DE3018621C2 - Außengehäuse für Axialverdichter oder -turbinen von Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Außengehäuse für Axialverdichter oder -turbinen von Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, welches unter Einschluß von gleichförmig in Umfangsrichtung verteilten, gegeneinander abgedichteten Kammern in Integralbauweise doppelwandig ausgebildet ist, wobei die Umfangsabdichtung mittels radialer Tragstege zwischen der inneren und der äußeren Gehäusewand erfolgt.

Ein derartiges Außengehäuse ist aus der DE-OS 28 11 478 bekannt; diese bekannte Bauart befaßt sich primär mit dem Problem, daß unter besonders kritischen Belastungszuständen Turbinenlaufschaufeln brechen können mit der Gefahr, daß Schaufelbruchstükke die Turbine durchschlagen und so zu einer erheblichen Beschädigung nicht nur der Turbine, sondern auch des gesamten Triebwerks führen können. Derartige Beschädigungen sollen bei der bekannten Bauart vermieden werden, indem die Schaufelringe innen hohl ausgebildet und mit einer den Schaufelspitzen benachbarten Wand ausgestattet sein sollen, die wiederum derart ausgebildet sein soll, daß abgeschleuderte Schaufelbestandteile diese den Schaufelspitzen zugekehrten Wand durchdringen können, um nachher in den einzelnen Hohlräumen aufgefangen und gespeichert werden zu können.

Mit der vorliegenden bekannten Bauart ist jedoch eine thermische Gehäusekompensation im Hinblick auf ein minimales und möglichst konstantes Schaufelspitzenspiel — insbesondere unter Berücksichtigung schroffer Lastwechsel — nicht realisierbar.

Die bekannte Bauart führt nämlich zu einer äußerst geringen Differenzdehnung und damit einer äußerst geringen Temperaturdifferenz zwischen der inneren und äußeren Gehäusewand, was allenfalls mit einem äußerst hohen Wärmetransport von der Innenseite nach der Außenseite oder umgekehrt zu realisieren wäre, wozu die als »Wärmerohre« gestaltbaren Gehäusekammern zusätzlich mit kondensierbarem Natriumdampf füllbar sein sollen. Bei der bekannten Lösung ist somit zu erwarten, daß die Gehauseinnenwand mangels thermischer Kompensationsmittel einer stark eingeschränkten Temperaturausdehnung ausgesetzt ist, wodurch aufgrund der mechanischen Überbelastung gegebenenfalls ; mit bleibenden radialen Verformungen oder gar Rissen an der inneren Gehäusewandung mit hieraus resultierenden Gefahren für die gesamte Strömungsmaschine zu rechnen sein dürfte.

Für die Schaffung einer die thermischen Einflüsse

ίο wirksam kompensierenden Gehäusekonzeption für Axialverdichter und -turbinen ist es wesentlich, eine kontrollierte radiale Gehäuseausdehnung und -schrumpfung vorzusehen, um das Radialspaltverhalten zwischen Rotor und Stator im Interesse eines minimalen und möglichst konstanten Schaufelspitzenspiels beeinflussen zu können.

Bereits bekannte Kompensationsausführungen, die z. B. aus einem segmentierten Innenring einer Hakenzentrierung und einem Kontrollring bestehen, weisen insbesondere durch das mögliche Verklemmen der Haken erhebliche FunktionsmängeJ auf, deren Ursache die im Betrieb auftretenden Segmentverformungen sind. Diese Ausführungen haben zudem den Nachteil, daß wichtige Bauelemente wie die Hakenzentrierung und die Segmentabdichtung jeweils an den Stoßstellen verschleißbehaftet sind, wodurch sich das Kompensationsverhalten mit zunehmender Laufzeit verschlechtern kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgetragenenen Nachteil zu beseitigen und ein Außengehäuse der eingangs genannten Art zu schaffen, welches insbesondere im Hinblick auf schroffe Lastwechsel der betreffenden Strömungsmaschine ein optimales thermisches Kompensationsverhalten im Hinblick auf ein geringes und möglichst konstantes Schaufelspitzenspiel gewährleisten soll.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe gemäß dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1.
Im Interesse eines optimierten Schaufelspitzenspiels und -spaltverhaltens ergibt sich somit im Betrieb eine nahezu uneingeschränkte Differenzdehnung der inneren und äußeren Gehäusewand bei Temperaturbeaufschlag-jng, wobei die anhand der Radialspalte gebildeten Innenringsegmente der inneren Gehäusewand durch die radialen Tragstege nach innen bewegt werden und sich durch die Radialspalte in tangentialer Richtung nahezu unbehindert ausdehnen können, wodurch zudem eine verschleißlose Umfangsdehnung erreicht wird.

Bei Erwärmung werden also die der inneren Gehäusewand zugehörigen Innenringsegmente kurzzeitig in ihrer radialen Ausgangslage gehalten und bewegen sich dann mit zunehmender Erwärmung der Tragstege um den Anteil der Längendehnung radial nach innen und erfahren erst bei Temperatureinwirkung auf die äußere Gehäusewand eine radiale Bewegung nach außen, die etwa dem Anteil der radialen Temperaturausdehnung der äußeren Gehäusewand entspricht.

Bei einer Abkühlung der Innenringsegmente läuft dieser erwähnte Prozeß jeweils in umgekehrter radialer und tangentialer Richtung ab.

Die zusätzlich vorgesehene Kombination der Innenringsegmente mit einer Wärmeisolierung verstärkt dann dieses thermische Kompensationsverhalten besonders vorteilhaft im Hinblick auf schroffe Lastwechsel, wie sie besonders z. B. bei der Triebwerksbeschleunigung und -verzögerung auftreten können.
Für die wirksame thermische Gehäusekompensation

stellen somit die radial ausgesparten Tragstege einen Schwerpunkt dar; sie werden bei Temperatureinwirkung, die vorwiegend an der inneren Gehäusewand auftritt, durch ihre Längenänderung auf Druck oder Zug und durch die b'mfangsdehnung der inaeren Gehäusewand auf Biegung belastet

Parameter für eine optimale Formgebung und Anzahl der Tragstege und der Radialspalte können durch eine gute Temperaturabschätzung und Festigkeitsbetrachtung ermittelt werden. Sie stehen in direkter Beziehung zu den im Betneb tatsächlich vorhandenen radialen und tangentialen Gehäusedehnungen und den damit verbundenen Biege- und Druckbelastungen.

Das optimale Massenverhältnis zwischen Innen- und Außenwand wäre in der gleichen Art und Weise zu definieren.

An den axialen Enden und äußeren Randzonen des integralen Gehäuses sind rein konstruktive Maßnahmen notwendig, um den Wärmeübergang an den Luftkammern und der Kontrollmasse zu verringern. Die hierzu vorgesehenen Abdichtungen bzw. Abdeckungen sollen die Tragstege und die segmentierte innere Gehäusewand in ihrer Funktion möglichst nicht beeinträchtigen.

Die vorgesehene Gehäusestruktur bedarf einer sorgfältigen radialen Zentrierung als auch axialen Fixierung, wobei die Verbindungselemente zu den axial benachbarten Gehäusestufen zweckmäßigerweise je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgeführt werden sollten.

Anhand eines Ausführungsbeispiels ist die Erfindung 3ü in den Zeichnungen erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Teilquerschnitt eines integralen, doppelwandigen Außengehäuses für einen Axialverdichter,

Fig.2 einen Gehäuseringausschnitt nach Einzelheit H der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig.3 einen Schnitt nach der Linie III-I1I der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und

Fig.4 einen Längsschnitt einer aus zwei jeweils integralen Gehäusebauteilen zusammengebauten Gehäusepartie für einen mehrstufigen Axialverdichter eines Turbinenstrahltriebwerks.

F i g. 1 zeigt ein Außengehäusebauteii für einen Axialverdichter, welches unter Einschluß von gleichförmig in Umfangsrichtung verteilten, gegeneinander abgedichteten, mit Luft angefüllten Kammern 4 in Integralbauweise doppelwandig ausgebildet ist. Es sind dabei u. a. die Umfangsabdichtung bewirkende Tragstege 2 zwischen der inneren und der äußeren Gehäusewand 3 vorgesehen. Die Tragstege 2 weisen jeweils mittig radiale, hier gegen den betreffenden Verdichter- do kanal geöffnete, sich über die jeweilige Kammerhöhe erstreckbare Radialspalte 1 auf, die die innere Gehäusewand in Innenringsegmente 5 zergliedern. Die Kammern 4 zwischen den Tragstegen 2 dienen hauptsächlich zur Verringerung des Wärmeübergangs zwischen der in Innenringsegmente 5 zergliederten inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand 3. Dadurch kann die radiale Temperaturausdehnung und -schrumpfung an der äußeren Gehäusewand 3 verzögert und damit ein Element zur Kontrolle der radialen Dehnung an den Innenringsegmenten 5 über die Tragstege 2 erzielt werden.

In F i g. 2 und 3 wird das Kompensationsprinzip und dessen zeitlicher Ablauf in folgenden Schritten dargestellt: b5

Bei Erwärmung werden die Innenringsegmente 5 (innere Gehäusewand) kurzzeitig in deren radialer Ausgangslage gehalten, bewegen sich dann mit zunehmender Erwärmung der Tragstoge 2 um den Anteil der Längendehnung 8 radial nach innen und erfahren erst bei Temperatureinwirkung auf die äußere Gehäusewand 3 (Kontrollring) eine radiale Bewegung nach außen, die in etwa dem Anteil der radialen Temperaturdehnung der äußeren Gehäusewand 3 entspricht

Die Größe der radialen Dehnungsdifferenz zwischen der aus den Innenringsegmenten 5 gebildeten inneren Gehäuse wand und der äußeren Gehäusewand 3, hervorgerufen durch eine optimale Formgebung der Tragstege 2, ist ein Faktor für die Wirksamkeit der Kompensation. Dieser Faktor ist zugleich ein Maß zur Ermittlung des tangentialen Dehnungsanteils 9 an den Innenringsegmenten 5, der durch eine sinnvolle Dimensionierung der Spaltbreite 7 und Gestaltung der Radialspalte 1 bei zugleich ausreichender Innenringaufieilung 6 gewährleistet wird.

Bei einer Abkühlung der Innenringsegmente 5 läuft dieser dargestellte Prozeß jeweils in umgekehrter radialer und tangentialer Richtung ab. Erwähnenswert erscheint hier ferner die kurzzeitige Radiuszunahme der Innenringsegmente 5, bedingt durch das Zusammenziehen der Tragstege 2 bei Temperaturabnahme. Für den Anwendungsfall bei einem Strahltriebwerk stellt dies einen positiven Einfluß dar, da hierdurch bei einer schnellen Abkühlung bzw. Verzögerung des Triebwerks das Spaltverhalten zwischen den Rotorschaufeln und Statorgeiiäuse verbessert werden kann.

Trotzdem sollte der Vorgang der Temperaturabnahme bei der Dimensionierung aller hierzu notwendigen Bauelemente mit einbezogen werden.

F i g. 4 verkörpert eine konstruktive Gestaltungsmöglichkeit für das Außengehäuse 10 eines mehrstufigen Axialverdichters eines Gasturbinenstrahltriebwerks. Hierbei kann beispielsweise mindestens ein — im Längsschnitt gesehen — im wesentlichen T-förmig profiliertes sowie ferner ringförmig aufgebautes Verbindungselement 11 für die axiale — 12 — und radiale — 13 — Gehäusezentrierung bzw. -abstützung vorgesehen sein. Dabei ruht ein radial vorstehender Umfangswandabschnitt 14 des Verbindungselements 11 in einer stirnseitigen Ausnehmung des vornehmlich außenringseitigen Bereiches eines Außengehäusebauteils und grenzt andererseits unmittelbar an einen Dichtkörper 15 an. Die integralen Außengehäusebauteile können mittels Paßbolzen verschraubt sein, die die jeweiligen äußeren Gehäusewände 3, die Dichtkörper 15 sowie die radialen Wandabschnitte 14 der Verbindungselemente 11 in Achsrichtung — entlang der Linie 16 — durchsetzen sollen.

Um bei Betriebsfällen mit verhältnismäßig hohen Temperaturgradienten den Wärmeübergang entlang der inneren Gehäusewand zu verkleinern, sollen gemäß F i g. 4 ferner die Innenringsegmente 5 eines integralen Außengehäusebauteils auf der dem Verdichter- oder Turbinenkanal zugekehrten Seite mit einer Wärmeisolierung 17 versehen sein, die vorzugsweise mit einem Einlaufbelag für die daran angrenzenden Spitzen der Laufschaufeln 18 des betreffenden Verdichters oder einer Turbine kombiniert sein kann. Diese Wärmeisolierung kann ferner aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein

Wie weiter aus Fig.4 hervorgeht, kann das Außengehäuse 10 an der jeweiligen gehäuseinnenseitigjn Verbindungsstelle zwischen zwei benachbarten integralen Gehäusebauteilen als Leitschaufelträger, beispielsweise in Form einer Umfangsnut 19 für die betreffenden Leitschaufelfüße, ausgebildet sein.

Für die Durchführung der Erfindung sei vermekrt, daß entsprechend den gewählten Einsatzbedingungen und betrieblichen Möglichkeiten die jeweilig sinnvollsten Werkstoffe und Verfahren verwendet werden sollten. Die zu einem Außengehäuse gehörigen integralen Außengehäusebauteile könnten bevorzugt z. B. aus einer hochwarmfesten Ni-Basislegierung gefertigt sein. Gemäß Fig.4 wird ferner an der jeweiligen gehäuseinnenseitigen Verbindungsstelle zwischen den beiden benachbarten integralen Gehäusebauteilen anhand einer ringförmigen Flanschverbindung 20 eine radiale Zentrierung und zugleich radiale Abdichtung der betreffenden Kammern 4 zum Verdichter- bzw. einen Turbinenkanal geschaffen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:

1. AußengehäuEe für Axialverdichter oder -turbinen von Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, welches unter Einschluß von gleichförmig in Umfangsrichtung verteilten, gegeneinander abgedichteten Kammern in Integralbauweise doppelwandig ausgebildet ist, wobei die Umfangsabdichtung mittels radialer Tragstege zwischen der inneren und der äußeren Gehäusewand erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (4) mit Luft angefüllt sind und die Tragstege (2) jeweils mittig radiale, gegen den betreffenden Verdichter- oder Turbinenkanal geöffnete, sich über die jeweilige Kammerhöhe erstrekkende Radialspalte (1) aufweisen, die die innere Gehäusewand in Innenringsegmente (S) zergliedern, welche cuf der den Laufschaufelspitzen zugekehrten Seite mit einer Wärmeisolierung (17) versehen sind, welch letztere mit einem Schaufeleinlaufbelag kombiniert ist

2. Außengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung (17) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist