DE102020203840A1

DE102020203840A1 - Gasturbinenbauteil

Info

Publication number: DE102020203840A1
Application number: DE102020203840.6A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Ertl; Hans-Peter Hackenberg; Alexander Buck; Oskar Ostermeir
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US20210301681A1; EP3885536A1; US11585242B2; EP3885536B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinenbauteil, insbesondere Leitschaufelcluster (10), mit wenigstens einem Radialflansch (12, 13) mit einer Radialnut (20) zur Speichenzentrierung eines Gasturbinenelements, insbesondere eines Innenringes (100), wobei die Radialnut (20) eine erste Nutflanke (21), einen daran anschließenden Nutgrund (23) und eine daran anschließende zweite Nutflanke (22) aufweist, wobei der Nutgrund (23) asymmetrisch zu einer Mittelebene (M) ist, welche sich radial und senkrecht zur Umfangsrichtung sowie mittig zwischen den beiden Nutflanken (21, 22) erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinenbauteil, insbesondere Leitschaufelcluster, mit wenigstens einem Radialflansch mit einer Radialnut zur Speichenzentrierung eines Gasturbinenelements, insbesondere eines Innenringes, sowie eine Gasturbinenbaugruppe und eine Gasturbine mit dem Gasturbinenbauteil.
Aus betriebsinterner Praxis sind Speichenzentrierungen von Innenringen an Leitschaufelclustern von Gasturbinen bekannt, wobei Stege der Innenringe in Radialnuten von Radialflanschen der Leitschaufelcluster eingreifen. Die vorliegende Erfindung ist für solche Speichenzentrierungen besonders geeignet, jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann gleichermaßen auch vorteilhaft bei anderen Speichenzentrierungen von Gasturbinenbauteilen und -elementen verwendet werden.
Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Speichenzentrierung von Gasturbinenbauteilen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Gasturbinenbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 9, 10 stellen eine Gasturbinenbaugruppe mit wenigstens einem hier beschriebenen Gasturbinenbauteil sowie eine Gasturbine mit wenigstens einem hier beschriebenen Gasturbinenbauteil, insbesondere mit wenigstens einer hier beschriebenen Gasturbinenbaugruppe, unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Gasturbinenbauteil wenigstens einen Radialflansch mit einer Radialnut auf, die zur Speichenzentrierung eines Gasturbinenelements vorgesehen, insbesondere eingerichtet, ist bzw. verwendet wird. Entsprechend greift in einer Ausführung ein Steg des Gasturbinenelements, in einer Ausführung formschlüssig und/oder axial, in die Radialnut ein, in einer Ausführung durchgreift der Steg die Radialnut, insbesondere axial.
„Axial“ bezeichnet vorliegend in einer Ausführung eine Richtung parallel zu einer Dreh- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Gasturbine, eine Umfangsrichtung entsprechend eine Rotations- bzw. Umfangsrichtung um diese Dreh- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Gasturbine, und „radial“ entsprechend eine Richtung senkrecht zur Axial- und Umfangsrichtung, insbesondere von der Dreh- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Gasturbine weg bzw. eine Koordinaten(achsen)richtung, die die Dreh- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Gasturbine senkrecht schneidet.
Radialflansch und Radialnut erstrecken sich somit in einer Ausführung in Radialrichtung, wobei in einer Ausführung der Radialflansch sich von dem Gasturbinenbauteil aus nach radial innen erstreckt bzw. vorragt und/oder die Radialnut (eine) nach radial innen offen(e Nut) ist.
In einer Ausführung ist das Gasturbinenbauteil ein- oder mehrteilig ausgebildet und/oder ein Leitschaufelcluster mit einer oder mehreren, insbesondere in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden, Leitschaufeln, und/oder das Gasturbinenelement ein- oder mehrteilig ausgebildet und/oder ein Innenring, insbesondere ein Dichtring mit einer Dichtung zum Abdichten gegen einen Rotor der Gasturbine („Inner Air Seal“).
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist die Radialnut eine erste Nutflanke, einen daran (in Umfangsrichtung) anschließenden Nutgrund und eine daran (in Umfangsrichtung) anschließende zweite Nutflanke auf. In einer Ausführung legen die beiden Nutflanken den Steg des Gasturbinenelements in Umfangsrichtung fest bzw. dienen der Sicherung in Umfangsrichtung bzw. Umfangssicherung bzw. sind hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet bzw. werden hierzu verwendet. Entsprechend bilden die beiden Nutflanken in einer Ausführung Anschläge in Umfangsrichtung und/oder der Nutgrund einen Anschlag in Radialrichtung.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung erstreckt sich eine Mittelebene radial bzw. in Radialrichtung und senkrecht zur Umfangsrichtung, in einer Ausführung die Dreh- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Gasturbine enthaltend, sowie mittig zwischen diesen beiden Nutflanken, in einer Ausführung derart, dass die Mittelebene auf wenigstens einer radialen Höhe, in einer Ausführung mehreren radialen Höhen, insbesondere über wenigstens einen radialen Abschnitt, (jeweils), in Umfangsrichtung denselben, insbesondere minimalen, maximalen und/oder mittleren, Abstand zur ersten und zweiten Nutflanke aufweist. In einer Ausführung weisen die erste und/oder zweite Nutflanke wenigstens einen ebenen Abschnitt auf und die Mittelebene weist auf wenigstens einer radialen Höhe dieser ebenen Abschnitte in Umfangsrichtung denselben, insbesondere minimalen, maximalen und/oder mittleren, Abstand zur ersten und zweiten Nutflanke auf.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Nutgrund, insbesondere in Umfangsrichtung (gesehen) bzw. in wenigstens einem Meridianschnitt, asymmetrisch zu dieser Mittelebene (ausgebildet, insbesondere konturiert).
Hierdurch können in einer Ausführung vorteilhaft eine asymmetrische Spannungsverteilung in dem Gasturbinenbauteil, insbesondere seinem Radialflansch, bewirkt und dadurch in einer Ausführung Spitzenspannungen reduziert und/oder vorteilhaft verteilt werden.
In einer Ausführung ist die Radialnut in Umfangsrichtung, in einer Ausführung um wenigstens eine, insbesondere minimale, maximale oder mittlere, Nutbreite, von einer Mitte des Gasturbinenbauteils (in Umfangsrichtung) versetzt bzw. außermittig angeordnet.
Hierdurch kann in einer Ausführung in Kombination mit dem asymmetrischen Nutgrund eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung, insbesondere -reduzierung, realisiert werden.
In einer Ausführung ist ein minimaler Krümmungsradius eines Übergangsbereichs von der ersten Nutflanke in den Nutgrund größer als ein minimaler Krümmungsradius eines Übergangsbereichs von dem Nutgrund in die zweite Nutflanke, in einer Ausführung um wenigstens 5%, insbesondere um wenigstens 10%, in einer Ausführung um wenigstens 15% größer. In einer Ausführung ist die zweite Nutflanke in Umfangsrichtung weiter von einer Mitte des Gasturbinenbauteils (in Umfangsrichtung) beabstandet als die erste Nutflanke.
Durch eine solche Asymmetrie kann in einer Ausführung eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung, insbesondere -reduzierung, realisiert werden.
Zusätzlich oder alternativ weist in einer Ausführung ein Übergangsbereich von der ersten Nutflanke in den Nutgrund und/oder ein Übergangsbereich von dem Nutgrund in die zweite Nutflanke (jeweils) eine variierende Krümmung, insbesondere eine Freiformkontur, auf.
Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung, insbesondere -reduzierung, realisiert werden.
In einer Ausführung schließt wenigstens eine Tangente (an den Nutgrund), insbesondere in wenigstens einem Meridianschnitt, an einem Punkt des Nutgrundes, insbesondere einem Schnittpunkt des Nutgrundes mit der Mittelebene, mit der Mittelebene einen Winkel ein, der kleiner als 90° und größer als 0° ist, in einer Ausführung höchstens 88°, insbesondere höchstens 85°, in einer Ausführung höchstens 80°, und/oder wenigstens 60°, insbesondere wenigstens 70°, in einer Ausführung wenigstens 75°, beträgt.
Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung, insbesondere -reduzierung, realisiert werden.
In einer Ausführung weist der Radialflansch in Umfangsrichtung eine der ersten Nutflanke benachbarte erste Außenflanke und eine der zweiten Nutflanke benachbarte zweite Außenflanke auf, die jeweils in eine Mantelfläche des Gasturbinenbauteils übergehen. Somit weist der Radialflansch in einer Ausführung zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende radiale Vorsprünge, insbesondere nach radial innen ragende Vorsprünge, auf, die jeweils eine der beiden Außenflanken und eine der beiden Nutflanken aufweisen bzw. bilden, insbesondere also einen ersten radialen Vorsprung mit der ersten Außenflanke und der ersten Nutflanke sowie einen zweiten radialen Vorsprung mit der zweiten Außenflanke und der zweiten Nutflanke.
In einer Ausführung ist ein minimaler Krümmungsradius eines Übergangsbereichs von der Mantelfläche in die eine, in einer Ausführung erste, Außenflanke größer als ein minimaler Krümmungsradius eines Übergangsbereichs von der anderen bzw. zweiten Außenflanke in die Mantelfläche, in einer Ausführung um wenigstens 5%, insbesondere um wenigstens 10%, in einer Ausführung um wenigstens 15% größer.
Hierdurch kann in einer Ausführung in Kombination mit dem asymmetrischen Nutgrund eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung, insbesondere -reduzierung, realisiert werden, besonders vorteilhaft, wenn sowohl die erste Nutflanke als auch die dieser benachbarte bzw. an demselben (ersten) Vorsprung angeordnete erste Außenflanke Übergangsbereiche mit größeren minimalen Krümmungsradien aufweisen als die zweite Nutflanke und die dieser benachbarte bzw. an demselben (zweiten) Vorsprung angeordnete zweite Außenflanke.
Zusätzlich oder alternativ weist in einer Ausführung ein bzw. der Übergangsbereich von der Mantelfläche in die erste Außenflanke und/oder ein bzw. der Übergangsbereich von der zweiten Außenflanke in die Mantelfläche (jeweils) eine variierende Krümmung, insbesondere eine Freiformkontur, auf.
Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung, insbesondere -reduzierung, realisiert werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige:

1 eine Gasturbinenbaugruppe mit einem Gasturbinenbauteil nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine Gasturbinenbaugruppe mit einem Gasturbinenbauteil nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in Form eines Leitschaufelclusters 10 mit mehreren Leitschaufeln 11 und einem nach radial innen (nach unten in 1) ragenden Radialflansch mit einer durch zwei (nach radial innen bzw. in 1 unten ragenden) Vorsprünge 12, 13 gebildeten Radialnut 20 mit einer ersten Nutflanke 21, einen daran anschließenden Nutgrund 23 und eine daran anschließende zweite Nutflanke 22 zur Speichenzentrierung (eines Stegs 110) eines Gasturbinenelements in Form eines Innenringes 100, welches in 1 zur Verdeutlichung nach radial innen bzw. unten herausgezogen bzw. beabstandete dargestellt ist, wobei im montierten Zustand der Steg 110 zur Speichenzentrierung in die Radialnut 20 eingreift.
Mit A, R und U sind in 1 die Axialrichtung (A), Radialrichtung (R) bzw. Umfangsrichtung (U) angedeutet.
Strichpunktiert ist in 1 eine Mittelebene M eingezeichnet, die sich radial (vertikal in 1) und senkrecht zur Umfangsrichtung, d.h. vertikal und senkrecht auf der Zeichenebene der 1, erstreckt sowie von den beiden Nutflanken 21, 22 im in 1 unteren Abschnitt denselben Abstand a aufweist und sich somit mittig zwischen diesen erstreckt.
Die Radialnut 20 ist in Umfangsrichtung um mehr als eine Nutbreite 2 · a von der Mitte des Leitschaufelclusters 10 versetzt, wobei die zweite Nutflanke 22 in Umfangsrichtung weiter von der Mitte des Leitschaufelclusters beabstandet ist als die erste Nutflanke 21.
Ein minimaler Krümmungsradius R1 eines Übergangsbereichs von der ersten Nutflanke 21 in den Nutgrund 23 weist eine variierende Krümmung, im Ausführungsbeispiel eine Freiformkontur, auf und ist größer als ein minimaler Krümmungsradius R2 eines Übergangsbereichs von dem Nutgrund 23 in die zweite Nutflanke 22, wobei dieser Übergangsbereichs von dem Nutgrund 23 in die zweite Nutflanke 22 ebenfalls eine variierende Krümmung, im Ausführungsbeispiel eine Freiformkontur, aufweist.
Gleichermaßen weist ein minimaler Krümmungsradius R11 eines Übergangsbereichs von einer radial inneren Mantelfläche 14 des Leitschaufelclusters in eine bzw. die (erste) Außenflanke 12A des ersten Vorsprungs 12 eine variierende Krümmung, im Ausführungsbeispiel eine Freiformkontur, auf und ist größer als ein minimaler Krümmungsradius R12 eines Übergangsbereichs von einer bzw. der (zweiten) Außenflanke 13A des zweiten Vorsprungs 13 in die Mantelfläche 14, wobei dieser Übergangsbereichs von der zweiten Außenflanke 13A in die Mantelfläche 13 ebenfalls eine variierende Krümmung, im Ausführungsbeispiel eine Freiformkontur, aufweist.
Die in 1 eingezeichnete Tangente T an einem Schnittpunkt S des Nutgrundes 23 mit der Mittelebene M schließt mit der Mittelebene einen Winkel α ein, der kleiner als 90° und größer als 0° ist.
Entsprechend ist der Nutgrund 23 asymmetrisch zur Mittelebene M (ausgebildet).
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste

10: Leitschaufelcluster (Gasturbinenbauteil)
11: Leitschaufel
12: (erster) Vorsprung
12A: erste Außenflanke
13: (zweiter) Vorsprung
13A: zweite Außenflanke
14: Mantelfläche
20: Radialnut
21: erste Nutflanke
22: zweite Nutflanke
23: Nutgrund
100: Innenring (Gasturbinenelement)
110: Steg
M: Mittelebene
R1: minimaler Krümmungsradius Übergangsbereich erste Nutflanke-Nutgrund
R2: minimaler Krümmungsradius Übergangsbereich Nutgrund-zweite Nutflanke
R11: minimaler Krümmungsradius Übergangsbereich Mantelfläche-erste Außenflanke
R12: minimaler Krümmungsradius Übergangsbereich zweite Außenflanke-Mantelfläche
S: Schnittpunkt
T: Tangente
α: Winkel

Claims

Gasturbinenbauteil, insbesondere Leitschaufelcluster (10), mit wenigstens einem Radialflansch (12, 13) mit einer Radialnut (20) zur Speichenzentrierung eines Gasturbinenelements, insbesondere eines Innenringes (100), wobei die Radialnut (20) eine erste Nutflanke (21), einen daran anschließenden Nutgrund (23) und eine daran anschließende zweite Nutflanke (22) aufweist, wobei der Nutgrund (23) asymmetrisch zu einer Mittelebene (M) ist, welche sich radial und senkrecht zur Umfangsrichtung sowie mittig zwischen den beiden Nutflanken (21, 22) erstreckt.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialnut in Umfangsrichtung, insbesondere um wenigstens eine Nutbreite (2·a), von einer Mitte des Gasturbinenbauteils versetzt ist.
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Nutflanke (22) in Umfangsrichtung weiter von einer Mitte des Gasturbinenbauteils beabstandet ist als die erste Nutflanke (21).
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Krümmungsradius (R1) eines Übergangsbereichs von der ersten Nutflanke (21) in den Nutgrund (23), insbesondere um wenigstens 5%, größer als ein minimaler Krümmungsradius (R2) eines Übergangsbereichs von dem Nutgrund (23) in die zweite Nutflanke (22) ist.
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich von der ersten Nutflanke (21) in den Nutgrund (23) und/oder ein Übergangsbereich von dem Nutgrund (23) in die zweite Nutflanke (22) eine variierende Krümmung, insbesondere eine Freiformkontur, aufweist.
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Tangente (T) an einem Punkt des Nutgrundes (23), insbesondere einem Schnittpunkt (S) des Nutgrundes (23) mit der Mittelebene (M), mit der Mittelebene (M) einen Winkel (α) einschließt, der kleiner als 90° und größer als 0° ist.
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialflansch (12, 13) in Umfangsrichtung eine der ersten Nutflanke (21) benachbarte erste Außenflanke (12A) und eine der zweiten Nutflanke (22) benachbarte zweite Außenflanke (13A) aufweist, die jeweils in eine Mantelfläche (14) des Gasturbinenbauteils übergehen.
Gasturbinenbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Krümmungsradius (R12) eines Übergangsbereichs von der Mantelfläche (14) in die eine, insbesondere erste, Außenflanke (12A), insbesondere um wenigstens 5%, größer als ein minimaler Krümmungsradius (R12) eines Übergangsbereichs von der anderen, insbesondere zweiten, Außenflanke (13A) in die Mantelfläche (14) ist und/oder ein Übergangsbereich von der Mantelfläche (14) in die erste Außenflanke (12A) und/oder ein Übergangsbereich von der zweiten Außenflanke (13A) in die Mantelfläche (14) eine variierende Krümmung, insbesondere eine Freiformkontur, aufweist.
Gasturbinenbaugruppe mit einem Gasturbinenbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Gasturbinenelement, insbesondere Innenring (100), mit einem Steg (110) zur Speichenzentrierung an der Radialnut (20) des Gasturbinenbauteils.
Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk-Gasturbine, mit wenigstens einem Gasturbinenbauteil, insbesondere wenigstens einer Gasturbinenbaugruppe, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.