DE102011052677A1

DE102011052677A1 - Elastische Halterungsvorrichtung für ein Turbinengehäuse geringer Duktilität

Info

Publication number: DE102011052677A1
Application number: DE102011052677A
Authority: DE
Inventors: Barry Wilson; Mark Marusko; Joseph C. Albers; Christopher Johnson; Aaron Dziech
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2031-08-13
Also published as: CA2749494C; GB2485016B; JP6039892B2; DE102011052677B4; CA2749494A1; US8998573B2; GB201113829D0; GB2485016A; JP2012097732A; US20120107122A1

Abstract

Eine Turbinenströmungspfad-Vorrichtung für eine Gasturbine schließt ein: eine Strömungspfad-Komponente (18), die zumindest teilweise einem primären Verbrennungsgas-Strömungspfad der Gasturbine ausgesetzt ist, wobei die Strömungspfad-Komponente (18) ein Material geringer Duktilität umfasst; eine metallische ringförmige stationäre Struktur (44), die die Strömungspfad-Komponente (18) umgibt, einschließend eine tragende Oberfläche (52), die an der Strömungspfad-Komponente (18) anliegt, um die Strömungspfad-Komponente (18) hinsichtlich der axialen Bewegung in eine erste Richtung zu beschränken, und ein Federelement (86), das zwischen der Strömungspfad-Komponente (18) und der stationären Struktur (44) angeordnet ist, das die Strömungspfad-Komponente (18) in die erste Richtung gegen die tragende Oberfläche (52) drückt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen und spezieller auf Vorrichtung und Verfahren zum Befestigen von aus einem Material geringer Duktilität hergestellten Gehäusen in den Turbinenabschnitten solcher Gasturbinen.
Eine typische Gasturbine schließt einen Turbomaschinenkern mit einem Hochdruckverdichter, einem Brenner und einer Hochdruckturbine in Reihenströmungs-Beziehung ein. Der Kern wird in einer bekanten Weise betrieben, um eine primäre Gasströmung zu erzeugen. Die Hochdruckturbine (auch als eine Gasgeneratorturbine bezeichnet) weist einen oder mehrere Rotoren auf, die der primären Gasströmung Energie entziehen. Jeder Rotor umfasst eine ringförmige Anordnung von Schaufeln oder Laufschaufeln, die von einer rotierenden Scheibe getragen sind. Der Strömungspfad durch den Rotor wird teilweise durch ein Gehäuse definiert, das eine stationäre Struktur ist, die die Spitzen der Schaufeln oder Laufschaufeln umgibt. Diese Komponenten arbeiten in einer Umgebung außerordentlich hoher Temperatur und sie müssen durch Luftströmung gekühlt werden, um eine angemessene Betriebslebensdauer sicherzustellen. Typischerweise wird die zum Kühlen benutzte Luft aus dem Verdichter abgezapft (entnommen). Die Nutzung von Zapfluft beeinflusst den spezifischen Brennstoffverbrauch („SFC”) negativ und sollte allgemein minimiert werden.
Es wurde vorgeschlagen, metallische Gehäusestrukturen durch Materialien mit besseren Hochtemperatureigenschaften zu ersetzen, wie Keramikmatrix-Verbundstoffen (CMCs). Diese Materialien haben einzigartige mechanische Eigenschaften, die während des Designs und der Anwendung eines Gegenstandes, wie eines Gehäusesegmentes, in Betracht gezogen werden müssen. So haben CMC-Materialien relativ geringe Zugduktilität oder geringe Bruchdehnung, wenn sie mit metallischen Materialien verglichen werden. Auch haben CMCs einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten („CTE”) in dem Bereich von etwa 1,5–5 μZoll/Zoll/Grad F, der sich deutlich von kommerziellen Metalllegierungen unterscheidet, die als Träger für metallische Gehäuse benutzt werden. Solche Metalllegierungen haben typischerweise einen CTE im Bereich von etwa 7–10 μZoll/Zoll/Grad F.
CMC-Gehäuse können segmentiert werden, um Spannungen aufgrund thermischer Ausdehnung zu vermindern und den wirksamen Betrieb des Abstands-Regelsystems der Gasturbine zu ermöglichen. Eine Art segmentierter CMC-Gehäuse schließt ein „Kasten”-Design ein.
CMC-Gehäuse müssen fest angeordnet werden, damit das Gehäuse wirksam arbeitet. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen CMC-Komponenten und den umgebenden metallischen Komponenten kann jedoch Betriebsabstände verändern und eine zu starke Beschränkung, Überlastungen und/oder Verlust erwünschter Vorbelastung verursachen.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Vorrichtung zum elastischen Montieren von CMC-Turbinenstrukturen geringer Duktilität.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesen Bedarf erfüllt die vorliegende Erfindung, die eine elastische Halterungsvorrichtung für Turbinenkomponenten geringer Duktilität, wie Turbinengehäusen, schafft. Die axiale Position des Gehäuses kann zumindest teilweise durch ein Federelement bestimmt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung schließt eine Turbinen-Strömungspfadvorrichtung für eine Gasturbine ein: eine Strömungspfad-Komponente, die zumindest teilweise einem primären Verbrennungsgas-Strömungspfad der Gasturbine ausgesetzt ist, wobei die Strömungspfad-Komponente Material geringer Duktilität umfasst; eine metallische ringförmige stationäre Struktur, die die Strömungspfad-Komponente umgibt; ein erstes Federelement, das zwischen der Strömungspfad-Komponente und der stationären Struktur angeordnet ist, die den Strömungspfad elastisch in eine erste axiale Richtung drückt, und ein zweites Federelement, das zwischen der Strömungspfad-Komponente und der stationären Struktur angeordnet ist, die die Strömungspfad-Komponente elastisch in eine zweite axiale Richtung in Opposition zum ersten Federelement drückt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung schließt eine Turbinen-Strömungspfadvorrichtung für eine Gasturbine ein: eine Strömungspfad-Komponente, die zumindest teilweise einem primären Verbrennungsgas-Strömungspfad der Gasturbine ausgesetzt ist, wobei die Strömungspfad-Komponente ein Material geringer Duktilität umfasst; eine metallische ringförmige stationäre Struktur, die die Strömungspfad-Komponente umgibt und eine tragende Oberfläche einschließt, die sich gegen die Strömungspfad-Komponente erstreckt, um die Strömungspfad-Komponente hinsichtlicht axialer Bewegung in einer ersten Richtung zu beschränken, und ein Federelement, das zwischen der Strömungspfad-Komponente und der stationären Struktur angeordnet ist, das die Strömungspfad-Komponente elastisch in der ersten Richtung gegen die tragende Oberfläche drückt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung schließt eine Turbinen-Gehäusevorrichtung für eine Gasturbine ein: eine Vielzahl gewölbter Gehäusesegmente, die zur Bildung eines ringförmigen Gehäuses angeordnet sind, wobei jedes der Gehäusesegmente ein Material geringer Duktilität umfasst und eine Querschnittsgestalt aufweist, die durch gegenüberliegende vordere und rückwärtige Wandungen und gegenüberliegende innere und äußere Wandungen definiert ist, wobei sich die Wandungen zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Endflächen erstrecken; ein ringförmiges Turbinengehäuse, das die Gehäusesegmente umgibt, wobei das Turbinengehäuse eine tragende Oberfläche einschließt, die sich gegen die Gehäusesegmente erstreckt, um die Gehäusesegmente hinsichtlich axialer Bewegung in einer ersten Richtung zu beschränken, und ein Federelement, das die Gehäusesegmente elastisch in der ersten Richtung gegen die tragende Oberfläche drückt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung kann am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung verstanden werden, in der:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes einer Turbinensektion einer Gasturbine ist, die eine Gehäuse-Hlterungsvorrichtung beinhaltet, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2 eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Turbinengehäuses ist, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, gezeigt mit mehreren Federdichtungen;
3 eine vordere Vertikalansicht einer Kolbenringdichtung ist;
4 eine vordere Vertikalansicht einer ringförmigen Wellenfeder ist;
5 eine Ansicht entlang der Linie 5-5 von 4 ist;
6 eine schematische Querschnittsansicht eines Teiles einer Turbinensektion einer Gasturbine ist, die eine alternative Gehäuse-Halterungsvorrichtung beinhaltet, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, und
7 eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes einer Turbinensektion einer Gasturbine ist, die eine andere alternative Gehäuse-Halterungsvorrichtung beinhaltet, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnung, in der identische Bezugsziffern die gleichen Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigt 1 einen kleinen Abschnitt einer Hochdruckturbine („HPT”), die Teil einer Gasturbine einer bekannten Art ist. Die Funktion der Hochdruckturbine ist es, Energie aus unter Druck stehenden Verbrennungsgasen hoher Temperatur von einem stromaufwärts gelegenen (nicht gezeigten) Brenner zu extrahieren und die Energie in einer bekannten Weise in mechanische Arbeit umzuwandeln. Die Hochdruckturbine treibt einen stromaufwärts gelegenen (nicht gezeigten) Verdichter durch eine Welle, um dem Brenner Druckluft zuzuführen.
In dem dargestellten Beispiel ist das Triebwerk ein Turbobläser-Triebwerk und eine Niederdruckturbine würde stromabwärts der Gasgenerator-Turbine angeordnet und mit einer Welle gekoppelt sein, die ein Gebläse antreibt. Die hierin beschriebenen Prinzipien sind jedoch gleichermaßen anwendbar auf Turbostrahl- und Turbowellen-Triebwerke ebenso wie Turbinen-Triebwerke, die für andere Fahrzeuge oder in stationären Anwendungen benutzt werden. Weiter sind, während in einem Beispiel eine Turbinendüse benutzt wird, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung anwendbar auf irgendeine Strömungspfad-Komponente geringer Duktilität, die zumindest teilweise einem primären Verbrennungsgas-Strömungspfad eines Gasturbinen-Triebwerkes ausgesetzt ist.
Die HPT schließt eine stationäre Düse 10 ein. Sie kann von einheitlicher oder aufgebauter Konstruktion sein und schließt eine Vielzahl flügelartiger stationärer Turbinenschaufeln 12 ein, die von einem ringförmigen äußeren Band 14 umgeben sind. Das äußere Band 14 definiert die äußere radiale Grenze der Gasströmung durch die Turbinendüse 10. Es kann ein kontinuierliches ringförmiges Element oder es kann segmentiert sein.
Stromabwärts der Düse 10 gibt es eine (nicht gezeigte) Rotorscheibe, die um eine Mittellinienachse der Gasturbine rotiert und eine Anordnung flügelförmiger Turbinenschaufeln 16 trägt. Ein Gehäuse, das eine Vielzahl bogenförmiger Gehäusesegmente 18 umfasst, ist derart angeordnet, dass sie die Turbinenschaufeln 16 einkreist und eng umgibt und dadurch die äußere radiale Strömungspfadgrenze für den heißen Gasstrom definiert, der durch die Turbinenschaufeln 16 strömt.
Wie in 2 ersichtlich, hat jedes Gehäusesegment 18 eine allgemein rechteckige oder „Kasten”-förmige hohle Querschnittsgestalt, die durch gegenüberliegende innere und äußere Wandungen 20 und 22 und vordere und rückwärtige Wandungen 24 und 26 definiert ist. In dem dargestellten Beispiel sind gewölbte Übergänge zwischen den Wandungen vorgesehen, doch können ebenso gut scharfe oder scharfkantige Übergänge benutzt werden. Das Gehäusesegment 18 hat eine radial innere Strömungspfad-Oberfläche 28. Ein oder mehrere Puffer 30 stehen von der äußeren Wand 22 vor und können für Ausrichtungszwecke benutzt werden. Eine Montageöffnung 32 geht durch die äußere Wandung 22 hindurch. Ein Gehäusehohlraum 34 ist innerhalb der Wandungen 20, 22, 24 und 26 gebildet.
Die Gehäusesegmente 18 sind aus einem Keramikmatrix-Verbund(CMC)-Material einer bekannten Art konstruiert. Allgemein schließen kommerziell erhältliche CMC-Materialien eine keramische Faser, z. B. SiC, ein, von der Formen mit einem nachgiebigen Material, wie Bornitrid (BN), überzogen sind. Die Fasern werden in einer keramikartigen Matrix getragen, von denen eine Form Siliciumcarbid (SiC) ist. Typischerweise haben CMC-artige Materialien eine Zugduktilität bei Raumtemperatur von nicht mehr als etwa 1%, was hierin zum Definieren eines Materials geringer Zugduktilität benutzt wird und dies bedeutet. Im Allgemeinen haben CMC-artige Materialien eine Zugduktilität bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,7%. Dies wird verglichen mit Metallen, die eine Zugduktilität bei Raumtemperatur von mindestens etwa 5%, z. B. im Bereich von etwa 5% bis etwa 15% aufweisen. Die Gehäusesegmente 18 könnten auch aus anderen Materialien geringer Duktilität konstruiert sein, die hochtemperaturfähig sind.
Die Strömungspfad-Oberfläche 28 des Gehäusesegmentes 18 kann eine Schicht aus Umgebungs-Sperrüberzug („EBC”) beinhalten, einem abreibbaren Material und/oder einem reibtoleranten Material 36 einer bekannten Art, die zum Gebrauch mit CMC-Materialien geeignet ist. Diese Schicht wird manchmal als ein „Reibüberzug” bezeichnet. In dem veranschaulichten Beispiel ist das abreibbare Material 36 etwa 0,51 mm (0,020 in.) bis etwa 0,76 mm (0,030 in.) dick.
Die Gehäusesegmente 18 schließen gegenüberliegende Endflächen 38 ein (die üblicherweise auch als „Schlitz”-Flächen bezeichnet werden). Die Endflächen 38 können in einer Ebene parallel zur Mittellinienachse der Gasturbine liegen, die als „radiale Ebene” bezeichnet ist, oder sie können derart orientiert sein, dass sie einen spitzen Winkel zu einer solchen radialen Ebene aufweisen. Beim Zusammenbauen zu einem kompletten Ring sind Endspalte zwischen den Endflächen 38 benachbarter Gehäusesegmente 18 vorhanden. Ein oder mehrere Dichtungen 40 können an den Endflächen 38 vorgesehen sein. Ähnliche Dichtungen sind allgemein als „Federdichtungen” bekannt und nehmen die Form dünner Streifen von Metall oder anderem geeigneten Material ein, die in Schlitze 42 in den Endflächen 38 eingeführt sind. Die Federdichtungen 40 überbrücken die Spalte zwischen Gehäusesegmenten 18.
Die Gehäusesegmente 18 sind an eine in 1 gezeigte stationäre metallische Triebwerksstruktur montiert. In diesem Beispiel ist die stationäre Struktur Teil eines Turbinengehäuses 44. Ein Aufhänger 46 oder Lastverteiler ist innerhalb jeder der Montageöffnungen 32 angeordnet. Ein Befestigungsteil 48, wie der veranschaulichte Bolzen, tritt in Eingriff mit dem Aufhänger 46, verläuft durch die Montageöffnungen hindurch und positioniert die Puffer 30 des Gehäusesegmentes 18 mit Bezug auf die innere Fläche des Turbinengehäuses 44. Der Aufhänger oder ein (nicht gezeigter) separater Dichtungsring kann benutzt werden, um das Lecken von Luft durch die Montageöffnungen 32 in den oder aus dem Gehäusehohlraum 34 zu verhindern, indem er eine dichte Anpassung zwischen dem Aufhänger 46 (oder Dichtungsring) und dem Schaft des Befestigungsteiles 48 und zwischen dem Aufhänger 46 (oder Dichtungsring) und der Außenwand 22 des Gehäusesegmentes 18 herstellt. Das Gehäusesegment 18 ist in der radialen Richtung festgeklemmt oder positioniert.
Das Turbinengehäuse 44 schließt einen Flansch 50 ein, der radial nach innen vorsteht und eine axial gegenüberliegende tragende Oberfläche 52 definiert. Der Flansch 50 könnte als eine separate Komponente gebildet werden, die mechanisch in dem Gehäuse 44 befestigt ist. Die tragende Oberfläche 52 wirkt als ein starrer Halt für rückwärtige Bewegung des Gehäusesegmentes 18.
Eine metallische Düsenstütze 54 ist axial vor dem Gehäusesegment 18 angeordnet. Sie schließt einen Körper 56 ein, der allgemein konisch ist. Ein ringförmiger Vorderflansch 58 erstreckt sich radial außerhalb vom vorderen Ende des Körpers 56. Die Düsenstütze 54 ist starr an das Turbinengehäuse 44 gekoppelt, z. B. unter Benutzung (nicht gezeigter) mechanischer Befestigungsteile, die durch den Vorderflansch 58 hindurchgehen. Ein ringförmiger rückwärtiger Flansch 60 ist am rückwärtigen Ende des Körpers 56 angeordnet und weist einen äußeren Schenkel 62 und einen inneren Schenkel 64 auf. In dieser Konfiguration erstrecken sich erste, zweite und dritte ringförmige Dichtungszähne 66, 68 bzw. 70 vom rückwärtigen Flansch 60 aus nach hinten. Irgendeine Anzahl von Dichtungszähnen kann benutzt werden. In Kooperation mit dem rückwärtigen Flansch 60 bilden sie innere und äußere ringförmige Dichtungstaschen 72 und 74. Eine ringförmige Schiene 76 erstreckt sich radial vom Körper 56 nach außen, unmittelbar vor dem äußeren Schenkel 62. Zusammen bilden der äußere Schenkel 62 und die Schiene 76 einen ringförmigen Dichtungsschlitz 78.
Eine Dichtung in Form eines Kolbenringes 80 ist im Dichtungsschlitz 78 angeordnet und dichtet gegen die innere Oberfläche des Gehäuses 44 ab. Der Kolbenring 80 ist detaillierter in 3 dargestellt. Der Kolbenring 80 ist von einer bekannten Art, die eine kontinuierliche (oder nahezu kontinuierliche) Umfangsdichtung bereitstellt. Er ist an einer Umfangsstelle gespalten und konfiguriert, einen radial nach außen wirkenden Federzug bereitzustellen. Der Kolbenring 80 kann bekannte Merkmale einschließen, die dazu dienen, ein Leck zwischen den Ringenden zu vermindern, wie überlappende Endlappen 82 und 84. Andere bekannte Variationen der Ringstruktur, wie unterschiedliche Arten von Endanordnungen, Mehrteil- oder „spaltlose” Ringe oder (nicht gezeigte) Tandemringe könnten auch benutzt werden.
Ein Federelement 86 ist zwischen dem Düsenträger 54 und der vorderen Wand 24 des Gehäusesegmentes 18 angeordnet. Wie in den 4 und 5 gezeigt, ist das Federelement 86 eine ringförmige Feder der Art, die als eine „Wellenfeder” bezeichnet ist, und umfasst eine Reihe von alternierenden Wellen 88. In dem dargestellten Beispiel ist sie in der äußeren Dichtungstasche 74 angeordnet, doch kann sie an irgendeiner radialen Stelle entlang der Vorderwand 24 angeordnet sein. Die Berg-zu-Tal-Höhe „H” der Wellen 88, gemessen in der axialen Richtung, ist derart ausgewählt, dass, wenn das Federelement 86 installiert ist, es das Gehäusesegment 18 mit einer erwünschten Vorbelastung in eine rückwärtige Richtung drückt. So kann, z. B., die statische Vorbelastung bei Umgebungstemperatur in der Größenordnung von etwa 890 N (200 lb_F) liegen. Diese Funktion wird weiter unten detaillierter beschrieben. Verschiedene physische Konfigurationen von Federn können für diese Funktion benutzt werden, wie die dargestellte Wellenfeder oder Spulen- oder Blattfedern. Mehrere Federelemente können in Reihe oder parallel benutzt werden.
Ein Dichtungselement 90 kann zwischen der Düsenstütze 54 und dem Gehäusesegment angeordnet sein. In dem dargestellten Beispiel ist es eine ringförmige metallische Dichtung, die in der axialen Richtung elastisch ist. Ihre Querschnittsgestalt schließt eine Anzahl ringförmiger Falten oder Windungen ein und ähnelt dem Buchstaben „W”. Diese Art von Dichtung wird daher üblicherweise als eine „W-Dichtung” bezeichnet. In diesem Beispiel ist das Dichtungselement 90 in der inneren Dichtungstasche 72 zwischen dem inneren Schenkel 64 und der Vorderwand 24 der Gehäusesegmente 18 angeordnet. Es kann an irgendeiner radialen Stelle entlang der Vorderwand 24 angeordnet sein.
In Betrieb drückt das Federelement 86 die Gehäusesegmente 18 axial rückwärts gegen den Flansch 50 des Turbinengehäuses 44. Die tragende Oberfläche 52 bietet einen harten Halt gegen axiale Bewegung. Während des Triebwerksbetriebes wird unterschiedliche thermische Expansion zwischen dem Gehäusesegment 18 und den umgebenden metallischen Komponenten auftreten. Dies führt zu einer Änderung in den Abständen zwischen den verschiedenen Komponenten. Das Federelement 86 dehnt sich aus und zieht sich zusammen, wie nötig, um an diese Bewegung anzupassen, während eine geeignete Vorbelastung der Gehäusesegmente 18 gegen den Flansch 50 aufrechterhalten wird. Der Gebrauch des Federelementes 86 zum Bereitstellen einer axialen Vorbelastung vermeidet Probleme, die erwartet werden würden, wenn eine vollständig starre Montage benutzt werden würde, z. B. Überlastungen oder Verlust an Vorbelastung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung des Gehäusesegmentes 18 und umgebender metallischer Komponenten. Weiter ist die hierin beschriebenen Halterungsvorrichtung, anders als eine lediglich mit Bolzen gebildete Verbindung, nicht abhängig von unvorhersagbaren Reibungsbelastungen zwischen dem Gehäusesegment 18 und dem Turbinengehäuse 44, um die axiale Position der Gehäusesegmente 18 aufrechtzuerhalten.
Verschiedene Konfigurationen von Federn und Dichtungselementen können zwischen der Düsenstütze 54 und dem Gehäusesegment 18 benutzt werden. So zeigt z. B. 6 eine alternative Konfiguration eines Turbinengehäuses 44, eines Gehäusesegmentes 18 und einer Düsenstütze 154. Die Düsenstütze 154 ist von ähnlicher Konstruktion wie die Düsenstütze 54, die oben beschrieben ist, und sie schließt einen ringförmigen rückwärtigen Flansch 160 ein, der an ihrem rückwärtigen Ende angeordnet ist. Erste, zweite und dritte ringförmige Dichtungszähne 166, 168 bzw. 170 erstrecken sich rückwärts vom rückwärtigen Flansch 160. Irgendeine Anzahl von Dichtungszähnen kann benutzt werden. In Kooperation mit dem rückwärtigen Flansch 160 bilden sie innere und äußere ringförmige Dichtungstaschen 172 und 174.
Ein Federelement 186 ist zwischen der Düsenstütze 154 und der Vorderwand 24 des Gehäusesegmentes 18 angeordnet.
In dieser Konfiguration ist das Federelement 186 eine W-Dichtung der oben beschriebenen Art und sie ist in der äußeren Dichtungstasche 174 angeordnet. Sie kann an irgendeiner radialen Stelle entlang der Vorderwand 24 angeordnet sein. Die Charakteristika der W-Dichtung (Legierung, Materialdicke, Gestalt und Anzahl von Falten usw.) sind derart ausgewählt, dass, wenn das Federelement 186 installiert ist, es das Gehäusesegment 18 mit einer erwünschten Vorbelastung in eine rückwärtige Richtung drückt. So dient es sowohl als Federelement als auch als Dichtungsgerät.
Es ist auch möglich, die Gehäusesegmente 18 unter Benutzung mehrerer Federelemente zu lokalisieren. So zeigt, z. B., 7 eine alternative Konfiguration eines Turbinengehäuses 244, eines Gehäusesegmentes 18 und einer Düsenstütze 254. Die Düsenstütze 254 ist in der Konstruktion ähnlich der oben beschriebenen Düsenstütze 54.
Ein erstes Federelement 286, in diesem Fall eine ringförmige Wellenfeder, ist in einer vorderen Dichtungstasche 274 zwischen der Düsenstütze 254 und der Vorderwand 24 des Gehäusesegmentes 18 angeordnet. Die Charakteristika der Wellenfeder (Legierung, Materialdicke, Gestalt und Anzahl von Wellen usw.) sind derart ausgewählt, dass, wenn das erste Federelement 286 installiert ist, es das Gehäusesegment 18 mit einer erwünschten Vorbelastung in eine rückwärtige Richtung drückt.
Das Turbinengehäuse 244 schließt einen Flansch 250 ein, der eine rückwärtige Dichtungstasche 374 definiert. Ein zweites Federelement 386, in diesem Fall eine ringförmige Wellenfeder, ist in Tasche 374 zwischen dem Flansch 250 und der Rückwand 26 des Gehäusesegmentes 18 angeordnet. Das zweite Federelement 386 könnte auch eine W-Dichtung sein, wie oben beschrieben. Seine Charakteristika (Legierung, Materialdicke, Gestalt und Anzahl von Wellen usw.) sind derart ausgewählt, dass, wenn das zweite Federelement 386 installiert ist, es die Gehäusesegmente 18 mit einer erwünschten Vorbelastung in eine vordere Richtung drückt. Die axiale Position der Gehäusesegmente 18 wird durch den Punkt bestimmt, an dem sich die Belastungen von den Federelementen 286 und 386 im Gleichgewicht befinden.
Die Gehäuse-Halterungsvorrichtung, die oben beschrieben ist, ist wirksam, axial ein Gehäuse geringer Duktilität in einer Turbine anzuordnen und das richtige Abdichten sicherzustellen. Sie gestattet den Unterschied im Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zwischen CMC-Material und Metallen, während sie eine sichere Positionierung bereitstellt.
Im Vorhergehenden wurde eine Turbinengehäuse-Halterungsvorrichtung für eine Gasturbine beschrieben. Während spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne den Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen. Demgemäß werden die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und der besten Art zur Ausführung der Erfindung nur zum Zweck der Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung gegeben.
Eine Turbinenströmungspfad-Vorrichtung für eine Gasturbine schließt ein: eine Strömungspfad-Komponente 18, die zumindest teilweise einem primären Verbrennungsgas-Strömungspfad der Gasturbine ausgesetzt ist, wobei die Strömungspfad-Komponente 18 ein Material geringer Duktilität umfasst; eine metallische ringförmige stationäre Struktur 44, die die Strömungspfad-Komponente 18 umgibt, einschließend eine tragende Oberfläche 52, die an der Strömungspfad-Komponente 18 anliegt, um die Strömungspfad-Komponente 18 hinsichtlich der axialen Bewegung in eine erste Richtung zu beschränken, und ein Federelement 86, das zwischen der Strömungspfad-Komponente 18 und der stationären Struktur 44 angeordnet ist, das die Strömungspfad-Komponente 18 in die erste Richtung gegen die tragende Oberfläche 52 drückt.

Claims

Turbinenströmungspfad-Vorrichtung für eine Gasturbine, umfassend: eine Strömungspfad-Komponente (18), die zumindest teilweise einem primären Verbrennungsgas-Strömungspfad der Gasturbine ausgesetzt ist, wobei die Strömungspfad-Komponente (18) ein Material geringer Duktilität umfasst; eine metallische ringförmige stationäre Struktur (44), die die Strömungspfad-Komponente (18) umgibt; ein erstes Federelement (286), das zwischen der Strömungspfad-Komponente (18) und der stationären Struktur (44) angeordnet ist, das die Strömungspfad-Komponente (18) elastisch in eine erste axiale Richtung drückt, und ein zweites Federelement (386), das zwischen der Strömungspfad-Komponente (18) und der stationären Struktur (44) angeordnet ist, das die Strömungspfad-Komponente (18) in Opposition zum ersten Federelement (286) in eine zweite axiale Richtung drückt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das erste und zweite Federelement (386) ringförmige Wellenfedern sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das erste und zweite Federelement (386) ringförmige Dichtungen sind, die eine Querschnittsgestalt aufweisen, die eine Vielzahl ringförmiger Windungen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Strömungspfad-Komponente (18) ein Keramikmatrix-Verbundmaterial umfasst.
Turbinengehäuseeinrichtung für eine Gasturbine, umfassend: eine Vielzahl bogenförmiger Gehäusesegmente (18), die zur Bildung eines ringförmigen Gehäuses angeordnet sind, wobei jedes der Gehäusesegmente (18) ein Material geringer Duktilität umfasst und ein Querschnittsgestalt aufweist, die durch gegenüberliegende vordere und hintere Wandungen und gegenüberliegende innere und äußere Wandungen definiert ist, wobei sich die Wandungen zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Endflächen erstrecken; ein ringförmiges Turbinengehäuse (44), das die Gehäusesegmente (18) umgibt, wobei das Turbinengehäuse (44) eine tragende Oberfläche (52) einschließt, die sich gegen die Gehäusesegmente (18) abstützt, um die Gehäusesegmente (18) hinsichtlich axialer Bewegung in einer ersten Richtung zu beschränken, und ein Federelement (86), das die Gehäusesegmente (18) elastisch in der ersten Richtung gegen die tragende Oberfläche (52) drückt.
Einrichtung nach Anspruch 5, weiter eine ringförmige Düsenstütze einschließend, die an das Turbinengehäuse (44) montiert und auf einer axial gegenüberliegenden Seite der Gehäusesegmente (18) von der tragenden Oberfläche (52) angeordnet ist, wobei das Federelement (86) zwischen der Düsenstütze und den Gehäusesegmenten (18) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, worin das Federelement (86) eine ringförmige Wellenfeder ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, worin das Federelement (86) eine ringförmige Dichtung ist, die eine Querschnittsgestalt aufweist, die eine Vielzahl ringförmiger Windungen umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 6, weiter einschließend ein ringförmiges Dichtungselement, das sich zwischen der Düsenstütze und den Gehäusesegmenten (18) erstreckt.
Einrichtung nach Anspruch 6, worin: der Düsenträger einen radial nach außen weisenden Dichtungsschlitz definiert, und ein Kolbenring in dem Dichtungsschlitz angeordnet ist und sich radial nach außen erstreckt, um die innere Oberfläche des Turbinengehäuses (44) zu berühren.
Einrichtung nach Anspruch 6, worin die Düsenstütze einen ringförmigen rückwärtigen Flansch einschließt, der an einem Ende des Körpers nächst den Gehäusesegmenten (18) angeordnet ist, wobei der rückwärtige Flansch ein oder mehrere ringförmige, von einander beabstandete, sich axial erstreckende Dichtungszähne einschließt, die ein oder mehrere ringförmige Dichtungstaschen benachbart den Gehäusesegmenten (18) definieren.
Einrichtung nach Anspruch 11, worin das Federelement (86) innerhalb einer der Dichtungstaschen angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, worin das Gehäusesegment ein Keramikmatrix-Verbundmaterial umfasst.