DE2616031A1

DE2616031A1 - Turbinenummantelungsgebilde

Info

Publication number: DE2616031A1
Application number: DE19762616031
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Corrigan; Bruce Eugene Knudsen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-04-14
Filing date: 1976-04-12
Publication date: 1976-10-28
Also published as: BE840681A; JPS5934841B2; US3986720A; DE2616031B2; DE2616031C3; IT1059259B; FR2307965A1; GB1544956A; FR2307965B1; JPS51126408A; CA1050772A

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt

6Frankfurt/Main1 .

Kaiserstraße 41 ?· April 1976

Schu./Vo./he. 3848-13DV-5985

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Turbinenummantelungsgebilde

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf eine Methode zum Steuern des Radialabstands zwischen sich drehenden und nicht drehenden Teilen der Turbine während variabler Drehzahl- und Temperaturbetriebsbedingungen.

Bei dem Bemühen zur Aufrechterhaltung eines großen Wirkungsgrades sind Hersteller von Turbinentriebwerken bestrebt, zwischen dem Triebwerksrotor und dem umgebenden Statorgebilde den engstmöglichen Abstand einzuhalten, da jegliches Gas, das zwischen diesen Teilen hindurchgelangen kann, einen Energieverlust im System repräsentiert. Wenn das System nur unter Dauerzustandsbedingungen arbeiten müßte, wäre es einfach, die erwünschte enge Abstandsbeziehung zwischen dem Rotor und Stator herzustellen, um die größtmögliche Wirksamkeit zu erzielen, ohne daß eine Reibungsstörung zwischen den Elementen zugelassen wird. In Wirklichkeit müssen jedoch alle Turbinentriebwerke anfänglich von einem Stillstand bis zu einer Dauerzustandsdrehzahl hochgefahren und dann schließlich bis zum Stillstand abgebremst bzw. verzögert werden. Dieser Übergangsbetrieb verträgt sich nicht mit der soeben beschriebenen Bedingung eines ideal kleinen Abstandes, da die Rotordrehzahlverän-

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derung infolge einer durch Zentrifugalkräfte begründeten mechanischen Expansion auch zu einem Wachstum des Rotors führt. Der ruhende Stator unterliegt selbstverständlich nicht einer solchen mechanischen Vergrößerung, und deshalb ergibt sich zwischen den zwei Gebilden während Perioden eines Übergangsbetriebes ein relatives mechanisches Wachsen bzw. Erweitern. Wenn das Turbinentriebwerk vom Stillstand auf die Drehzahl hochgefahren wird, erfolgt ferner ein proportionaler Temperaturanstieg des hindurchgelangenden Gases, wodurch der Rotor und der Stator variablen Temperaturbedingungen unterworfen werden. Diese Bedingungen begründen ein thermisches Wachsen beider Gebilde, und wenn diese unterschiedliche thermische Expansionskoeffizienten haben, was im allgemeinen zutrifft, erfolgt auch eine relative thermische Expansion zwischen den Elementen. In charakteristischer Weise ist ein Rotor notwendigerweise ein großes Massenelement, das ein Drehen bei sehr großen Drehzahlen erlaubt, wodurch sich naturgemäß ein sehr langsames thermisches Ansprechvermögen (große thermische Trägheit) ergibt. Andererseits ist der Stator ein stationäres bzw. ruhendes Element, und er hat vorzugsweise ein großes bzw. schnelles thermisches Ansprechvermögen (kleine thermische Trägheit), um ein thermisches Wachsen des Stators während Beschleunigungsperioden zu ermöglichen und das mechanische Wachsen des Rotors während dieser Perioden aufzufangen. . ·

Frühere Turbomaschinen waren für einen Betrieb bei relativ kleinen Drehzahlen und niedrigen Temperaturen gestaltet. Die stationären Ummantelungen wurden von Gebilden gestützt bzw. gehalten, die von Kühlluft umspült waren, wodurch sich ein minimales thermisches Wachsen und ein langsames Temperaturansprechvermögen bei Betriebsänderungen ergaben. Der relative Abstand zwischen dem Rotor und der Ummantelung wurde deshalb durch das radiale Wachsen des Rotorgebildes bestimmt. Da aber die Temperaturen der Kompressorablaßluft in dem Triebwerk relativ klein waren und da die Turbomaschine mit relativ niedrigen Drehzahlen betrieben wurde, waren das Wachsen des Rotors infolge der Temperatur- und Zentrifugalbelastung ziemlich mäßig, und es ergaben sich deshalb keine Probleme. Somit wur-

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de eine passende Abstandssteuerung zwischen den sich relativ drehenden Teilen nicht als wesentliches Problem angesehen.

Als die Technologie weiterentwickelt und eine einstufige Turbine eingeführt wurden, erfolgte ein beträchtliches Steigern der Betriebsdrehzahlen des Rotors und der Ablaßtemperatur des Kompressors. Das sich hieraus ergebende zunehmende radiale Wachsen des Rotors, das durch die Zentrifugalbelastung und die thermische Expansion begründet wurde, erforderte ein angepaßtes Wachsen der Ummantelung, um die passenden Radialabstände zwischen den zwei Teilen aufrechtzuerhalten. Um dieses zu erreichen, war es erforderlich, das Kaltbad bzw. die Kaltluftumspülung vom Stützgebilde der stationären Ummantelung zu entfernen und es stattdessen höheren Temperaturen auszusetzen, die ein entsprechendes Wachsen zusammen mit dem Rotor ermöglichten.

Da der Wirkungsgrad und die abnutzungsbedingte Lebensdauer des Rotors sowie der Ummantelungsteile des Gasturbinentriebwerks durch einen Betrieb bei einem bestimmten Radialabstand am besten optimiert werden'können, ist es üblich, die Turbomaschine so zu gestalten, daß der erwünschte Abstand während maximaler Drehzahlsowie Dauerzustandsbetriebsbedingungen vorliegt. Folglich ist jedoch der Abstand-während anderer Betriebsperioden, wie während eines Übergangsbetriebes, kleiner als der vorbestimmte erwünschte Abstand. Zur Anpassung dieser Erscheinung durch eine passende Abstandssteuerung während der übergänge wurde ein Ummantelungsstützgebilde vorzugsweise aus einem Material mit einem kleinen Alphawert (kleiner thermischer Expansionskoeffizient) hergestellt, wodurch sich die erforderlichen großen Abstände im Kaltzustand ergaben. Bei Verwendung eines solchen Materials mit einem kleinen thermischen Expansionskoeffizienten ergeben sich jedoch relativ große Abstände während eines Teilleistungs- bzw. Teillastbetriebs, wodurch eine verminderte Leistungsfähigkeit entsteht.

Beim Aufkommen von Gasturbinentriebwerken mit noch größeren Drehzahlen und Betriebstemperaturen wurde festgestellt, daß die zuvor bevorzugten Materialien mit einem kleinen Alphawert ungeeignet wa-

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ren, da sie bei hohen Betriebstemperaturen nicht ausreichend fest waren, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das Erfordernis einer größeren Festigkeit bei höheren Temperaturen führte zur Verwendung von Legierungen auf Nickelbasis, deren thermischer Expansionskoeffizient ausgeprägt größer als derjenige der zuvor benutzten Metalle war. Die Legierungen auf Nickelbasis ergaben eine passende Abstandssteuerung während der maximalen Betriebsbedingungen und bei Teillastbedingungen, aber die Kaltabstände zwischen den rotierenden und nicht rotierenden Gebilden wurden somit vermindert. Und während bestimmter Perioden eines tibergangsbetriebes wurden die Abstände derart reduziert, daß sich ein Reibungskontakt zwischen den bewegten und unbewegten Teilen ergab, was zu einer Abnutzung und zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit sowie des Wirkungsgrades des Triebwerks führte. In bekannter Weise nimmt der Abstand zwischen den zwei Elementen bei solchen Betriebsperioden ein Minimum ein, wenn das Triebwerk auf Teilleistung abgebremst und dann schnell beschleunigt wird (Stoß des heißen Rotors), und es ist deshalb dieser Abstand, der das kritische Kriterium für die Gestaltung eines Flugzeugstrahltriebwerks beinhaltet.

Die mit dem Aufrechterhalten eines passenden Abstandes zwischen dem Turbinenrotor und der Ummantelung verbundenen Probleme gelten in gleicher Weise auch für andere sich relativ drehende Teile der Turbomaschine. Beispielsweise sind längs des Turbinentriebwerks verschiedene Dichtungsgebilde zwischen bewegten und ruhenden Teilen des Triebwerks angeordnet, um das axiale Strömen eines Antriebsfluids in der von den zwei Gliedern begrenzten ringförmigen Kammer zu reduzieren oder weitgehend zu verhindern. Diese Dichtungen befinden sich gewöhnlich zwischen den sich drehenden und nicht drehenden Teilen der Turbine und werden als statische Turbinendichtungen bezeichnet. Eine andere übliche Dichtung ist diejenige, die sich zwischen dem hinteren Teil des sich drehenden Kompressors und dem umgebenden stationären Gehäuse befindet, und diese Dichtung ist als CDP- bzw. Kompressorablaßdruckdichtung bekannt. Diese Dichtungen unterliegen mit ihren zugeordneten stationären und drehbaren Teilen derselben Erscheinung wie der im Zusammenhang mit der Ummantelung beschriebenen, und der Wirkungsgrad sowie die Ab-

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nutzung können zu einem Problem werden, wenn ein Betrieb über einen variablen Bereich von Drehzahlen und Temperaturen erfolgt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Schaffung eines Turbinentriebwerke, das über einen großen Bereich von Drehzahlen und Temperaturen mit den erwünschten Abständen wirkungsvoll arbeitet. Es soll ein Turbinenummantelungsgebilde geschaffen werden, das eine enge Abstandssteuerung bei maximalen und Teilleistungs-Dauerzustandsbetriebsbedingungen gewährleistet. Ferner sollen große Kaltabstände während eines Betriebes bei niedriger Temperatur und annehmbare Abstände bei einem Übergangsbetrieb vorliegen. Somit soll eine Methode für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen werden, wonach der Radialabstand zwischen den sich drehenden und nicht drehenden Teilen während variabler Drehzahl- und Temperaturbetriesbedingungen gesteuert wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung die Ummantelung eines Gasturbinentriebwerks mittels eines Gebildes gehalten und abgestützt, das eine Charakteristik mit zwei Alphawerten bzw. thermischen Expansionskoeffizienten aufweist. Das heißt, daß das Stützgebilde einen kleineren thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, wenn es einem ersten vorbestimmten niedrigeren Temperaturbereich ausgesetzt wird, während es einen zweiten und beträchtlich größeren thermischen Expansionskoeffizienten hat, wenn es einem höheren Temperaturbereich unterworfen wird. Während eines Niedertemperaturbetriebs der Turbine ergeben sich somit die erwünschten großen Kaltabstände, und während eines Hochtemperaturbetriebs der Turbine entsteht die erwünschte Beziehung eines engen Abstandes zwischen den zusammengehörenden Teilen. Ferner erfolgt durch diese Doppelalpha-Charakteristik des Stützgebildes eine Einstellung des Wachstums der Ummantelung in bezug auf das Wachstum des Rotors in der Weise, daß während eines Teilleistungsbetriebs ein enger bzw. kleiner Abstand aufrechterhalten wird, während die bei Übergangsbetriebsbedingungen auftretenden Abstände auf einem annehmbaren bzw. zulässigen Wert gehalten werden.

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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Material mit dem Doppelalpha-Wert bzw. thermischen Expansionskoeffizienten dazu benutzt, um das stationäre Element eines sich drehenden Dichtungsaufbaues zu stützen, der variablen Drehzahl- und Temperaturbetriebsbedingungen ausgesetzt ist. Der Abstand der stationären und sich drehenden Elemente wird somit auf einem erwünschten Wert gehalten, um eine übermäßige Abnutzung zu verhindern und einen wirkungsvollen Betrieb während dieser variablen Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Beispielsweise wird der stationäre Dichtungsteil der CDP- bzw. Kompressorablaßdruckdichtung in einem Gasturbinentriebwerk durch ein solches Material mit einem Doppelalpha-Wert bzw. thermischen Expansionskoeffizienten gestützt, um die erwünschten AbstandsbeZiehungen zu erzielen.

Diese sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, wobei jedoch zahlreiche andere Abwandlungen und alternative Gestaltungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1- in einer schematischen Darstellung ein Gasturbinentriebwerk, bei dem die vorliegende Erfindung verkörpert ist,

Figur 2- ein Gasturbinentriebwerk in einem Teilschnitt zur Darstellung der besonderen Details nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 3- in einer graphischen Darstellung die Eigenschaften des nach der Erfindung benutzten Materials mit zwei Alpha-Werten im Vergleich zu den Eigenschaften eines typischen Materials mit einem Alpha-Wert und

Figur 4- in einer graphischen Darstellung die Abstandsbeziehung zwischen der Turbinenschaufelspitze und der Ummantelung während variabler Drehzahl- und Temperaturbetriebsbedingungen.

Gemäß Figur 1 hat ein Turbogebläsetriebwerk Io einen Gebläserotor 11 und einen Kerntriebwerksrotor 12. Der Gebläserotor 11 enthält eine Vielzahl von auf einer Scheibe 16 drehbar angeordne-

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ten Gebläseschaufeln 13 sowie 14 und eine Niederdruck- oder Gebläseturbine 17, die die Gebläsescheibe 16 in bekannter Weise antreibt. Der Kerntriebwerksrotor 12 enthält einen Kompressor 18 und eine diesen antreibende Leistungs- oder Hochdruckturbine 19. Das Kerntriebwerk enthält auch ein Verbrennungssystem 21, das einen Brennstoff mit dem Luftstrom kombiniert und die Mischung zündet, um in das System thermische Energie einzuspeisen.

Im Betrieb tritt Luft durch einen Lufteinlaß 22, der von einer den Gebläserotor 11 umgebenden geeigneten Verkleidung oder einem Rumpf 2 3 gebildet wird, in das Gasturbinentriebwerk Io ein. Die in den Einlaß 22 gelangende Luft wird durch die Drehung der Gebläuseschaufeln 13 sowie 14 komprimiert und danach auf einen von der Verkleidung 2 3 und einem Triebwerksgehäuse 26 begrenzten ringförmigen Durchgang 2 4 und auf einen Kerntriebwerksdurchgang 27 aufgeteilt, dessen äußere Begrenzung von dem Triebwerksgehäuse 26 bestimmt wird. Die in den Kerntriebwerksdurchgang 27 eintretende komprimierte Luft wird durch den Kompressor 18 weiter komprimiert und danach zusammen mit hochenergetischem Brennstoff vom Verbrennungssystem 21 gezündet. Dieser höchst energiereiche Gasstrom strömt dann durch die Hochdruckturbine 19, um den Kompressor 18 anzutreiben, und danach durch die Gebläseturbine 17, um die Gebläserotorscheibe 16 anzutreiben. Das Gas wird dann durch die Hauptdüse 28 nach außen geleitet, um dem Triebwerk in bekannter Weise Vorschubkräfte zu erteilen. Eine zusätzliche Vorschubkraft wird durch das Ausstoßen von komprimierter Luft aus dem ringförmigen Kanal 2 4 gewonnen.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung auf irgendeine Gasturbinentriebwerks-Energieanlage anwendbar ist, wie sie beispielsweise für Marine bzw. See- und industrielle Anwendungen benutzt wird, obwohl sich 'die Beschreibung der Erfindung auf ein Turbogebläse-Flugzeugtriebwerk bezieht. Somit ist die Beschreibung des in Figur 1 dargestellten Triebwerks lediglich als beispielhaft für die Triebwerksart anzusehen, auf die sich die vorliegende Erfindung anwenden läßt.

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Es wird nunmehr speziell auf den das Verbrennungssystem 21 umgebenden Abschnitt des Triebwerks Bezug genommen, und Figur 2 zeigt den Kompressor 18 mit stationären Kompressorstatorschaufeln bzw. -flügeln 29 sowie sich drehenden Rotorschaufein 31, die in der Weise wirken, daß Hochdruckluft nach hinten in Richtung zur Auslaßführungsschaufel (32) abgelassen wird. Ein Teil der CDP- bzw. Kompressorablaßdruckluft gelangt zu den inneren und äußeren Seiten der Einlaßführungsflügel bzw. -schaufeln und zu den ringförmigen Bereichen 33 und 34, wo diese Luft für Kühlzwecke benutzt wird, wie es nachfolgend näher erläutert wird. Der Hauptteil der CDP-Luft passiert den Auslaßführungsflügel 32 und gelangt durch den abgestuften Diffusor 36 in und um das Verbrennungssystem 21.

Der Brenner 2o weist äußere und innere Verkleidungen 37 und 38 auf, die so angeordnet sind,daß sie gemeinschaftlich eine ringförmige Verbrennungskammer bilden, in die Brennstoff über eine sich durch das Verbrennungsgehäuse 41 nach innen erstreckende Brennstoffdüse 39 eingespritzt wird. Durch den Luftstrom vom Diffusor in den ringförmigen Durchgang 35, der von der Brenneraußenverkleidung 37 und der Verbrennungsgehäusewandung 41 begrenzt wird, ergibt sich eine teilweise Kühlung des Brenners 2o. In ähnlicher Weise wird an der Innenseite des Brenners eine ringförmige Kammer 4o von der inneren Verkleidung 38 und dem Düsenstützgebilde 42 begrenzt, um diesen Teil des Brenners zu kühlen. Dem Mischvorgang von Brennstoff aus der Düse und von Luft aus dem Diffusor folgt eine Zündung der Mischung, und die heißen Gase strömen von dem Verbrennungssystem 21 nach hinten zu einer Reihe von umfangsmäßig verteilten Hochdruckdüsen 43 und dann weiter nach hinten, um auf eine am Umfang verteilte Reihe von Turbinenschaufeln 44 der Hochdruckturbine 19 aufzutreffen. Die Reihe dieser Hochdruckschaufeln 44 ist in engem Abstand von einer ringförmigen Ummantelung 46 umgeben, die aus einem geeigneten abschleifbaren Material hergestellt ist, um die Laufschaufeln eng zu umschließen und aber einen gewissen Reibungseingriff sowie eine Abnutzung zu bestimmten Betriebsmomenten zuzulassen, bei denen der Abstand zwischen der Ummantelung und den Laufschaufeln zeitweilig entfallen kann. Die Ummantelung 46 ist vorzugsweise aus einer Anzahl von Ringsektoren

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hergestellt, die an der Innenseite eines ringförmigen Bandes 47 befestigt sind, welches seinerseits aus einer Anzahl von einen vollständigen Kreis bildenden Sektoren hergestellt ist. Die bauliche Abstützung für das Ringband 47 wird durch ein Ummantelungsstützglied 48 gebildet, das an seinem rückwärtigen Ende einen sich radial einwärts erstreckenden und mittels eines U-förmigen Arms bzw. Bügels 49 am Ringband befestigten Kragen aufweist. Die vordere Seite des Ringbandes 47 ist mittels eines Ummantelungsaufhangers 5o und einer Vielzahl von Schrauben 51 an der Ummantelungsstütze 48 festgelegt. Diese ist an ihrem rückwärtigen Ende mittels Schrauben 53 mit der Niederdruckdüsenstütze 52 und ferner zusammen mit der Hochdruckdüsenstütze 56 über eine Vielzahl von umfangsmässig um das Gehäuse verteilten Schrauben 57 mit dem Verbrennungsgehäuse 41 verbunden.

Als Teil des Kühlsystems erstreckt sich das Verbrennungsgehäuse 41 um den Hochdruckturbinenteil des Triebwerks nach hinten, wo es plötzlich bzw. abrupt durch einen Leitungsabschnitt 58 vergrößert wird, der einen Ringraum 59 zwischen dem Leitungsabschnitt und der ümmantelungsstütze 48 bildet. Mit dem Ringraum 59 ist eine Vielzahl von Luftablaßleitungen 61 strömungsmäßig verbunden, die Ablaßluft von den Zwischenstufen des Kompressors 18 zum Zweck einer bekannten Turbinendüsenkühlung führen. Da die Ümmantelungsstütze 48 ähnlich der Ablaßluft vom Kompressor ausgesetzt ist, ist es klar, daß die Temperaturen, denen sie unterworfen ist, für die Drehzahl des Triebwerks bestimmend sind. Das heißt, daß die Ablaßluft bei kleineren Drehzahlen weniger stark komprimiert wird und relativ kühl ist, wenn sie die ümmantelungsstütze 48 erreicht, während die Ablaßluft bei höheren Drehzahlen in stärkerem Maße komprimiert wird und relativ heiß ist, wenn sie die Ümmantelungsstütze 48 erreicht. Selbstverständlich ist es auch offensichtlich, daß die Temperatur der Ümmantelungsstütze ferner durch die Temperatur der aus dem ringförmigen Durchgang 35 austretenden Gase beeinflußt wird, die durch Öffnungen in der Hochdruckdüsenstütze 56 gelangen. Es ist schließlich die Kombination dieser zwei verschiedenen Lufttemperaturen, die das thermische Wachsen der Ümmantelungsstütze 48 bestimmt.

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Nach der vorliegenden Erfindung bestehen die Ummantelungsstütze 48 und der Uniman te lungs aufhänger 5o aus einem Material, das eine Doppelalpha- bzw. thermische Ausdehnungseigenschaft aufweist. Das heißt, daß dieses Material anders als die meisten Materialien einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, wenn das Material Temperaturen innerhalb eines bestimmten Bereiches unterworfen wird, und einen anderen thermischen Expansionskoeffizienten, wenn das Material einem anderen Temperaturbereich unterliegt. Diese Eigenschaft bzw. Charakteristik ist klarer aus Figur 3 ersichtlich, in der der mittlere thermische Expansionskoeffizient als Funktion der Temperatur für zwei verschiedene Arten eines solchen Materials mit zwei Alpha-Werten aufgetragen ist, und zwar im Vergleich mit derselben Eigenschaft eines typischen Materials mit einem großen Alpha-Wert. Es ist festzustellen, daß DeimMaterial mit dem einfachen Alpha-Wert der thermische Expansionskoeffizient sich nicht wesentlich mit der Temperatur ändert, und die Veränderung zeichnet sich durch eine einzige Steigung einer ziemlich geradlinigen Beziehung aus. Diese Charakteristik mit einem großen Alpha-Wert kann eine mechanische Störung zwischen der Schaufel und der Ummantelung während eines bestimmten Triebwerksübergangsbetriebes begründen, wie es noch näher erläutert wird.

Im Zusammenhang mit dem eine Doppelalpha-Charakteristik aufweisenden Material zeigt die Kurve A,, daß ein solches Temperaturen zwischen ISO und 35O c (3oo und 65o F) ausgesetztes Material einen sehr kleinen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der bei einer Zunahme der Temperatur leicht abnimmt. Wenn dasselbe Material jedoch Temperaturen von 350 bis 750° c (65o bis 14oo° F) ausgesetzt wird, steigt der thermische Expansionskoeffizient beträchtlich an, und zwar ziemlich direkt proportional zur Temperaturerhöhung. In ähnlicher Weise ist eine Kurve A2 für ein anderes derartiges Doppelalpha-Material dargestellt, das sich durch eine negative Steigung im Bereich von 120 bis 425° C (25o bis 8oo° F) und durch eine ziemlich konstante positive Steigung im Temperaturbereich über 425° C (8oo° F) auszeichnet. Ein Beispiel für ein solches Doppelalpha-Material ist unter der Handelsbezeichnung Incoloy 9o3 bekannt und wird auf kommerzieller Basis von der International

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Nickel Company Incorporated hergestellt. Die Verwendung eines solchen Doppelalpha-Materials bei den oben erörterten Ummantelungs-Stützgebilden kann vorteilhaft sein, um die erwünschten Abstände zwischen der Ummantelung und den Schaufelgebilden eines Turbinentriebwerks während eines Übergangsbetriebes aufrechtzuerhalten, wie es unter Bezug auf Figur 4 noch näher erläutert wird.

Figur 4 zeigt die Spielraumänderung zwischen der Turbinenschaufelspitze und der Ummantelung für eine Betriebsfolge, wobei drei verschiedene Materialarten für das Ümmantelungsstutzgebilde verwendet wurden. Im Zusammenhang mit der Kurve bezüglich des Materials mit großem Alpha-Wert ist festzustellen, daß während Perioden eines Dauerzustandsbetriebes und bei Teilleistungs- bzw. Teillastbedingungen die Abstandsbeziehung eine passende Größe hat. Während einer der anfänglichen Beschleunigung folgenden Periode wird jedoch die AbstandsbeZiehung auf ein unerwünschtes Minimum reduziert, wie es am Punkt A der Kurve dargestellt ist. Wenn ein Bremsen bzw. Verzögern auf Teilleistung durchgeführt wird, wonach unmittelbar eine schnelle Beschleunigung bzw. Erhöhung stattfindet, kann der Abstand am Punkt B der Kurve in ähnlicher Weise auf ein unerwünschtes Minimum reduziert werden, wobei Material entweder von den sich drehenden oder den sich nicht drehenden Teilen abgenommen wird. . .

Bei Verwendung eines Stützgebildemetalls, das sich durch einen thermischen Expansionskoeffizienten wie bei der Kurve A, aus Figur 3 auszeichnet, ist die Abstandsbeziehung zwischen der Schaufelspitze und der Ummantelung als Kurve P, in Figur 4 dargestellt. Es ist festzustellen, daß einerseits die erwünschten Abstände während der Dauerzustands- und Teilleistungsbetriebsbedingungen aufrechterhalten werden und daß andererseits auch eine ausreichende Abstandsbeziehung unmittelbar nach dem Beschleunigen bzw. Anlaufen vorliegt; und es ergibt sich, was noch wichtiger ist, ein ausreichender Abstand während der Periode unmittelbar nach dem Bremsen bzw. Verzögern und vor dem Beschleunigen, wie es durch den Punkt C der Kurve dargestellt ist. In ähnlicher Weise zeigt die Kurve P₂ die AbstandsbeZiehung bei Verwendung eines anderen Doppelalpha-

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Materials, das sich durch einen thermischen Expansionskoeffizienten gemäß der A₂ Beziehung aus Figur 3 auszeichnet. Und wiederum ergibt sich ein ausreichender Abstand während Perioden unmittelbar nach dem Beschleunigen bzw. Anlaufen und zwischen einem Abbremsen bzw. Verzögern und dem plötzlichen Beschleunigen bzw. Erhöhen (Punkt D). Somit ist es ersichtlich, daß bei einer Verwendung eines der beiden Doppelalpha-Materialien, die sich durch A, oder A₂ auszeichnen, der Dauerbetriebsabstand auf denselben erwünschten Pegel wie bei dem Material mit dem einfachen Alpha-Wert gebracht werden kann und daß zusätzlich die Übergangsbetriebsabstände in der erwünschten Weise erzielbar sind. Die bestimmte Art des benutzten Materials mit dem zweifachen Alpha-Wert hängt von den erwünschten Eigenschaften ab und kann in geeigneter Weise ausgewählt werden, damit sich die jeweiligen Eigenschaften ergeben, um irgendeine erwünschte tibergangsbetriebs-Abstandsbeziehung zwischen den Kurven P, und P₂ bzw. nahe derselben zu erreichen.

Es sollte daran gedacht werden, daß das Material mit dem zweifachen Alpha-Wert als ein Stützgebilde im Triebwerk auch an anderen Stellen als denjenigen der Turbinenummantelung benutzt werden kann. Insbesondere kann das Material wirksam verwendet werden, um das stationäre Glied einer Dichtung entweder im Turbinen- oder Kompressorbereich zu stützen bzw. zu halten, um wünschenswerte Abstandsbeziehungen zu erhalten.

Unter Bezug auf Figur 2 wird daran erinnert, daß die von dem Verbrennungssystem 21 gelangenden heißen expandierten Gase durch die Turbinendüsen 43 und Turbinenschaufeln 44 in einem Hochdruckzu'- stand geleitet werden. Gleichzeitig erfolgt an der radial innenliegenden Seite der Laufschaufeln und Turbinen eine Zirkulation von Kühlluft, um die Temperaturen der Komponenten auf einem an nehmbaren Temperaturpegel zu halten. Die Kühlluft geht aus von der ringförmigen Kammer 4o, die den Brenner umgibt, und strömt durch die öffnung 63 in die ringförmige Leitung 64. Von hier gelangt die Kühlluft nach hinten durch die stationäre Expansionsdüse 66 und in den Hohlraum 67. In diesen erstreckt sich eine Turbinenabdichtungsscheibe 68, an deren Ende eine gezahnte Dichtung

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69 bekannter Art angeordnet ist. Die Kühlluft strömt vom Hohlraumbereich 67 an einer Seite der Turbinendichtungsscheibe 68 durch eine Scheibenöffnung 71 in eine Kammer 72 an der anderen Seite. Es ist eine Funktion der Dichtung 69, den Druckabfall zwischen der Hochdruckkühlluft und den heißen Turbinengasen an der äußeren Seite aufrechtzuerhalten. Die sich drehende gezahnte Dichtung 6 9 befindet sich in Eingriff mit einem stationären Dichtungssitz 73, der aus einem weichen, temperaturbeständigen Material besteht. Der Dichtungssitz 73 wird von einem Dichtungsstützarm 74 gehalten, der seinerseits mittels Schrauben 76, 77 mit dem Turbinengebilde verbunden ist. Nach der vorliegenden Erfindung besteht der Dichtungsstütz- bzw. -haltearm 7 4 aus einem Doppelalpha-Material der beschriebenen Art, um die erwünschten Abstandsbeziehungen zwischen dem Dichtungssitz 73 und der gezahnten Dichtung 69 während Perioden eines Dauerbetriebes und eines Übergangsbetriebes zu erzielen.

Im Zusammenhang mit dem rückwärtigen Abschnitt des Kompressors 18, in dem komprimierte Luft zum auslaßseitigen Führungsflügel 32 gelangt, wurde zuvor erwähnt, daß ein Teil der komprimierten Luft in den ringförmigen Raum 33 strömt. An dieser Stelle wird die Grenzfläche zwischen dem sich drehenden Kernrotor 12 und dem stationären auslaßseitigen Führungsflügel sowie Diffusoraufbau durch die CDP- bzw.· Kompressorauslaßdruckdichtüng 78 gebildet. Die CDP-Dichtung 78 ist eine gezahnte Dichtung bekannter Art und unter engem Sitz von einem stationären Dichtungssitz 79 umgeben, um den passenden Druckabfall an diesem Grenzflächenbereich zu erzielen. Der abgestufte stationäre Dichtungssitz 79 ist fest an einem Stützarm 81 angebracht, der mittels Schrauben 82 am Düsenstützgebilde 42 befestigt ist. Und wiederum besteht der Stütz- bzw. Haltearm 81 aus einem Doppelalpha-Material der zuvor erörterten Art, damit sich die erwünschten thermischen Wachstumseigenschaften ergeben, um die passenden AbstandsbeZiehungen zwischen der CDP-Dichtung 7b und dem Dichtungssitz 79 aufrechtzuerhalten.

Die vorliegende Erfindung wurde im Zusammenhang mit sich relativ drehenden Teilen beschrieben, wobei das stationäre äußere Teil aus einem Material mit einem zweifachen Alpha-Wert besteht. Dem Fach-

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mann ist es jedoch leicht ersichtlich, daß sich die vorliegende Erfindung nicht auf diesen besonderen Aufbau beschränkt. Beispielsweise eignet sie sich auch für einen solchen Aufbau, bei dem sich das äußere Element dreht und bei dem das innere Element stationär angeordnet ist, oder es kann auch sein, daß sich jedes der Elemente mit verschiedenen Drehzahlen dreht, wodurch sich zwischen den Elementen eine relative Drehzahl bzw. ein Drehzahlunterschied ergibt.

- Ansprüche -

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Claims

Ansprüche

[ 1. Turbomaschine mit sich relativ zueinander drehenden Teilen, '"■■-—' die veränderlichen Drehzahl- und Temperaturbetriebsbedingungen ausgesetzt werden können, gekennzeichnet durch ein drehbares Glied (12; 69, 78) mit einer relativ großen thermischen Trägheit, durch ein relativ stationäres Glied (73, 79; 41, 42), das eine relativ kleine thermische Trägheit hat und in enger radialer Abstandsbeziehung zum drehbaren Glied angeordnet ist, und durch ein Stützgebilde (74, 81) für das stationäre Glied, wobei das Stützgebilde ein Material enthält, das im wesentlichen einen Koeffizienten der thermischen Expansionseigenschaft aufweist, wenn das Material einem ersten vorbestimmten Temperaturbereich ausgesetzt wird, und das einen anderen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, wenn es einem zweiten vorbestimmten Temperaturbereich unterworfen wird.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das relativ stationäre Glied (73, 79; 41, 42) das drehbare Glied (12; 69, 78) umgibt.

3. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine thermische Expansionskoeffizient der Expansionscharakteristik relativ klein ist, wenn der erste Temperaturbereich bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen liegt.

4. Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine thermische Expansionskoeffizient der Expansionscharakteristik dergestalt ist, daß bei einem Ansteigen der Temperatur in dem ersten Temperaturbereich der thermische Expansionskoeffizient abfällt.

5. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der andere thermische Expansionskoeffizient relativ groß ist, wenn der zweite Temperaturbereich bei relativ hohen Temperaturen liegt.

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S. Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der andere thermische Expansionskoeffizient der Expansionscharakteristik dergestalt ist, daß er steigt, wenn die Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich zunimmt.

7. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Glied einen Turbinenrotor (12) und das relativ stationäre Glied ein diesen umgebendes Statorgebilde (41, 42) aufweisen.

ORIGINAL INSPECTED

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