DE112009002600T5

DE112009002600T5 - Mit Zinnen versehener Turbinenleitapparat

Info

Publication number: DE112009002600T5
Application number: DE112009002600T
Authority: DE
Inventors: Patrick Jarvis Scoggins; James Harvey Laflen; Ching-Pang Lee; Wilson Frost
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2012-08-02
Also published as: JP5503662B2; JP2012507657A; US8226360B2; GB2476760B; WO2010051110A2; GB2476760A; GB201106876D0; US20100111682A1; CA2741711A1; WO2010051110A9; WO2010051110A3; CA2741711C

Abstract

Ein Turbinenleitapparat (24) enthält eine Reihe von Leitschaufeln (38), die sich radial zwischen ringförmigen äußeren und inneren Bändern (34, 36) erstrecken. Das äußere Band (34) weist ein Paar radiale Flansche (46–52) auf, die dazwischen eine ringförmige Dichtungsnut (54, 56) definieren. Einer der Flansche (46–52) ist mit Zinnen versehen, um die Lebensdauer des Leitapparats zu verlängern.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und spezieller in solchen angeordnete Turbinenleitapparate.
In einer Gasturbine wird Luft in einem Verdichter komprimiert und in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer durch einen Turbinenleitapparat entlassen, der die Verbrennungsgase in eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln kanalisiert, die ihnen Energie entziehen, um den Verdichter mit Leistung zu versorgen.
Die Hochdruckturbine (HPT) kann eine oder mehrere Turbinenstufen aufweisen und auf sie folgt gewöhnlich eine mehrstufige Niederdruckturbine (LPT), die den Verbrennungsgasen weitere Energie entzieht, um einen in der typischen Zweikreisflugzeugtriebwerkskonstruktion stromaufwärts angeordneten Fan anzutreiben.
Da der Turbinenleitapparat der ersten Stufe als erster die Hochtemperaturverbrennungsgase aus der Brennkammer aufnimmt, ist er einer außerordentlich aggressiven Betriebsumgebung unterworfen, die seine Nutzungslebensdauer beeinträchtigt. Die Leitapparatkomponenten sind gewöhnlich aus Superlegierungen ausgebildet, die bei den zu erfahrenen hohen Betriebstemperaturen eine erhöhte Festigkeit aufweisen, um die Nutzungslebensdauer zu maximieren.
Der Turbinenleitapparat ist während des Betriebs vielfältigen Druck- und Wärmebelastungen unterworfen, die außerdem entsprechende Spannungen in den unterschiedlichen Komponenten hervorrufen, wobei diese Spannungen ebenfalls die Lebensdauer des Leitapparats verkürzen.
Da sich der Leitapparat während seiner Erwärmung durch die Verbrennungsgase thermisch ausdehnt und sich entsprechend thermisch zusammenzieht, während sich seine Temperatur in den unterschiedlichen Betriebszyklen des Triebwerks verringert, werden beträchtliche thermische Belastungen und mechanische Spannungen in dem Leitapparat hervorgerufen. Die Größenordnung der thermischen Spannungen ändert sich daher zyklisch mit den periodischen Betriebszyklen des Triebwerks und dessen Leitapparat.
Die Lebensdauer des Turbinenleitapparats selbst wird folglich in Betriebszyklen gemessen und hängt von der speziellen Konstruktion des Turbinenleitapparats ab.
Beispielsweise sind typische Turbinenleitapparate in großen Zweikreistriebwerken entlang des Umfangs in ein oder mehrere Schaufelsegmente segmentiert, um die Kontinuität rund um den Umfang der ringförmigen äußeren und inneren Bänder zu unterbrechen, die die entsprechenden Turbinenleitschaufeln dazwischen einstückig verbunden stützen.
Vollständige ringförmige oder nicht segmentierte Leitapparatbänder weisen zwar erhöhte Festigkeit und Steifigkeit auf, begrenzen jedoch die Ausdehnung und Kontraktion der sich radial dazwischen erstreckenden starren Leitapparatschaufeln entsprechend. Folglich entstehen beträchtliche thermische Spannungen an den radialen Enden der Leitschaufeln, wo sie deren entsprechende äußeren und inneren Bänder einstückig verbinden.
Durch ein Segmentieren der Leitapparatbänder um den Umfang wird sowohl die thermische Ausdehnungsbehinderung als auch die strukturelle Steifigkeit entsprechend reduziert, was die Komplexität der Konstruktion entsprechend steigert, da geeigneter Keildichtungen zwischen den segmentierten Bändern erforderlich werden.
Ein Leitapparat mit einer Reihe von Leitschaufelsinglets weist eine maximale Segmentation der Bänder auf, wobei eine einzelne Leitschaufel an entsprechend kurzen äußeren und inneren Bandsegmenten einstückig angebracht ist.
Ein Leitapparat mit Leitschaufelpaaren enthält zwei Leitschaufeln, die in gemeinsamen Bandsegmenten einstückig angebracht sind, wobei entsprechend weniger Segmente um den Umfang vorhanden sind.
Und es sind auch Leitschaufeldreiergruppen bekannt, bei denen drei Leitschaufeln mit entsprechenden Bandsegmenten einstückig gruppiert sind, um die Segmentation der Bänder weiter zu verringern.
Mit dem Ansteigen der Anzahl von Leitschaufeln in jedem Bandsegment wächst allerdings auch das wesentliche Problem der thermischen Ausdehnungsbehinderung der einzelnen Leitschaufeln, wobei eine zugeordnete Steigerung der Wärmebelastung auftritt, wo die Leitschaufeln auf die einstückigen Bänder treffen.
Die Komplexität der Konstruktion moderner Turbinenleitapparate wird durch ihre Befestigungskonstruktion in dem Triebwerk selbst noch weiter gesteigert. Der Leitapparat ist eine vollständig ringförmige Anordnung von Komponenten und muss in dem Triebwerk an dem Auslassende der ringförmigen Brennkammer mit einer minimalen thermischen Ausdehnungsbehinderung geeignet gestützt werden, die andernfalls die Belastungen und mechanischen Spannungen, denen der Leitapparat ausgesetzt ist, steigern würde.
Daher weist der Leitapparat vielfältige Flansche auf, die in seinem inneren und äußeren Band einstückig ausgebildet sind, wobei die Flansche zur Befestigung und Abdichtung des Leitapparats in dem Triebwerk genutzt werden, jedoch steigern die Flansche auch die strukturelle Steifigkeit des Leitapparats und die entsprechende thermische Ausdehnungsbehinderung.
Aus dem Stand der Technik existieren zahllose unterschiedliche Formen von Turbinenleitapparaten, die entsprechend unterschiedliche Konstruktionen für den Einsatz in entsprechend verschiedenen Gasturbinen aufweisen, die für verschiedene Luftfahrzeugs- und Industrieanwendungen mit Blick auf ihre Maße und Leistung eine große Bandbreite aufweisen.
In einer herkömmlichen Konstruktion eines kleinen Flugzeugtriebwerks, wird ein vollständig ringförmiger oder einstückiger Turbinenleitapparat verwendet, der zur Verringerung der strukturellen Komplexität jedoch zu Lasten der Lebensdauer des Leitapparats keine Umfangssegmentierung seiner äußeren und inneren Bänder aufweist.
Das innere Band weist einen mittleren Befestigungsflansch auf, wobei das äußere Band zwei Paare rund um den Umfang nicht unterbrochene Flansche aufweist, die vordere und hintere Ringnuten definieren. Expansionsdichtungen in Form aufgetrennter Kolbenringe sind in den Nuten gefangen und erstrecken sich in abdichtendem Eingriff mit entsprechenden ringförmigen Dichtungsflächen radial nach außen.
In dieser Weise ist der einstückige Turbinenleitapparat von seinem inneren Band her starr in dem Triebwerk befestigt, wobei es dem äußeren Band gestattet ist, sich radial ungehindert auszudehnen und zusammenzuziehen, während die Ringdichtungen die unter Druck gesetzten Gase abdichten.
Allerdings zeigte sich in der Praxis, dass diese Bauart eines Turbinenleitapparats eine begrenzte Nutzungslebensdauer aufweist, die wesentlich kürzer ist, als diejenige, die gewöhnlich bei segmentierten Turbinenleitapparaten anzutreffen ist. Weiter ist es in einem gegenwärtigen Entwicklungsprogramm erwünscht, die Nutzungslebensdauer dieser Leitapparatbauart wesentlich zu steigern, um Wartungsausfallzeiten und Betriebskosten zu verringern.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem einstückigen Turbinenleitapparat, dessen Wärmespannung reduziert ist, um die Nutzungslebensdauer zu steigern.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Turbinenleitapparat enthält eine Reihe von Leitschaufeln, die sich radial zwischen ringförmigen äußeren und inneren Bändern erstrecken. Das äußere Band weist ein Paar radiale Flansche auf, die dazwischen eine ringförmige Dichtungsnut definieren. Einer der Flansche ist mit Zinnen versehen, um die Lebensdauer des Leitapparats zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren mehr im Einzelnen erläutert:
1 zeigt eine schematische axiale Ansicht eines achsensymmetrischen Zweikreisflugzeugtriebwerks.
2 zeigt in einer vergrößerten axialen Querschnittsansicht die HPT in dem in 1 veranschaulichten Triebwerk.
3 zeigt in einer isolierten schematischen Ansicht den Leitapparat in der in 2 veranschaulichten HPT.
4 zeigt in einer vergrößerten axialen Querschnittsansicht den Außenbandabschnitt des in den 2 und 3 veranschaulichten Turbinenleitapparats gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5 zeigt in einer schematischen Vorderansicht einen Abschnitt des in 4 veranschaulichten äußeren Bandes längs der Schnittlinie 5-5.
6 veranschaulicht ähnlich wie 4 anhand einer vergrößerten axialen Querschnittsansicht des äußeren Bandes noch ein Ausführungsbeispiel davon.
7 zeigt in einer schematischen Vorderansicht einen Abschnitt des in 6 veranschaulichten äußeren Bandes längs der Schnittlinie 7-7.
8 veranschaulicht ähnlich wie 4 anhand einer vergrößerten axialen Querschnittsansicht des äußeren Bandes noch ein Ausführungsbeispiel davon.
9 zeigt in einer schematischen Vorderansicht einen Abschnitt des in 8 veranschaulichten äußeren Bandes längs der Schnittlinie 9-9.
10 veranschaulicht ähnlich wie 4 anhand einer vergrößerten axialen Querschnittsansicht des äußeren Bandes noch ein Ausführungsbeispiel davon.
11 zeigt in einer schematischen Vorderansicht einen Abschnitt des in 11 veranschaulichten äußeren Bandes längs der Schnittlinie 11-11.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein Zweikreisgasturbinentriebwerk 10 schematisch dargestellt, das um eine longitudinale oder axiale Mittelachse 12 achsensymmetrisch ist. Das Triebwerk weist an seinem vorderen Ende einen Fan 14 auf, der Umgebungsluft 16 aufnimmt.
Die Luft 16 wird zu Beginn durch die Laufschaufeln des Fans 14 verdichtet und stromabwärts zu einem Zentrifugalverdichter 18 geleitet, der die Luft weiter verdichtet.
Die unter Druck gesetzte Verdichterluft wird anschließend in axialer Richtung stromabwärts in eine ringförmige Brennkammer 20 geleitet, in der die Luft mit Brennstoff vermischt und gezündet wird, um heiße Verbrennungsgase 22 zu erzeugen. Die in 1 veranschaulichte exemplarische Brennkammer 20 ist eine Gegenstrombrennkammer, in der die verdichtete Verdichterluft anfänglich zu dem hinteren Ende der Brennkammer geleitet wird, wo sie ihre Richtung stromaufwärts umkehrt, um darin die Verbrennungsgase zu erzeugen, wobei die Brennkammer dazu eingerichtet ist, die Richtung der Verbrennungsgase nochmals in die in einer herkömmlichen Konstruktion axial stromabwärts verlaufende Richtung umzukehren.
Die heißen Verbrennungsgase 22 werden aus dem Auslassende der Brennkammer durch einen ringförmigen Turbinenleitapparat 24 der ersten Stufe entlassen, der um die Mittelachse 12 achsensymmetrisch ist.
Der Turbinenleitapparat 24 entlässt die Verbrennungsgase in eine Reihe von Turbinenrotorlaufschaufeln 26 der ersten Stufe, die sich ausgehend von einem tragenden Laufrad radial nach außen erstrecken. Der Turbinenleitapparat 24 und die Laufschaufeln 26 definieren eine einstufige Hochdruckturbine (HPT).
Die Verbrennungsgase werden von den Turbinenlaufschaufeln 26 in der axialen stromabwärts verlaufenden Richtung in eine entsprechende Niederdruckturbine (LPT) 28 entlassen, die beispielsweise drei entsprechende Stufen aufweisen kann. Jede Stufe der LPT 28 enthält einen entsprechenden Statorleitapparat, auf den wiederum eine Reihe von Niederdruckturbinelaufschaufeln folgt.
Im Betrieb wird den Verbrennungsgasen 22 durch die HPT-Schaufeln 26 Energie entzogen, wobei deren tragendes Laufrad über eine erste Antriebswelle 30 mit dem Zentrifugalverdichter 18 verbunden ist, um diesem Energie zuzuführen. Weiter wird den Verbrennungsgasen in der LPT 28 Energie entzogen, deren Laufräder über eine zweite Antriebswelle 32 verbunden sind, die koaxial durch die erste Antriebswelle hindurch angeordnet ist und die sich axial nach vorn erstreckt, um den stromaufwärts angeordneten Fan 14 anzutreiben.
Das in 1 veranschaulichte exemplarische Triebwerk weist gewöhnlich eine verhältnismäßig geringe Größe und Leistungsabgabe auf, wobei die zentrifugale Bauart des Verdichters 18 eine ausreichende Kapazität hat, um das Luftvolumen zu verdichten, das für die angestrebte Leistungsabgabe erforderlich ist. Diese Bauart eines kleinen Triebwerks steht im Gegensatz zu den wesentlich größeren, einen hohen Nebenstrom aufweisenden Zweikreisflugzeugtriebwerken, die in ihrem Axialverdichter eine große Anzahl von Stufen aufweisen, um die Luft auf erheblich höhere Drücke und Volumina zu verdichten, als es in dem Zentrifugalverdichter möglich ist.
2 veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht des Auslassendes der ringförmigen Gegenstrombrennkammer 20, die die heißen Verbrennungsgase 22 in den ringförmigen Turbinenstatorleitapparat 24 entlässt, wo sie wiederum axial stromabwärts durch die Reihe von Turbinenlaufschaufeln 26 der erste Stufe strömen.
Wie am besten in 3 veranschaulicht, ist der Turbinenleitapparat der ersten Stufe 24 eine einstückige und vollständig ringförmige Komponente, die ein um den Umfang nicht unterbrochenes radiales äußeres Band 34 und ein um den Umfang nicht unterbrochenes radial innenliegendes Band 36 aufweist, zwischen denen sich eine Reihe hohler Leitapparatstatorleitschaufeln 38 erstrecken.
Die äußeren und inneren Bänder 34, 36 sind vollständig ringförmig, weisen keine Umfangssegmentierung auf und sind einstückig mit den gegenüberliegenden radialen Enden der Reihe von Leitschaufeln 38 verbunden, die um den Umfang des Leitapparats in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Der Leitapparat kann auf eine beliebige geeignete Weise ausgebildet sein, um dessen einheitlichen oder einstückigen Zusammenbau zu bewirken.
Beispielsweise können die äußeren und inneren Bänder 34, 36 getrennt hergestellt oder als vollständige Ringe gegossen sein. Die einzelnen Leitapparatschaufeln 38 können voneinander unabhängig gegossen sein. Weiter können die Bänder und Leitschaufeln aus einem geeigneten Superlegierungsmetall ausgebildet sein, um der Hochtemperaturumgebung des Triebwerks standzuhalten, wobei die Leitschaufeln auf herkömmliche Weise geeignet mit den entsprechenden Bändern hartverlötet sind.
Die Leitschaufeln 38 selbst sind vorzugsweise hohl, wobei dünne Metallwände die typische Sichel- oder Strömungsflächengestalt aufweisen, mit einer Anströmkante 40 an dem stromaufwärts oder vorderen Ende des Leitapparats und der Bänder, und entsprechenden axial entgegengesetzten Abströmkanten 42 an dem hinteren Ende des Leitapparats und der Bänder.
In dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel erstreckt sich jede der hohlen Leitschaufeln 38 radial durch eine entsprechende Öffnung in dem äußeren Band 34, um während des Betriebs durch diese hindurch Verdichterluft aufzunehmen, um die Leitschaufeln von innen her zu kühlen.
Die Leitschaufeln können eine beliebige herkömmliche Kühlungskonstruktion aufweisen, die in deren zentraler Kammer ein oder mehrere Prallleitbleche enthält, die dazu dienen, jede Leitschaufel von innen her zu kühlen, wobei die Leitschaufeln gewöhnlich unterschiedliche Reihen von Filmkühlungslöchern aufweisen, die durch deren Seitenwände hindurch ausgebildet sind, um die für die Kühlung verbrauchte Luft zur Filmkühlung der Außenflächen der Leitschaufeln zu entlassen.
Der ringförmige Leitapparat 24 ist, wie in 2 veranschaulicht, geeignet in dem Triebwerk angebracht. Beispielsweise weist das innere Band 36 einen sich radial nach innen erstreckenden mittleren Befestigungsflansch auf, der geeignet in der entsprechenden Ringnut einer stationären Leitapparathalterung 44 eingeschlossen ist. Die Halterung 44 weist eine herkömmliche Konstruktion auf, zu der ein ringförmiger Haltering gehört, der durch eine Reihe von Befestigungsschrauben an einem ringförmigen Rahmen gesichert ist, um die Haltenut dazwischen zu definieren.
Wie zu Beginn in 2 und 3 veranschaulicht, weist das äußere Band 34 eine ebenmäßige Innenfläche auf, die radial nach innen weist, um die heißen Verbrennungsgase zu kanalisieren, die während des Betriebs zwischen den Leitschaufeln strömen. Das äußere Band ist eine ausreichend dünne ringförmige Scheibe und weist vordere und hintere Paare Flansche 46, 48, 50, 52 auf, die sich ausgehend von der Außenfläche des äußeren Bandes 34 radial nach außen erstrecken und mit diesem einstückig verbunden sind.
Der erste und zweite Flansch 46, 48 des vorderen Flanschpaars erstrecken sich an dem vorderen oder stromaufwärts gelegenen Ende des äußeren Bandes radial nach außen, um eine entsprechende vordere ringförmige Dichtungsnut bzw. einen Sitz 54 zu definieren.
Der dritte und vierte Flansch 50, 52 des hinteren Flanschpaars erstrecken sich ausgehend von dem hinteren Ende des äußeren Bandes radial nach außen, um eine hintere ringförmige Dichtungsnut 56 zu bilden.
Wie am besten in 4 veranschaulicht, sind der erste Flansch 46, der zweite Flansch 48, der dritte Flansch 50 und der vierte Flansch 52 in einer stromabwärts numerischen Aufeinanderfolge zwischen dem vorderen und hinteren Ende des äußeren Bandes 34 angeordnet, die den Anströmkanten und Abströmkanten 40, 42 der Leitschaufeln 38 entsprechen. Das vordere Flanschpaar 46, 48 und die dazwischen liegende Ringnut 54 sind an dem vorderen Ende des äußeren Bandes 34 freitragend stromaufwärts der Leitschaufelanströmkanten 40 und in nächster Nachbarschaft zu diesen angeordnet.
Das hintere Paar Flansche 50, 52 und die dazwischen liegende entsprechende Nut 56 sind hingegen an dem hinteren Ende des äußeren Bandes unmittelbar oberhalb des kompakten Abströmkantenabschnitt der Leitschaufeln 38 angeordnet. Zu beachten ist, dass die Breite jeder Leitschaufel 38, wie in 3 veranschaulicht, ausgehend von ihrer Anströmkante in der stromabwärts verlaufenden Richtung zunächst zunimmt und anschließend abnimmt, während sie in Richtung der verhältnismäßig dünnen Abströmkante kegelförmig zuläuft. Die innere Kühlkammer bzw. der Sammelraum der hohlen Leitschaufel endet stromaufwärts der dünnen Abströmkante, um eine ausreichende Breite sicherzustellen, um darin das Prallleitblech oder andere gewünschte Kühlungsvorrichtungen aufzunehmen.
Die in 4 veranschaulichten beiden ringförmigen Dichtungsnuten 54, 56 sind radial nach außen gewandt und empfangen strukturell ähnliche oder identische erste bzw. zweite Expansionsdichtungsringe 58.
Der erste oder vordere Expansionsring 58 erstreckt sich von der vorderen Nut 54 teilweise radial oberhalb der örtlich vorderen und hinteren Flansche 46, 48 radial nach außen und ist oberhalb des äußeren Band 34 radial beabstandet. Der vordere Ring 58 ist somit im unteren Abschnitt innerhalb der vorderen Nut 54 eingeschlossen, wobei sein äußerer Abschnitt sich oberhalb der zwei Flansche 46, 48, die vorzugsweise eine übereinstimmende radiale Höhe aufweisen, ausreichend nach außen erstreckt.
Der zweite oder hintere Expansionsring 58 ist in ähnlicher Weise in der hinteren Nut 56 zwischen dem dritten und vierten Flansch 50, 52 angeordnet. Der hintere Ring 58 ist wieder im unteren Abschnitt innerhalb der hinteren Nut 56 eingeschlossen und ist oberhalb des äußeren Bands radial beabstandet. Weiter erstreckt sich der äußere Abschnitt des hinteren Rings 58 oberhalb der zwei Flansche 50, 52, die ebenfalls eine übereinstimmende radiale Höhe aufweisen, radial nach außen.
Wie zu Beginn in 2 dargestellt, endet das Gehäuse der Brennkammer 20 stromaufwärts knapp oberhalb des Leitapparataußenbands 34 und weist eine einstückig ausgebildete Verlängerung in Form eines ringförmigen vorderen Stegs 60 auf, der konzentrisch um das vordere Paar Flansche 46, 48 angeordnet ist, und gegen den der vordere Expansionsring 58 eine angrenzende Berührungsdichtung bildet.
In ähnlicher Weise beginnt das Turbinengehäuse rund um das hintere Ende des äußeren Bandes 34 mit einem ringförmigen hinteren Steg 62, der konzentrisch um die entsprechenden zwei hinteren Flansche 50, 52 angeordnet ist, und gegen den der hintere Expansionsring 58 eine weitere angrenzende Berührungsdichtung vorsieht.
Im Betrieb wird die unter Druck gesetzte Verdichterluft 16 um die Brennkammer kanalisiert und in einen offenen Sammelraum ausgebracht, der das äußere Band des Leitapparats umgibt, um durch das äußere Band hindurch in die entsprechenden Leitapparatschaufeln 38 zu strömen.
Wie besser in 4 zu sehen, setzt die verdichtete Verdichterluft 16 den Zufuhrsammelraum zwischen dem äußeren Band 34 und den beiden Dichtungsstegen 60, 62 unter Druck und übt außerdem Druck auf den vorderen und hinteren Dichtungsring 58 aus.
Diese beiden Dichtungsringe 58 bilden wirkungsvolle Berührungsdichtungen zwischen deren radialen Außenumfangsflächen und den entsprechenden Innenflächen der beiden Stege 60, 62, um einen Leckstrom der Druckluft in den Verbrennungsgasströmungspfad zu verhindern oder zu minimieren.
Außerdem wird der vordere Ring 58 nach vorne gegen die Rückseite des ersten Flansches 46 gedrückt, um mit diesem eine seitliche angrenzende Berührungsdichtung zu bilden. In ähnlicher Weise wird der hintere Dichtungsring 58 gegen die Vorderseite des vierten Flansches 52 nach hinten gedrückt, um dazwischen eine weitere seitlich angrenzende Berührungsdichtung zu bilden.
Die beiden Expansionsringe 58 weisen gewöhnlich in deren Umfangskontinuität einen einzelnen Spalt mit einer dazwischen liegenden geeigneten seitlichen Überlappungsverbindung auf, und ihr Durchmesser ist anfänglich überdimensioniert.
Auf diese Weise können die freien Außendurchmesser der Ringe 58 zu Beginn geringfügig größer sein als der Innendurchmesser der beiden Stege 60, 62, so dass sich die Ringe zu Beginn elastisch auf kleinere Durchmesser zusammendrücken lassen, um in den entsprechenden ringförmigen Stegen 60, 62 angeordnet zu werden, so dass in jedem Ring eine elastische Ausdehnungskraft verbleibt, um die Ringe radial nach außen in dauerhafte Berührung mit den beiden Stegen 60, 62 zu drücken. Diese nach außen wirkende Ausdehnungskraft ist in 3 und 4 beispielsweise durch die diametralen Pfeile dargestellt.
Die elementaren Konstruktionen der vorderen und der hinteren Dichtungsnut 54, 56 und deren Expansionsringe 58 entsprechen dem Stand der Technik und weisen vollständige ringförmige und rund um den Umfang nicht unterbrochene 360-Grad-Flansche 46, 48, 50, 52 auf. Diese Konstruktion ermöglicht radial äußere Dichtungen um den Umfang der beiden Ringe 58. Weiter weist der vordere Ring 58 zwischen den angrenzenden Seitenflächen seiner Vorderseite und dem vorderen Flansch 46 eine vordere Dichtung auf, wobei der hintere Ring 58 zwischen den angrenzenden seitlichen Oberflächen des hinteren Flansches 52 und dem hinteren Ring eine hintere Dichtung aufweist.
Allerdings verleihen die vier Abdichtflansche 46–52 in ihrer rund um den Umfang nicht unterbrochenen Anordnung dem dünnen äußeren Band 34 eine wesentliche strukturelle Steifigkeit, die erforderlich ist, um die beiden Ringe 48 mit minimalen seitlichen Abstand geeignet einzuschließen, um eine differentielle radiale Wärmeausdehnung und Kontraktion zwischen dem Leitapparat und den Dichtungsstegen 60, 62 zu erlauben.
Zwar weist diese elementare Leitapparatkonstruktion eine ausreichend lange Lebensdauer in gewerblicher Nutzung auf, jedoch ist es erwünscht, die Nutzungslebensdauer des Leitapparats zu steigern, was wiederum wesentliche Verbesserungen der Konstruktion voraussetzt.
Allerdings basiert der ganzheitliche Turbinenleitapparat 24 auf einer in hohem Maße komplexen dreidimensionalen Anordnung einer Vielzahl hohler Leitapparatschaufeln, die einstückig mit den ganzheitlichen äußeren und inneren Bändern verbunden sind. Dementsprechend sind die mechanische und thermischen Belastungen und die mechanischen Spannungen, denen der Leitapparat ausgesetzt ist, sehr komplex und stehen in Wechselbeziehung.
Insbesondere sind die einzelnen Leitschaufeln 38 an deren radial äußeren und inneren Enden mit den entsprechenden Bänder starr verbunden und sehen während des Betriebs verteilte radiale Lastpfade zwischen den beiden Bändern vor. Die äußeren Enden der Leitschaufeln sind mit der Innenfläche des äußeren Bandes 34 starr verbunden und wirken zwangsläufig mit den vier Abdichtflanschen zusammen, die sich von der Außenfläche der Bänder radial nach außen erstrecken.
Das vordere Paar Flansche 46, 48 ist ausgehend von den Anströmkanten der Leitschaufeln axial vorne freitragend angeordnet. Die hinteren Flansche 50, 52 sind hingegen unmittelbar oberhalb des kompakten Abschnitts der Leitschaufelabströmkanten angeordnet.
Das äußere Band 34 selbst ist verhältnismäßig dünn und nachgiebig, jedoch an Stellen, wo es mit jeder der mehreren Leitschaufeln verbunden ist, und wo es mit jedem der mehreren Abdichtflansche verbunden ist, örtlich gehärtet und starr.
Der oben beschriebene, im Übrigen herkömmliche Turbinenleitapparat 24 kann mit Blick auf eine Verlängerung seiner Nutzungslebensdauer wesentlich verbessert werden, indem bevorzugt mindestens einer der oben beschriebenen vier Abdichtflansche 46–52 mit Zinnen ausgebildet wird, um bevorzugt die Kontinuität rund um dessen Umfang zu unterbrechen, wobei die Kontinuität zuvor in der herkömmlichen Konstruktion erforderlich war.
Mit Blick auf die spezielle Geometrie des in 4 veranschaulichten äußeren Bandes 34 weist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Erhöhung der Lebensdauer des Leitapparats ein Ausbilden des zweiten Flansches 48 mit Zinnen auf, da dieser sich in enger räumlicher Nachbarschaft zu den Anströmkanten der Leitschaufeln 38 befindet, wobei das vordere Paar Flansche 46, 48 von diesen ausgehend nach vorne freitragend ausgebildet ist.
Der mit Zinnen versehene zweite Flansch 48 kann eine beliebige geeignete Konstruktion aufweisen, die die Kontinuität rund um den Umfang des Flansches in segmentierte Bereiche unterbricht. Beispielsweise weist der mit Zinnen versehene Flansch 48 vorzugsweise eine gemeinsame Reihe von rechtwinkligen Nasen oder kompakten Zinnen 64 auf, die in Umfangsrichtung durch entsprechende rechtwinklige Zwischenräume oder Zinnenfenster 66 voneinander beabstandet sind.
Wie am besten in 5 dargestellt, sind die Zinnen 64 verhältnismäßig hoch und stimmen mit der radialen Höhe des zusammenwirkenden ersten Flansches 46 überein und beginnen daher hinsichtlich der Höhe an der Außenfläche des äußeren Bandes 34 und enden mit Blick auf die Höhe bei demselben Außendurchmesser wie der erste Flansch 46.
In Entsprechung sind die zusammenwirkenden Zinnenfenster 66 ebenfalls hoch oder weisen die Gesamthöhe auf und erstrecken sich rund um den Umfang entlang der Außenfläche des Bandes zwischen benachbarten Zinnen 64 über die gesamte Höhe der Zinnen in dem zweiten Flansch 48.
Die vier Flansche 46–52 können ihre ursprünglichen Konstruktionen vorteilhafterweise nutzen und weisen eine minimale radiale Höhe und eine axiale Dicke auf, wie sie erforderlich sind, um die entsprechenden Expansionsringe 58 gemäß ihrer ursprünglichen Konstruktion angemessen abzustützen.
Die bevorzugte Änderung des zweiten Flansches 48, die dazu dient, die Zinnenfensterzwischenräume 66 einzuführen, um die Kontinuität rund um den Umfang des Flansches zu unterbrechen, vermindert örtlich die strukturelle Steifigkeit des äußeren Bandes in der Nähe der Verbindungen der Leitschaufelanströmkanten und des Bandes, um dort örtliche mechanische Spannungen wesentlich zu vermindern, so das die Lebensdauer des Leitapparats gesteigert ist.
Wie oben erwähnt, ruft jede Leitschaufel einen ortsfesten radialen Lastpfad hervor, der über ihre Verbindungsstelle mit dem äußere Band insbesondere nahe der Anströmkanten und Abströmkanten der Leitschaufeln örtlich hohe Spannungen aufweist.
Ein bevorzugtes Ausbildung des der Leitschaufelanströmkante eng benachbarten zweiten Flansches 48 mit Zinnen reduziert örtlich die strukturelle Steifigkeit des äußeren Bandes und vermindert wiederum örtlich mechanische Spannungen in dem äußeren Band.
Da eine Hauptfunktion des zweiten Flansches 48 darauf basiert, den vorderen Ring 58 axial zu halten oder einzuschließen, kann er längs seines Umfangs örtlich unterbrochen sein, während er seine Haltefunktion aufrecht erhält.
Der vordere Flansch 46 kann hingegen seine um den Umfang ununterbrochene Gestalt beibehalten, um seine seitliche Dichtung in axialem Widerlager mit dem vorderen Ring 58 aufrecht zu erhalten.
Wie am besten in 3 veranschaulicht, sind die Zinnen 64 vorzugsweise zwischen entsprechenden Paaren der Leitschaufeln 38 in Umfangsrichtung beabstandet, wobei eine Zinne 64 in Umfangsrichtung gleichmäßig zwischen den Anströmkanten unmittelbar benachbarter Leitschaufeln beabstandet angeordnet ist. Auf diese Weise ist die örtliche Erhöhung der strukturellen Steifigkeit aufgrund der einzelnen Zinnen 64 selbst in dem äußeren Band zwischen benachbarten Leitschaufeln angeordnet, wobei die einen offenen Raum bildenden Zinnenfenster 66 verbleiben, die die Leitschaufelanströmkante zwischen Zinnen überbrücken.
Die strukturelle Steifigkeit zwischen dem dünnen äußeren Band und jeder Leitschaufel rund um ihre Anströmkante ist daher wesentlich vermindert, so dass die örtlichen mechanischen Spannungen während des Betriebs dort entsprechend reduziert sind, was wiederum zu einer Steigerung der Lebensdauer des Leitapparats führt.
In dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel enthält der Leitapparat ein vollständiges Komplement von achtundzwanzig Leitschaufeln 38, die entlang des Umfangs rund um dessen Umfang voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Anzahl von Zinnen 64 vorzugsweise der Anzahl von achtundzwanzig Leitschaufeln in dem Leitapparat in einer Eins-zu-Eins-Anordnung entspricht.
Diese Konfiguration isoliert die einzelnen Zinnen 64 ausreichend weit von den Anströmkantenverbindungsstellen der Leitschaufeln und des äußeren Bandes, während außerdem die Haltefähigkeit des zweiten Flansches 48 aufrecht erhalten bleibt, um bevorzugt den vorderen Expansionsring 58 einzuschließen. Da der Expansionsring 58 in seinem Umfang die aufgetrennte Überlappungsverbindung aufweist, stellt die enge Beabstandung benachbarter Zinnen 64 außerdem einen wirkungsvollen seitlichen oder axialen Halt des Spaltrings 58 sicher, ohne die Überlappungsverbindung selbst aufgrund einer seitlichen Biegung unangemessen zu trennen.
Jede Zinne 64 ist, wie oben beschrieben, vorzugsweise rechtwinklig konstruiert und weist eine radiale Höhe auf, die dem zusammenwirkenden ersten Flansch 46 entspricht. In sonstiger Weise kann die Umfangsweite und die axiale Dicke jeder Zinne 64 geeignet bemessen sein, um hinzugefügte Steifigkeit des äußeren Bandes zu minimieren, während die Haltefunktion des segmentierten zweiten Flansches 48 durch seine Zinnen 64 aufrecht erhalten wird.
In dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist lediglich der zweite bzw. hintere Flansch 48 in dem vorderen Flanschpaar mit Zinnen versehen, wobei die ursprüngliche Kontinuität der übrigen drei Flansche 46, 50, 52 rund um den Umfang beibehalten ist. Mittels dieser einzelnen Veränderung der Konstruktion des mit Zinnen versehenen zweiten Flansches 48 kann eine wesentliche Steigerung der Lebensdauer des Leitapparats erzielt werden, wobei der Leitapparat im Übrigen entsprechend seiner ursprünglichen Konstruktion in herkömmlicher Weise arbeitet.
Allerdings können weitere Verbesserungen der Konstruktion des Leitapparats mittels einer sorgfältigen strukturellen Analyse desselben erreicht werden, um geeignete Änderungen der übrigen drei Flansche vorzunehmen, falls dies praktisch erscheint. Beispielsweise lässt eine Analyse eine weitere Verringerung der örtlichen mechanischen Spannungen an der Verbindungsstelle der Leitschaufelabströmkanten 42 und des äußeren Bandes 34 erwarten, wenn der hintere oder vierte Flansch 52 ebenfalls mit Zinnen versehen wird.
Zu beachten ist, dass die vier Flansche 46–52, obwohl sie ähnliche Konstruktionen aufweisen und sich in ähnlicher Weise ausgehend von dem äußeren Band radial nach außen erstrecken, nichtsdestoweniger das äußere Band 34 an seinen entgegengesetzten axialen Enden in örtlich andersartigen Verbindungen mit diesen und mit örtlich unterschiedlichem Zusammenwirken mit den darunter liegenden Leitapparatschaufeln 38 unter Einschluss speziell ihrer Anströmkanten und Abströmkanten 40, 42 verbinden. Die Anströmkanten und Abströmkanten 40, 42 der Leitschaufeln rufen entsprechende örtliche Spannungskonzentrationen an ihren Verbindungsstellen mit den äußeren Bändern hervor.
Speziell ist zu beachten, dass der vierte Flansch 52 an den Schaufelabströmkanten zwar mit Zinnen versehen sein kann, um örtlich mechanische Spannungen zu verringern, eine solche Ausbildung mit Zinnen jedoch die ursprüngliche Abdichtkonstruktion des hinteren Expansionsrings 58 beeinträchtigt. Um den Umfang angeordnete Unterbrechungen in dem hinteren Flansch 52 bilden örtliche Stellen, an denen die unter Druck stehende Verdichterluft entweichen kann, wobei der Leckstrom mit Blick auf einen einwandfreien Betrieb des Turbinenleitapparats zu beschränken ist.
6 und 7 veranschaulichen hinsichtlich einer Lösung dieses Dichtungsproblems eine geeignete Gestalt des mit Zinnen versehenen vierten Flansches 52. Speziell weist der mit Zinnen versehene hintere Flansch 52 einen ringförmigen Steg oder Grundkörper 68 auf, der rund um den gesamten Umfang von 360 Grad des äußeren Bandes nicht unterbrochen ist, wobei sich der Grundkörper 68 ausgehend von dessen Außenfläche radial nach außen erstreckt.
In dieser Konstruktion sind die rechtwinkligen Zinnen 64 verhältnismäßig kurz und erstrecken sich in einstückiger Breite ausgehend von dem stützenden Grundkörper 68 radial nach außen, wobei die entsprechend kurzen Zinnenfenster 66 sich entlang des Umfangs zwischen den benachbarten kurzen Zinnen und oberhalb oder entlang der Oberseite des ringförmigen Grundkörpers 68 erstrecken.
In dieser Konstruktion ist der hintere Flansch 52 teilweise mit Zinnen versehen und sieht einen entlang des Umfangs gewellten Halteflansch vor, der entlang des Bodens der hinteren Nut 56 eine vollständige Flächenbedeckung beibehält, während die Kontinuität rund um den Umfang und die Steifigkeit des hinteren Flansches um seinen Umfang unterbrochen ist.
In dieser Konfiguration des gewellten hinteren Flansches 52 ist eine zweite ringförmige Dichtung in Form eines Kontraktionsrings 70 in der hinteren Nut 56 seitlich angrenzend an den zweiten Expansionsring 58 angeordnet, der ebenfalls darin untergebracht ist. Der Kontraktionsring 70 ist somit axial zwischen dem Expansionsring 58 und dem mit Zinnen versehenen vierten Flansch 52 angeordnet, um mit diesem eine sekundäre Dichtung zu bilden, die das offene Zinnenfenster 66 zwischen den Zinnen überlappt.
Wie in 6 dargestellt, dient der zweite Expansionsring 58 konstruktionsmäßig dazu, in der hinteren Nut 56 eine radial äußere Dichtung mit dem hinteren Steg 62 zu bilden, während er außerdem eine sekundäre Dichtung zwischen seiner Rückseite und dem zusätzlichen Kontraktionsring 70 bildet, der wiederum eine weitere Dichtung mit dem mit Zinnen versehenen hinteren Flansch 52 bereitstellt.
Darüber hinaus weist der Kontraktionsring 70 vorzugsweise eine Überlappungsverbindung in seinem Umfang auf, und sein Durchmesser ist anfänglich mit einem Untermaß bemessen. Der Durchmesser des Rings 70 wird zu Beginn elastisch geweitet, um in der hinteren Nut 56 angebracht zu werden, und die sich ergebenden elastischen Restspannungen werden den Ring 70 radial nach innen zusammenziehen, so dass sein Innendurchmesser mit der Außenfläche des äußeren Bandes in der hinteren Nut eine weitere Berührungsdichtung bildet, wobei die innenliegende hintere Oberfläche des Rings 70 ebenfalls eine Berührungsdichtung längs der vorderen Stirnfläche des ringförmigen Grundkörpers 68 bereitstellt. Die nach innen wirkende Kontraktionskraft ist in 7 durch die diametralen Pfeile dargestellt.
7 veranschaulicht schematisch die radial nach außen ausgeübten Restspannungen in dem Expansionsring 58, die dazu dienen, mittels seiner entsprechenden Stege 60, 62 dessen äußeren Sitz zu schaffen. In Entsprechung sind auch die radial nach innen ausgeübten Restspannungen in dem Kontraktionsring 70 schematisch veranschaulicht, die dazu dienen, dessen inneren Sitz in der hinteren Nut 56 zu gewährleisten.
Somit kann der hintere Flansch 52 teilweise mit Zinnen versehen sein, um die strukturelle Steifigkeit des äußeren Bandes rund um die Leitschaufelabströmkanten zu verringern, wobei der sekundäre Kontraktionsring 70 in die hintere Nut 56 eingesetzt ist, um mit dem Expansionsring 58 zusammenzuwirken, um in Zusammenwirken eine angemessene Abdichtung während des Betriebs zu bewirken.
Die relativen Maße des Expansionsrings 58 und des zusammenwirkenden Kontraktionsrings 70 in der gemeinsamen hinteren Nut 56 können beliebig bemessen sein, um der Betriebsumgebung des Leitapparats standzuhalten. Der Kontraktionsring 70 ist dünner als der Expansionsring 58 dargestellt, kann jedoch dieselbe oder eine ähnliche Dicke aufweisen, die zweckmäßig untergebracht ist, indem die Weite der hinteren Nut 56 erforderlichenfalls vergrößert wird.
Die axiale Weiten sowohl der vorderen als auch der hinteren Nut 54, 56 sind geeignet bemessen, um wenige Tausendstelzoll breiter zu sein als die darin befestigten Dichtungsringe, so dass eine freie Ausdehnung und Kontraktion des Leitapparataußenbands ohne unerwünschte Reibungsbehinderung durch die Dichtungsringe erlaubt ist. Weiter behalten die unterschiedlichen Flansche 46–52 eine ausreichende radiale Höhe bei, um die entsprechenden Dichtungsringe über die beabsichtigte unterschiedliche radiale Bewegung zwischen dem äußeren Band und den Dichtungsstegen 60, 62 hinweg zu sichern, während gleichzeitig eine wirkungsvolle seitliche Abdichtung mit den Ringen bereitgestellt ist.
8 und 9 veranschaulichen noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, das den zu Beginn in 4–7 veranschaulichten mit Zinnen versehenen zweiten und vierten Flansch 48, 52 aufweist, das jedoch zusätzlich einen geeignet mit Zinnen versehenen dritten Flansch 50 aufweist.
Wie im Falle des Ausführungsbeispiels von 4 ist der dritte Flansch 50 mit den hohen Zinnen 64 versehen, die an der Außenfläche des äußeren Bandes 34 beginnen, wobei die entsprechenden hohen Zinnenfenster 66 sich rund um den Umfang entlang der Außenfläche des Bandes zwischen den benachbarten Zinnen 64 erstrecken.
Die eine vollständige Tiefe aufweisenden Zinnenfenster 66 können an dem dritten Flansch 50 genutzt werden, da die Funktion dieses Flansches darauf basiert, den hinteren Expansionsring 58 zurückzuhalten, ohne dass eine Abdichtung erforderlich ist. Wie oben erwähnt, ist eine Abdichtung in der hinteren Nut 66 sowohl an dem radialen Umfang des Expansionsrings 58 als auch an seiner axialen Rückseite vorhanden, jedoch nicht an seiner axialen Vorderseite, die gewöhnlich von dem dritten Flansch 50 beabstandet ist.
Während der mit Zinnen versehene vierte Flansch 52 die strukturelle Steifigkeit rund um das äußere Band über die Leitschaufelabströmkanten hinweg reduziert, verringert ein Ausbilden des dritten Flansches 50 mit Zinnen ebenfalls dessen strukturelle Steifigkeit in Zusammenwirken mit dem hinteren Flansch 52.
Zu beachten ist, dass in 8 beide Flansche 50, 52 unmittelbar oberhalb des kompakten Abschnitts der dünnen Abströmkanten 42 der Reihe von Leitschaufeln angeordnet sind und somit dazwischen entsprechende Lastpfade bereitstellen. Eine Analyse ergibt, dass die Verwendung des mit Zinnen versehenen dritten Flansches 50 für sich genommen, während die übrigen drei Flansche rund um den Umfang nicht unterbrochen sind, die örtlichen mechanischen Spannungen in der Verbindungsstelle zwischen den Leitschaufelabströmkanten und dem äußeren Band unerwünscht steigern und die Lebensdauer des Leitapparats entsprechend verringern wird.
Dementsprechend können die unterschiedlichen Abdichtflansche 46–52, die das Leitapparataußenband 34 umgeben, lediglich bevorzugt in Abhängigkeit von deren relativen axialen Position in dem Turbinenleitapparat und in Bezug auf die darunter liegende Position der Leitschaufeln mit Zinnen versehen sein. Eine entsprechende Spannungsanalyse mit Blick auf spezielle Leitapparatkonstruktionen kann daher genutzt werden, um zu ermitteln, welche der mehreren radialen Flansche wirkungsvoll mit Zinnen versehen werden können, um zur Steigerung der Nutzungslebensdauer des Leitapparats örtliche mechanische Spannungen zu verringern und nicht unbeabsichtigt zu erhöhen.
10 und 11 veranschaulichen noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Turbinenleitapparats, in dem sämtliche vier Abdichtflansche 46–52 einschließlich des ersten oder vorderen Flansches 46 geeignet mit Zinnen versehen sind.
Dementsprechend ist der zweite Flansch 48 in derselben Weise wie in 4 und 5 veranschaulicht mit Zinnen versehen.
Der vierte Flansch 52 ist in derselben Weise mit Zinnen versehen, wie es in den 6 und 7 veranschaulicht ist, und die hintere Nut 56 enthält sowohl den hinteren Expansionsring 58 als auch den hinteren Kontraktionsring 70.
Der dritte Flansch 50 ist in der in 8 und 9 veranschaulichten Weise mit Zinnen versehen.
Weiter ist der in den 10 und 11 veranschaulichte erste Flansch 46 in derselben Weise mit Zinnen versehen, wie der in den 6 und 7 veranschaulichte hintere Flansch 52.
Speziell weist der mit Zinnen versehene erste Flansch 46 den ringförmigen Grundkörper 68 auf, der sich von dem äußeren Band 34 radial nach außen erstreckt, wobei sich die kurzen Zinnen 64 ausgehend von jenem Grundkörper 68 radial nach außen erstrecken, während sich die entsprechenden kurzen Zinnenfenster 66 entlang des Umfangs zwischen benachbarten kurzen Zinnen und längs oder oberhalb des stützenden ringförmigen Grundkörpers 68 erstrecken.
In Entsprechung enthält die vordere Nut 54 sowohl den ersten Expansionsring 58 als auch einen seitlich angrenzenden Kontraktionsring 70. Der Kontraktionsring 70 in der vorderen Nut 54 ist axial zwischen dem vorderen Ring 58 und dem ersten Flansch 46 angeordnet, wobei der vordere Ring 58 seitlich an die Rückseite des vorderen Kontraktionsrings 70 angrenzt, während die Vorderseite des Kontraktionsrings seitlich an den mit Zinnen versehenen ersten Flansch 46 angrenzt.
Während der hintere Kontraktionsring 70 in der hinteren Nut 56 eine hintere Dichtung für den hinteren Expansionsring 58 bereitstellt, bildet der vordere Kontraktionsring 70 in der vorderen Nut 54 eine vordere Dichtung mit dem vorderen Expansionsring 58, um die verdichtete Luft 16, die das Leitapparataußenband umgibt, angemessen einzuschließen.
Dementsprechend veranschaulichen 10 und 11 ein kollektives Ausführungsbeispiel, in dem sämtliche vier Abdichtflansche 46–52 geeignet mit Zinnen versehen sind, um die Umfangssteifigkeit und Festigkeit des äußeren Bandes örtlich zu reduzieren, so dass mechanische Spannungen in der Nähe der Anströmkanten und Abströmkanten der Leitschaufeln wiederum örtlich verringert sind. Die vordere Nut 54 hält den ersten Expansionsring 58 zurück, der seitlich zwischen den beiden mit Zinnen versehenen vorderen und hinteren Flanschen 46, 48 in dem vorderen Flanschpaar arretiert ist.
Die hintere Nut 56 enthält einen zweiten Expansionsring 58, der seitlich zwischen dem mit Zinnen versehenen vorderen und hinteren Flansch 50, 52 in dem hinteren Flanschpaar zurückgehalten ist.
Ein erster Kontraktionsring 70 ist ebenfalls in der vorderen Nut 54 axial zwischen dem ersten Expansionsring 58 und dem mit Zinnen versehenen ersten Flansch 46 angeordnet.
Weiter ist der zweite Kontraktionsring 70 ebenfalls in der hinteren Nut 56 axial zwischen dem zweiten Expansionsring 58 und dem mit Zinnen versehenen vierten Flansch 52 angeordnet.
Die die vollständige Höhe aufweisenden Zinnenfenster 66 werden daher speziell vorteilhaft in den beiden innenliegenden Flanschen 48, 50 genutzt, um die entsprechenden Expansionsringe 58 axial zu sichern, während sie die strukturelle Steifigkeit des äußeren Bandes wesentlich vermindern.
Die kurzen Zinnenfenster 66 werden wirkungsvoll in dem gewellten ersten und vierten Flansch 46, 52 im Zusammenwirken mit den entsprechenden Kontraktionsringen 70 genutzt, um die strukturelle Steifigkeit des äußeren Bandes weiter zu reduzieren, während sie eine sekundäre Abdichtung der primären Expansionsringe 58 selbst bereitstellt.
Wie oben erwähnt, sind die entsprechenden Zinnen 64 vorzugsweise von den Leitapparatschaufeln selbst getrennt und vorzugsweise gleichmäßig beabstandet zwischen den Anströmkanten benachbarter Leitschaufeln angeordnet.
11 veranschaulicht, wie die entsprechenden Zinnen 64 der hinteren beiden Flansche 50, 52 ebenfalls von den Abströmkanten der benachbarten Leitschaufeln isoliert und vorzugsweise gleichmäßig beabstandet dazwischen angeordnet sein können. In dieser Konstruktion der hinteren Zinnen 64 können die hinteren beiden Flansche 50, 52 miteinander fluchten, jedoch in Umfangsrichtung gegenüber den entsprechenden vorderen Zinnen 64 der vorderen beiden Flansche 46, 48 versetzt angeordnet sein, die ihrerseits miteinander axial fluchtend ausgerichtet sein können.
In sämtlichen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele vermindert ein Ausbilden mit Zinnen eines oder mehrerer Abdichtflansche nicht nur die strukturelle Steifigkeit und Festigkeit des äußeren Bandes, sondern verringert auch das Gewicht des Turbinenleitapparats, was den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks weiter verbessert. Die Einführung des sekundären Kontraktionsrings 70 ist hinsichtlich des Gewichts durch die entsprechende Ausbildung der zugehörigen Flansche versetzt.
Der oben beschriebene, mit Zinnen versehene Turbinenleitapparat dient dazu, an Stellen, wo sich die Leitschaufeln mit dem äußeren Band vereinen, andernfalls hohe örtliche Spannungen zu reduzieren, so dass die Nutzungslebensdauer des Leitapparats mittels der bevorzugten Entfernung von Flanschmaterial mit verhältnismäßig wenigen Änderungen der ursprünglichen Leitapparatkonstruktion entsprechend gesteigert wird.
Während hier bevorzugte und als Beispiele zu betrachtende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, werden dem Fachmann auf der Grundlage der vorliegenden Ausführungen weitere Abwandlungen der Erfindung offensichtlich erscheinen, und es ist daher gewünscht, in den beigefügten Patentansprüchen sicherzustellen, dass sämtliche derartige Änderungen in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
Dementsprechend soll die US-Patenturkunde die Erfindung schützen, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert und differenziert dargelegt ist.

Claims

Turbinenleitapparat (24), aufweisend: ein äußeres Band (34), das einstückig mit einer Reihe von Leitapparatschaufeln (38) verbunden ist, die sich davon ausgehend radial nach innen erstrecken und radial nach außen weisende vordere und hintere Paare Flansche (46–52) aufweisen; und wobei einer der Flansche (46–52) entlang seines Umfangs mit einer Reihe von Zinnen versehen ist (64), die in Umfangsrichtung durch entsprechende Zinnenfenster (66) beabstandet sind.
Leitapparat nach Anspruch 1, wobei: die Leitschaufeln (38) axial gegenüberliegende Anström- und Abströmkanten (40, 42) aufweisen; die Flansche in einer ersten, zweiten, dritten und vierten Flanschfolge zwischen vorderen und hinteren Enden des äußeren Bandes (34) angeordnet sind, die den Anström- und Abströmkanten (38, 40) der Leitschaufeln (38) entsprechen; und der zweite Flansch (48) benachbart zu der Anströmkante (40) mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 2, wobei die Zinnen (64) in dem zweiten Flansch (48) zwischen entsprechenden Paaren der Leitschaufeln (38) in Umfangsrichtung beabstandet angeordnet sind.
Leitapparat nach Anspruch 3, wobei der vierte Flansch (52) benachbart zu der Abströmkante (42) mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 4, wobei: die Zinnen (64) in dem zweiten Flansch (48) an der Außenfläche des äußeren Bandes (34) beginnen, und wobei sich die Zinnenfenster (66) rund um den Umfang entlang der Außenfläche zwischen benachbarten Zinnen (64) erstrecken; und der vierte mit Zinnen versehene Flansch (52) einen ringförmigen Grundkörper (68) aufweist, der sich radial von dem äußeren Band (34) nach außen erstreckt, und sich die darin angeordneten Zinnen (64) ausgehend von dem Grundkörper (68) radial nach außen erstrecken, wobei sich die Zinnenfenster (66) entlang des Umfangs dazwischen und oberhalb des Grundkörpers (68) erstrecken.
Leitapparat nach Anspruch 5, ferner aufweisend: einen ersten Expansionsdichtungsring (58), der in einer vorderen Nut (54) zwischen dem ersten und zweiten Flansch (46, 48) angeordnet ist; einen zweiten Expansionsdichtungsring (58), der in einer hinteren Nut (56) zwischen dem dritten und vierten Flansch (50, 52) angeordnet ist; und einen Kontraktionsdichtungsring (70), der ebenfalls in der hinteren Nut (56) axial zwischen dem zweiten Ring (58) und dem mit Zinnen versehenen vierten Flansch (52) angeordnet ist.
Leitapparat nach Anspruch 5, wobei der dritte Flansch (50) ebenfalls mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 5, wobei der erste Flansch (46) ebenfalls mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 5, wobei: der dritte Flansch (50) ebenfalls mit Zinnen (64) versehen ist, die an der Außenfläche des äußeren Bandes (34) beginnen und Zinnenfenstern (66) entsprechen, die sich entlang der Außenfläche rund um den Umfang dazwischen erstrecken; und der erste Flansch (46) ebenfalls mit Zinnen versehen ist und einen ringförmigen Grundkörper (68) aufweist, der sich von dem äußeren Band (34) radial nach außen erstreckt, wobei sich Zinnen (64) ausgehend von dem Grundkörper (68) radial nach außen erstrecken und wobei sich entsprechende Zinnenfenster (66) rund um den Umfang entlang des Grundkörpers (68) dazwischen erstrecken.
Leitapparat nach Anspruch 9, ferner aufweisend: einen ersten Expansionsdichtungsring (58), der in einer vorderen Nut (54) zwischen dem mit Zinnen versehenen ersten und zweiten Flansch (46, 48) angeordnet ist; einen zweiten Expansionsdichtungsring (58), der in einer hinteren Nut (56) zwischen dem mit Zinnen versehenen dritten und vierten Flansch (50, 52) angeordnet ist; einen ersten Kontraktionsdichtungsring (70), der ebenfalls in der vorderen Nut (54) axial zwischen dem ersten Expansionsring (58) und dem mit Zinnen versehenen ersten Flansch (46) angeordnet ist; und einen zweiten Kontraktionsdichtungsring (70), der ebenfalls in der hinteren Nut (56) axial zwischen dem zweiten Expansionsring (58) und dem mit Zinnen versehenen vierten Flansch (52) angeordnet ist.
Turbinenleitapparat (24), zu dem gehören: ringförmige äußere und innere Bänder (34, 36), die einstückig mit gegenüberliegenden radialen Enden einer Reihe von Leitapparatschaufeln (38) verbunden sind; ein Paar Flansche (46–52), die sich von dem äußeren Band (34) radial nach außen erstrecken und axial beabstandet sind, um eine ringförmige Dichtungsnut (54, 56) zu definieren; und wobei einer der Flansche (46–52) mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 11, wobei der mit Zinnen versehene Flansch (46–52) eine Reihe von Zinnen (64) aufweist, die in Umfangsrichtung durch entsprechende Zinnenfenster (66) beabstandet sind.
Leitapparat nach Anspruch 12, wobei die Zinnen (64) an der Außenfläche des äußeren Bandes (34) beginnen, und wobei sich die Zinnenfenster (66) rund um den Umfang entlang der Außenfläche zwischen benachbarten Zinnen (64) erstrecken.
Leitapparat nach Anspruch 12, wobei der mit Zinnen versehene Flansch (46–52) ferner einen ringförmigen Grundkörper (68) aufweist, der sich von dem äußeren Band (34) radial nach außen erstreckt, und wobei sich die Zinnen (64) ausgehend von dem Grundkörper (68) radial nach außen erstrecken, wobei sich die Zinnenfenster (66) entlang des Umfangs dazwischen und oberhalb des Grundkörpers (68) erstrecken.
Leitapparat nach Anspruch 12, wobei die Anzahl der Zinnen (64) der Reihe von Leitschaufeln (38) entspricht.
Leitapparat nach Anspruch 12, wobei die Zinnen (64) in Umfangsrichtung beabstandet zwischen entsprechenden Paaren der Leitschaufeln (38) angeordnet sind.
Leitapparat nach Anspruch 12, ferner mit einem Dichtungsring (58), der in der Dichtungsnut (54, 56) angeordnet ist.
Leitapparat nach Anspruch 17, wobei der Dichtungsring einen Expansionsring (58) aufweist, der sich ausgehend von der Nut und oberhalb des Paars Flansche (46, 48) radial nach außen erstreckt und oberhalb des äußeren Bands (34) radial beabstandet ist.
Leitapparat nach Anspruch 17, wobei der Dichtungsring einen Kontraktionsring (70) aufweist, der radial innen an das äußere Band (34) angrenzt.
Leitapparat nach Anspruch 12, ferner aufweisend: einen Expansionsdichtungsring (58), der sich oberhalb des Paars Flansche (46, 48) von der Nut radial nach außen erstreckt und der oberhalb des äußeren Bands (34) radial beabstandet ist; einen Kontraktionsdichtungsring (70), der in der Dichtungsnut (56) angeordnet ist, wobei er seitlich an den Expansionsring (58) grenzt und radial innen an das äußere Band (34) angrenzt; und wobei der Kontraktionsring (70) seitlich an den mit Zinnen versehenen Flansch (52, 46) angrenzt.
Leitapparat nach Anspruch 12, ferner aufweisend: ein vorderes Paar erste und zweite der Flansche (46, 48), die sich von dem äußeren Band (34) an einem vorderen Ende davon radial nach außen erstrecken, um eine vordere ringförmige Dichtungsnut (54) zu definieren; ein hinteres Paar dritte und vierte der Flansche (50, 52), die sich von dem äußeren Band (34) an einem hinteren Ende davon radial nach außen erstrecken, um eine hintere ringförmige Dichtungsnut (56) zu bilden; und wobei einer der vier Flansche (46–52) mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 21, wobei: die Leitschaufeln (38) axial gegenüberliegende Anström- und Abströmkanten (40, 42) aufweisen, die den vorderen und hinteren Enden des äußeren Bandes (34) entsprechen, und wobei der erste, zweite, dritte und vierte Flansch (46–52) stromabwärts aufeinanderfolgend dazwischen angeordnet sind; und wobei der zweite Flansch (48) mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 22, wobei der vierte Flansch (52) ebenfalls mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 23, wobei: die vordere Nut (54) eine Expansionsring (58) enthält; und wobei die hintere Nut (56) sowohl eine Expansionsring (58) als auch einen seitlich angrenzenden Kontraktionsring (70) enthält, der seinerseits seitlich an dem mit Zinnen versehenen vierten Flansch (52) angrenzt.
Leitapparat nach Anspruch 24, wobei der dritte Flansch (50) ebenfalls mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 25, wobei: die Zinnen (64) in dem dritte Flansch (50) an der Außenfläche des äußeren Bandes (34) beginnen, und wobei sich die Zinnenfenster (66) rund um den Umfang entlang der Außenfläche zwischen benachbarten Zinnen (64) erstrecken; und der vierte Flansch (52) einen ringförmigen Grundkörper (68) aufweist, der sich von dem äußeren Band (34) radial nach außen erstreckt, und wobei die Zinnen (64) in dem vierten Flansch sich ausgehend von dem Grundkörper (68) radial nach außen erstrecken, wobei die Zinnenfenster (66) sich entlang des Umfangs dazwischen und oberhalb des Grundkörpers (68) erstrecken.
Leitapparat nach Anspruch 22, wobei der erste Flansch (46) ebenfalls mit Zinnen versehen ist.
Leitapparat nach Anspruch 27, wobei die vordere Nut (54) sowohl einen Expansionsring (58) als auch einen seitlich angrenzenden Kontraktionsring (70) enthält, der seinerseits seitlich an den mit Zinnen versehenen ersten Flansch (46) angrenzt.
Leitapparat nach Anspruch 28, wobei: die Zinnen (64) in dem zweiten Flansch (48) an der Außenfläche des äußeren Bandes (34) beginnen, und wobei sich die Zinnenfenster (66) rund um den Umfang entlang der Außenfläche zwischen benachbarten Zinnen (64) erstrecken; und der erste Flansch (46) einen ringförmigen Grundkörper (68) aufweist, der sich ausgehend von dem äußeren Band (34) radial nach außen erstreckt, und wobei sich die Zinnen (64) in dem ersten Flansch (46) ausgehend von dem Grundkörper (68) radial nach außen erstrecken, wobei sich die Zinnenfenster (66) in Umfangsrichtung dazwischen und oberhalb des Grundkörpers (68) erstrecken.