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.