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Dokumentenidentifikation DE69831124T2 13.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000922837
Titel Bläsergehäuse
Anmelder United Technologies Corp. (n.d.Ges.d. Staates Delaware), Hartford, Conn., US
Erfinder Van Duyn, Keven G., Bloomfield, US
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69831124
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.11.1998
EP-Aktenzeichen 983092214
EP-Offenlegungsdatum 16.06.1999
EP date of grant 10.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse F01D 21/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F01D 25/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere das Schaffen einer gehärteten Auskleidung in dem Bläsergehäuse der Maschine, um für den Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts eine Beschädigung an dem Bläsergehäuse zu minimieren.

Eine Gasturbinenmaschine, beispielsweise eine Turbobläsermaschine für ein Flugzeug weist einen Bläserabschnitt, einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt auf. Eine Achse der Maschine ist zentral in der Maschine angeordnet und verläuft in Längsrichtung durch diese Abschnitte. Ein primärer Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase verläuft axial durch die Maschine. Ein sekundärer Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase verläuft parallel zu und radial auswärts von dem primären Strömungsweg.

Bei Betrieb saugt der Bläser Luft in die Maschine. Der Bläser erhöht den Druck der angesaugten Luft entlang des sekundären Strömungswegs und schafft so Nutzschub. Die entlang des primären Strömungswegs in den Verdichterabschnitt geführte Luft wird verdichtet. Die verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungsabschnitt kanalisiert, wo Brennstoff der verdichteten Luft zugegeben wird und die Luft- Brennstoffmischung verbrannt wird. Die Verbrennungsprodukte werden an den Turbinenabschnitt abgegeben. Der Turbinenabschnitt entzieht diesen Produkten Arbeit, um den Bläser und den Verdichter anzutreiben. Energie der Verbrennungsprodukte, die nicht zum Antreiben des Bläsers und des Verdichters benötigt wird, trägt zu Nutzschub bei.

Der Bläserabschnitt weist eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung auf. Die Rotoranordnung des Bläsers weist eine Rotorscheibe und eine Mehrzahl von nach außen ragenden Rotorlaufschaufeln auf. Jede Rotorlaufschaufel weist einen Strömungsprofilbereich, einen Wurzelbereich und einen Spitzenbereich auf. Der Strömungsprofilbereich verläuft durch den Strömungsweg und wechselwirkt mit den Arbeitsmediumsgasen, um Energie zwischen der Rotorlaufschaufel und den Arbeitsmediumsgasen zu übertragen. Die Statoranordnung weist eine Bläsereinschlussgehäuseanordnung auf, welche die Rotorananordnung in enger Nähe zu den Spitzen der Rotorlaufschaufeln umgibt. Die Bläsereinschlussgehäuseanordnung weist ein Bläsergehäuse auf, welches eine Abstützstruktur schafft, eine Mehrzahl von Textilwicklungen, die radial außerhalb des Bläsergehäuses angeordnet sind, eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten Schalltafeln und eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten Reibstreifen, die radial innerhalb des Bläsergehäuses angeordnet sind. Konventionelle Bläsergehäuse sind typischerweise ein massives Metallgehäuse, welches eine starre Struktur zum Abstützen der Textilwicklungen bildet. Die Mehrzahl von Reibstreifen ist aus einem relativ nachgiebigen Material gebildet. Im Falle eines Kontakts der Spitze einer Bläserlaufschaufel mit den Reibstreifen minimiert die Nachgiebigkeit der Reibstreifen das Risiko einer Beschädigung der Bläserlaufschaufel.

Es gibt zwei spezifische Spiele zwischen den Bläserlaufschaufelspitzen und der Bläsereinschlussgehäuseanordnung, die von Bedeutung sind. Das erste ist als ein Leistungsspiel gekennzeichnet und ist definiert als das Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen und dem weichen Reibstreifen in der inneren Oberfläche des Bläsergehäuses. Das zweite Spiel ist als ein effektives Strukturspiel gekennzeichnet und ist definiert als das Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen und einer harten Metalloberfläche in dem Bläsergehäuse. Die vorliegende Erfindung betrifft dieses strukturelle Spiel im Gegensatz zu dem Leistungsspiel.

Es kann in einer Maschine insbesondere nach dem Abbrechen einer Bläserlaufschaufel von der Rotoranordnung zu einer beträchtlichen Rotorunwucht kommen. Ein Grund für einen Bläserlaufschaufelverlust ist der Aufprall von Fremdkörpern, beispielsweise Vögeln, Hagelkörnern oder anderen Gegenständen, die hier gelegentlich in die Maschine aufgenommen werden. Die losgelöste Bläserlaufschaufel wird nach außen geworfen und geht durch das Bläsergehäuse, wird jedoch typischerweise von den Textilwindungen in der Bläsereinschlussgehäuseanordnung gefangen. Ein Laufschaufelverlust führt zu einer Unwucht in dem Rotor und bewirkt ein Verformen der Rotorwelle radial nach außen. Das Verformen der Rotorwelle weg aus ihrer Längsachse kann zu zusätzlicher Schädigung der Rotoranordnung führen. Je mehr sich der Rotor verformt, desto größer ist die radiale Belastung auf den Rotorlagerabstützungen.

Die Bläsergehäusestruktur stoppt die Verformung der Rotoranordnung. Die Beschädigung der Rotoranordnung wird durch Verringern des Spiels zwischen den Bläserspitzen und dem Gehäuse verringert, da die Wellenverformung durch den nächstkommenden Bereich der Bläsergehäuseanordnung begrenzt ist. Das Minimieren des Ausmaßes von radialer Verformung der Welle minimiert die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einem Schaden bei der Welle, den Rotorlagern und den Lagerabstützstrukturen kommt.

Bisher wurde die Verformung der Welle dadurch begrenzt, dass die Bläserlaufschaufeln sich selbst in das Bläsergehäuse eingraben. Dabei schneiden die Bläserlaufschaufeln schnell das Bläsergehäuse weg und zerstören dieses, weil die Bläserlaufschaufeln typischerweise aus einem härteren Material als das Bläsergehäuse sind. Wenn die Bläserlaufschaufeln weiterhin rotieren, koppeln sie mit der statischen Bläsergehäusestruktur und übertragen die kinetische Energie der Rotorwelle auf das Gehäuse, was ein Verdrehen und eine Beschädigung des Gehäuses bewirkt. In der Folge des Koppelns der Rotorwelle mit dem Bläsergehäuse werden hohe Drehmomentlasten auf das Bläsergehäuse übertragen. Diese Drehmomentbelastung des Bläsergehäuses während eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls führt dazu, dass riesige Lasten auf die betreffenden Maschinenbefestigungen und die Maschinengehäusestruktur übertragen werden.

Deshalb ist das Begrenzen der Rotorwellenverformung und dabei das Minimieren der Drehmomentbelastung auf das Bläsergehäuse über die Kinetik der Rotorwelle die Herausforderung für moderne Gasturbinenmaschinen während eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls.

US-A-5,403,148 beschreibt eine Gasturbinenmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.

Somit weist ein Bläsergehäuse in einer Gasturbinenmaschine eine Auskleidung aus gehärtetem Material daran angebracht auf, wobei während eines Bläserlaufschaufelverlust-Zustands die Laufschaufelspitzen an der gehärteten Auskleidung gleiten und das zerstörerische Wegschneiden des Bläsergehäuses verringern. Diese Auskleidung aus gehärtetem Material schafft eine Gleitoberfläche für die Laufschaufeln, damit sie umfangsmäßig darauf gleiten, und schließt aus oder verringert das Eingraben der Laufschaufeln in das Bläsergehäuse und minimiert somit die Drehmomentbelastung des Bläsergehäuses. Außerdem begrenzt die Bläsergehäusestruktur der vorliegenden Erfindung die Verformung der Rotorwelle während eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls. Die Auskleidung aus gehärtetem Material weist eine Mehrzahl von Schindeln auf.

Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist das Minimieren einer Beschädigung an dem Bläsergehäuse, was somit zu einem haltbaren Bläsergehäuse im Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts führt. Die gehärtete Bläsergehäuseauskleidung der vorliegenden Erfindung verringert das destruktive Wegschneiden des Bläsergehäuses durch die Bläserlaufschaufeln. Ein weiterer Vorteil des Bläsergehäuses der vorliegenden Erfindung ist seine Fähigkeit, eine geeignete Rückhaltestruktur gegen die Verformung der Rotorwelle während eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls zu schaffen. Außerdem verringert die gehärtete Auskleidung die Reibkräfte und somit das von dem Rotor auf die Maschinengehäuse übertragene Drehmoment. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit und sind die Kosten für das Herstellen und das Inkorporieren der Auskleidung der vorliegenden Erfindung in das Bläsergehäuse. Die Einfachheit der Struktur der Auskleidung und die Verwendung wirtschaftlicher Materialien erlaubt ein kosteneffizientes Herstellungsverfahren. Außerdem können Bläsergehäuse des Stands der Technik auf kosteneffiziente Weise mit der Erfindung nachgerüstet werden.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:

1 ist eine perspektivische Ansicht einer typischen Axialströmungsturbobläser-Gasturbinenmaschine.

2 ist eine perspektivische Ansicht der Rotoranordnung des Stands der Technik, die eine freigegebene Bläserlaufschaufel zeigt.

3 ist eine schematische Schnittdarstellung der Bläsereinschlussgehäuseanordnung, die ein Bläsergehäuse aufweist, die entlang der Linien 3-3 der 2 genommen ist.

4 ist eine schematische Darstellung der Bläsergehäuseauskleidung, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet, unter Betriebsbedingungen.

5 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Bläsergehäuseauskleidung der vorliegenden Erfindung.

Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Axialströmungs-Turbobläser-Gasturbinenmaschine 10 weist einen Bläserabschnitt 14, einen Verdichterabschnitt 16, einen Brennerabschnitt 18 und einen Turbinenabschnitt 20 auf. Eine Maschinenachse Ar ist zentral in der Maschine angeordnet und verläuft in Längsrichtung durch diese Abschnitte. Ein primärer Strömungsweg 22 für Arbeitsmediumsgase verläuft in Längsrichtung entlang der Achse Ar. Der sekundäre Strömungsweg 24 für Arbeitsmediumsgase verläuft parallel zu und radial außerhalb von dem primären Strömungsweg 22.

Der Bläserabschnitt 14 weist eine Statoranordnung 27 und eine Rotoranordnung 28 auf. Die Statoranordnung hat eine Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30, weiche die äußere Wand des sekundären Strömungswegs 24 bildet. Die Rotoranordnung 28 weist eine Rotorscheibe 32 und eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln 34 auf. Jede Rotorlaufschaufel 34 ragt von der Rotorscheibe 32 über die Arbeitsmediumströmungswege 22 und 24 in die Nähe zu der Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30 nach außen. Jede Rotorlaufschaufel 34 hat einen Wurzelbereich 36, eine entgegengesetzte Spitze 38 und einen Bereich 40 der Erstreckungsmitte, der sich dazwischen erstreckt.

Es wird auf die 3 Bezug genommen. Eine Bläsergehäuseauskleidung 42 ist in der Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30 angeordnet. Die Bläsereinschlussgehäuseanordnung umgibt die Rotoranordnung 28 in enger Nähe zu den Spitzen 38 der Rotorlaufschaufeln 34. Die Einschlussgehäuseanordnung 30 weist eine Auskleidung 42, eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten Reibstreifen 44 und eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten Schalltafeln 46 auf, die radial innerhalb einer Abstützstruktur oder eines Bläsergehäuses 48 angeordnet sind. Eine Mehrzahl von Textilwicklungen 50 ist radial außerhalb des Bläsergehäuses angeordnet. Das Bläsergehäuse ist typischerweise ein massives Metallgehäuse, welches eine starre Struktur zum Abstützen der Textilwicklungen bildet. Der Begriff "Textil" 50 beinhaltet Tape oder Band, Webmaterial oder Ähnliches, ist jedoch nicht darauf beschränkt und hält eine Bläserlaufschaufel in dem Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts zurück. Die Reibstreifen 44 sind aus einem relativ nachgiebigen Material gebildet. Die Reibstreifen 44 erlauben es den Bläserlaufschaufeln 34 in enger Nähe zu dem Bläsergehäuse zu sein, um das Maß an Luft zu minimieren, welche um die Bläserlaufschaufeln strömt, und um somit Fluidströmungs-Leckage um die Bläserlaufschaufeln zu verringern, um die Bläserleistung zu verbessern. Im Falle eines Kontakts der Spitze 38 einer Bläserlaufschaufel 34 mit den Reibstreifen 44 minimiert die Nachgiebigkeit der Reibstreifen das Risiko einer Beschädigung der Bläserlaufschaufel 34. Die Bläsergehäuseauskleidung 42 ist aus einem gehärteten Material, beispielsweise Legierungen aus rostfreiem Stahl oder Nickel. Die Nickellegierung Inconel 718 oder Legierungen aus rostfreiem Stahl wie beispielsweise AISI 321 oder AISI 347 sind Beispiele von Legierungen, die zum Herstellen der Auskleidung verwendet werden. Die Auskleidung ist somit aus einem Material hergestellt, welches härter als das Bläserlaufschaufelspitzenmaterial ist, bei dem es sich typischerweise um Titan handelt. Zur Vereinfachung der Installation könnte die Auskleidung in Form von gekrümmten Segmenten hergestellt sein, die dann an dem Bläsergehäuse befestigt werden können. Diese Anordnung, die eine einstückige Auskleidung verwendet, fällt nicht in den Umfang der vorliegenden Erfindung, diese Beschreibung wurde jedoch beibehalten, um den Leser beim Verständnis der Erfindung zu unterstützen.

Es wird auf die 4 Bezug genommen. Eine segmentierte Bläsergehäuseauskleidung einer Maschine, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet, ist radial außerhalb des Reibstreifens 44 in der Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30 angeordnet. Jedes Segment 52 oder jede Schindel ist von ihrer benachbarten Schindel versetzt, es gibt jedoch einen Überlappungsbereich 54, der deutlich in 5 gezeigt ist, zwischen benachbarten Schindeln. Wie in 5 gezeigt, ist die Bläsergehäuseauskleidung 42 an dem Bläsergehäuse 48 entweder durch Nieten 56 oder Klebstoff, wie in 4 gezeigt, angebracht. Die Nieten 56 sind in dem Überlappungsbereich 54 zwischen benachbarten Schindeln positioniert.

Im Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts während des Maschinenbetriebs wird die losgelöste Laufschaufel radial nach außen geschleudert. Sie wird typischerweise durch das Bläsergehäuse 48 hindurchgehen und wird von den Textilwicklungen 50 in der Bläsereinschlussgehäuseanordnung 30 gefangen.

Der Laufschaufelverlust führt zu einer Unwucht in dem Rotor und bewirkt ein Verformen des Rotors radial nach außen in enge Nähe zu dem Bläsergehäuse. Der Abstand zwischen den Bläserlaufschaufeln und der inneren Oberfläche des Bläsergehäuses ist bei modernen Maschinen minimiert, um die radiale Verformung der Rotoranordnung zu verringern. In der Folge der Rotorverformumg und des verringerten Spiels zwischen den Bläserlaufschaufeln und dem Bläsergehäuse schneiden die Bläserlaufschaufelspitzen schnell den nachgiebigen Reibstreifen 44 in der innersten Oberfläche der Bläsereinschlussgehäuseanordnung weg. Die dünne Bläsergehäuseauskleidung, die aus Schindeln gehärteter Materialien, beispielsweise Stahl- oder Nickellegierungen hergestellt ist, schafft eine Gleitoberfläche für die relativ weicheren Laufschaufeln. Die Bläserlaufschaufeln bewegen sich umfangsmäßig entlang der Gleitoberfläche der Auskleidung. Das Eingraben der Laufschaufeln in das Bläsergehäuse ist eliminiert oder verringert und in der Folge ist die unerwünschte Drehmomentbelastung des Gehäuses verringert. Ohne die gehärtete Auskleidung würden die Bläserlaufschaufeln weiter das Bläsergehäuse wegschneiden und sich fest in das Bläsergehäuse eingraben. Die vorliegende Erfindung liefert somit ein System, welches das Begrenzen der Rotorverformung während eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls erlaubt, und liefert eine Gleitplattenfunktion, welche das Erzeugen von zusätzlicher Drehmomentlast auf das Gehäuse eliminiert oder verringer.

Die Schindeln liefern eine Gleitoberfläche für die Bläserlaufschaufeln damit diese umfangsmäßig darauf rotieren können. Jedoch ist, nachdem sie segmentiert sind, der Schaden an der Auskleidung nach einem Bläserlaufschaufelverlust-Vorfall auf den Verlust von einer oder mehreren benachbarten Schindeln beschränkt. Die verbleibenden Schindeln liefern eine effektive Gleitoberfläche zum darauf Gleiten der Bläserlaufschaufeln.

Ein Hauptvorteil der Bläsergehäuseauskleidung der vorliegenden Erfindung ist das Minimieren einer Beschädigung an dem Bläsergehäuse, was somit zu einem haltbaren Bläsergehäuse im Falle eines Bläserlaufschaufelverlusts führt. Die Auskleidung verringert das zerstörerische Wegschneiden des Bläsergehäuses durch die Bläserlaufschaufeln. Ein weiterer Vorteil des Bläsergehäuses der vorliegenden Erfindung ist seine Fähigkeit, eine geeignete Rückhaltestruktur für das Verformen der Rotorwelle während des Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls zu schaffen. Außerdem verringert die Auskleidung Reibkräfte und in der Folge verringert sie Drehmomentlasten, die von dem Bläserrotor auf das Gehäuse übertragen werden. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit und sind die Kosten der Herstellung und des Inkorporierens der gehärteten Bläsergehäuseauskleidung der vorliegenden Erfindung. Die Einfachheit der Struktur der Auskleidung und die Verwendung wirtschaftlicher Materialien erlaubt kosteneffiziente Herstellungsverfahren. Außerdem können aktuelle Bläsergehäuse des Stands der Technik in kosteneffizienter Weise mit der Bläsergehäuseauskleidung nachgerüstet werden. Durch das Inkorporieren der Auskleidung der vorliegenden Erfindung wird bei aktuellen Maschinen eine Beschädigung an der Bläsergehäuseanordnung und an der Rotorwelle begrenzt.

Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Ansprüche abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. Gasturbinenmaschine (10), die um eine Längsachse (Ar) angeordnet ist, wobei die Maschine aufweist:

    einen Rotor (28), aufweisend einen Bläser, wobei der Bläser Laufschaufeln (34) hat; und

    einen Stator (27), aufweisend ein Bläsergehäuse (30), welches radial außerhalb des Bläsers angeordnet ist, und ferner aufweisend:

    eine segmentierte, gehärtete Auskleidung (42) mit einer Innenoberfläche, die in dem Bläsergehäuse so angeordnet ist, dass sie die Bläserlaufschaufeln umgibt, sodass, bei Verwendung, im Falle eines Bläserlaufschaufelverlust-Zustands, die Auskleidung die Beschädigung des Bläsergehäuses verringert, indem sie es den Bläserlaufschaufeln erlaubt, entlang deren Innenoberfläche zu gleiten; dadurch gekennzeichnet, dass die segmentierte, gehärtete Auskleidung (42) eine Mehrzahl von Schindeln (52) aufweist, die umfangsmäßig in dem Bläsergehäuse (30) angeordnet sind, wobei die Schindeln von benachbarten Schindeln versetzt sind und einen Überlappungsbereich (54) zwischen den benachbarten Schindeln haben.
  2. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei das Auskleidungsmaterial eine Legierung aus rostfreiem Stahl oder Nickel ist.
  3. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schindeln an dem Bläsergehäuse (48) mit Nieten (56) befestigt sind, die in dem Überlappungsbereich (54) zwischen benachbarten Schindeln positioniert sind.
  4. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schindeln an dem Bläsergehäuse (48) durch Klebstoff befestigt sind.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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