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Dokumentenidentifikation DE69811757T2 02.10.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0874134
Titel Spielkontrollvorrichtung für Schaufelspitzen
Anmelder Rolls-Royce plc, London, GB
Erfinder Owen, Brian Charles, Derby DE22 3LX, GB
Vertreter Patentanwälte Wallach, Koch & Partner, 80339 München
DE-Aktenzeichen 69811757
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, LI, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.04.1998
EP-Aktenzeichen 983028226
EP-Offenlegungsdatum 28.10.1998
EP date of grant 05.03.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2003
IPC-Hauptklasse F01D 11/24

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einstellvorrichtung für das Laufschaufel-Spitzenspiel bei Gasturbinentriebwerken. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Schaffung einer Schaufelspiel-Einstellvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, mit der das Spiel zwischen einem Gehäuse oder einem statischen Teil des Triebwerks und den Laufschaufelspitzen eines Rotors eingestellt werden kann.

Es ist wichtig, das Spitzenspiel zwischen den rotierenden Laufschaufeln und einem statischen Aufbau, beispielsweise der radial inneren Oberfläche eines ringförmigen Gehäuses, so klein als möglich zu halten. Das Spiel wird so eingestellt, daß der Leckstrom von Turbinengasen zwischen dem Gehäuse und den Laufschaufelspitzen minimiert wird. Eine Minimierung des Leckstromes der Gase, wie dies beispielsweise in der US-A-5 154 578, der FR-A-2534982 und der SU-A-171609 beschrieben ist, verbessert den Wirkungsgrad des Triebwerks, und dadurch wird der spezifische Brennstoffbedarf des Triebwerks gesenkt.

Während eines konventionellen Betriebszyklus eines Gasturbinentriebwerks dehnen sich die Laufschaufeln und die Scheiben, an denen sie montiert sind, infolge der Zentrifugalkräfte aus, die auf diese wirken, da diese Laufschaufeln mit einer hohen Drehzahl rotieren, und außerdem erfolgt eine thermische Ausdehnung infolge der Erhitzung durch das Arbeitsmittel, welches hindurchströmt. Das Ringgehäuse heizt sich ebenfalls auf und wächst radial nach außen, was zu einer Vergrößerung des Spitzenspiels zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einstellvorrichtung für das Schaufelspitzenspiel zu schaffen, durch welche die Vergrößerung des Spitzenspiels zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse im Betrieb des Triebwerks vermindert wird.

Die Erfindung geht aus von einer Einstellvorrichtung für ein Laufschaufel- Spitzenspiel mit mehreren in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Wandteilen, die benachbart zum Rotorpfad mehrerer Laufschaufeln angeordnet sind, wobei jeder Wandteil einen Träger aufweist, der sich radial nach außen erstreckt, um den Wandteil mit einer ringförmigen Trägerstruktur zu verbinden und löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß jeder Träger wenigstens einen Fluidkanal darin aufweist, der im Betrieb von einem Fluid durchströmt wird, um den Träger aufzuheizen und abzukühlen und um die thermische Ausdehnung oder Zusammenziehung des Trägers einzustellen und um den Wandteil auf unterschiedliche radiale Lagen einzustellen.

Vorzugsweise sind die Wandteile auf den Trägern montiert, die aus einem Material bestehen, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als der ringförmige Trägeraufbau.

Vorzugsweise ist jeder Träger und jeder Wandteil mit mehreren darin angeordneten Fluidkanälen versehen. Die Fluidkanäle können spiralförmig sein, um die Verweilzeit des hindurchströmenden Fluid zu vergrößern, und der Träger kann thermisch isoliert sein.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ist ein Schnitt einer erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung für das Spitzenspiel;

Fig. 2 ist eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht einer Spitzenspiel-Einstellvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Spitzenspiel-Einstellvorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Spitzenspiel- Einstellvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird ein Gaskanal zwischen den Rotor-Laufschaufeln 14 und einer Außenwand in Form mehrerer Mantelringsegmente 16 definiert. Die Segmente 16 bilden einen Teil einer Laufschaufel-Spitzenspiel-Einstellvorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Die Funktion der Vorrichtung 10 besteht darin, das Spiel x zwischen den Spitzen der Laufschaufeln 14 und den Segmenten 16 in vorbestimmter und gesteuerter Weise einzustellen.

Jedes Segment 16 ist auf einem Träger 18 montiert, der am Gehäuse 22 festgelegt ist. Das radiale Wachstum des Gehäuses 22 infolge der thermischen Ausdehnung bewirkt, daß sich die Träger 18 und die Segmente 16 radial nach außen bewegen. Der Träger 18 besteht jedoch aus einem Material mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Gehäuses 22. Die Länge des Trägers 18 ist so bemessen, daß die Längenänderung des Trägers 18 infolge der thermischen Ausdehnung größer ist als die Änderung des Spiels x, die durch die thermische Ausdehnung des Gehäuses 22 und der Spitzen der Schaufeln 14 verursacht wird. Der Träger 18 bewegt demgemäß die Segmente 16 radial nach innen, wodurch das Spiel x verringert wird.

Es ist für den Fachmann klar, daß die Länge des Trägers und der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials, aus dem er besteht, für eine spezielle Anwendung zur Einstellung des Spiels x gewählt werden können.

Gemäß einem zweiten in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 18 mit mehreren Fluidkanälen 20 versehen. Die Wandsegmente 16 sind getrennt von den Trägern 18 hergestellt und Bolzen 23 legen die Segmente 16 an Flanschen 21 fest, die am radial inneren Ende der Träger 18 angeordnet sind.

Am Gehäuse 22 sind Isolierringe 24 befestigt. Diese Isolierringe stützen die Träger 18 oder die Segmente 16 nicht ab, außer dann, wenn ein Bruch auftritt. Im Falle eines Bruches verhindern die Isolierringe 24 eine Bewegung der Träger 18 und/oder der Segmente 16 radial nach innen in den Gasströmungspfad. Nicht dargestellte Dichtungen sind in die Zwischenräume 26 zwischen den Isolierungen 24 und den Segmenten 16 eingesetzt. Die Dichtungen verhindern einen Leckstrom des Gases in den Gaspfad hinein und aus diesem heraus.

Im Betrieb wird eine Fluidströmung durch ein Loch im Gehäuse 22 eingeführt und in dem zentralen Kanal 20 im Träger 18 nach dem Segment 16 geleitet. Das Fluid trifft entweder auf das Segment 16 auf, oder es wird in einen nicht dargestellten Hohlraum im Segment 16 geleitet. Dann wird das Fluid vom Träger 18 durch die Kanäle 20 über den Umfang des Trägers 18 ausgeblasen, bevor das Fluid in den Hauptabgasstrom über ein weiteres Loch im Gehäuse 22 gelangt. Obgleich bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einzelne Löcher benutzt werden, um das Fluid in das Gehäuse 22 einzuleiten und aus diesem herauszuleiten, ist es klar, daß auch mehrere Löcher benutzt werden könnten.

Das eingebaute Spiel zwischen den Spitzen der Laufschaufeln 14 und den Segmenten 16 ist ausreichend, um ein Übergangswachstum der Spitzen der Rotor- Laufschaufeln 14 und des Gehäuses 22 aufzunehmen. Um dieses Spiel während der Übergangsbedingungen aufrechtzuerhalten, verläuft ein Fluid durch die Kanäle 20, um den Träger 18 abzukühlen und um eine Bewegung der Segmente 16 radial nach innen zu verhindern.

Nachdem die Spitzen der Rotor-Laufschaufeln 14 und das Gehäuse 22 einmal ihren Endbetriebszustand erreicht haben, hat sich das Fluid in den Kanälen 20 erhitzt. Das erhitzte Fluid strömt durch die Kanäle 20, was die Träger 18 und die entsprechenden Segmente 16 veranlaßt, radial nach innen zu wachsen. Die Segmente 16 bewegen sich radial nach innen, um das Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen und den Segmenten 16 unter stetigen Betriebsbedingungen so klein als möglich zu halten.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein einziges Fluid, beispielsweise Luft oder Dampf, in einem geschlossenen System benutzt, wobei das Fluid erhitzt wird, wenn es im Betrieb durch die Träger strömt. Es ist jedoch klar, daß Alternativen zu dem System mit geschlossener Schleife benutzt werden können. Beispielsweise könnte das Fluid außerhalb des Trägers erhitzt werden, oder es könnten getrennte Fluide zur Kühlung bzw. Erhitzung der Träger benutzt werden, und es könnten Mittel vorgesehen sein, um zwischen Kühlfluid und Heizfluid umzuschalten.

Eine Einstellvorrichtung 10 für das Spitzenspiel kann gemäß der Erfindung so abgestimmt werden, daß es das erforderliche Ansprechen erhält. Die Strömungsrate des Fluid durch die Kanäle 20, das benutzte Fluid, die Länge der Kanäle 20 oder das Material, aus dem der Träger 18 hergestellt ist, können variiert werden, um die erforderliche Spieleinstellung zu gewährleisten.

Die Kanäle 20 könnten auch spiralförmig durch den Träger 18 verlaufen, wodurch die Verweilzeit des hindurchströmenden Fluid vergrößert würde und eine gleichförmigere thermische Ausdehnung oder Zusammenziehung des Trägers 18 erreicht werden könnte.

Anstelle der Benutzung eines massiven Trägers 18 mit Kanälen 20, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, könnte der Träger auch aus mehreren einzelnen Leitungen 30 bestehen, durch die das Fluid gemäß Fig. 4 hindurchtreten könnte. Die Leitungen 30 könnten isoliert sein, um im Übergangsbetrieb ein thermisches Wachstum zu verhindern. Die thermische Auskleidung (nicht dargestellt) könnte derart gestaltet werden, daß die Leitungen 30 ein Wachstum des Trägers 18 nur in Richtung radial nach innen verursachen, nachdem im Übergangsbetrieb das Wachstum von Rotor und Gehäuse stattgefunden hat.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist die Wand 16 auf dem Träger 18 dadurch montiert, daß die Wand in Richtung des Pfeiles A über den am Boden der Leitungen 30 angeordneten Flansch 21 geschoben wird.


Anspruch[de]

1. Einstellvorrichtung (10) für das Laufschaufel-Spitzenspiel mit mehreren in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Wandteilen (16), die benachbart zum Rotorpfad mehrerer Laufschaufeln (14) angeordnet sind, wobei jeder Wandteil (16) einen Träger (18) aufweist, der sich radial nach außen erstreckt, um den Wandteil (16) mit einer ringförmigen Trägerstruktur (22) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Träger (18) wenigstens einen Fluidkanal (20) darin aufweist, der im Betrieb von einem Fluid durchströmt wird, um den Träger (18) aufzuheizen und abzukühlen und um die thermische Ausdehnung oder Zusammenziehung des Trägers (18) einzustellen und um den Wandteil (16) auf unterschiedliche radiale Lagen einzustellen.

2. Einstellvorrichtung (10) für das Laufschaufel-Spitzenspiel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Träger (18) und jeder Wandteil (16) mehrere Fluidkanäle (20) darin aufweist.

3. Einstellvorrichtung (10) für das Laufschaufel-Spitzenspiel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (20) spiralförmig angeordnet sind, um die Verweilzeit des hindurchströmenden Fluid zu verlängern.

4. Einstellvorrichtung (10) für das Laufschaufel-Spitzenspiel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (18) mehrere hohle Leitungen (30) aufweist, die im Betrieb von einem Fluid durchströmt werden, um die thermische Ausdehnung oder Zusammenziehung der Leitungen (30) einzustellen und um den Wandteil (16) auf eine andere radiale Lage zu bewegen.

5. Einstellvorrichtung (10) für das Laufschaufel-Spitzenspiel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Leitungen (30) thermisch isoliert sind.

6. Einstellvorrichtung (10) für das Laufschaufel-Spitzenspiel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (18) einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als die ringförmige Trägerstruktur (22).

7. Einstellvorrichtung (10) für das Laufschaufel-Spitzenspiel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile (16) auf dem radial inneren Ende des Trägers (18) montiert sind.







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