DE1221849B - Axial-Gasturbine - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F02c

Deutsche Kl.: 46f-ll

Nummer: 1221849

Aktenzeichen: U 82451 a/46 f

Anmeldetag: 7. August 1961

Auslegetag: 28. Juli 1966

Die Erfindung betrifft eine Axial-Gasturbine mit Leitschaufeln, deren eines Ende fest in einem den Strömungskanal begrenzenden Ring und deren anderes Ende durch einen von jeder Schaufel ausgehenden Bolzen über einen kugelförmigen Bauteil gelenkig und in Schaufellängsrichtung verschiebbar in je einer Ausnehmung an dem den Strömungskanal auf der anderen Seite begrenzenden Ring gehalten sind.

Bei derartigen Axial-Gasturbinen ist es erwünscht, daß die Leitschaufeln so gehalten werden, daß sie sich in verschiedenen Richtungen etwas bewegen können, um Temperaturunterschiede auszugleichen und dadurch hervorgerufene Deformationen zu vermeiden, die in bezug auf die Leitschaufeln in verschiedenen Richtungen auftreten.

Weiter ist bei derartigen Axial-Gasturbinen erwünscht, daß sich die Leitschaufeln sowohl einfach montieren als auch demontieren bzw. in dem den Strömungskanal begrenzenden Ring einsetzen lassen.

Weiter sollen die Leitschaufeln bei derartigen Axial-Gasturbinen durch Luft gekühlt werden. Dabei ist es zweckmäßig, daß zur Zufuhr der Kühlluft keine besonderen Bauteile erforderlich sind, sondern die zum Halten der Leitschaufeln bestimmten Bauteile auch zur Zufuhr der Kühlluft herangezogen werden können.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1049 393 ist eine Axial-Gasturbine mit Leitschaufeln bekannt, bei denen der am Innenende der Leitschaufeln angeordnete Bolzen selbst Kugelform hat. Dieser kugelförmige Bolzen liegt in einer glatten zylindrischen Bohrung. Dadurch ergibt sich ein Lager, in dem lediglich Linienberührung vorliegt. Ein solches Lager ist schwächer als ein Lager, bei dem eine flächenhafte Berührung vorliegt. Bei der Axial-Gasturbine gemäß der deutschen Auslegeschrift 1049 393 ist ein Herausschwenken und einzelnes Herausnehmen oder Herausziehen einer Leitschaufel nicht möglich.

Die USA.-Patentschrift 2 741455 beschreibt eine Gasturbine mit Leitschaufeln, die zur Durchleitung von Kühlluft hohl ausgebildet sind. Eine Befestigung der Leitschaufeln, die das einzelne Herausnehmen der Leitschaufeln zuläßt, ist bei dieser bekannten Konstruktion nicht vorgesehen.

Auch die USA.-Patentschrift 2 738 949 beschreibt eine Gasturbine, bei der die Leitschauf ein zum Durchleiten eines Kühlmittels hohl ausgebildet sind. Die Möglichkeit, die Leitschaufeln einzeln aus der Turbine herauszunehmen, ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axial-Gasturbine und insbesondere die Befestigung der Leitschaufeln so auszubilden, daß die Leitschau-Axial-Gasturbine

Anmelder:

United Aircraft Corporation,
East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Berkenfeld, Patentanwalt,

Köln-Lindenthal, Universitätsstr. 61

Als Erfinder benannt:

Charles J. Peterson,

North Palm Beach, Fla. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. August 1960
(49 979)

fehl durch Erwärmung oder Abkühlung entstehende Deformationen ohne Materialbeanspruchung auffangen, daß die Leitschaufeln einfach und einzeln aus ihrer Halterung herausgenommen werden können und daß die Leitschaufeln durch Durchleiten eines Kühlmittels gekühlt werden können. Ausgehend von der eingangs beschriebenen Konstruktion werden diese Ziele dadurch erreicht, daß der von jeder Leitschaufel ausgehende Schaufelbolzen mit Gleitsitz in einer Bohrung des kugelförmigen Bauteils gelagert ist, daß in bekannter Weise die Ausnehmung im Außenring mit kugelförmiger Lagerfläche ausgebildet ist und daß in weiterhin bekannter Weise jede Leitschaufel Hohlräume aufweist, die über Bohrungen im Schaufelbolzen an eine Kühlmittelversorgungsemrichtung angeschlossen ist.

Im Zusammenhang mit der thermischen Belastung ist zu beachten, daß die Leitschaufeln beim Anlassen der Turbine innerhalb von zwei Minuten von Raumtemperatur bis auf 1700° C erwärmt werden. Die dadurch bedingte thermische Expansion wird erfindungsgemäß durch die Verschieblichkeit des Schaufelbolzens in dem kugelförmigen Bauteil aufgefangen.

Zum Herausnehmen einer Leitschaufel wird der den Strömungskanal begrenzende Ring gelöst und die Leitschaufel wird dann in Axialrichtung gekippt. An-

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schließend wird die Leitschaufel mit ihrem einen dann noch festliegenden Ende aus der Bohrung des kugelförmigen Bauteils herausgezogen. Dies ist besonders einfach, da hierzu lediglich der zylindrische Schaufelbolzen aus der zylindrischen Bohrung des kugelförmigen Bauteils herausgezogen werden muß. Zu erwähnen ist, daß die Teilung der Lagerung in den Schaufelbolzen und das kugelförmige Bauteil eine genauere Ausbildung der Lagerflächen zwischen diesem kugelförmigen Bauteil und der dieses Bauteil aufnehmenden kugelförmigen Lagerfläche zuläßt. Bei der bekannten Konstruktion gemäß der deutschen Auslegeschrift 1049 393, bei der der Schaufelbolzen selber als Kugel ausgebildet ist, muß das Lager zwischen Kugel und der diesen haltenden zylindrischen Bohrung mit größerem Spiel ausgebildet werden.

Die Erfindung wird nun am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführung näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Aufsicht auf einen Teil des Leitschaufelkranzes und der Befestigung der Leitschaufeln an deren innerem und äußerem Ende, wobei einige Teile weggelassen und einige Teile geschnitten sind;

F i g. 2 zeigt abgewickelt den Außenumfang des in F i g. 1 gezeigten Außenrings;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine Leitschaufel und die zugehörigen Teile der Halterung der Leitschaufel;

F i g. 4 ist ein Schnitt entlang der Schnittebene 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 3, wobei ein Flansch abgenommen und eine Leitschaufel zum Herausnehmen nach vorn geschwenkt ist;

F i g. 6 zeigt eine weitere Stufe beim Herausnehmen einer Leitschaufel.

In den F i g. 1 und 3 ist der Kranz der Leitschaufein allgemein mit 10 bezeichnet. Er befindet sich in einer Axial-Gasturbine. Der Kranz enthält mehrere Leitschauf ein 12, die die Gasströmung auf die Leitschaufeln des sich anschließenden Turbinenrades lenken. Aus Fi g. 3 erkennt man, daß das Turbinenrad rechts von der Leitschaufel 12 angeordnet ist. Eine unter hohem Druck stehende Gasströmung wird den Leitschauf ein durch eine Ringleitung zugeführt. F i g. 3 zeigt eine solche Ringleitung aus einem äußeren Brennkammerring 14 und einem inneren Brennkammerring 16. Beide Ringe sind konzentrisch zur Turbinenachse angeordnet. Der innere Brennkammerring 16 wird mit einem Halteglied 18 an einem geeigneten Teil der Gasturbine gehalten.

Die in F i g. 1 gezeichneten ringförmig aufeinanderfolgenden Leitschauf ein 12 haben im allgemeinen gleiche Form, gleiche radiale Länge und sind so angeordnet, daß ihre Innen- und Außenenden auf konzentrisch zueinander verlaufenden Kreisen liegen. Die Leitschaufehl werden sowohl an ihren Innen- als auch an ihren Außenenden durch ringförmige Halterungen gehalten, die neben den Schaufelenden verlaufen. Die mit den Innenenden der Leitschaufel 12 zusammenwirkenden Halterungen halten diese Schaufelenden in fester Lage. Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist, besteht diese Halterung vorzugsweise aus einem Ring 20, der im vorliegenden Fall einen Teil des inneren Gehäuses der Brennkammer ist. Am strömungsabwärtigen Ende ist der Ring 20 mit einem radial nach außen verlaufenden Flansch 22 versehen, der an seinem Rand eine ringförmige, strömungsaufwärts gerichtete Lippe 24 aufweist. Der Ring 20 enthält weiter einen radial nach außen verlaufenden Flansch 26, der in einem Abstand strömungsaufwärts von demFlansch 22 steht und an dem ein radial nach innen verlaufender Flansch 28 eines Ringes 30 befestigt ist. Die beiden Flansche 28 und 26 werdendurchmehrereBolzen zusammengehalten, von denen einer bei 32 dargestellt ist, und der Ring 30 ist axial gleitbar strömungsaufwärts des Ringes 20 angeordnet und kann nach Lösen der Bolzen 32 von diesem abgenommen werden.
An den Innenenden sind die Leitschaufeln 12 mit

ίο einer inneren Ummantelung 34 versehen, die im allgemeinen in Umfangsrichtung der Leitschaufeln verläuft. Die inneren Ummantelungen 34 sind so bemessen und angeordnet, daß bei richtiger Lage sämtlicher Leitschaufeln 12 in dem Kranz 10 jede Ummantelung 34 an den beiden angrenzenden Ummantelungen anliegt, so daß sämtliche Ummantelungen gemeinsam einen im wesentlichen geschlossenen Strömungskanal bilden, der die Gasströmung auf eine axiale Richtung festlegt und verhindert, daß die Gasströmung aus dem vorgesehenen Weg heraus radial nach innen austritt. Entlang ihrer frei laufenden Kante sind die inneren Ummantelungen 34 radial vergrößert und mit einer stromabwärts weisenden Ausnehmung 36 versehen, die so bemessen ist, daß die auf dem Flansch 22 vorgesehene ringförmige Lippe 24 in sie hineinpaßt. Die ses Ineinandergreifen zwischen Ausnehmung 36 und Lippe 24 verhindert, daß die Leitschaufeln 12 radial zu ihrer Halterung bewegt werden können.

Zusätzlich ist jede Leitschaufel 12, wie es am besten F i g. 1 zu entnehmen ist, an dem freiüegenden Teil ihres inneren Endes mit einem radial nach innen gerichteten Einschnitt 38 versehen, wodurch zwei radial verlaufende und in Umfangsrichtung auseinanderstehende Flächen 40 gebildet werden, die sich gegenüberstehen. In den Einschnitt 38 faßt ein radial nach außen gerichteter und auf dem Ring 30 gebildeter Ansatz 42 hinein. Der Ansatz 42 weist zwei radial verlaufende und in Umfangsrichtung aüseinanderliegende Flächen 44 auf, die an den Flächen 40 anliegen und mit diesen so zusammenwirken, daß eine Verschiebung der Leitschaufeln 12 in Umfangsrichtung gegenüber dem Ring 30 und dem Ring 20 unterbunden wird. Vorzugsweise wird die Bewegungsmöglichkeit jeder Leitschaufel 12 in Umfangsrichtung zusätz-Hch noch an den Stirnseiten ihrer Innenenden begrenzt. Zu diesem Zweck ist jede Leitschaufel 12 an ihrem Innenende mit einem radial nach innen gerichteten Ansatz 46 versehen, der in einen entsprechenden Einschnitt 48 hineinpaßt, der seinerseits in dem Ring 30 vorgesehen ist. Der Ansatz 46 und der Einschnitt 48 bilden miteinander zusammenwirkende radial verlaufende und in Umfangsrichtung in einem Abstand voneinander liegende Flächen, die zusammenwirken und eine Bewegung der Leitschaufehl in Umfangsrichtung beschränken. Die Innenenden der Leitschaufeln werden in axialer Richtung durch einen nach außen verlaufenden ringförmigen auf dem Ring 30 ausgebildeten Flansch SO gesichert. Der in Fig. 3 gezeigte Flansch 50 hat eine strömungsabwärts weisende Fläche 52, die an den stromaufwärts liegenden Flächen 53 der inneren Ummantelung 34 anliegt.

An ihren Außenenden werden die Leitschaufeln 12 und der Kranz 10 von Mitteln gehalten, die sowohl ein radiales Verschieben als auch Schwenkbewegungen ermöglichen. Gemäß den F i g. 1 und 3 ist jede Leitschaufel 12 mit einer äußeren Ummantelung 54 versehen, die ähnlich der inneren Ummantelung 34, wie es am besten Fig.2 zeigt, in Umfangsrichtung

der dazu gehörenden Leitschaufel 12 verläuft und an den an beiden Seiten angrenzenden Ummantelungen 54 anliegt, so daß alle Ummantelungen 54 gemeinsam einen im wesentlichen geschlossenen, die Außenenden der Leitschaufeln einschließenden Ring bilden. An jeder Ummantelung 54 ist ein radial nach außen zeigender Schaufelbolzen 56 angebracht, der seinerseits gleitbar in einer Bohrung eines kugelförmig ausgebildeten Lagers 58 gehalten wird. Das Lager 58 wird in einem Außenring 60 gehalten, der ein Teil der Halterung der Außenenden der Leitschaufehl 12 ist und vorzugsweise mit dem Turbinengehäuse 62 aus einem Stück besteht.

Jedes Lager 58 weist eine Ausnehmung 64 auf, die im Außenring 60 ausgebildet ist. Innen ist jedes Lager 58 mit einem Umfangsflansch 66 versehen, der an der Innenfläche des Außenringes 60 anliegt. Das Lager 58 wird in dem Außenring 60 durch einen Abdichtring 68 an ihrer Stelle gehalten, der mehrere Laschen 70 aufweist, die an den entsprechenden Umfangsflanschen 66 anliegen, wie dies in den F i g. 3 und 6 dargestellt ist. Der Abdichtring 68 ist mit Nieten 72 an dem Außenring 60 befestigt. Die Niete 72 gehen durch Abdichtring 68 und den Außenring 60 durch. Die Ausnehmung 64 jedes Lagers 58 ist mit einer kugelförmigen Lagerfläche 74 versehen, die ein kugelförmiges Bauteil 76 aufnimmt, welches seinerseits eine entsprechende sphärische Oberfläche 78 aufweist. Das kugelförmige Bauteil 76 wird so gehalten, daß eine Schwenkbewegung gegenüber dem Außenring 60 möglich ist. Das heißt, daß sich das kugelförmige Bauteil frei um eine radial durch die Ausnehmung 64 gehende Achse drehen kann und weiter in jeder Richtung frei verschwenkbar um einen zentrisch in ihm liegenden Drehpunkt. Vorzugsweise sind sowohl die Bohrung im kugelförmigen Bauteil als auch der Schaufelbolzen zylindrisch und von kreisförmigem Querschnitt, so daß sich der Schaufelbolzen gegenüber dem kugelförmigen Bauteil sowohl axial verschieben als auch verdrehen kann. Sowohl die Schaufelbolzen als auch die Bohrungen in den kugelförmigen Bauteilen können auf Wunsch mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt versehen werden.

Zusätzlich zu seiner Aufgabe als Halterung für die Lager 58 ist der Außenring 60 weiter vorzugsweise an seiner strömungsaufwärts liegenden Kante mit einer ringförmigen Ausnehmung 80 versehen, die zur Aufnahme eines Ringes 81 dient, der, wie in F i g. 3 gezeigt, mit dem äußeren Brennkammerring 14 verbunden ist und zu dessen Befestigung und Abdichtung dient. Der Außenring 60 enthält weiter einen radial nach innen verlaufenden Ringflansch 82 und der Abdichtring 68 ist so gebogen, daß er in den Ringflansch 82 und die strömungsabwärts liegenden Kanten der äußeren Ummantelung 54, wie in Fi g. 3 gezeigt, eingreift, wodurch eine Abdichtung erfolgt.

Aus den Fig. 1 und 3 ergibt sich, daß die Schaufelbolzen 56 und die Lager 58 die Außenenden der Leitschaufeln 12 so halten, daß sich diese Enden in verschiedenen Richtungen frei bewegen können, um Wärmespannungen auszugleichen. Zum Beispiel ermöglicht der Gleitsitz der Schaufelbolzen 56 in den kugelförmigen Bauteilen 76, daß sich die Außenenden der Leitschaufeln 12 radial ausdehnen oder zusammenziehen können. Dieser Gleitsitz und zusätzlich der Gleitsitz zwischen den kugelförmigen Bauteilen 76 und den Ausnehmungen 64 ermöglicht weiter, daß sich die Außenenden der Leitschaufeln 12 gegenüber den feststehenden Innenenden verdrehen können, so daß etwa in den Leitschaufeln 12 durch Erwärmung entstehende Torsionsbeanspruchungen vermieden werden. Die drehbar gehaltenen kugelförmigen Bauteile 76 ermöglichen weiter, daß die Schaufelbolzen 56 gegenüber den Mittelpunkten der kugelförmigen Bauteile in jeder Richtung verschwenkt werden können und dadurch Wärmebeanspruchungen ausgeschaltet werden, die solche Schwenkbewegungen hervorrufen könnten. Auf diese Weise verleiht die an den Außenenden der Leitschaufeln 12 vorgesehene Halterung diesen ein hohes Maß an Nachgiebigkeit, was sich vorteilhaft zur Vermeidung von Belastungen eignet.

Die in den Zeichnungen gezeigten Leitschaufeln 12 haben Luftkühlung. Insoweit als bestimmte, ins Allgemeine gehende Merkmale der Erfindung betroffen sind, brauchen die Leitschaufeln nicht notwendigerweise luftgekühlt zu sein. Bei Verwendung von ge-

ao kühlten Leitschaufeln jedoch liegt eines der wichtigen Merkmale der Erfindung darin, daß die vorstehend beschriebene Leitschaufelbefestigung einen Teil einer Anlage bildet, mit der die Kühlluft durch die Leitschaufeln 12 geführt wird. Gemäß diesem Merkmal der Erfindung sind die Leitschaufeln hohl ausgebildet, wie es in den F i g. 3 und 4 gezeigt ist, und die Schaufelbolzen 56 haben Bohrungen, die in F i g. 3 gezeigt sind und die mit dem Innern der Leitschaufeln 12 zur Zufuhr von Kühlluft in Verbindung stehen. Die F i g. 3 und 4 zeigen eine Leitschaufel 12, die aus einem Hohlkörper 84 besteht. Der Hohlkörper 84 weist an seiner Innenseite mehrere in Längsrichtung verlaufende Rillen 86 auf, die durch in Längsrichtung verlaufende Rippen 88 voneinander getrennt werden. In dem Hohlkörper 84 befindet sich ein Prallglied 90, das mit den Rippen 88 in Verbindung steht und die Rillen 86 verschließt, so daß längsgerichtete Durchgänge entstehen, die die Kühlluft an der Innenseite des Hohlkörpers 84 entlangleiten. Das Prallglied 90 wird an seinem oberen Ende durch eine Abdeckplatte 92 verschlossen, und sein Außenende ist mit mehreren Öffnungen 93 versehen, die die Bohrung 83 des zugehörigen Schaufelbolzens 56 und die durch die Rillen 86 gebildeten Durchgänge verbindet. Somit wird die der Leitschaufel 12 durch die Bohrung 83 zugeleitete Luft den verschiedenen durch die Rillen 86 gebildeten Durchgängen zugeführt. Die innere Ummantelung 34 jeder Leitschaufel 12 ist mit einer Öffnung 93 versehen, durch die die durch den Hohlkörper 84 durchtretende Luft abgeführt wird. Die Öffnung 94 steht mit sämtlichen durch die Rillen 86 gebildeten Durchgängen in Verbindung. Nach dem Austritt aus den Öffnungen 94 tritt die Kühlluft in eine Kammer 96 ein, die durch den Ring 30 und die inneren Ummantelungen 34 gebildet wird. Sie tritt dann durch eine oder mehrere Öffnungen 100 des Ringes 20 durch und strömt in Richtung auf die Turbinenachse weiter, von wo sie durch nicht dargestellte geeignete Mittel abgeführt wird.

Wie F i g. 3 zeigt, umgibt das Turbinengehäuse 62 den Außenring 60 und bildet zusammen mit diesem, dem Ring 81 und dem äußeren Brennkammerring 14 eine Versorgungseinrichtung 102, die mit sämtlichen Schaufelbolzen 56 in Verbindung steht, so daß sämtliehen Schaufelbolzen gleichzeitig Kühlluft zugeführt wird. Die unter Druck stehende Kühlluft wird der Versorgungseinrichtung 102 durch geeignete Mittel zugeführt. Die Kühlluft kann z. B. vom Kompressor

abgezapft und um die Brennkammer herumgeführt werden.

Die Befestigungsmittel für die Leitschaufeln 12 sind von solcher Konstruktion, daß sich die Leitschaufeln leicht montieren und demontieren lassen. Der Ring 30, der einen Teil der Befestigung oder Halterung für die Innenenden der Schaufehl 12 bildet, ist durch die Bolzen 32 lösbar mit dem Ring 20 verbunden. Nach Lösen des Ringes 30 von dem Ring 20 können die Schaufern 12 um die Mittelpunkte der Lager 58 geschwenkt werden. Somit kann jede Schaufel 12 nach Entfernen des Ringes 30 aus der in Fig. 3 gezeigten aufrechten Stellung, in der ihre Innenenden neben dem Ring 20 liegen, in die in F i g. 5 gezeigte geneigte Stellung geschwenkt werden, in der sich ihre Innenenden in einem beträchtlichen Abstand von dem Ring 20 befinden. Der Abstand zwischen dem Innenende der geneigten Leitschaufel 12 und dem Ring 20 reicht aus, um ein Kippen und Herausziehen der Schaufel aus dem Eingriff mit dem kugelförmigen Bauteil 76 zu ermöglichen, um die Leitschaufel 12 zu demontieren, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Zur Montage wird zuerst der Schaufelbolzen 56 in die Bohrung des kugelförmigen Bauteils 76 eingesetzt, während die Leitschaufel noch gegenüber der Turbinenachse geneigt ist. Anschließend wird die Leitschaufel 12 in die in F i g. 3 gezeigte aufrechte Stellung gekippt und dann so gestellt, daß die Ausnehmung 36 über die Lippe 24 faßt. Nach dem Einsetzen sämtlicher Leitschaufeln 12 wird der Ring 30 eingesetzt und mit den Bolzen 32 mit dem Ring 20 verbunden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Axial-Gasturbine mit Leitschaufeln, deren eines Ende fest in einem den Strömungekanal begrenzenden Ring und deren anderes Ende durch einen von jeder Schaufel ausgehenden Bolzen über einen kugelförmigen Bauteil gelenkig und in Schaufellängsrichtung verschiebbar in je einer Ausnehmung an dem den Strömungskanal auf der anderen Seite begrenzenden Ring gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelbolzen (56) mit Gleitsitz in einer Bohrung des kugelförmigen Bauteils (76) gelagert ist, daß in bekannter Weise die Ausnehmung (64) im Außenring (60) mit kugelf örmiger Lagernäche (74) ausgebildet ist und daß in weiterhin bekannter Weise jede Leitschaufel (12) Hohlräume (84) aufweist, die über Bohrungen (83) im Schaufelbolzen (56) an eine Kühhnittelversorgungseinrichtung (102) angeschlossen ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 830 853, 823 823;
   deutsche Auslegeschrift Nr. 1 049 393;
   britische Patentschrift Nr. 589 541;
   USA.-Patentschriften Nr. 2 741455, 2 738 949,
   605 997,2488 875.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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