CH645432A5 - Gasturbinentriebwerk. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk,

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mit einem um die I.aufschaufelspitzen angeordneten, in Segmente geteilten, äusseren Ummantelungsring, mit einem kühlbaren Triebwerksgehäuse, welches mehrere äussere Flansche aufweist, die sich in Umfangsrichtung um das Gehäuse erstrecken, und mit einer Trag Vorrichtung zum Befestigen des äusseren Ummantelungsringes am Gehäuse.

Ein Gasturbinentriebwerk hat eine Gebläsesektion, eine Verdichtersektion, eine Brennkammersektion und eine Turbinensektion. Ein Rotor ist axial in der Turbinensektion angeordnet. Eine Reihe von Laufschaufeln ragt vom Rotor nach aussen. Um den Rotor ist ein Stator angeordnet. Der Stator umfasst ein Triebwerksgehäuse sowie einen äusseren Ummantelungsring, welcher vom Gehäuse getragen und eingestellt wird. Der äussere Ummantelungsring ist radial in Abstand von der Laufschaufelreihe angeordnet, und ein Spitzenspiel befindet sich zwischen dem Ummantelungsring und der Laufschaufelreihe. Die Arbeitsgase werden in der Gebläsesektion unter Druck gesetzt, in der Verdichtersektion komprimiert, unter Zuführung von Kraftstoff in der Brennkammersektion verbrannt und in der Turbinensektion entspannt. Die Temperatur der Arbeitsgase, welche von der Brennkammersektion in die Turbinensektion strömen, liegt oft über 1400°C.

Die in die Turbinensektion einströmenden heissen Gase geben Wärme an die Turbinenschaufeln und an das Gehäuse ab. Die Turbinenschaufeln befinden sich in dem Bereich der heissen Gase und sprechen schnell auf Temperaturschwankungen der Gase an. Das äussere Gehäuse ist von den heissen Gasen weiter entfernt und spricht auf Temperaturschwankungen langsamer an als die Rotorschaufeln. Der äussere Ummantelungsring ist an dem Gehäuse angeordnet und spricht mit dem Gehäuse an. Dementsprechend verändert sich das Spitzenspiel zwischen dem äusseren Ummantelungsring und der Laufschaufelreihe während Übergangsbetriebsbedingungen. Ein wesentliches Anfangsspiel befindet sich zwischen dem äusseren Ummantelungsring und den Schau- . feispitzen, um eine zerstörende Berührung dieser Bauteile zu vermeiden. Dementsprechend ist das Spiel unter normalen Betriebsbedingungen grösser als erwünscht, und ein Teil der Arbeitsgase strömt über den Schaufelspitzen an denselben vorbei. Dieser Leckverlust über die Schaufelspitzen begrenzt den erreichbaren Wirkungsgrad der Turbinenstufe und dementsprechend die Triebwerksleistung.

In neuen Triebwerken wird das Spitzenspiel zwischen den Laufschaufeln und dem äusseren Ummantelungsring herabgesetzt durch Kühlung eines Teiles des Triebwerksgehäuses. Ein Kühlmittel, wie z.B. im Verdichter komprimierte Luft, wird üblicherweise zur Kühlung herangezogen. Die US-Patentschrift 4 019 320 beschreibt die Verringerung des Durchmessers des äusseren Ummantelungsringes durch Kühlung eines Gehäuseteiles. Wie in dieser US-Patentschrift dargestellt ist, hat das Triebwerksgehäuse massive, äussere Flansche und grosse, innere Ringe. Die grossen, inneren Ringe tragen den äusseren Ummantelungsring und ragen vom Triebwerksgehäuse nach innen. Falls das Kühlfluid Wärme von den äusseren Flanschen ableitet, so ziehen sich diese zusammen und bringen dementsprechend die inneren Ringe und den äusseren Ummantelungsring auf einen kleineren Durchmesser. Das Spitzenspiel nimmt dabei ab, und man erhält einen höheren Wirkungsgrad der Turbine.

Obschon ein grösserer Wirkungsgrad der Turbine eine höhere Leistung bedeutet, ist die Leistungszunahme jedoch begrenzt durch die Anwendung der Kühlluft. Zum Verdichtender Kühlluft wird Energie verwendet, welche sonst für Antriebszwecke zur Verfügung stehen würde. Eine Verringerung des Kühlluftverbrauches setzt dementsprechend den Leistungsabfall herab, der durch die Verdichtung der Kiihlluft bedingt ist. Eine schnell auf Temperaturschwankungen ansprechende Tragvorrichtung gewährleistet, dass die Turbine sehneil den gewünschten Turbinenwirkungsgrad erreicht. Eine schnellere Ansprechzeit bewirkt ein schnelleres Abnehmen des Spitzenspiels. Eine verbesserte Tragvorrichtung mit schneller Ansprechzeit bei Anwendung kleinerer Kühlluftmengen, um eine gegebene Verstellung des äusseren Ummantelungsringes zu erreichen, ist dementsprechend erwünscht. Eine solche verbesserte Tragvorrichtung steigert die Wirksamkeit des äusseren Ummantelungsringes. Ein wirksamerer Ummantelungsring ergibt eine Turbine mit höherem Wirkungsgrad. Die Anforderung für Maschinen mit höherem Wirkungsgrad hat in den letzten Jahren zugenommen infolge der steigenden Energiekosten und abnehmenden Energievorräten. Deshalb arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure an Tragvorrichtungen zur Anwendung in aussengekühlten Turbinensektionen, wodurch die Wirksamkeit des äusseren Ummantelungsringes verbessert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wirksamkeit des äusseren Ummantelungsringes zu verbessern, welche um den Umfang einer Laufschaufelreihe in einer Axialströmungsmaschine angeordnet ist, insbesondere soll die Tragvorrichtung für den Ummantelungsring so verbessert werden, dass sie ein rasches Ansprechen bei möglichst geringem Kühlmittelbedarf des Ummantelungsringes auf die Kühlung des Triebwerksgehäuses gewährleistet, ausserdem sollen thermische Spannungen und Verformungen der Tragvorrichtung und des Ummantelungsringes möglichst vermieden werden.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

dass die Tragvorrichtung mehrere stromaufwärtige, bogenförmige Tragelemente aufv/eist, wobei jedes Tragelement das stromaufwärtige Ende wenigstens eines Segmentes des Ummantelungsringes trägt und wobei jedes Tragelement durch ein Befestigungsmittel nur mit seinem mittleren Teil an dem Gehäuse befestigt ist, während seine beiden Endteile in Umfangsrichtung des Gehäuses beweglich sind, und dass die Tragvorrichtung des weiteren mehrere stromabwärtige bogenförmige Tragelemente aufweist, wobei jedes Tragelement das stromabwärtige Ende wenigstens eines Segmentes des Ummantelungsringes trägt und wobei jedes Tragelement durch ein Befestigungsmittel nur mit seinem mittleren Teil an dem Gehäuse befestigt ist, während seine beiden Endteile in Umfangsrichtung des Gehäuses beweglich sind.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist das schnelle Anpassen des Gehäusedurchmessers bei Änderungen der Gehäusetemperatur. Das träge Ansprechen des äusseren Ummantelungsringes und seiner Tragvorrichtung auf Temperaturschwankungen wird herabgesetzt. Eine wesentliche Verstellung des äusseren Gehäuses und des äusseren Ummantelungsringes erhält man bei begrenztem Kühlmittelverbrauch. Eine angebrachte Dauerfestigkeit ist sichergestellt durch die Einpunktbefestigung jedes Tragelementes an dem Gehäuse, damit jedes Tragelement sich unabhängig von den benachbarten Tragelementen bewegen kann.

Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Wirksamkeit des Ummantelungsringes gegen axiales Lecken der Arbeitsgase verbessert werden durch eine Federscheibe zum Anpressen der Tragelemente gegen den Gehäuseflansch.

Eine Zwischenlage aus Gleitwerkstoff kann zwischen einem Teil der Tragelemente und dem Triebwerksgehäuse vorgesehen sein.

Weitere Ausführungsarten des Gasturbinentriebwerkes sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden ausführlicher beschrieben, es zeigen:

Figur 1 ein Gebläseturbinentriebwerk, wobei ein Teil des Gebläsegehäuses weggebrochen ist zur Darstellung einer

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Kühlluftleitung.

Figur 2 eine Schnittansicht eines Teiles des Gebläseturbinentriebwerkes zur Darstellung eines Gehäuseteiles und der äusseren Abdichtung.

Figur 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 nach Figur 2.

Figur 4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 nach Figur 2, wobei Teile des Triebwerksgehäuses und eines stromabwärtigen, inneren Flansches weggebrochen sind zur Darstellung eines stromabwärtigen Tragelementes.

Figur 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 nach Figur 4.

Figur 6 ein anderes Ausführungsbeispiel in einer der Figur 3 entsprechenden Schnittansicht.

Figur 7 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 nach Figur 6.

Figur 8 eine graphische Darstellung des radialen Spieles zwischen der äusseren Abdichtung und der Laufschaufelspitzen in Abhängigkeit der Leistungseinstellung während einem üblichen Betriebszyklus eines Gebläseturbinentriebwerkes.

Ein Gebläseturbinentriebwerk entsprechend der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. Das Triebwerk umfasst eine Gebläsesektion 10, eine Verdichtersektion 12, eine Brennkammersektion 14und eine Turbinensektion 16. Ein Triebwerksgehäuse 18 umgibt die Verdichtersektion, die Brennkammersektion und die Turbinensektion. Das Gehäuse ist in dem Bereich der Turbinensektion kühlbar und hat mehrere, äussere Flansche 20, welche sich in Umfangsrichtung um das Gehäuse erstrecken. Eine Leitung 22 für Kühlluft ragt von der Gebläsesektion nach hinten. Mehrere Sprührohre 24 sind an die Leitung angeschlossen und umgeben das Gehäuse. Die Sprührohre haben eine grosse Anzahl von Kühlluftlöchern 26, welche gegen das Triebwerksgehäuse gerichtet sind.

Die Figur 2 zeigt einen Teil der Turbinensektion 16 mit zwei Flanschen 20. Ein ringförmiger Strömungsweg 28 für die Arbeitsgase verläuft axial durch die Turbinensektion. Mehrere Statorschaufeln 30 ragen nach innen durch diesen Strömungsweg. Mehrere Laufschaufeln 32 mit Spitzen 34 ragen nach aussen durch den Strömungsweg. Ein äusserer Ummantelungsring 36 umgibt die Laufschaufelspitzen. Eine Vorrichtung ist vorgesehen zur Befestigung des äusseren Ummantelungsringes an dem Triebwerksgehäuse. Der äussere Ummantelungsring besteht aus mehreren bogenförmigen Segmenten wie z.B. das einzige dargestellte Segment 38. Mehrere stromaufwärtige Tragelemente, wie z.B. das einzige dargestellte Tragelement 40, sind zwischen dem Gehäuse und den Segmenten des Ummantelungsringes vorgesehen zum Abstützen der stromaufwärtigen Enden der Segmente des Ummantelungsringes. Jedes stromaufwärtige Tragelement hat zwei Endteile und einen mittleren Teil zwischen diesen Endteilen. Mehrere stromabwärtige Tragelemente, wie z.B. das einzige dargestellte Tragelement 42, sind zwischen dem Gehäuse und den Segmenten des Ummantelungsringes vorgesehen zum Abstützen der hinteren Enden dieser Segmente. Jedes stromabwärtige Tragelement hat zwei Endteile und einen mittleren Teil zwischen diesen Endteilen. Jedes stromaufwärtige Tragelement 40 hat eine innere Zunge 44 und eine äussere Zunge 46. Die äussere Zunge ist in Berührung mit dem Triebwerksgehäuse. Das Triebwerksgehäuse hat einen stromaufwärtigen inneren Flansch 48 sowie eine Nut 50 an der Basis desselben. Die Nut verläuft in Umfangsrichtung um das Gehäuse und dient zur Aufnahme der äusseren Zunge 46 des stromaufwärtigen Tragelementes. Die innere Zunge 44 des stromaufwärtigen Tragelementes ist in Berührung mit einem zugeordneten Segment des Ummantelungsringes. Das Segment hat eine stromaufwärtige Nut 52

zur Aufnahme der inneren Zunge 44. Ein oder mehrere Stifte, wie z.B. die Stifte 54, ragen von der inneren Zunge nach aussen. Ein Schlitz 56 in jedem Segment des Ummantelungsringes dient zur Aufnahme eines zugeordneten Stellstiftes des Tragelementes. Jedes stromaufwärtige Tragelement hat eine Bolzenöffnung 58, und der benachbarte Flansch 48 hat eine Bolzenöffnung 60. Ein Bundbolzen 62, mit einem passstift-förmigen Schaft, ragt durch die Öffnungen 58 und 60 und ist in eine Mutter 64 eingeschraubt.

Jedes stromabwärtige Tragelement 42 hat eine innere Zunge 66 und eine äussere Zunge 68. Die äussere Zunge ist in Berührung mit dem Triebwerksgehäuse. Das Triebwerksgehäuse hat einen stromabwärtigen inneren Flansch 70 und eine Nut 72 an der Basis desselben. Die Nut verläuft in Umfangsrichtung um das Gehäuse und dient zur Aufnahme der äusseren Zunge 68 des stromabwärtigen Tragelementes. Die innere Zunge 66 des stromabwärtigen Tragelementes ist in Berührung mit einem zugeordneten Segment des Ummantelungsringes. Jedes Segment des Ummantelungsringes hat eine stromabwärtige Nut 74 zur Aufnahme der inneren Zunge. Jedes stromabwärtige Tragelement hat eine Bohrung 76, und der benachbarte Flansch 70 hat eine Bohrung 78. Ein Bundbolzen 80 mit einem passstiftförmigen Schaft ragt durch die Bohrungen 76 und 78 sowie durch die Schaufel 30 und ist in eine Mutter 82 eingeschraubt.

Wie in Figur 3 dargestellt ist, befindet sich eine Zwischenlage 84 aus Gleitwerkstoff, wie z.B. Nickelgraphit, zwischen der äusseren Zunge 46 jedes stromaufwärtigen Tragelementes 40 und dem stromaufwärtigen inneren Flansch 48 des Gehäuses. Jedes Segment 38 des Ummantelungsringes hat Enden 86, welche an benachbarte Segmente angrenzen. Die benachbarten Enden überlappen sich zur radialen Abdichtung zwischen benachbarten Segmenten. Die Segmente sind in Umfangsrichtung in Abstand voneinander, es befindet sich ein Spalt X zwischen benachbarten Segmenten. Die stromaufwärtigen Tragelemente sind in Umfangsrichtung in Abstand voneinander angeordnet, ein Spalt Y befindet sich zwischen benachbarten Tragelementen. Die Spalte X und die Spalte Y sind nie miteinander ausgerichtet. Der stromaufwärtige Flansch 48 hat zwischen in Umfangsrichtung kontinuierlichen Teilen 90 mehrere zinnenförmige Einschnitte 88. Die kontinuierlichen Teile des Flansches sind jeweils mit den Spalten Y ausgerichtet.

Jedes stromaufwärtige Tragelement 40 hat eine innere Nut 92, die in Axialrichtung angeordnet ist, und eine äussere Nut 94, welche in Radialrichtung verläuft. Die inneren Nuten 92 benachbarter Tragelemente bilden einen axialen Hohlraum 96 für eine axiale Federdichtung 98. Die äusseren Nuten 94 benachbarter Tragelemente bilden einen radialen Hohlraum 100 für eine radiale Federdichtung 102.

Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, befindet sich eine Zwischenlage 104 aus Gleitwerkstoff, wie z.B. Nickelgraphit, zwischen der äusseren Zunge 68 jedes stromabwärtigen Tragelementes 42 und dem stromabwärtigen inneren Flansch 70 des Gehäuses. Die stromabwärtigen Tragelemente sind in Umfangsrichtung in Abstand voneinander angeordnet, ein Spalt Z befindet sich zwischen benachbarten Tragelementen. Der Spalt X zwischen benachbarten Segmenten des Ummantelungsringes 36 und der Spalt Z sind nie miteinander ausgerichtet. Der stromabwärtige Flansch 70 hat mehrere zinnenförmige Einschnitte 106 zwischen in Umfangsrichtung kontinuierlichen Teilen 108.

Jedes stromabwärtige Tragelement 42 hat eine innere axiale Nut 110 und eine äussere radiale Nut 112. Die inneren Nuten 110 benachbarter Tragelemente bilden einen axialen Hohlraum 114 für eine axiale Federdichtung 116. Die äusseren Nuten 112 benachbarter Tragelemente bilden einen-radialen Hohlraum 118 für eine radiale Federdichtung 120.

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Das Verhältnis der Leitschaufelzahl zu der Zahl der Tragelemente kann sich je nach Ausführungsform ändern. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind je Tragelement drei Leitschaufeln 30 vorgesehen. Eine Leitschaufel 30 schliesst den Spalt Z zwischen benachbarten stromabwärtigen Tragelementen. Das stromabwärtige Tragelement und eine der Schaufeln 30 sind gemeinsam am stromabwärtigen Flansch 70 durch den Bundbolzen 80 befestigt. Das stromabwärtige Tragelement hat zwei Bohrungen 122 mit im wesentlichen zylindrischer Form. Ein Bundbolzen 124 ragt durch diese Bohrung. Die Dicke des Tragelementes in dem Bereich dieses Bundbolzens ist geringer als die Dicke des Tragelementes in dem Bereich des Bolzens 80. Ein Abstandsring 126 befindet sich in jeder Bohrung. Der Abstandsring 126 hat die gleiche Dicke wie das Tragelement oder ist etwas dicker als dasselbe in dem Bereich des Bolzens 80.

Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, verbindet jeder Bundbolzen 124, Abstandsring 126 und Mutter 128 eine Schaufel 30 mit dem Flansch 70. Die Dicke des Abstandsringes 126 verhindert, dass durch diesen Bundbolzen das Tragelement gegen den Flansch 70 gepresst wird.

Die Figur 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer mechanischen Vorrichtung zur Ausübung einer im wesentlichen senkrechten Kraft auf das stromaufwärtige Tragelement. Ein stromaufwärtiges Tragelement 40' hat zwei Bohrungen 130. Der kontinuierliche Teil des Flansches 48 hat mehrere Bohrungen 132. Eine Haltevorrichtung für die Vorrichtung zur Ausübung der Kraft, wie z.B. ein Bundbolzen 134, ragt durch die Bohrung 130 und die Bohrung 132.

Wie aus Figur 7 ersichtlich ist, hat jeder Bundbolzen 134 einen ersten Schaftteil 136, der durch das stromaufwärtige Tragelement 40' ragt. Der erste Schaftteil hat eine Länge A und ein Diametralspiel B. Ein zweiter Schaftteil 138 mit kleinerem Durchmesser ist neben dem ersten Schaftteil vorgesehen. Der zweite Schaftteil hat eine Passstiftform und ragt durch die Bohrung 132 in dem kontinuierlichen Teil des Flansches 48 und ist in eine Mutter 140 eingeschraubt. Eine Vorrichtung zur Ausübung einer im wesentlichen senkrechten Kraft, wie z.B. eine ursprünglich konische Ringfeder 142, ist zwischen jedem Schulterbolzen und dem stromaufwärtigen Tragelement 40' eingeschlossen.

Während dem Betrieb strömen heisse Gase aus der Brennkammersektion 14 längs dem ringförmigen Strömungsweg 28 in die Turbinensektion 16. Die heissen Gase geben dabei Wärme an die Bauteile der Turbinensektion ab, wodurch die Temperatur dieser Bauteile steigt, welche sich dementsprechend ausdehnen. Diese Bauteile, wie z.B. die Laufschaufeln 32 und das Triebwerksgehäuse 18, dehnen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Die Figur 8 ist eine graphische Darstellung der radialen Lage der Laufschaufelspitzen 34 und der radialen Lage des äusseren Ummantelungsringes. Die radialen Lagen sind dargestellt für verschiedene Leistungseinstellungen während dem Betrieb des Triebwerkes. Die Linie A zeigt die radiale Lage des äusseren Ummantelungsringes. Die Linie B zeigt die entsprechende, radiale Lage der Laufschaufelspitzen.

Die Stelle grösster Annäherung zwischen den Laufschaufeln und dem Ummantelungsring liegt vor bei Maximalleistung, wie z.B. bei einem Start in Meereshöhe (SLTO), und wird als Einschnürungsstelle bezeichnet. Mit der Vorrichtung entsprechend dieser Erfindung erreicht man bei Reiseflugbedingungen ein Spiel, das etwa dem Spiel an der Einschnürungsstelle entspricht.

Beim Start in Meereshöhe (SLTO) gibt der Gasstrom Wärme an das Gehäuse ab, die Temperatur des Gehäuses steigt, und es dehnt sich thermisch aus. Der Durchmesser des Gehäuses wird grösser, und am Gehäuse befestigte Teile

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bewegen sich nach aussen. Die Temperaturen des inneren stromaufwärtigen Flansches 48 und des inneren stromabwärtigen Flansches 70 nehmen schneller zu als die Temperatur des Gehäuses und der Flansche 20. Der aufwärtige Flansch s und der abwärtige Flansch üben eine Kraft in Radialrichtung aus, die durch eine gleich grosse Kraft vom Gehäuse und von den äusseren Flanschen desselben ausgeglichen ist. Während dem Betrieb des Triebwerkes bewirken die radialen Kräfte zyklische Druckspannungen in den inneren Flanschen und io zyklische Zugspannungen in dem Gehäuse und den äusseren Flanschen. In dem stromaufwärtigen Flansch können diese radialen Kräfte nur in minimaler Weise auftreten, und zwar in Folge der Spalte, wie z.B. die zinnenförmigen Einschnitte 88 in dem Flansch 48 und 106 in dem Flansch 70. Diese Ein-i5 schnitte unterbrechen den Flansch in Umfangsrichtung und bewirken eine Herabsetzung der Ringspannung in dem Flansch. Der mittlere Bolzen 62 befestigt den mittleren Teil des stromaufwärtigen Tragelementes 40 an dem stromaufwärtigen Flansch 48 und verhindert eine Verlagerung des 20 mittleren Teiles des stromaufwärtigen Tragelementes in Umfangsrichtung. Eine radiale Bewegung in der Nut 50 des mittleren Teiles des stromaufwärtigen Tragelementes wird durch die Zwischenlage 84 aus Gleitwerkstoff verhindert. Der mittlere Bolzen 80 in dem stromabwärtigen Tragelement 42 25 verhindert eine Verschiebung des mittleren Teiles des stromabwärtigen Tragelementes in Umfangsrichtung in bezug auf den stromabwärtigen Flansch 70. Die Zwischenlage 104 aus Gleitwerkstoff verhindert eine radiale Bewegung des stromabwärtigen Tragelementes in der äusseren Nut 72. Die 30 Enden eines jeden stromaufwärtigen Tragelementes und eines jeden stromabwärtigen Tragelementes sind in Umfangsrichtung frei beweglich. Die Schlitze 122 in jedem stromabwärtigen Tragelement nehmen die Bundbolzen 124 und die Abstandsringe 126 auf, damit das stromabwärtige 35 Tragelement sich in bezug auf den Flansch 70 verschieben kann. Da die Enden in Umfangsrichtung frei beweglich sind, wirken die Tragelemente nicht als starre Glieder, welche der Ausdehnung des Gehäuses entgegenwirken.

Falls sich das Triebwerksgehäuse radial nach aussen dehnt, 40 so bewegen sich die Nuten 50 und 72 ebenfalls radial nach aussen. Die äussere Zunge 46 in der Nähe jedes Endes eines jeden stromaufwärtigen Tragelementes gleitet in Umfangsrichtung in der Nut 50. Der Umfangsspalt Y zwischen zwei benachbarten stromaufwärtigen Tragelementen nimmt zu. 45 Die äussere Zunge 68 in der Nähe jedes Endes eines jeden stromabwärtigen Tragelementes gleitet in Umfangsrichtung in der Nut 72. Der Umfangsspalt Z zwischen zwei benachbarten stromabwärtigen Tragelementen nimmt zu.

Die einzelnen Segmente 38 des Ummantelungsringes so bewegen sich nach aussen bei der Ausdehnung des Gehäuses. Die innere Zunge 44 des stromaufwärtigen Tragelementes 40 gleitet in bezug auf die stromaufwärtige Nut 52 des Segmentes 38. In ähnlicher Weise gleitet die innere Zunge 66 des stromabwärtigen Tragelementes 42 in bezug auf die stromab-55 wärtige Nut 72 des Segmentes 38. Die Enden 86 zweier benachbarter Segmente 38 gleiten voneinander weg, und der Spalt X nimmt zu. Der äussere Ummantelungsring, bestehend aus einer Mehrzahl von Segmenten 38, nimmt in Umfangslänge und Durchmesser zu. Das Spiel zwischen den 60 Laufschaufelspitzen und dem Ummantelungsring 36 nimmt jedoch bei Ausdehnung des Gehäuses nicht zu. Beim Start in Meereshöhe haben sich die Laufschaufelspitzen schnell in ihre höchste radiale Stellung bewegt. Das Gehäuse, welches hinter der Bewegung der Schaufeln zurückbleibt, hat seine 65 maximale, radiale Stellung noch nicht erreicht. Das Spiel zwischen den Schaufeln und dem Ummantelungsring (Spitzenspiel) ist minimal. Der Einschnürungspunkt ist erreicht, und bei weiterem Betrieb mit maximaler Leistung dehnt sich

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das Gehäuse weiter aus. In kurzer Zeit wird der Einschnürungspunkt überschritten.

Falls während dem Betrieb des Triebwerkes nun eine geringere Leistung eingestellt wird, z.B. für den Reiseflug, nimmt die Temperatur der in die Turbine strömenden heissen Gase ab, und die dynamischen Kräfte, welche auf die Rotorschaufel wirken, nehmen ebenfalls ab. Wie aus Figur 8 ersichtlich, ziehen sich nun der Rotor und die Turbinenschaufel zusammen, und das Spitzenspiel wird grösser. Die Kühlluftströmung zu den Sprührohren 24 wird nun eingeschaltet. Die Luft tritt aus den Kühlluftöffnungen 26 aus und beauflagt die äusseren Flansche 20 des Triebwerksgehäuses. Die Luft kühlt die Flansche ab, welche sich dementsprechend zusammenziehen. Die Flansche drücken das Gehäuse nach innen und steigern das thermische Schrumpfen des Gehäuses. Der stromaufwärtige Flansch 48 und der stromabwärtige Flansch 70 setzen einer Bewegung des Gehäuses nach innen einen minimalen Widerstand entgegen. Der Durchmesser des Gehäuses nimmt somit ab. Am Gehäuse befestigte Bauteile bewegen sich nach innen. Der Bolzen 62 in dem stromaufwärtigen Tragelement 40 und der Bolzen 80 in dem stromabwärtigen Tragelement 42 verhindern eine Verschiebung in Umfangsrichtung der Tragelemente. Eine radiale Bewegung in bezug auf die Nut wird verhindert durch die Zwischenlage 84 und 104 aus Gleitwerkstoff zwischen den Flanschen und dem Gehäuse. Die Enden der Tragelemente sind in Umfangsrichtung frei beweglich. Die Enden bewegen sich in Umfangsrichtung durch Verschiebung in ihren zugeordneten Nuten. Der Umfangsabstand zwischen benachbarten Tragelementen wird kleiner, und die Breiten der Umfangsspalten X und Z nehmen ab. Die Tragelemente bewegen sich nach innen. Während dieser Bewegung der Tragelemente nach innen verschieben sich die benachbarten Enden der benachbarten Segmente des Ummantelungsringes in Richtung aufeinander zu. Der äussere Ummantelungsring nimmt dementsprechend einen kleineren Durchmesser ein, und das Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen und dem äusseren Ummantelungsring nimmt ab.

Entsprechend der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, durch welche der äussere Ummantelungsring wirksamer und schneller einzustellen ist. Das Gehäuse benötigt weniger Kühlluft zum Einstellen des äusseren Ummantelungsringes mit den Tragelementen im Vergleich mit einem gleichen Gehäuse mit mehreren steifen oder kontinuierlichen Ringen als Tragvorrichtung zwischen dem Gehäuse und dem s äusseren Ummantelungsring. Thermische Dehnungen und Schrumpfungen des Gehäuses bewirken keine dauernde Verformung von stromaufwärtigen und stromabwärtigen Tragelementen. Eine dünne Gehäusewand und die zinnenför-migen Einschnitte in den inneren Flanschen verringern den io Widerstand der inneren Gehäusewand gegen Schrumpfen des Gehäuses.

Während dem Ausdehnen und dem Zusammenziehen des äusseren Gehäuses verhindern die Federdichtungen 98 und 102 das Lecken der Arbeitsgase zwischen benachbarten is stromaufwärtigen Tragelementen. Die Federdichtungen 116 und 120 verhindern dieses Lecken zwischen benachbarten stromabwärtigen Tragelementen. Des weiteren wird ein Leckverlust verhindert durch das Ausrichten der Spalte X und Z mit den Segmenten des Ummantelungsringes und 20 durch das Ausrichten des Spaltes Y mit den Tragelementen.

Unterschiedliche Gasdrücke zwischen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Flächen der Tragelemente pressen die stromaufwärtigen Tragelemente nach hinten. Die Ausführungsform der Figur 7 sieht die Anwendung einer 25 mechanischen Kraft vor, um das stromaufwärtige Tragelement nach hinten zu drücken. Die Abmessung A bestimmt das Kompressionsmass der Ringfeder. Durch die Kompression der Ringfeder wird eine Kraft hergeleitet, welche das Tragelement senkrecht gegen den Flansch drückt. Das Dia-38 metralspiel Bzwischen dem stromaufwärtigen Tragelement und dem Schulterbolzen erlaubt eine Umfangsbewegung der Enden des stromaufwärtigen Tragelementes 40'.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebenen 35 Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es können vom Fachmann verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. Z.B. können Dehnungen oder Schrumpfungen des Triebwerksgehäuses bewirkt werden durch Anwendung von Luft mit höherer Temperatur als die Gehäusetemperatur 40 anstelle der Luft mit niedrigerer Temperatur als die Gehäusetemperatur.

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5 Blatt Zeichnungen

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Gasturbinentriebwerk mit einem um die Laufschaufelspitzen angeordneten, in Segmente (38) geteilten, äusseren Ummantelungsring (36), mit einem kühlbaren Triebwerksgehäuse (18), welches mehrere äussere Flansche (20) aufweist, die sich in Umfangsrichtung um das Gehäuse erstrecken, und mit einer Tragvorrichtung zum Befestigen des äusseren Ummantelungsringes am Gehäuse ( 18), dadurch gekennzeichnet, dass die Tragvorrichtung mehrere stromaufwärtige, bogenförmige Tragelemente (40) aufweist, wobei jedes Tragelement (40) das stromaufwärtige Ende wenigstens eines Segmentes (38) des Ummantelungsringes (36) trägt, und wobei jedes Tragelement (40) durch ein Befestigungsmittel (62) nur mit seinem mittleren Teil an dem Gehäuse ( 18) befestigt ist, während seine beiden Endteile in Umfangsrichtung des Gehäuses beweglich sind, und dass die Tragvorrichtung des weiteren mehrere stromabwärtige bogenförmige Tragelemente (42) aufweist, wobei jedes Tragelement (42) das stromabwärtige Ende wenigstens eines Segmentes (38) des Ummantelungsringes (36) trägt, und wobei jedes Tragelement (40) durch ein Befestigungsmittel (80) nur mit seinem mittleren Teil an dem Gehäuse (18) befestigt ist, während seine beiden Endteile in Umfangsrichtung des Gehäuses beweglich sind.
2. 2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) einen stromaufwär-tigen, inneren Flansch (48) hat, der sich in Umfangsrichtung erstreckt, an dem die stromaufwärtigen Tragelemente (40) befestigt sind und der örtliche Einschnitte (88) aufweist zur Herabsetzung der Ringspannung in dem Flansch, und dass das Gehäuse einen stromabwärtigen inneren Flansch (70) aufweist, der sich in Umfangsrichtung erstreckt, an dem die stromabwärtigen Tragelemente (42) befestigt sind und der örtliche Einschnitte ( 106) aufweist zur Herabsetzung der Ringspannung in dem Flansch.
3. 3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (38) des Ummantelungsringes eine stromaufwärtige Nut (52) und eine stromabwärtige Nut (74) hat, dass das Triebwerksgehäuse (18) eine stromaufwärtige Nut (50) und eine stromabwärtige Nut (72) aufweist, dass jedes stromaufwärtige Tragelement (40) eine radial innere Zunge (44) und eine radial äussere Zunge (46) aufweist, wobei die innere Zunge (44) in die stromaufwärtige Nut (52) wenigstens eines Segmentes (38) des Ummantelungsringes und die äussere Zunge (46) in die stromaufwärtige Nut ( 50) des Triebwerksgehäuses (18) hineinragt, dass jedes stromabwärtige Tragelement (42) eine radial innere Zunge (66) und eine radial äussere Zunge (68) aufweist,

   wobei die innere Zunge (66) in die stromabwärtige Nut (74) wenigstens eines Segmentes (38) des Ummantelungsringes und die äussere Zunge (68) in die stromabwärtige Nut (72) des Triebwerksgehäuses ( 18) hineinragt, dass eine Zwischenlage (84) aus Gleitwerkstoff zwischen dem mittleren Teil eines jeden stromaufwärtigen Tragelementes (40) und dem Triebwerksgehäuse (18) vorgesehen ist und dass eine weitere Zwischenlage (104) aus Gleit werkstoff zwischen dem mittleren Teil eines jeden stromabwärtigen Tragelementes (42) und dem Triebwerksgehäuse (18) vorgesehen ist.
4. 4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen, stromaufwärtigen Tragelemente (40) in Umfangsrichtung in Abstand voneinander angeordnet sind, um einen Spalt ( Y) zwischen denselben frei zu lassen, dass jedes bogenförmige, stromaufwärtige Tragelement (40) in jedem seiner beiden Endteile eine im wesentlichen axiale innere Nut (92) und eine im wesentlichen radiale äussere Nut (94) hat, dass eine erste Federdichtung (98) in der inneren Nut (92) eines stromaufwärtigen Tragelementes (40) angeordnet ist und sich durch den Spalt zwischen zwei stromaufwärtigen Tragelementen (40) in die innere Nut (92) des benachbarten stromaufwärtigen Tragelementes (40) erstreckt, dass eine zweite Federdichtung ( 102) in der äusseren Nut (94) eines stromaufwärtigen Tragelementes (40) angeordnet ist und sich durch den Spalt zwischen zwei stromaufwärtigen Tragelementen (40) in die äussere Nut (94) des benachbarten stromaufwärtigen Tragelementes (40)

   erstreckt, dass die bogenförmigen, stromabwärtigen Tragelemente (42) in Umfangsrichtung in Abstand voneinander angeordnet sind, um einen Spalt (Z) zwischen denselben frei zu lassen, dass jedes bogenförmige, stromabwärtige Tragelement (42) in jedem seiner beiden Endteile des weiteren eine im wesentlichen axiale innere Nut ( 110) und eine im wesentlichen radiale äussere Nut ( 112) aufweist, dass eine dritte Federdichtung (116) in der inneren Nut (110) eines stromabwärtigen Tragelementes (42) angeordnet ist und sich durch den Spalt zwischen zwei stromabwärtigen Tragelementen (42) in die innere Nut ( 110) des benachbarten stromabwärtigen Tragelementes (42) erstreckt, und dass eine vierte Federdichtung (120) in der äusseren Nut (112) eines stromabwärtigen Tragelementes (42) angeordnet ist und sich durch den Spalt zwischen zwei stromabwärtigen Tragelementen (42) in die äussere Nut (112) des benachbarten stromabwärtigen Tragelementes (42) erstreckt.
5. 5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (38) des Ummantelungsringes des weiteren einen Einstellschlitz (56) an dem stromaufwärtigen Ende aufweist, dass jedes stromaufwärtige Tragelement (40) wenigstens einen Positionsstift (54) aufweist, der in den Einstellschlitz (56) eines der Segmente (38) des Ummantelungsringes hineinragt, und dass die Segmente (38) des Ummantelungsringes in Umfangsrichtung in Abstand voneinander angeordnet sind, um einen Spalt (X) zwischen denselben freizulassen, wobei die Segmente (38) des Ummantelungsringes derart angeordnet sind, dass jeder Spalt (X) zwischen benachbarten Segmenten (38) in Umfangsrichtung von jedem Spalt (Y) zwischen benachbarten stromaufwärtigen Tragelementen (40) und von jedem Spalt (Z) zwischen benachbarten stromabwärtigen Tragelementen (42) versetzt ist.
6. 6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, mit mehreren Statorschaufeln (30) stromabwärts des äusseren Ummantelungsringes (36), gekennzeichnet durch ein Befestigungsmittel (124) zum Befestigen wenigstens jeweils einer Statorschaufel (30) an dem stromabwärtigen inneren Flansch (70) des Turbinengehäuses, wobei dieses Befestigungsmittel sich durch eine Bohrung (122) in dem stromabwärtigen Tragelement (42) erstreckt und ein Abstandsring (126) in der Bohrung (122) angeordnet ist, welcher eine axiale Dicke aufweist, die grösser ist als die axiale Dicke an der benachbarten Stelle des stromabwärtigen Tragelementes (42) (Fig. 5).
7. 7. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch wenigstens eine Vorrichtung (142) zum Ausüben einer im wesentlichen senkrechten Kraft auf das stromabwärtige Tragelement (40') und durch eine Haltevorrichtung (134), welche am stromaufwärtigen inneren Flansch (48) anliegt und die Vorrichtung zum Ausüben einer im wesentlichen senkrechten Kraft nach hinten in Berührung mit dem stromaufwärtigen Tragelement (40') drückt (Fig. 7).
8. 8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausübung einer im wesentlichen senkrechten Kraft eine im ungespannten Zustand konische Ringfeder ( 142) ist.