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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die
beispielhaften Ausführungsformen
betreffen allgemein Gasturbinentriebwerkskomponenten und insbesondere
Turbinenleitapparatsegmente mit verbesserter Kühlung.
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Gasturbinentriebwerke
umfassen typischerweise einen Verdichter, eine Brennkammer und wenigstens
eine Turbine. Der Verdichter kann Luft verdichten, die mit einem
Brennstoff gemischt und zu der Brennkammer geleitet werden kann.
Das Gemisch kann dann entzündet
werden, um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen, und die Verbrennungsgase können zu
der Turbine geleitet werden. Die Turbine kann den Verbrennungsgasen
Energie entziehen, um den Verdichter anzutreiben sowie nutzbare Arbeit
zu erzeugen, um ein Flugzeug im Flug anzutreiben oder eine Last,
wie beispielsweise einen elektrischen Generator, anzutreiben.
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Die
Turbine kann eine Stator- und eine Rotorbaugruppe umfassen. Die
Statorbaugruppe kann eine stationäre Leitapparatbaugruppe mit
einer Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Schaufelblätter umfassen,
die sich radial zwischen einem Innen- und einem Außenband
erstrecken, wobei die Bänder einen
Strömungsweg
definieren, durch den die Verbrennungsgase geleitet werden. Typischerweise
sind die Schaufelblätter
und Bänder
in Form einer Vielzahl von Segmenten ausgebildet, die ein oder zwei
voneinander beabstandete Schaufelblätter umfassen können, die
sich radial zwischen einem Innen- und einem Außenband erstrecken. Die Segmente
sind miteinander verbunden, um die Leitapparatbaugruppe zu bilden.
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Die
Rotorbaugruppe kann sich stromabwärts der Statorbaugruppe befinden
und eine Vielzahl Schaufeln aufweisen, die sich von einer Scheibe
aus radial nach außen
erstrecken. Jede Rotorschaufel kann ein Schaufelblatt umfassen,
das sich zwischen einer Plattform und einer Spitze erstrecken kann. Jede
Rotorschaufel kann auch einen Fuß umfassen, der sich unter
der Plattform erstrecken und in einem entsprechenden Schlitz in
der Scheibe aufgenommen sein kann. Alternativ kann die Scheibe eine
Blisk oder „Bladed
Disk" (beschaufelte
Scheibe) sein, die die Notwendigkeit eines Fußes verringern kann, so dass
das Schaufelblatt direkt von der Scheibe ausgehen kann. Die Rotorbaugruppe
kann an der Spitze radial durch ein stationäres ringförmiges Deckband begrenzt sein.
Die Deckbänder
und Plattformen (oder im Falle einer Blisk die Scheibe) definieren
einen Strömungsweg,
durch den die Verbrennungsgase geleitet werden.
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Da
die Gastemperaturen aufgrund der Forderung nach erhöhter Leistung
steigen, können
Komponenten eventuell den erhöhten
Temperaturen nicht standhalten. Höhere Gastemperaturen führen zu
höheren
Metalltemperaturen, die einen primären Beitragsfaktor zur Überbelastung
bzw. Beschädigung bilden.
Die Bänder
sind für
diese Überbelastung
bzw. Beschädigung
insbesondere an der Rückseite
der Bänder
anfällig.
Eine erhöhte
Belastung kann die Bildung von Rissen oder Löchern in diesen Bereichen hervorrufen,
was zu einer Leistungsverschlechterung und höheren Reparaturkosten führt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann
ein Turbinenleitapparatsegment ein Band aufweisen, das eine einem
Strömungsweg
zugewandte Seite und eine vom Strömungsweg abgewandte Seite und
eine Verkleidung aufweist, die auf der vom Strömungsweg abgewandten Seite
des Bandes angeordnet ist. Zwischen dem Band und der Verkleidung
kann ein Plenum definiert sein, und eine Hemmeinrichtung bzw. -dichtung
kann sich von der Verkleidung aus erstrecken.
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In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ein Turbinenleitapparatsegment
ein Band mit einem sich radial erstreckenden Flansch und einer dem
Band zugeordneten Verkleidung aufweisen. Zwischen der Verkleidung
und dem Band kann ein Plenum definiert sein, und ein Loch mit einem
in das Plenum führenden
Auslass kann sich durch den Flansch hindurch erstrecken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform
einer Turbinenleitapparatbaugruppe.
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3 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
einer beispielhaften Ausführungsform
eines Bandes einer Turbinenleitapparatbaugruppe.
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4 zeigt
vergrößerte ebene
Ansicht der dem Strömungsweg
zugewandten Seite eines Bandes eines Turbinenleitapparatsegments.
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5 zeigt
eine Perspektivansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Turbinenleitapparatsegments.
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6 zeigt
eine weitere Perspektivansicht einer bei spielhaften Ausführungsform
eines Turbinenleitapparatsegments, das mit abmontierter Verkleidung
veranschaulicht ist.
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7 zeigt
eine weitere Perspektivansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Turbinenleitapparatsegments, das zusammen mit der Verkleidung
veranschaulicht ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 veranschaulicht
eine schematisierte Querschnittsansicht eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks 100.
Das Gasturbinentriebwerk 100 kann einen Niederdruckverdichter 102,
einen Hochdruckverdichter 104, eine Brennkammer 106,
eine Hochdruckturbine 108 und eine Niederdruckturbine 110 enthalten.
Der Niederdruckverdichter kann mit der Niederdruckturbine über eine
Welle 112 verbunden sein. Der Hochdruckverdichter 104 kann
mit der Hochdruckturbine 108 über eine Welle 114 verbunden
sein. Im Betrieb strömt
Luft durch den Niederdruckverdichter 102 und den Hochdruckverdichter 104.
Die hochverdichtete Luft wird der Brennkammer 106 zugeführt, wo
sie mit einem Brennstoff gemischt und entzündet wird, um Verbrennungsgase
zu erzeugen. Die Verbrennungsgase werden von der Brennkammer 106 aus
weitergeleitet, um die Turbinen 108 und 110 anzutreiben.
Die Turbine 110 treibt den Niederdruckverdichter 102 mittels
der Welle 112 an. Die Turbine 108 treibt den Hochdruckverdichter 104 mittels
der Welle 114 an.
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Wie
in den 2–7 gezeigt,
kann die Hochdruckturbine 108 eine Turbinenleitapparatbaugruppe 116 umfassen.
Die Turbinenleitapparatbaugruppe 116 kann sich stromabwärts von
der Brennkammer 106 oder einer Reihe von Turbinenschaufeln befinden.
Die Turbinenleitapparatbaugruppe 116 umfasst eine kreisringförmige Anordnung
von Turbinenleitapparatsegmenten 118. Es können mehrere
gekrümmte
bzw. bogenförmige
Turbinenleitapparatsegmente 118 miteinander verbunden sein,
um die ringförmige
Turbinenleitapparatbaugruppe 116 zu bilden. Die Turbinenleitapparatsegmente 118 können ein
Innenband 120 und ein Außenband 122 aufweisen,
wobei diese Bänder
den Strom der Verbrennungsgase durch die Turbinenleitapparatbaugruppe 116 radial begrenzen.
Das Innenband 120 kann eine dem Strömungsweg zugewandte Seite 124 und
eine von dem Strömungsweg
abgewandte Seite 126 umfassen, und das Außenband 122 kann
eine dem Strömungsweg
zugewandte Seite 128 und eine vom Strömungsweg abgewandte Seite 130 aufweisen.
Ein oder mehrere Flansche 132 können sich von den vom Strömungsweg
abgewandten Seiten 126 und 130 des Innenbandes 120 und
des Außenbands 122 aus
erstrecken. Zum Beispiel erstreckt sich der Flansch 134, wie
in 3 gezeigt, radial von dem Außenband 122 aus, und
er kann zur Befestigung der Turbinenleitapparatbaugruppe 116 an
anderen Komponenten des Gasturbinentriebwerks 100 verwendet
werden.
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Ein
oder mehrere Schaufelblätter 136 erstrecken
sich radial zwischen dem Innenband 120 und dem Außenband 122,
um den Strom der Verbrennungsgase durch die Turbinenleitapparatbaugruppe 116 zu
leiten. Die Schaufelblätter 136 weisen
eine Vorder- bzw. Anströmkante 138 an
der Vorderseite des Turbinenleitapparatsegments 118 und
eine Hinter- bzw. Abströmkante 140 an
der Hinterseite des Turbinenleitapparatsegments 118 auf.
Die Schaufelblätter 136 können in
einer massiven oder hohlen Bauweise ausgeführt sein. Hohle Schaufelblätter können einen
oder mehrere innere Kühlkanäle enthalten,
die zur Kühlung
des Schaufelblatts und zur Erzielung einer Filmkühlung an den Schaufelblattoberflächen dienen.
Andere hohle Schaufelblätter können einen
Hohlraum oder mehrere Hohlräume zur
Aufnahme eines Kühleinsatzes
aufweisen. Der Kühleinsatz
kann mehrere Kühlöffnungen
aufweisen, die zum Aufprall der Kühlluft auf die Innenoberfläche des
hohlen Schaufelblatts dienen, bevor diese als Filmkühlluft durch
Löcher
in dem Schaufelblatt austritt. Es kann jede in der Technik bekannte
Schaufelblattkonfiguration verwendet werden.
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Der
Begriff „Band", wie er nachfolgend
verwendet wird, kann das Innenband 120, das Außenband 122 oder
sowohl das Innenband 120 als auch das Außenband 122 bezeichnen.
Der vom Strömungsweg
abgewandten Seite 126, 130 des Bandes kann eine Umschließung bzw.
Verkleidung 142 zugeordnet sein. Die Verkleidung 142 kann
integral, in einem Stück
mit dem Band ausgebildet oder auf eine beliebige in der Technik
bekannte Weise, wie bspw. durch Hartlötung, ohne darauf beschränkt zu sein, angebracht
sein. In einer Ausführungsform
kann sich die Verkleidung 142 zwischen der vom Strömungsweg
abgewandten Seite 126, 130 des Bandes und dem
Flansch 132 erstrecken. Die Verkleidung 142, die
vom Strömungsweg
abgewandte Seite 126, 130 des Bandes und der Flansch 132 können eine
auch als Plenum bezeichnete Sammelkammer 144 definieren.
Das Plenum 144 kann Kühlluft
durch ein oder mehrere Löcher 146 in
dem Flansch 132 aufnehmen. Die Luft kann auf jede beliebige
Weise zu dem einen Loch oder den mehreren Löchern geleitet werden. Wie
in 6 veranschaulicht kann das Plenum 144 in
Form von zwei Hohlräumen 148 und 150 in
der vom Strömungsweg
abgewandten Seite 126, 130 des Bandes mit einem
dazwischen verlaufenden, diese verbindenden Kanal 152 ausgebildet
sein.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann
das Band mehrere darin ausgebildete Kühlöffnungen 154 aufweisen.
Die mehreren Kühlöffnungen 154 können einen
Einlass 156 an dem Plenum 144 aufweisen, um Kühlluft von
diesem zu empfangen. Die mehreren Kühlöffnungen 154 können einen
Auslass 158 aufweisen, um eine Filmkühlung an der dem Strömungsweg
zugewandten Seite 124, 128 des Bandes zu erzielen.
In einer beispielhaften Ausführungsform,
wie sie in 4 veranschaulicht ist, können sich
die Auslässe 158 der
mehreren Kühlöffnungen 154 nach
außen
erweitern, um das Maß der Filmkühlung zu
erhöhen.
In der Verkleidung 142 können mehrere Kühlöffnungen 160 geschaffen
sein. Die mehreren Kühlöffnungen 160 können einen
Einlass 162 an dem Plenum 144 aufweisen, um Kühlluft von diesem
aufzunehmen. Die mehreren Kühlöffnungen 160 können einen
Auslass 164 aufweisen, um eine Aufprallkühlung an
der vom Strömungsweg
abgewandten Seite 126, 130 des Bandes zu erzielen.
In einer bei spielhaften Ausführungsform
kann der Verkleidung 142 eine Sperr- oder Hemmeinrichtung 166 zugeordnet
sein. Die Hemmeinrichtung 166 kann integral, in einem Stück mit der
Verkleidung 142 ausgebildet oder auf jede beliebige in
der Technik bekannte Weise, wie beispielsweise durch Hartlöten, ohne
darauf beschränkt
zu sein, befestigt sein. Die Hemmeinrichtung 166 kann als
ein Schutzschild für
die vom Strömungsweg
abgewandte Seite 126, 130 des Bandes dienen, um
heiße
Gase von dieser fernzuhalten. In einer beispielhaften Ausführungsform
können
die Verkleidung 142, das Plenum 144 und die zugehörigen Kühlöffnungen
auf der Hinterseite des Bandes angeordnet sein.
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Durch
Bereitstellung von Kühlöffnungen
in diesen Bereichen kann die Metalltemperatur reduziert werden,
was zu einer geringeren Beanspruchung und Gefahr einer Riss- oder
Lochbildung führt. An
sich wird das Turbinenleitapparatsegment länger halten, wodurch sich im
Laufe der Zeit weniger Reparaturen und/oder Ersatzteile für das Gasturbinentriebwerk
ergeben.
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Diese
schriftliche Offenbarung beschreibt beispielhafte Ausführungsformen,
einschließlich
der bevorzugten Ausführungsform,
um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die beispielhaften Ausführungsformen
herzustellen und zu verwenden. Der patentierbare Schutzumfang der
Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann weitere
Beispiele einschließen,
wie sie Fachleuten einfallen könnten. Derartige
weitere Beispiele sollen von dem Umfang der Ansprüche mit
umfasst sein, wenn diese Beispiele strukturelle Elemente aufweisen,
die von dem Wortsinn der Ansprüche
nicht abweichen, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente
mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortsinn der Ansprüche aufweisen.
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Ein
Turbinenleitapparatsegment 118 enthält ein Band 120, 122 mit
einer einem Strömungsweg zugewandten
Seite 124, 128 und einer vom Strömungsweg
abweisenden Seite 126, 130 sowie einer Verkleidung 142,
die auf der vom Strömungsweg
abgewandten Seite 126, 130 des Bandes 120, 122 angeordnet
ist. Zwischen dem Band 120, 122 und der Verkleidung 142 kann
ein Plenum 144 definiert sein, und eine Sperrdichtung 166 kann
sich von der Verkleidung 142 weg erstrecken.
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- 100
- Gasturbinentriebwerk
- 102
- Niederdruckverdichter
- 104
- Hochdruckverdichter
- 106
- Brennkammer
- 108
- Hochdruckturbine
- 110
- Niederdruckturbine
- 112
- Welle
- 114
- Welle
- 116
- Turbinenleitapparatbaugruppe
- 118
- Turbinenleitapparatsegmente
- 120
- Innenband
- 122
- Außenband
- 124
- Strömungsweg
zugewandte Seite
- 126
- Strömungsweg
abgewandte Seite
- 128
- Strömungsweg
zugewandte Seite
- 130
- Strömungsweg
abgewandte Seite
- 132
- Flansche
- 134
- Flansch
- 136
- Schaufelblätter
- 138
- Anströmkante,
Vorderkante
- 140
- Abströmkante,
Hinterkante
- 142
- Umschließung, Verkleidung
- 144
- Plenum,
Sammelkammer
- 146
- Löcher
- 148
- Hohlraum
- 150
- Hohlraum
- 152
- Kanal
- 154
- Kühlöffnungen
- 156
- Einlass
- 158
- Auslass
- 160
- Kühlöffnungen
- 162
- Einlass
- 164
- Auslass
- 166
- Hemmeinrichtung
bzw. -dichtung