DE2654525C1 - Stroemungsmaschine mit einer Regeleinrichtung zur Konstanthaltung des Radialspielraums zwischen den Rotorschaufelspitzen und der Statorkonstruktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Konstanthaltung eines Radialspielraums zwischen einem umlaufenden Bauteil und einem Statorbauteil bei Strömungsmaschinen, nämlich insbesondere zur Konstanthaltung des Radialspielraums zwischen den Rotorschaufelspitzen und der Statorkonstruktion bei Gasturbinentriebwerken.

Veränderungen des Schaufelspitzenspielraums ergeben sich im Betrieb der Strömungsmaschine aufgrund von Unter­ schieden zwischen den Dehnungen des Strömungsmaschinen­ gehäuses und des Rotors, wobei diese Dehnungen groß im Vergleich zu dem erforderlichen Schaufelspitzenspiel­ raum sind. Deshalb können schon bei kleinen Temperatur­ änderungen bei verschiedenen Betriebszuständen verhältnis­ mäßig große Änderungen des Schaufelspitzenspielraums eintreten. Während ein zu kleiner Schaufelspitzenspiel­ raum zum Schleifen der Schaufelspitzen an der sie umschließenden Gehäusewand mit entsprechenden Beschädigungen führt, haben zu große Spielräume eine große Leckströmung an den Schaufelspitzen und ent­ sprechende Leistungsverluste der Maschine zur Folge.

Es sind daher schon Anstrengungen unternommen worden, den Schaufelspitzenspielraum jeweils den sich ändernden Betriebszuständen der Strömungsmaschine anzupassen, was besonders bei Gasturbinentriebwerken für Flugzeuge wegen des dort erforderlichen, möglichst günstigen Verhältnisses von Triebwerksleistung und Triebwerksgewicht von größter Wichtigkeit ist.

Aus der DE-OS 16 01 676 ist eine Strömungsmaschine mit einer Einrichtung zur Konstanthaltung des Radial­ spielraums zwischen den Rotorschaufelspitzen und der Statorkonstruktion bekannt, bei welcher das den Rotor­ schaufelkranz umschließende Gehäuseelement relativ zur übrigen Statorkonstruktion beweglich angeordnet ist. Durch Beeinflussung der Temperatur dieses Gehäuseelements sind dessen Wärmebewegungen im Sinne der Erzeugung eines möglichst konstant bleibenden Schaufelspitzenspielraums steuerbar. Diese Temperaturbeeinflussung des Gehäuse­ elements erfolgt mittels einer Kühleinrichtung, die mit aus dem Triebwerksverdichter abgezweigter Kühlluft gespeist wird, wobei einerseits aufgrund entsprechender Auslegung der Wärmeübergangsverhältnisse auf das Gehäuse­ element und andererseits in Abhängigkeit von dem jeweiligen, sich auch auf den Verdichterbetrieb auswirkenden Betriebs­ zustand des Triebwerks und die so in gewisser Weise differenzierte Kühlung des Gehäuseelements eine Steuerung des Schaufelspitzenspielraums erreicht wird.

Die Einrichtung zur Temperaturbeeinflussung des Gehäuseelements und die Maßnahmen zur Erzielung geeigneter Wärmeübergangsverhältnisse führen bei der bekannten Anordnung jedoch zu einer verhältnismäßig komplizierten Konstruktion, aber da die Steuerung nur von allgemeinen Betriebsverhältnissen des Trieb­ werks abhängig und durch den tatsächlichen Schaufel­ spielraum nicht beeinflußbar ist, dürfte bei der bekannten Anordnung nur eine grob angenäherte Konstant­ haltung des Schaufelspitzenspielraums möglich sein.

Eine einen geschlossenen Regelkreis bildende Ein­ richtung der eingangs genannten Gattung ist aus der GB-PS 12 48 198 bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung wirkt der im Steuerkanal in Abhängigkeit von der Größe des radialen Steuerspalts herrschende Rückdruck auf eine Membran, die mit einem Steuergestänge gekuppelt ist. Dieses Steuergestänge betätigt mechanische Drosselklappen, die in Speisekanälen angeordnet sind, welche in den die Strömung zur Temperaturbeeinflussung des Statorbauteils führenden Strömungskanal einspeisen.

Bei dieser letzteren bekannten Einrichtung, die zur Konstanthaltung des Radialspalts zwischen einem umlaufenden und einem feststehenden Dichtungselement bei Gasturbinentriebwerken dient, findet zwar eine Temperatur­ beeinflussung des Statorbauteils in Abhängigkeit von der jeweiligen tatsächlichen Istgröße des zu regelnden Radial­ spalts statt, jedoch ist diese bekannte Einrichtung wegen der verwendeten mechanischen Drosselklappen und der zugehörigen Mechanismen kompliziert, kostspielig und, was gerade bei Gasturbinentriebwerken wichtig ist, hinsichtlich des Triebwerksgewichts nachteilig. Außer­ dem besteht die Gefahr, daß bei einem Versagen der mechanischen Mechanismen ein Schleifen des umlaufenden Elements am statorseitigen Element auftritt, was, wenn eine solche Einrichtung zur Regelung des Schaufel­ spitzenspielraums herangezogen würde, die Gefahr der Beschädigung sowohl der Schaufeln als auch des Gehäuses durch am Gehäuse schleifende Schaufelspitzen bedingt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung zur Konstanthaltung eines Radialspielraums bei Strömungs­ maschinen im Hinblick auf ein schnelles Ansprechvermögen auch bei relativ schnell ablaufenden Betriebszustands­ änderungen, jedoch gleichzeitig im Hinblick auf eine einfache und betriebssichere, insbesondere nicht durch das Versagen mechanischer Mechanismen in ihrer Funktions­ fähigkeit gefährdete Konstruktion auszubilden.

Diese Aufgabe wird bei einer Strömungsmaschine der eingangs genannten Gattung gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß die Steuerung der Strömung zur Temperaturbeeinflussung des Statorbauteils zum Zwecke der Konstantregelung des zu regelnden Radialspalts ohne jegliche mechanische Steuerorgane ausschließlich über die Druckverhältnisse im Steuerkanal und deren Rückwirkung auf die Druckver­ hältnisse im Strömungskanal der temperaturbeeinflussenden Strömung erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bei deren Anwendung zur Regelung des Schaufelspitzenspiels bei Gas­ turbinentriebwerken sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Aus­ führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks, dessen Gehäuse auf­ gebrochen ist, um den erfindungsgemäß ausgebildeten Bereich zu zeigen,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Tur­ binenausschnitts mit einer Regeleinrich­ tung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine weiter vergrößerte Darstellung, welche die Heiz- und Kühlströmungsmittel führenden Kanäle der Regeleinrichtung zeigt und

Fig. 4 einen Axialschnitt ähnlich Fig. 3, je­ doch an einer umfangsmäßig versetzten Stelle des Gehäuses, der das grundsätz­ liche Gehäuselängsschnittprofil zeigt.

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter 1, einer Brenneinrichtung 2 , einer Turbine 3 und einer Schubdüse 4. Ein Teil des Triebwerksgehäuses ist auf­ gebrochen, um eine Turbinenstufe zu zeigen, bei welcher die Er­ findung Anwendung findet.

Ein Teil der vom Verdichter verdichteten Luft gelangt in einen Bypasskanal 6, der zwischen dem Triebwerksinnengehäuse 7 und dem Triebwerksaußengehäuse 8 gebildet ist und die Brenneinrich­ tung und die Turbine umgibt.

Fig. 2 zeigt den Turbinenrotor und die zugehörige Konstruktion mehr im einzelnen. Der Turbinenrotor weist einen Schaufelkranz 10 auf, der auf einer Rotorscheibe 12 mit Hilfe nicht darge­ stellter herkömmlicher Mittel befestigt ist. Die Schaufelspitzen sind von einer feststehenden, aus Segmenten aufgebauten Ring­ wand 14 umgeben, die einen radialen Abstand von den Schaufel­ spitzen hat, wodurch ein Spielraum 16 gebildet ist. Diese Ring­ wand 14 bildet einen Teil eines Gehäuseelements 15 des Trieb­ werksinnengehäuses 7, das zur Statorkonstruktion gehört. Die Größe des Spielraums 16 stellt die zu regelnde Größe dar.

Stromauf des Turbinenrotors ist ein Düsenleitschaufelkranz 20 angeordnet, welcher die Abgase aus der Brenneinrichtung 2 auf die Rotorschaufeln 10 lenkt. Stromab des Rotors befindet sich ein weiterer Leitschaufelkranz 22, welcher die aus dem Rotor­ schaufelkranz 10 austretenden heißen Gase auf den nächsten, nicht dargestellten, Rotorschaufelkranz leitet.

Die gesamte eben beschriebene Konstruktion ist innerhalb des Triebwerksinnengehäuses 7 angeordnet. An der radial äußeren Seite des Triebwerksinnengehäuses 7 befindet sich der Bypass­ kanal 6.

Bei irgendwelchen Änderungen des Triebwerksbetriebszustands verursacht das mit den verschiedenen Teilen der Turbine in Be­ rührung stehende Arbeitsmittel Änderungen der Temperatur des Ge­ häuses 7, der Rotorscheibe 12 und der Rotorschaufeln 10. Diese Temperaturänderungen sind jedoch infolge der unterschiedlichen Massen der genannten Teile und infolge von Temperaturunterschie­ den des mit diesen Teilen in Berührung stehenden Arbeitsmittels nicht gleich. Dies führt zu unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen der Rotokonstruktion und der Statorkonstruktion, was zusammen mit den fliehkraftbedingten Dehnungen des Rotors zu Veränderungen des Spielraums zwischen den Schaufelspitzen und der Ringwand 14 führt, was den Triebwerkswirkungsgrad beein­ trächtigt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Regeleinrichtung zur Konstanthal­ tung des Spielraums 16 innerhalb eines vorgegebenen Bereiches. Die Ringwand 14, die verhältnismäßig dünn ist, ist an ihren bei­ den Enden an Ansätzen 29 und 32 der radial äußeren Wandteile 24 und 26 des stromaufwärtigen Leitschaufelkranzes 20 und des strom­ abwärtigen Leitschaufelkranzes 22 abgestützt. Außerdem ist die Ringwand mittels Zapfen 28 unmittelbar mit dem Gehäuseelement 15 verbunden. Ferner ist die Ringwand über einen weiteren Ansatz 30 an dem radial äußeren Wandteil des Leitschaufelkranzes 22 mit dem Gehäuseelement 15 verbunden. Der Ansatz 30 greift in eine Ringnut 34 des Gehäuseelements 15 und bildet so eine Verbindung mit diesem und der Ansatz 32 greift in eine Aussparung 36 des radial inneren Oberflächenbereiches der Ringwand ein. Die ra­ dial inneren Enden der Leitschaufeln 22 halten mittels Ansätzen 40 und Flanschen 42 ein feststehendes Teil 38, in welchem die Leitschaufeln 22 deshalb radiale Bewegungsfreiheit haben.

Es ist also ersichtlich, daß, wenn sich das Gehäuseelement 15 ausdehnt oder zusammenzieht, die Ringwand 14 zusammen mit dem Gehäuseelement radial nach außen oder radial nach innen be­ wegt wird und dadurch den Spielraum 16 verändert.

Zur Regelung der Größe des Spielraums 16 ist eine in Fig. 2 schematisch gezeigte Regeleinrichtung vorgesehen, welche einen Steuerkanal 44 aufweist, in welchem heiße, aus einer Hochdruckstufe des Verdichters abgezweigte Luft über eine Kammer 46 eingelei­ tet wird. Der Steuerkanal verläuft durch eine Leitschaufel 22 hindurch und tritt an deren radial innerem Ende aus dieser aus.

Das Austrittsende des Steuerkanals 44 weist einen kleinen Abstand von einem Axialansatz 48 der Rotorscheibe 12 auf. Dieser Ab­ stand 49 ist so gewählt, daß er eine Drosselung des durch den Steuerkanal strömenden Luftstromes bewirkt.

Die unterschiedlichen Dehnungen des Gehäuseelements und des Rotors, welche Änderungen des Spielraums 16 zur Folge haben, erzeugen proportionale Änderungen des Abstands 49. Diese Ände­ rungen des Abstands 49 sind gleich den Änderungen des Spiel­ raums 16, falls die Dehnungen der Rotorschaufeln 10 und der Leitschaufeln 22 gleich sind. In der Praxis sind diese beiden Dehnungen fast völlig gleich, da die Rotorschaufeln und die Leitschaufeln so gekühlt werden, daß sie etwa die gleiche Be­ triebstemperatur aufweisen, und ihre Dehnungen sind klein, da ihre Längen im Vergleich zum Gesamtturbinendurchmesser klein sind.

Durch im Gehäuseelement 15 gebildete Strömungskanäle 50 wird außerdem eine verhältnismäßig kühle Luftströmung in die Kammer 46 einge­ leitet. Die Drücke der beiden Luftströme sind so aufeinander abgestimmt, daß, wenn der Spielraum 16 dem Sollwert entspricht, keine Strömung durch die Strömungskanäle 50 stattfindet und die heiße Luft aus der Kammer 46 durch den Steuerkanal 44 zu dem durch den Abstand 49 gebildeten Steuerspalt strömt. Tritt eine so große Tempera­ turänderung auf, daß sich der Spielraum 16 verändert, so verän­ dert sich auch der Steuerspalt 49 zwischen dem Steuerkanal 44 und dem Axialansatz 48 direkt proportional hierzu. Vergrößert sich der Steuerspalt 49, so reicht die durch nicht dargestellte Drosseln gedrosselte heiße Strömung nicht mehr aus, um den gleichen Druck in der Kammer 46 aufrecht zu halten, weshalb verhältnismäßig kühle Luft durch die Strömungskanäle 50, durch die Kammer 46 und in den Steuerkanal 44 einströmt und dabei das Gehäuseelement 15 kühlt, wodurch sich dieses zusammenzieht und den Spielraum 16 verkleinert. Falls sich dagegen der Spielraum 49 verkleinert, so wird die heiße Luftströmung durch den Steuerspalt 49 stärker gedrosselt und die konstante heiße Luftzuströmung zur Kammer 46 strömt nun teil­ weise durch die Strömungskanäle 50 aus, wodurch das Gehäuseelement 15 er­ wärmt wird, so daß es sich ausdehnt und den Spielraum 16 ver­ größert.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Einzelheiten der erfindungsge­ mäßen Anordnung bei einem praktisch ausgeführten Triebwerksge­ häuse. In diesen Zeichnungsfiguren sind zur Bezeichnung glei­ cher Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet.

Die Heißluftzufuhr zur Kammer 46 wird aus einer Hochdruckverdich­ terstufe abgezweigt und durch Kanäle 60 um die Brenneinrichtung 2 herum in Röhren 62 eingeleitet, aus denen die heiße Luft durch eine Anzahl von Bohrungen 64 hindurchströmt und auf die Ring­ wand 14 auftrifft, um diese zu kühlen. Sodann strömt diese Strö­ mung über die Außenseite der Röhren 62 in eine Kammer 66, aus welcher ein Teil dieser Strömung über Verbindungsröhren 68 im Gehäuseelement 15 zur Kammer 46 und von da aus in den Steuerkanal 44 strömt.

Die Verbindungsröhren 68 sind in Bohrungen 70 eingesetzt, die im Gehäuse 7 gebildet sind, jedoch weisen diese Röhren einen Abstand vom Gehäuseelement auf, um eine Erwärmung desselben zu verhindern. Die stromaufwärtigen Enden der Röhren 68 bilden außerdem jeweils eine feste Drosselöffnung, welche die Strö­ mung in diese Röhren reguliert.

Die kühle bzw. verhältnismäßig kühle Luft wird von einer unter niedrigerem Druck stehenden Verdichterstufe abgeleitet und durch Röhren 74 im Bypasskanal in einen Ringraum 72 des Gehäuseele­ ments (siehe Fig. 4) geleitet. Die Strömungskanäle 50 verlaufen zwischen dem Ringraum 72 und einer Sammelkammer 76 und von dieser aus zur Kammer 46.

Wie ersichtlich ist, wird die heiße Luft durch das Auftreffen auf die Ringwand 14 noch weiter erwärmt, während die verhält­ nismäßig kühle Luft durch das Hindurchströmen durch die, durch den Bypasskanal verlaufenden Röhren 74 noch weiter abgekühlt wird, so daß eine beträchtliche Temperaturdifferenz erzeugt werden kann, um erforderlichenfalls ein verhältnismäßig schnel­ les Erwärmen oder Abkühlen des Gehäuseelements 15 herbeizuführen.

Eine Temperaturdifferenz zwischen der Heizluft und der Kühl­ luft von etwa 325°C hat sich als erreichbare Größe erwiesen.

Da das Gehäuseelement 15 idealerweise schnell erwärmbar sein soll, um sich von sich dehnenden Turbinenschaufeln wegzubewe­ gen, jedoch nicht so schnell abkühlbar sein soll, um die Mög­ lichkeit eines Schleifens zwischen den Schaufelspitzen und der Ringwand während Übergangsbedingungen zu vermeiden, sollte die Temperatur des Gehäuseelements 15 beim stationären Lauf in Rich­ tung zur Kühllufttemperatur hin tendierend vorgegeben sein. Auf diese Weise ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Ge­ häuseelement und der Heizluft groß und zwischen dem Gehäuseelement und der Kühlluft kleiner, so daß sich eine schnellere Erwärmung und eine geringere Abkühlung des Gehäuseelements er­ gibt. Spezifische Temperaturen in einem Triebwerk haben ge­ zeigt, daß eine Gehäusetemperatur von 760°K bei einer um 100°C unterhalb dieser Temperatur liegenden Kühllufttemperatur und einer um 225°C über dieser Temperatur liegenden Heizluft­ temperatur geeignet ist.

Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung der Erfindung der Spiel­ raum 16 ziemlich genau bei einem Wert von 0,3 mm konstant ge­ halten werden kann, ohne daß durch die Abzapfung der Luft aus dem Verdichter ein nennenswerter Nachteil entsteht, so daß ins­ gesamt eine Steigerung des Triebwerkswirkungsgrades erzielbar ist.

Die Erfindung ist insbesondere bei Anwendung in Verbindung mit deckbandlosen Turbinenschaufeln vorteilhaft, jedoch kann sie auch mit Vorteil bei Turbinenschaufeln mit Deckband Anwendung finden, um den Schaufelwirkungsgrad zu verbessern. In diesem Falle kann das Austrittsende des Steuerkanals 44 anstatt nahe einem Rotorscheibenansatz nahe dem Deckband angeordnet sein, wodurch irgendwelche kleine Differenzen zwischen der Größe des zur steuern­ den Spielraums und der Größe des die Drossel 49 bildenden Spalts reduziert werden.

Selbstverständlich sind viele Abwandlungen der beschriebenen An­ ordnung möglich, welche von den grundsätzlichen Erfindungsmerk­ malen Gebrauch machen. Beispielsweise ist die Lage des Steuer­ spalts 49 nicht kritisch und es kann jede zweckmäßige Stelle gewählt werden, an welcher die Änderung des Steuerspalts 49 pro­ portional zum Schaufelspitzenspielraum 16 ist.

Die bei den dargestellten Ausführungsbeispielen benutzten Luft­ quellen sind nur bei Gasturbinentriebwerken zweckmäßig. Bei anderen Strömungsmaschinen können statt dessen andere Mittel zur Erwärmung der feststehenden Teile Anwendung finden. Ferner ist es, obwohl beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwei ver­ schiedene Temperaturen aufweisende Luftströme verwendet werden, auch möglich, eine ausreichende Steuerung bei Verwendung nur eines einzigen Luftstromes zu erzielen, dessen Größe durch die Regeleinrichtung innerhalb eines größeren Bereiches veränder­ lich ist, um das Maß der Heizung oder Kühlung zu verändern. Bei stationären Gasturbinenanlagen oder anderen stationären Strömungsmaschinen kann zum Heizen und Kühlen auch Strömungs­ mittel aus einer externen Quelle bzw. aus externen Quellen Verwendung finden.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Konstanthaltung des Radialspiel­ raums zwischen einem umlaufenden Bauteil und einem dieses umgebenden Statorbauteil einer Strömungsmaschine, mit einem ein Strömungsmittel zur Temperaturbeeinflussung des Statorbauteils führenden Strömungskanal, und mit einer über einen Steuerkanal mit Strömungsmittel gespeisten, radial fest mit dem Statorelement verbundenen Steuerdüse, die mit einer am umlaufenden Bauteil angeordneten Steuer­ fläche unter Bildung eines Steuerspalts zusammenwirkt, wobei die Druckrückwirkung des Steuerströmungsmittels im Steuerkanal zur Strömungssteuerung des die Statorbauteil­ temperatur beeinflussenden Strömungsmittels herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der die Temperatur­ beeinflussungsströmung führende Strömungskanal (50) in den Steuerkanal (44) einmündet und die Druckrückwirkung im Steuerkanal (44) dem Zuleitungsdruck der Temperatur­ beeinflussungsströmung in deren Strömungskanal (50) entgegenwirkt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 für ein Gasturbinen­ triebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß der die Temperaturbeeinflussungsströmung führende Strömungs­ kanal (50) und der Steuerkanal (44) über zwei Anzapfungen im Verdichter des Triebwerks mit zwei unterschiedliche Temperaturen und Drücke aufweisenden Luftströmen gespeist wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der die Temperaturbeeinflussungsströmung führende Strömungskanal (50) in eine Kammer (46 ) ein­ mündet, welche durch den Steuerkanal (44) mit dem Steuer­ spalt (49) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkanal (44) durch eine Leit­ schaufel (22) hindurch verläuft.