NO123552B - - Google Patents

Description

Anordning til å redusere varmegjennom-

gangen mellom to koaksialt roterende deler

med forskjellig temperatur, spesielt mel-

lom kompressor- og turbinskovlhjulet i en

radialgass turbin,.

Den foreliggende oppfinnelse angår en anordning til å redusere varmegjennomgangen mellom to koaksialt roterende deler med forskjellig temperatur, bestående av en til en stasjonær bærekonstruksjon festet skjerm som er anordnet i et radialplan med de to roterende deler på hver sin side av skjermen, og hvis ene side under drift av de roterende deler er utsatt for varme gasser.

Oppfinnelsen angår spesielt anordninger hvor skjermen er anordnet mellom kompressor- og turbinskovlhjulet i en radialgassturbin, men vil naturligvis også kunne anvendes i andre tilfelle hvor skjermen rager radialt inn mellom de roterende deler, som således ligger på hver sin side av skjermen, samtidig som den ene del er av en slik art at den medfører at skjermens ene side er utsatt for varme gasser. Oppfinnelsen vil imidlertid i det.etterfølgende bli

beskrevet under henvisning til radialgassturbiner, hvor det gjelder

å hindre for sterk varmegjennomgang fra de varme forbrenningsgasser i.turbinskovlhjulet til turbinens kompressorside.

I radialgassturbiner hvor kompressor- og turbinskovlhjulet er anbragt tett sammen rygg mot rygg, blir den kalde luft som strømmer gjennom kompressoren, og de varme gasser som strømmer gjennom turbinen, holdt adskilt fra hinannen ved hjelp av en stasjonær konstruksjon i form av en skillevegg som rager inn i et omkretsspor mellom skovlhjulene og har tetning mot et av de roterende skovlhjul, f.eks. via en labyrinttetning. Til beskyttelse av kompressoren og for å hindre for store varmetap fra turbinen kan isolasjonsevnen av denne stasjonære konstruksjon økes ved hjelp av en ringformet varmeskjerm som er festet til skilleveggen på den side som vender mot turbinhjulet, idet de varme gasser i denne beveger seg langs varmeskjermen, som står på avstand fra skilleveggen, slik at der mellom denne og varmeskjermen fås et skikt av relativt stillestående gass som virker som varmeisolasjon. Tempera-turgradientene i varmeskjermen er meget store såvel i radialretningen som i aksialretningen, idet varmeskjermen på yttersiden, d.v.s. den side som vender mot turbinen, er varmere ved sin ytre omkrets enn ved sin indre omkrets, samtidig som temperaturen på innersiden av varmeskjermen naturligvis er vesentlig lavere enn på yttersiden.

Slike tidligere kjente ringformede varmeskjermer har den ulempe at de blir utsatt for meget store spenninger som følge av de radiale temperaturgradienter. Videre vil de aksiale temperaturgradienter bevirke at skjermen krummes og får omtrent samme form som en tallerkenfjær eller kantpartiene av en kulekalott. Krumningsradien av denne kulekalott er avhengig av forskjellen mellom temperaturene på yttersiden og innersiden av varmeskjermen. Ved vanlige forekommende temperaturforskjeller og tykkelser av varmeskjermen vil krumningsradien være relativt liten (d.v.s. sterk krumning), og det aksiale utslag av varmeskjermen under drift vil derfor kunne bli meget betydelig. Da skjermen naturligvis under alle driftsforhold må ha klaring til de roterende deler, kreves der en betydelig plass mellom kompressorskovlhjulet og turbinskovlhjulet, og de hittil vanlige varmeskjermer får et så stort aksialt utslag at de overhodet ikke vil kunne anvendes i turbiner med stor radius.

.Fra U.S. patentskrift nr. 3-352.105 er der kjent en flamme- eller brannskjerm i form av en ring for anbringelse som en utragende flens utvendig på et turbinhus. Hensikten med en slik skjerm

er å hindre en flamme i å spre seg fra en del av turbinen til en annen ved en eventuell brann. Det er i patentskriftet angitt å være et problem å anbringe og feste slike ringer utvendig på turbinhuset,

og ifølge patentskriftet er dette problem løst ved at ringen er delt, idet de enkelte deler etter anbringelse på turbinhuset er spent sammen for fastklemming av ringen på huset. Den sammenspente ring vil etter monteringen oppføre seg som en udelt ring. Ved store temperaturforskjeller mellom de to sider av skjermen vil den på samme måte som de kjente skjermer av den art oppfinnelsen angår, bue seg til tallerkenfjærform. Dette har imidlertid liten betydning, idet der på hver side av skjermen ikke foreligger roterende deler som skjermen kan komme i berøring med, så en betydelig "tallerkenfjær-effekt" uten videre kan tillates.

Hensikten med oppfinnelsen er å skaffe en anordning av

den innledningsvis angitte art hvor den ringformede skjerm har vesentlig mindre plassbehov i aksialretningen, utsettes for lavere spenninger enn de kjente utførelser og kan anvendes ved radialgassturbiner med stor diameter.

Dette er i første rekke oppnådd ved at skjermen består

av en flerhet av mindre, hovedsakelig selvstendige segmenter. Oppfinnelsen går således ut på en anordning til å redusere varmegjennomgangen mellom to koaksialt roterende deler med forskjellig temperatur, spesielt mellom kompressor- og turbinskovlhjulet i en radialgassturbin, bestående av en ringformet, til en stasjonær bærekonstruksjon festet skjerm som er anordnet i et radialplan med de to roterende deler på hver sin side av skjermen, og hvis ene side under drift av de roterende deler er utsatt for varme gasser, samtidig som skjermen, som kjent ved brannskjermer for anordning utvendig på"turbinhus, består av segmenter, karakterisert ved at hvert segment, som er selvstendig fest.et til bærekonstruksjonen, har en største dimensjon som er vesentlig mindre enn diameteren av den samlede skjerm, samtidig som segmentene er hovedsakelig tettende, men allikevel elastisk og utvidbart forbundet med hverandre, så deformasjonen av hvert segment som følge av temperaturstigningen og temperaturgradienten i segmentet under drift, kan finne sted med utgangspunkt i fastspenningen av det respektive segment og hovedsakelig uavhengig av deformasjonen av de øvrige segmenter.

Skjermen bør være tett foråt gassmassene bak skjermen

skal holde seg hovedsakelig i ro og ikke 'fornyes av varme gasser fra forsiden av skjermen. Hvert segment kan bevege seg hovedsakelig

uavhengig av de andre segmenter og blir ikke utsatt for like store spenninger som en sammenhengende ring. Når hvert av segmentene som angitt har en største dimensjon som er vesentlig mindre (i forhold til krumningsradien) enn diameteren av en sammenhengende skjerm (noe som medfører at der naturligvis må være minst tre segmenter), vil også utbøyningen i aksialretningen bli vesentlig mindre. Anordningen medfører også den fordel fremfor kjente anordninger av den art som oppfinnelsen angår, at skjermen kan monteres i et omkretsspor mellom kompressor- og turbinskovlhjulet uten at disse hjul behøver å adskilles.

Den selvstendige fastspenning av segmentene til bærekonstruksjonen kan ifølge et videre trekk ved oppfinnelsen utføres på en måte som gir minst mulig spenninger i segmentene og festeorganene. Således er hvert segment fast innspent bare på ett sted og fastholdt mot vesentlig bevegelse i ringens akseretning på ytterligere to steder. De to steder hvor segmentet er fastholdt bare i aksialretningen, ligger ved innerkanten av segmentet, og festeorganene er slik utført at de kan bringes på plass på forhånd, slik at segmentene bare kan skyves radialt inn uten bruk av verktøy mellom kompressor- og turbinskovlhjul. Dette tillater en særlig kompakt anordning av de to skovlhjul. Ved ytterkanten kan elementet festes uten anvendelse av aksialt forløpende bolter eller lignende festeorganer som det ville være vanskelig å sette inn og låse i betrakt-ning av den lille plass som foreligger mellom skovlhjulene. Således kan segmentene ved ytterkanten ha en aksialtrettet flens som det ved ytterkanten anvendte festeorgan strekker seg radialt gjennom. Et slikt festeorgan, f.eks. en bolt, kan settes inn i radialretningen og strammes ved.hjelp av enkle verktøy.

Tetningen av fugene mellom segmentene kan oppnås ved hjelp av tynne strimler som settes inn i spor i de mot hinannen vendende kanter av segmentene.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse under henvisning til tegningen, som viser en foretrukken utførelsesform av en anordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 er et utsnitt av et aksialsnitt gjennom en radialgassturbin og viser anordningen av den ringformede varmeskjerm. Fig. 2 viser de segmenter som varmeskjermen består av, sett bakfra. Fig. 3 viser et segment sett fra siden, d.v.s. fra linjen III-III på fig. 2. Fig. 4 er et snitt gjennom varmeskjermen på fig. 2 etter linjen IV-IV.

Fig. 5 er et snitt gjennom varmeskjermen ved en fuge

etter linjen V-V på fig. 2 med innsatt tetningsstrimmel.

Fig. 6 er et snitt i likhet med fig. 5> men etter linjen VI-VI på fig. 2.

På fig. 1 er de ytre ender av et kompressorskovlhjul 1

med skovler 2 og et turbinskovlhjul 3 med skovler 4 vist. Fra kompressorskovlhjulet 1 går den komprimerte luft videre utover gjennom dif-fusorringer som er antydet ved 5 og 6, og som er festet til en diffusor-plate 7- Fra forbrenningskammeret kommer de varme forbrenningsgasser inn i turbinen gjennom en innløpsdysering 8.

Skovlhjulene 1 og 3 er spent sammen og ligger an mot hinannen på et sted som ikke er vist på fig. 1. Mellom de ytre partier av skovlhjulene er der imidlertid et omkretsspor 9 som en stasjonær, ringformet konstruksjon 10 rager inn i som en skillevegg mellom skovlhjulene. Konstruksjonen 10 er festet til diffusorplaten 7 ved hjelp av bolter 11 og bærer ved sin indre ende tetningsorganer 12 som sammen med baksiden av det roterende kompressorskovlhjul 1 danner en labyrint-tetning. Den stasjonære konstruksjon 10 danner en bærekonstruksjon for en ringformet varmeskjerm som dannes av segmenter 13,

og som står på avstand fra den stasjonære konstruksjon 10, slik at der mellom denne og varmeskjermen dannes et hovedsakelig lukket rom 14 med praktisk talt stillestående gass som tjener som varmeisolasjon.

Utførelsen av varmeskjermsegmentene ifølge oppfinnelsen

vil fremgå av fig. 2 - 6. I den viste utførelsesform er der åtte segmenter som er fremstilt ved spalting av en ring på en slik måte at hver spalte eller fuge 17 får en viss bredde, som for en ring med en diameter på ca. 600 mm kan være ca. 3 mm. Hvert segment 13 er hovedsakelig plant med en fortykket innerkant 15 og en aksialtrettet flens 16 ved ytterkanten. I flensen 16 er der midt mellom endene av segmentet boret et hull 18. Ved hjørnene mellom den buede innerkant 19

og de mot nabosegmentene vendende endekanter 20 er der anordnet uttagninger 21 som er best vist på fig. 2 og 5, og som er åpne ut mot innersiden 22 av segmentet. Sammen med en motsvarende uttagning i et naboelement danner hver uttagning 21 en åpning for en festebolt 23 som er vist på fig. 1. Uttagningen 21 er utvidet inne i det fortykkede kantparti 15 som vist ved 24 (fig. 5) for å skaffe plass og anlegg for hodet 25 av festebolten 23.

I de mot hinannen vendende endekanter 20 av segmentene er der videre uttatt spor 26 som strekker seg i et felles plan parallelt med segmentenes plan. I disse spor kan der settes inn tynne strimler 27 av en bredde som er lik eller mindre enn den dobbelte dybde av hvert spor 26 og større enn dybden av ett spor pluss den største avstand mellom segmentene når disse er kalde. Derved vil strimlene 27 ikke hindre varmeutvidelse av segmentene 13, samtidig som de alltid vil tette fugene 17 og derved hindre at de varme gasser som strømmer langs forsiden av segmentene, skal trenge inn i hulrommet 14 og her skape uønskede gassbevegelser og gassutskiftning.

Befestigelsen av segmentene 13 fremgår best av fig. 1, hvor den stasjonære konstruksjon 10 og segmentene 13 ved sin ytre ende er vist i et aksialsnitt svarende til linjen IV-IV på fig. 2, mens de ved den indre ende er vist i et aksialsnitt svarende til linjen III-III på fig. 2. Boltene 23 for befestigelse av segmentene ved disses innerkant er felles for to naboelementer. Boltene kan monteres på forhånd i den stasjonære konstruksjon 10 under mellomlegg av tallerkenfjærer 28. Derved blir det mulig å presse segmentene radialt på plass bak boltehodet 25, idet uttagningene 21 settes ned over bolteskaftet, mens boltehodet 25 opptas i den utvidede uttagning 24. Segmentene presses ned bak boltehodet 25 inntil flensen 16 kommer til anlegg mot den øvre ende av den stasjonære konstruksjon 10. Segmentet 13 kan nå festes til den stasjonære konstruksjon 10 også ved sin ytterkant ved hjelp av en bolt 29 som strekker seg gjennom hullet 18 i flensen 16 og er skrudd inn i den stasjonære konstruksjon 10. Det vil således ses at hvert segment 13 er fastspent på tre steder, nemlig dels av bolten 29, som fastholder segmentet 13 på en slik måte at dette på innspenningsstedet hverken kan bevege seg i aksialretningen eller i radialretningen i forhold til den stasjonære konstruksjon 10, og dels av to bolter 23 som fastholder segmentet mot vesentlig bevegelse i aksialretningen i forhold til den stasjonære konstruksjon 10, men tillater bevegelse i radialplanet. Når segmentene 13 oppvarmes under drift, vil de utvide seg radialt innover og i omkretsretningen, og denne utvidelse tillates som følge av fugene 17 og innspennings-måten ved segmentenes innerkanter.

Den nye konstruksjon av varmeskjermen ved anordningen ifølge oppfinnelsen har gjort det mulig å konstruere radialgassturbiner med relativt stor diameter og med kompressorskovlhjulet og turbinskovlhjulet anbragt meget tett sammen rygg mot rygg.

Claims (7)

1. Anordning til å redusere varmegjennomgangen mellom to koaksialt roterende deler med forskjellig temperatur, spesielt mellom kompressor- og turbinskovlhjulet (1, 3) i en radialgassturbin, bestående av en ringformet, til en stasjonær bærekonstruksjon festet skjerm som er anordnet i et radialplan med de to roterende deler på hver sin side av skjermen,og hvis ene side under drift av de roterende deler er utsatt for varme gasser, samtidig som skjermen, som kjent ved brannskjermer for anordning utvendig på turbinhus, består av segmenter (13) 3 karakterisert ved at hvert segment, som er selvstendig festet til bærekonstruksjonen (10), har en største dimensjon som er vesentlig mindre enn diameteren av den samlede skjerm, samtidig som segmentene (13) er hovedsakelig tettende, men allikevel elastisk og utvidbart forbundet med hverandre, så deformasjonen av hvert segment som følge av temperaturstigningen og temperaturgradienten i segmentet under drift, kan finne sted med utgangspunkt i fastspenningen av det respektive segment (13) og hovedsakelig uavhengig av deformasjonen av de øvrige segmenter.
2. 2. Anordning som angitt i krav 1,karakterisert ved at hvert segment (13) er fast innspent bare på ett sted (18) og-fastholdt mot vesentlig bevegelse i ringens akseretning på ytterligere to steder (21).
3. 3. Anordning som angitt i krav 2,karakterisert ved at det faste innspenningssted (18) ligger ved segmentets (13) ytterkant, mens de to ytterligere festesteder (21) ligger ved innerkanten (19).
4. 4. Anordning som angitt i krav 3>karakterisert ved at festestedene (21) ved innerkanten (19) ligger ved hver sin side av segmentet, og at de her anvendte festeorganer (23) er felles for to nabosegmenter (13).
5. 5. Anordning som angitt i krav 3 eller 4,karakterisert ved at de ved innerkanten (19) anvendte festeorganer omfatter hodebolter (23) som strekker seg vinkelrett på segmentenes plan og er fjærbelastet i sin akseretning, og bak hvis hoder (25) segmentene (13) kan skyves inn, idet der i segmentenes innerkant (19) er anordnet uttagninger (21, 24) for boltene (23).
6. 6. Anordning som angitt i et av kravene 3~5jkarakterisert ved at segmentene (13) ved ytterkanten har en aksialt

   rettet flens (16) som det ved ytterkanten anvendte festeorgan (29) strekker seg radialt gjennom.
7. 7. Anordning som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at der i de mot hinannen vendende kanter (20) av segmentene (13) er uttatt spor (26) som strekker seg i et felles plan parallelt med segmentenes plan, og hvori der er innsatt tynne strimler (27) av en bredde som er lik eller mindre enn den dobbelte dybde av hvert spor (26) og større enn dybden av et spor (26) pluss den største bredde av fugen (17) mellom segmentene når disse er kalde.