outside, in the region of the inner housing wall 2 (at the radially inner side) can be passed. The recesses 4 can through gaps between adjacent segments 3 be formed, as this particular 6 is apparent.

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.The 2 and 3 show an embodiment in which on the radially outer side of the inner housing wall 2 several heat exchanger separating elements 5 are provided, which are fan-shaped or rib-like. The heat exchanger separators 5 act with air guide elements 7 together, which is a labyrinth guide 13 for the cooling air 6 form. By suitable dimensioning of both the air guide elements 6 as the heat exchanger separating elements 5 as well as by a suitable choice of the distances between these two, it is possible the volume of cooling air 6 and to selectively select the flow rate and pressure ratios. The 2 shows an embodiment in which the edge gap is relatively large, while the 3 shows a state in which the marginal gap is small. By different cooling air ducts, it is thus possible, the thermal contraction or thermal expansion of the segments 3 suitable to influence, as small as possible, constant edge gap between the shroud 11 and the inner housing wall 2 to achieve and roundness (with respect to a radial section, see 6 ) to compensate.

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.In the in the 4 and 5 illustrated embodiment are additionally closure elements 8th , For example, in the form of screws provided, which can completely or partially close the cooling air inlet channels, so that no cooling takes place in these areas by cooling air or only a smaller cooling takes place. Also here shows the 4 a larger edge gap while the 5 represents a smaller edge gap.

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.According to the invention, therefore, the cooling air is introduced through the Kühlluftdurchleit-recesses 4 so that also the cooling effect in the marginal gap between the shroud 11 and the inner housing wall 2 (in the axial flow) can be optimized and adapted to the respective conditions. Through a reinforced cooling, the housing contracts, whereby the edge gap is smaller. By a lower cooling, the housing expands, so that the marginal gap is larger.

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.The 4 and 5 show schematically an insulating layer on the air guide elements 7 which is provided for separating the cooling air supply from the elements / segments to be cooled.

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.Since the heat transfer and the cooling ratio in the construction or construction of the gas turbine can be predetermined or simulated, it is thus possible according to the invention to make a structural adjustment in advance, so that during operation of the gas turbine no adjustments or adjustments to change the cooling and adjustment of the marginal gap are required.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: TurbotriebwerkTurbo engine
22: innere Gehäusewandunginner housing wall
33: Segmentsegment
44: KühlluftdurchleitausnehmungKühlluftdurchleitausnehmung
55: Wärmetauscher-TrennelementHeat exchanger separating element
66: Kühlluftcooling air
77: LuftführungselementAir conduit
88th: Verschlusselementclosure element
99: Turbinenrotorturbine rotor
1010: Turbinenstatorturbine stator
1111: Deckbandshroud
1212: Isolierschichtinsulating
1313: Labyrinthführunglabyrinth guide

Claims

Turbine housing of a turbomachine ( 1 ), which at the periphery into several segments ( 3 ), which extend in the circumferential direction and in the axial direction and an inner housing wall ( 2 ), wherein in the region of each segment ( 3 ) at least one radially inwardly directed recess ( 4 ) for the passage of cooling air ( 6 ) and wherein on each segment ( 3 ) at least one radially outwardly directed heat exchanger separating element ( 5 ), the segments ( 3 ) are spaced apart and selectively with cooling air ( 6 ) can be acted upon.

Turbine housing according to claim 1, characterized in that the heat exchanger separating elements ( 5 ) are web-like.

Turbine housing according to claim 1, characterized in that the heat exchanger separating elements ( 5 ) are honeycomb-shaped.

Turbine housing according to one of claims 1 to 3, characterized in that the recess ( 4 ) for the introduction of cooling air ( 6 ) by recess in the inner housing wall ( 2 ) of the segment ( 3 ) is formed.

Turbine housing according to one of claims 1 to 3, characterized in that the recess ( 4 ) for the introduction of cooling air ( 6 ) by at least one gap between adjacent segments ( 3 ) is formed.

Turbine housing according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat exchanger separating elements ( 5 ) a labyrinth guide ( 13 ) for cooling air flowing through ( 6 ) form.

Turbine housing according to claim 6, characterized in that the heat exchanger separating elements ( 5 ) to form the labyrinth guide ( 13 ) with radially outward on the segments ( 3 ) arranged air guide elements ( 7 ) can be brought into interaction.

Turbine housing according to one of claims 1 to 7, characterized in that the cooling air inlet from the radial outside to the heat exchanger separating elements ( 5 ) by means of closure elements ( 8th ) is completely or partially selectively closed.

Turbine housing according to one of claims 1 to 8, characterized in that the segment ( 3 ) and / or the air guiding element ( 7 ) on its radially outer side with an insulating layer ( 12 ) is provided.