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Die
Erfindung betrifft ein Wellenleistungstriebwerk der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Derartige
Wellenleistungstriebwerke sind bereits aus dem Stand der Technik
bekannt. Moderne Triebwerkskonzepte benötigen dabei zur Erfüllung der
geforderten Effizienzsteigerungen Wellenleistungstriebwerke mit
hohem Vortriebswirkungsgrad und kompakten Bauformen. Das Wellenleistungstriebwerk
umfasst hierzu üblicherweise
einen Turbinenbereich mit einem Laufschaufelsystem, welches eine
erste, mit einer Welle des Wellenleistungstriebwerks verbundene
Rotorscheibe umfasst, die einen Scheibenkörper mit einer Mehrzahl an
Laufschaufeln sowie wenigstens einen Flansch zum Befestigen einer
weiteren Rotorscheibe aufweist. Die Welle dient ihrerseits zum Antrieb
eines Verdichtersystems, beispielsweise eines Getriebefans, des
Wellenleistungstriebwerks. Aufgrund der erforderlichen Gesamtdruckverhältnisse
und der hohen Gaseintrittstemperaturen wird jedoch insbesondere
der Turbinenbereich stark belastet. Die während des Betriebs auftretenden
hohen Drehzahlen erzeugen dabei hohe statische und dynamische Belastungen
sowohl für
die Rotorscheiben als auch für
die Laufschaufeln. Vor allem bei schnelllaufenden Niederdruckturbinen wird
daher versucht, den aero-mechanischen und thermischen Belastungen
durch eine geringere Anzahl an Rotorscheiben bzw. Stufen und einer
reduzierten Baulänge
zu begegnen, wodurch sich auch eine reduzierte Bauteileanzahl und
ein verringertes Gewicht erzielen lassen.
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Als
nachteilig an den bekannten Wellenleistungstriebwerken ist jedoch
der Umstand anzusehen, dass der Turbinenbereich bei hohen Drehzahlen nicht
selbsttragend ist und abgestützt
werden muss.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Wellenleistungstriebwerk
der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einen Turbinenbereich
mit einer gewichtsoptimierten und kompakten Bauform bei erhöhter mechanischer
Stabilität
besitzt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Wellenleistungstriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Ein
erfindungsgemäßes Wellenleistungstriebwerk,
welches einen Turbinenbereich mit einer gewichtsoptimierten und
kompakten Bauform bei erhöhter
mechanischer Stabilität
besitzt, ist dadurch geschaffen, dass wenigstens ein Flansch und
ein Scheibenkörper
einer ersten Rotorscheibe einen Aufnahmeraum für einen Schraubenkopf eines
Schraubenelements bilden, wobei der Aufnahmeraum bezüglich der
Welle radial nach oben abgeschlossen, radial nach unten geöffnet und
an eine Dimension des Schraubenkopfs angepasst ausgebildet ist.
Auf diese Weise ist im Gegensatz zum Stand der Technik eine scheibenkörpernahe
Verschraubung der Rotorscheiben ermöglicht. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Flansches bzw. des Aufnahmeraums ist der Schraubenkopf im Bereich
der wellenseitigen Kühlgasströmung angeordnet
und zuverlässig
vor Heißgaskorrosion
durch den im Bereich der Laufschaufeln geführten Heißgasstrom geschützt. Indem
der Aufnahmeraum an die Dimension des Schraubenkopfs angepasst ausgebildet
ist, können
darüber
hinaus über
den Schraubenkopf hohe Randlasten in den Scheibenkörper eingeleitet
werden, so dass ein mechanisch stabiler und selbsttragender Aufbau
des Turbinenbereichs auch bei sehr hohen Drehzahlen gegeben ist.
Der Schraubenkopf kann während
des Betriebs unter Fliehkraft am Scheibenkörper anliegen, wodurch eine
besonders hohe Kraftableitung über
den Scheibenkörper
in die Welle ermöglicht
ist. Durch diese Art der Verschraubung der Rotorscheiben ist weiterhin
die Anbindung der ersten Rotorscheibe an die Welle unter einer der vorderen
Turbinenstufen möglich.
Dies ermöglicht eine
besonders kurze und kompakte Bauweise des Wellenleistungstriebwerks.
Mit Hilfe des Flansches muss zudem der Scheibenkörper nicht an- oder durchbohrt
werden, wodurch die Lebensdauer des Wellenleistungstriebwerk erheblich
gesteigert wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem der Flansch bezüglich der Welle unterhalb eines
Schaufelfußes
einer Laufschaufel angeordnet und/oder seitlich am Scheibenkörper angeordnet
und/oder einteilig mit dem Scheibenkörper ausgebildet ist. Auf diese
Weise ist eine besonders kurze und kompakte Bauweise des Wellenleistungstriebwerks
bei zusätzlich
erhöhter
mechanischer Stabilität
und hoher Kraftableitung ermöglicht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein korrespondierender Flansch der weiteren Rotorscheibe zumindest mittelbar
am Flansch der ersten Rotorscheibe angeordnet und die Rotorscheiben
mittels einer Schraubverbindung aneinander befestigt sind, wobei
als Schraubverbindung der Schraubenkopf des Schraubenelements innerhalb
des Aufnahmeraums angeordnet ist, ein Schraubenkörper des Schraubenelements
durch Montageöffnungen
der Flansche ragt und eine Schraubenmutter auf den Schraubenkörper aufgeschraubt
ist. Durch die notwendige sequenzielle Montage des Laufschaufelsystems
wird bei einer derartigen Anordnung eine mechanisch stabile, einfache
und schnelle Montage der Schraubenmutter an dem bezüglich des
Schraubenkopfs innen- und bezüglich
des Schraubenkörpers
außenliegenden Schraubenelement
ermöglicht.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem das Wellenleistungstriebwerk ein im
Turbinenbereich angeordnetes Leitschaufelsystem mit einer Mehrzahl an
Leitschaufeln umfasst, wobei die Leitschaufeln bezüglich der
Welle axial zwischen den Laufschaufeln des Laufschaufelsystems angeordnet
sind. Hierdurch können
die Zuströmverhältnisse
der ersten Rotorscheibe gegebenenfalls situationsabhängig optimiert
werden. Das Leitschaufelsystem kann dabei grundsätzlich verstellbar ausgebildet
sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die erste Rotorscheibe, die weitere Rotorscheibe und das Leitschaufelsystem
einen gegenüber
einem turbinenseitigen Heißgasstrom
zumindest weitgehend abgedichteten Hohlraum begrenzen, innerhalb
welchem zumindest die Schraubenmutter der Schraubverbindung angeordnet
ist. Die Schraubenmutter der Schraubverbindung ist somit analog
dem im Aufnahmeraum angeordneten Schraubenkopf sicher vor Heißgas und
einer damit verbundenen Heißgaskorrosion
geschützt.
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Ein
besonders zuverlässiger
Schutz auch bei sehr hohen Betriebstemperaturen ist in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht, dass ein Gasführungssystem
vorgesehen ist, mittels welchem zumindest ein wellenseitiger Kühlgasstrom durch
die Flansche in den Hohlraum zu leiten ist. Dies ermöglicht während des
Betriebs die Ausbildung einer Kühlgasschicht
und damit einen besonders sicheren Schutz vor Überhitzung und Heißgaskorrosionen.
Weiterhin kann hierdurch eine zumindest weitgehende Gestaltung des
Turbinenbereichs ohne spezielle Dichtelemente (sog. Inner Air Seals, IAS)
erfolgen, da diese sowohl eine maximal zulässige Betriebstemperatur als
auch eine maximale Umfangsgeschwindigkeit des Wellenleistungstriebwerks begrenzen
würden.
Beispielsweise können
bei aus dem Stand der Technik bekannten Standardbauweisen bei der
Verwendung von Inner Air Seals teilweise Schäden durch Risse und in weiterer
Folge teilweise größere Ausbrüche der
IAS entstehen. Zudem sind IAS nicht selbsttragend. Eine Gestaltung
ohne derartige IAS ermöglicht
daher in Verbindung mit der mit scheibennahen Rotorverschraubung
eine besonders gewichtsoptimierte und kompakte Gestaltung des Wellenleistungstriebwerks.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem der Hohlraum und das Gasführungssystem
derart aneinander angepasst sind, dass sich während des Betriebs des Wellenleistungstriebwerks
zumindest im Bereich der Schraubenmutter ein Kühlgaswirbel ausbildet. Durch
eine gezielte geometrische Ausgestaltung und Abstimmung der Kühlgasströmung vor
allem hinsichtlich Geschwindigkeit und Wirbelbildung ist ein besonders
zuverlässiger
Schutz vor unerwünschten
Heißgaseinbrüchen gegeben,
wodurch einerseits eine Überhitzung
der betreffenden Bauteile und andererseits eine Heißgaskorrosion
insbesondere der Schraubenmutter besonders zuverlässig verhindert
wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein aus Schaufelfüßen der
Laufschaufeln der weiteren Rotorscheibe austretender Kühlgasstrom vorteilhaft
zur gezielten Kühlung
bzw. Wirbelbildung mitverwendet wird oder die Wirbelbildung unterstützt. Dadurch
wird eine besonders betriebsstabile Trennung zwischen Heißgasstrom
und Kühlgasstrom
erzielt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zwischen dem Flansch der ersten Rotorscheibe und der Schraubenmutter
wenigstens ein weiteres Bauteil, insbesondere ein Dichtungsträger der
ersten Rotorscheibe und/oder ein Gasführungsteil zum Leiten des Kühlgasstroms,
angeordnet und mittels der Schraubverbindung festgelegt ist. Auf
diese Weise können
ein oder mehrere weitere benötigte
Bauteile vorteilhaft und ohne die Notwendigkeit zusätzlicher
Schraubverbindungen oder dergleichen zusammen mit der weiteren Rotorscheibe
an der ersten Rotorscheibe befestigt werden, wodurch entsprechende
Kosten- und Gewichtssenkungen erzielt werden. Ein als Dichtungsträger ausgebildetes
Bauteil kann beispielsweise als Teil einer Labyrinth- oder Bürstendichtung
ausgebildet sein. Mit Hilfe eines als Gasführungsteil ausgebildeten weiteren
Bauteils kann beispielsweise durch Anpassung von dessen Größe, Lage
und Anzahl an Gasführungskanälen eine
besonders gezielte Strömungsführung des
Kühlgasstroms
erzeugt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
der Flansch der ersten Rotorscheibe und/oder der Flansch der weiteren
Rotorscheibe und/oder das wenigsten eine weitere Bauteil wenigstens
eine vorzugsweise längs
des Schraubenkörpers
verlaufende Bohrung umfasst. Eine derartige Bohrung ermöglicht auf
einfache und kostengünstige Weise
eine Strömungsführung des
Kühlgasstroms
in den Hohlraum. Gleichzeitig ist durch die Bohrung eine Verringerung
von mechanischen Verspannungen im Verschraubungsbereich gegeben.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Laufschaufelsystem und/oder das Leitschaufelsystem ein
lösbar festgelegtes
Deckelelement umfasst, mittels welchem eine Montageöffnung zum
Montieren oder Demontieren der Schraubenmutter innerhalb des Hohlraums
freigebbar oder verschließbar
ist. Bei diesem Konzept kann die Rotorscheibe schrittweise unter der
Montageöffnung
vorbeigedreht und jeweils eine Schraubenmutter montiert oder demontiert
werden. Die Montageöffnung
ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine automatisierbare
Montage bzw. Demontage mit Hilfe von entsprechenden Werkzeugen ermöglicht ist.
Das Deckelelement zum Verschließen
der Montageöffnung
kann beispielsweise als kostengünstiges
Gussteil ausgebildet sein. Zur sicheren Vermeidung von Heißgaseinbruch
kann vorgesehen sein, dass das Deckelelement, das beispielsweise
an einem statischen Dichtungsträger
des Leitschaufelsystems festgelegt sein kann, als sogenanntes Klasse
1 Bauteil und somit ausfallsicher (fail-save) ausgelegt ist. Ein
statisches Klasse 1 Bauteil ist jedoch wesentlich besser, einfacher
und kostengünstiger
auszulegen, als ein hochbelasteter Inner Air Seal Ring der Klasse
1.
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Eine
weitere Verbesserung des Wirkungsgrads des Wellenleistungstriebwerks
ist in weiterer Ausgestaltung dadurch ermöglicht, dass an der weiteren
Rotorscheibe zumindest eine zusätzliche
Rotorscheibe befestigt ist. Die weitere und alle zusätzlichen
Rotorscheiben des Laufschaufelsystems werden dabei vorzugsweise
von der ersten Rotorscheibe getragen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand
der Zeichnung, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische seitliche Schnittansicht eines Turbinenbereichs eines
Wellenleistungstriebwerks gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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2 eine
vergrößerte Detailansicht
des in 1 gezeigten Bereichs II, wobei anstelle einer Bürstendichtung
eine Labyrinthdichtung vorgesehen ist;
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3 eine
weitere schematische seitliche Schnittansicht des in 1 gezeigten
Bereichs II, wobei ein Gasführungssystem
sowie während
des Betriebs des Wellenleistungstriebwerks auftretende Gasströmungen vektoriell
dargestellt sind;
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4 eine
schematische Perspektivansicht des in 3 gezeigten
Bereichs mit den während des
Betriebs auftretenden Gasströmungen;
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5 eine
perspektivische und ausschnittsweise Ansicht des in 1 gezeigten
Bereichs II;
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6 eine
schematische seitliche Schnittansicht einer Schraubverbindung zwischen
Flanschen einer ersten und einer weiteren Rotorscheibe gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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7 eine
schematische seitliche Schnittansicht der Schraubverbindung zwischen
den Flanschen der ersten und der weiteren Rotorscheibe gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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8 eine
schematische seitliche Schnittansicht der Schraubverbindung zwischen
den Flanschen der ersten und der weiteren Rotorscheibe gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel;
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9 eine
schematische Perspektivansicht eines als Gasführungsteil ausgebildeten Bauteils;
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10 eine
schematische seitliche Schnittansicht des in 1 gezeigten
Turbinenbereichs, wobei eine während
des Betriebs auftretende Temperaturverteilung dargestellt ist;
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11 eine
schematische und ausschnittsweise Perspektivansicht eines an einem
statischen Dichtungsträger
festgelegten Deckelelements;
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12 eine
schematische und ausschnittsweise Perspektivansicht des in 11 gezeigten Dichtungsträgers, wobei
das Deckelelement entfernt und eine Montageöffnung für eine Schraubenmutter erkennbar
ist;
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13 eine
schematische Perspektivansicht des in 11 gezeigten
Deckelelements;
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14 eine
schematische seitliche Schnittansicht des in 1 gezeigten
Turbinenbereichs während
eines Demontageschritts der ersten Rotorscheibe; und
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15 eine
schematische seitliche Schnittansicht des in 1 gezeigten
Turbinenbereichs während
eines anschließenden
Demontageschritts der ersten Rotorscheibe.
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1 zeigt
eine schematische seitliche Schnittansicht eines Turbinenbereichs 10 eines
Wellenleistungstriebwerks 12 für ein Luftfahrzeug gemäß einem
Ausführungsbeispiel
und wird in Zusammenschau mit 2 erläutert werden,
in welcher eine vergrößerte Detailansicht
des in 1 gezeigten Bereichs II abgebildet ist. Innerhalb
des Turbinenbereichs 10 ist dabei ein Laufschaufelsystem 14 angeordneten,
welches eine erste, mit einer Welle 16 des Wellenleistungstriebwerks 12 verbundene
Rotorscheibe 18a umfasst, die einen Scheibenkörper 20a mit
einer Vielzahl an Laufschaufeln 22a sowie einen Flansch 24a zum
Befestigen einer weiteren Rotorscheibe 18b aufweist. Um
den Turbinenbereich 10 gewichtsoptimiert, kompakt und mechanisch
stabil ausbilden zu können,
bilden der Flansch 24a und der Scheibenkörper 20a der
ersten Rotorscheibe 18a einen Aufnahmeraum 26,
innerhalb welchem ein Schraubenkopf 28 eines Schraubenelements 30 angeordnet
ist. Der Aufnahmeraum 26 ist bezüglich der Welle 16 radial
nach oben, das heißt
in Richtung des Heißgasstroms
H, abgeschlossen, radial nach unten, das heißt in Richtung des Kühlgasstroms
K, geöffnet und
zusätzlich
an eine Dimension des Schraubenkopfs 28 angepasst ausgebildet,
so dass der Schraubenkopf 28 am Flansch 24a und
am Scheibenkörper 20a abgestützt und
gegen Heißgaskorrosion
geschützt
ist. Eine besonders hohe mechanische Stabilität wird dabei erreicht, indem
der einteilig mit dem Scheibenkörper 20a ausgebildete
Flansch 24a bezüglich
der Welle 16 unterhalb eines Schaufelfußes 32a der Laufschaufel 22a angeordnet
ist, wodurch etwaige Biege- und Torsionsmomente während des Betriebs
besonders stark minimiert werden. Dabei kann grundsätzlich auch
vorgesehen sein, dass die Rotorscheiben 18a–c und ihre
Laufschaufeln 22a–c jeweils
einstückig
(sog. Blisks) ausgebildet sind.
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Am
Flansch 24a der ersten Rotorscheibe 18a ist ein
korrespondierender Flansch 24b (Scheibenwing) der weiteren
Rotorscheibe 18b angeordnet. Die Rotorscheiben 18a, 18b sind über ihre
Flansche 24a, 24b mittels einer Schraubverbindung
aneinander befestigt, indem – wie
bereits erwähnt – der Schraubenkopf 28 des
Schraubenelements 30 innerhalb des Aufnahmeraums 26 angeordnet
ist, ein Schraubenkörper 34 des
Schraubenelements 30 durch entsprechende Montageöffnungen 36 (vgl. 9)
der Flansche 24a, 24b ragt und eine Schraubenmutter 38 auf
Seiten des Flansches 24b auf den Schraubenkörper 34 aufgeschraubt
ist. An der weiteren Rotorscheibe 18b ist in vergleichbarer
Weise eine zusätzliche
Rotorscheibe 18c über
eine weitere scheibennahe Schraubverbindung befestigt, wobei im
Unterschied zur Schraubverbindung zwischen der ersten und der weiteren
Rotorscheibe 18a, 18b alle Verschraubungsteile
innerhalb des Kühlgasstroms
K angeordnet sind. Es ist jedoch zu betonen, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Flansche 24 und der Scheibenkörper 20 sowie die
dadurch ermög lichte,
scheibennahe Schraubverbindung grundsätzlich auch in anderen Triebwerksbereichen,
beispielsweise auf einer Verdichterseite, vorgesehen sein kann.
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Das
Wellenleistungstriebwerk 12 umfasst weiterhin ein im Turbinenbereich 10 angeordnetes Leitschaufelsystem 40 mit
einer Mehrzahl an Leitschaufeln 42a, 42b, wobei
die Leitschaufeln 42a, 42b bezüglich der Welle 16 axial
zwischen den jeweiligen Laufschaufeln 22a–c des Laufschaufelsystems 14 angeordnet
sind. Die erste Rotorscheibe 18a, die weitere Rotorscheibe 18b und
das Leitschaufelsystem 40 begrenzen dabei einen gegenüber dem
Heißgasstrom
H weitgehend abgedichteten Hohlraum 44, innerhalb welchem
die Schraubenmutter 38 der Schraubverbindung angeordnet
ist. Wie insbesondere aus 2 deutlich
wird, ist zwischen den Flanschen 24a, 24b ein
weiteres, als Dichtungsträger ausgebildetes
Bauteil 46a angeordnet und ebenfalls mittels der Schraubverbindung
festgelegt. Das Bauteil 46a ist dabei beispielhaft in 1 als
Dichtfläche ausgebildet
und bildet mit einer statischen Bürste 48 eine Bürstendichtung.
Die Bürste 48 ist
dabei von einem leitschaufelsystemseitigen Dichtungsträger 49 getragen.
Demgegenüber
bildet das Bauteil 46a in 2 zusammen
mit einer leitschaufelsystemseitigen, statischen Dichtfläche 48 eine
Labyrinthdichtung. Zwischen der Schraubenmutter 38 und
dem Flansch 24b ist weiterhin ein als Gasführungsteil
ausgebildetes Bauteil 46b angeordnet, mittels welchem die
Zuströmung
des in den Hohlraum 44 zu leitenden Kühlgasstroms beeinflussbar ist.
Der genaue Aufbau des Bauteils 46b wird im Folgenden näher erläutert werden.
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3 zeigt
eine weitere schematische seitliche Schnittansicht des in 1 bzw. 2 gezeigten Bereichs
II und wird in Zusammenschau mit 4 erläutert werden.
Dabei sind insbesondere ein Gasführungssystems 50 (air
based heatshield) sowie die während
des Betriebs des Wellenleistungstriebwerks 12 auftretenden
Gasströmungen
erkennbar, die in 3 zusammen mit ihren relativen
Massenstromanteilen vektoriell und in 4 symbolisch
mit Linien dargestellt sind. Mit Hilfe des Gasführungssystems 50,
welches die üblicherweise
im Stand der Technik verwendeten Inner Air Seals ersetzt, wird gemäß Pfeil
III Kühlgas
an der scheibennahen Rotorverschraubung der ersten Rotorscheibe 18a über eine
längs des
Schraubenkörpers 34 verlaufenden Bohrungen 52 (s. 5)
unter der Schraubenmutter 38 über das Bauteil 46b in
den Hohlraum 44 eingeleitet. Der Hohlraum 44 und
das Gasführungssystem 50 sind
dabei geometrisch derart aneinander angepasst, dass sich während des
Betriebs des Wellenleistungstriebwerks 12 zumindest im
Bereich der Schraubenmutter 38 ein stabiler Kühlgaswirbel
IVa ausbildet (s. 4), so dass die Schraubenmutter 38 optimal
vor Heißgaskorrosion
geschützt
ist. Im Bereich des Schaufelfußes 32b tritt
gemäß Pfeil
IVb wärmeres
Kühlgas
in den Hohlraum 44. Zum Erreichen einer gezielten Strömungsführung werden
das die Labyrinthdichtung bildende Bauteil 46 und die stationäre Dichtfläche 48 radial
bezüglich
der Welle 16 derart angeordnet, dass sich der Kühlgasstrom aus
dem Schaufelfuß 32b auf
den Kühlgaswirbel
legt und diesen stabilisiert. Ein Teil des wärmeren Kühlgasstroms entweicht durch
die Labyrinthdichtung in Richtung des Heißgasstroms H. Auf diese Weise
wird der Heißgasstrom
H zuverlässig
vom Kühlgasstrom K
getrennt und ein entsprechender Schutz der Schraubenmutter 38 sichergestellt.
Die sich während des
Betriebs ergebenden Temperaturverteilungen innerhalb des Turbinenbereichs 10 sind
schematisch in 10 abgebildet, wobei die Temperatur
des Heißgasstroms
mit T45, die Temperatur des Kühlgasstroms
mit TK1 und die Temperatur eines Nebenkühlgasstroms
im Bereich der Welle 16 mit TK2 bezeichnet
ist. Wie aus 10 erkennbar ist, überschreiten die
jeweiligen Bauteiltemperaturen die zulässigen Werkstoffwerte nicht.
Hierdurch ergeben sich in weitere Folge entsprechend gesteigerte
Berstreserven der Rotorscheiben 18a–c mit Werten von 140% und mehr.
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5 zeigt
eine perspektivische und ausschnittsweise Ansicht des in 1 gezeigten
Bereichs II, wobei insbesondere die Details der Schraubverbindung
im Bereich der Flansche 24a, 24b erkennbar sind.
Zwischen dem Flansch 24b der weiteren Rotorscheibe 18b und
der Schraubenmutter 38 ist das als Gasführungsteil ausgebildete Bauteil 46b angeordnet,
mittels welchem die Zuströmung des
Kühlgases
in den Hohlraum 44 beeinflussbar ist. Das Bauteil 42b,
welches einzeln in 9 in schematischer Perspektivansicht
dargestellt ist, ist so gestaltet, dass die Kühlgas einen Schutzfilm über den Flansch 24b der
weiteren Rotorscheibe 18b legt. Eine gezielte Abstimmung
der Strömung
hinsichtlich Geschwindigkeit und Wirbelbildung kann auf konstruktiv
einfache Weise durch Variierung der Größe, Lage und Anzahl von Kühlgasbohrungen 54 des
Bauteils 42b erzielt werden. Mehr bzw. größere Kühlgasbohrungen 54 ergeben
grundsätzlich
eine stärkere Zuströmung und
damit eine entsprechend stärkere Verwirbelung
innerhalb des Hohlraums 44.
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6 zeigt
eine schematische seitliche Schnittansicht einer Schraubverbindung
zwischen den Flanschen 24a, 24b der ersten und
der weiteren Rotorscheibe 18a, 18b gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
Dabei wird insbesondere die Kühlgasströmungsführung gemäß Pfeil
VI durch den Aufnahmeraum 26, die Bohrung 52 und
die Kühlgasbohrung 54 in
den Hohlraum 44 deutlich. Der Flansch 24b umfasst
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
Führungsnuten 56,
in welche der Kühlgasstrom
eingeleitet wird. Weiterhin ist erkennbar, dass der Flansch 24b der
weiteren Rotorscheibe 18b im Anbindungsbereich an den Flansch 24a im
Querschnitt L-förmig ausgebildet
ist und an der Unterseite des Bauteils 46a sowie des Flansches 24a an liegt.
Hierdurch ist eine mechanisch besonders stabile Anbindung und Befestigung
ermöglicht.
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7 zeigt
eine schematische seitliche Schnittansicht der Schraubverbindung
zwischen den Flanschen 24a, 24b der ersten und
der weiteren Rotorscheibe 18a, 18b gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Kühlgasbohrungen 54 des
Bauteils 46b in Ausströmrichtung
des mit Pfeil VII gekennzeichneten Kühlgasstroms gewinkelt ausgebildet,
wobei der Flansch 24b keine Führungsnuten 56 umfasst.
Das Bauteil 46a ist als Teil einer Labyrinthdichtung ausgebildet.
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8 zeigt
eine schematische seitliche Schnittansicht der Schraubverbindung
zwischen den Flanschen 24a, 24b der ersten und
der weiteren Rotorscheibe 18a, 18b gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind die Kühlgasbohrungen 54 des
Bauteils 46b in einem Abstand zum Flansch 24b angeordnet,
so dass der Kühlgasstrom gemäß Pfeil
VIII auf die Oberfläche
des Flansches 24b geleitet wird. Die jeweils geeignete
Kühlgasströmung kann
somit variabel an die jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten angepasst
werden.
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9 zeigt
eine schematische Perspektivansicht des als Gasführungsteil ausgebildeten Bauteils 46b.
Dabei ist die Montageöffnung 36 erkennbar, durch
welche der Schraubenkörper 34 des
Schraubenelements 30 bei der Montage geführt wird.
Entsprechende Montageöffnungen 36 sind
in allen zu verschraubenden Teilen, das heißt in den Flanschen 24a–c und dem
Bauteil 46a, vorgesehen. Ebenfalls erkennbar sind taschenartige
Vertiefungen 58, in welche der durch die angrenzenden Bohrungen 52 geführte Kühlgasstrom
eingeleitet und durch die Kühlgasbohrungen 54 kontrolliert
ausgeleitet wird. Das Bauteil 46b ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
als kostengünstiges
Gussteil ausgebildet.
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11 zeigt
eine schematische und ausschnittsweise Perspektivansicht eines Deckelelements 60,
welches an dem leitschaufelsystemseitigen, statischen und ringförmig ausgebildeten
Dichtungsträger 49 lösbar festgelegt
ist. Das Deckelelement 60 ist im sogenannten ”Fishmouth
Desing” gestaltet
und verhindert im festgelegten Zustand zuverlässig ein Einbrechen von Heißgas in
den Hohlraum 44. 13 zeigt
zur weiteren Verdeutlichung eine schematische Perspektivansicht
des Deckelelements 60.
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12 zeigt
eine schematische und ausschnittsweise Perspektivansicht des in 11 gezeigten
Dichtungsträgers 49,
wobei das Deckelelement 60 entfernt und eine Montageöffnung 62 erkennbar
ist, durch welche die Schraubenmutter 38 zur Befestigung
der Rotorscheiben 18a, 18b in den Hohlraum 44 eingebracht
und auf den Schraubenkörper 34 geschraubt
oder von diesem abgeschraubt werden kann.
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Zur
näheren
Erläuterung
des Demontageverfahrens zeigt 14 eine
schematische seitliche Schnittansicht des in 1 gezeigten
Turbinenbereichs 10 während
eines Demontageschritts der ersten Rotorscheibe 18a. Dabei
werden zunächst
die Laufschaufeln 22a der ersten Rotorscheibe 18a abgezogen
und ein sog. Guter Air Seal (nicht dargestellt) des Wellenleistungstriebwerks 12 demontiert. Anschließend werden
die Leitschaufeln 42a um etwa 4° gekippt, angehoben und aus
dem Dichtungsträger 49 ausgehängt. Daraufhin
wird der Dichtungsträger 49 in
Richtung der ersten Rotorscheibe 18a verschoben und das
Deckelelement 60 abgeschraubt.
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15 zeigt
schließlich
eine schematische seitliche Schnittansicht des in 1 gezeigten
Turbinenbereichs 10 während
eines anschließenden
Demontageschritts der ersten Rotorscheibe 18a. Durch die
freigegebene Montageöffnung 62 kann
nunmehr ein geeignetes Werkzeug in den Hohlraum 44 eingeführt und
zum Abschrauben der Schraubenmutter 38 vom Schraubenkörper 34 verwendet
werden. Anschließend
kann die erste Rotorscheibe 18a zusammen mit der Welle 16 abgezogen
und entfernt werden. Hierdurch wird die in 14 erkennbare Schraubverbindung
XIV von innen zugänglich,
wodurch die weitere Rotorscheibe 18b von der zusätzlichen
Rotorscheibe 18c gelöst
und ebenfalls entfernt werden kann. Anschließend können die Leitschaufeln 42b und
die Rotorscheibe 18c demontiert werden. Eine Montage der
Rotorscheiben 18a–c
und der Leitschaufeln 42a, 42b kann analog in
umgekehrter Reihenfolge durchgeführt
werden.