DE1601548A1

DE1601548A1 - Rahmen,insbesondere fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1601548A1
Application number: DE1967G0048929
Authority: DE
Inventors: Ciokajlo John Joseph
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-04-07
Filing date: 1967-01-04
Publication date: 1970-02-12
Also published as: DE1601548B2; BE692212A; FR1507471A; GB1137940A; NL6618002A; CH478340A

Description

Rahmen, insbesondere für Gasturbinen

Die Erfindung betrifft einen Rahmen, insbesondere für eine Gasturbine, Dieser Rahmen dient zum Tragen des Innen- und Außenmantels mit Hilfe von Streben, die starken Wärmespannungen ausgesetzt sind.

In Gasturbinenanlagen können bestimmte Bestandteile starken Temperaturechwankungeη ausgesetzt sein. Beim Anlaufen und Abstellen der Anlage werden große Temperaturunterschiede zwischen den Streben und dem Innen- und Außenmantel der-Anlage, die dem heißen Abgasstrom ausgesetzt sind, erzeugt. Der Innenmantel besteht normalerweise aus dem Endkegel, der den hinteren Lagerträger aufnimmt, und wird von dem Außenmantel mit Hilfe von tangentialen oder radialen Streben getragen, die in Umfangsrichtung in Abständen voneinander an-

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geordnet sind. Im allgemeinen enthält diese Anordnung auch, den Tragrahmen der Turbine. Es ist wichtig, daß diese Man- \ te! konzentrisch und kreisförmig gehalten werden, weil in Gasturbinenanlagen, beispielsweise in Rückstoß-Triebwerken, die Abstände genau eingehalten werden müssen. Es sind schon zahlreiche Stützanordnungen vorgeschlagen worden, ebenso auch Auskleidungen, die den Außenmantel vor dem direkten Einfluß der heißen Abgase' schützen sollen, wobei die Auskleidungen keine Last aufzunehmen brauchen. Es sind weiterhin am Außenumfang der Tragrahmen auch schon Rohrstützen vorgesehen worden, durch die an anderer Stelle abgenommene Luft geführt werden kann, damit der Tragrahmen erhitzt wird und sich, überall gleichmäßig ausdehnt. Wenn die heißen Abgase die Streben bestreichen, dehnen diese sich aus. Die zwischen den Streben vorgesehenen, äußeren Verbindungsmit- tel, die ebenfalls zu dem Tragrahmen gehören, können durch das an anderer Stelle abgenommene Gas ("additional bleed gas") erhitzt werden, damit gewährleistet ist, daß sich die äußeren Teile mit derselben Geschwindigkeit ausdehnen und dadurch die Wärmespannungen herabgesetzt werden. Die Wärmespannungen in dem Außenring des Tragrahmens treten auf, wenn im Betrieb der Anlage Temperaturveränderungen stattfinden, und haben bisher oft zum Ausfall des Tragrahmens durch Rißbildung im Außenring geführt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Streben des Tragrahmens

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schneller erhitzt oder abgekühlt werden können als der Außenring, so daß die Streben sich wärmebedingt ausdehnen oder zusammenziehen und den Ring verformen, in dem dadurch hohe Spannungen und schließlich Hisse erzeugt werden. Die Beaufschlagung mit Abgasen über Stutzen zwecks Erzielung einer gleichmäßigen Ausdehnung hat den Nachteil, daß ein Druckgefälle erforderlich ist, damit eine gleichmäßige Durchströmung des Hutprofile gewährleistet ist. Dieses DruckgefälIe setzt aber die Leistung der Anlage herab, weil Gas unter einem niedrigeren Druck abgegeben w i r d .

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tragrahmen für eine Turbine in einer Gasturbinenanlage mit einem Außenmantel· und einem Innenmantel zu schaffen, bei welcher der Innenmantel mit dem Außenmantel konzentrisch ist und mit diesem einen ringförmigen Abgas-Strömungskana1 bildet, wobei der Tragrahmen vollständig den Abgasen ausgesetzt ist, so daß er gleichmäßig und schnell erwärmt und abgekühlt wird und die Värmespannungen so auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit einem Tragrahmen für eine Gasturbine mit einem Außenmantel und einem mit dem Außenmantel im wesentlichen konzentrisch und koaxial angeordneten und mit diesem einen ringförmigen Strömungskanal für die heißen Abgase bildenden Innenmante.l gelöst,

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BADORlGfNAL ·/·

wobei axial in Abstand, voneinander angeordnete und mit radial auswärt sgericlxt et en Rippen versehene Rings an dem Außenmantel und aneinander stumpf anliegend befestigt sind und axial zwischen den Ringen mehrere in Umfangsrichtung in Abständen voneinander angeordnete Streben an dem Innen- und dem Außenmantel befestigt sind, und wobei zur Herabsetzung der ¥ärmespannungen die Ringe direkt den Abgasen ausgesetzt sind. Die Ringe sind im Querschnitt im wesentlichen T-förmig ausgebildet, indem der Steg des T die Rippe bildet und radial auswärts gerichtet ist und der Flansch des T sich axial über die Strebe hinaus erstreckt. Die Ringe bestehen aus Umfangssegmenten.. In gleichen Abständen voneinander angeordnete Segmente sind mit den flügelprofilförmigen Streben versehen ('!formed with airfoil struts"). Alle Segmente sind durch Stumpf— schweißung zu einem ununterbrochenen Ring miteinander verbunden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Figuren 1 bis 5 der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Umriß, teilweise weggebrochen, eine Gasturbinenanlage mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Tragrahmen;

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Fig. 2 in perspektivischer Darstellung einen Teil des Tragrahme ns ;

Fig. 3 in. einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 2 ein Tragrahmensegment mit einer Strebe;

Fig. k einen Teil des. Tragrahmens an der mit einer Strebe versehenen Stelle und

Fig. 5 im Querschnitt den Außen- und den Innenmantel-mit einer radialen Strebe.

Obwohl nachstehend der Erfindungsgegenstand anhand eines Tragrahmens für eine Turbine beschrieben wird, weil er vor allem für die.se Verwendung bei hoher Temperatur gedacht ist, kann allgemein der erfindungsgemäße Tragrahmen jedoch in allen Fällen verwendet werden, in denen ein tragender Teil starken Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.

Fig. 1 zeigt ein,Rückstoß-Triebwerk, beispielsweise ein Strahltriebwerk 10. Dieses Triebwerk umfaßt in bekannter Weise eine vorn angeordnete Einsaugöffnung, einen Verdichter 12, eine Brennkammer 1^ und eine Turbine 16. Die Turbine und der Verdichter werden zweckmäßig durch geeignete vor und hinter dem Lager 18 angeordnete Lager getragen. Das Lager 18 wird zentral von einem Turbinenrahmen 20 getragen. Durch den

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Turbinenralimen sind der Innenmantel 22 und das zentrale Lager 18 mit dem Außenmantel 24 verbunden. Im allgemeinen besteht der Turbinenrahmen aus konzentrischen Ringen, die in an sich bekannter Weise durch radiale oder tangentiale Streben 26 miteinander verbunden sind.

Da sich der Turbinenrahmen 20 in der Strömung der heißen Abgase befindet, ist er Bedingungen ausgesetzt, die sich stark verändern, so daß er sich schnell ausdehnen und schrumpfen kann. Um Wärmespannungen zu vermeiden, kann der Außenmantel 24 durch sine Auskleidung geschützt sein, die keine Last aufnimmt, aber den Außenmantel vor einer direkten Einwirkung der heißen Abgase schützt. Es ist ferner bekannt, am Außenumfang des Turbinenrahmens 20 heiße Gase vorbeizuführen, damit der Turbinenrahmen gleichmäßig erhitzt wird.

Erfindungsgemäß wird der Turbinenrahmen der Strömung der Abgase in dem Kanal 28 vollständig ausgesetzt, damit sich der Turbinenrahmen gleichmäßig ausdehnt und die Wärmespannungenauf ein Minimum herabgesetzt werden. Ferner kann der Turbinenrahmen so ausgebildet sein, daß er einen Teil des Außenmantels 24 selbst bildet, so daß dazwischen keine Auskleidungen oder Hutprofile vorgesehen zu werden brauchen.

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Der die zueinander konzentrisch und koaxial angeordneten ' » Mantel Zk und 22 verbindende Rahmeα umfaßt, wie aus Fig. 2 ersichtlich zwei axial in Abstand voneinander angeordnete Ringe 28 und 30. Diese Ringe sind vorzugsweise T-förmig, wie in der Zeichnung dargestellt ist, so daß sie eine radial auswärts vorstehende Rippe 32 bzw. Jk aufweisen. Die Rippen dienen zur Versteifung des Ringrahmens, zu dem sie gehören, und bilden ferner Wärmeabstrahlrippen. Jeder Ring besitzt einen axialen Flansch 36 bzw, 30, Diese Teile sind beispielsweise durch Stumpfschweißung mit dem Außenmantel 2h verbunden, so daß sie mit diesem ein gemeinsames Konstruktionsteil bilden. Damit die Ringe den gewünschten Abstand voneinander haben, kann zwischen ihnen ein Abstandhalter ko vorgesehen sein, der gemäß Fig. 2 mit den einander zugekehrten Rändern der Ringflansche durch Stumpfschweißung verbunden ist. Die beiden Ringe sind daher effektiv stumpf miteinander gestoßen und verbunden und bilden mit dem Auße'runantel der Turbine ein Teil. Da die Ringe im Abstand voneinander angeordnet sind, versteifen sie den Mantel und die Rippen 32 und Jk bilden Wärmeabstrahlflächen. Für die Funktion als wärmeaufnehmender Teil ist es zweckmäßig, wenn die Rippen und der Flansch jedes Ringes im wesentlichen gleich dick sind. Aus den nachstehend erläuterten Gründen besteht die hier beschriebene Anordnung vorzugsweise aus einzelnen Segmenten, die längs ihrer Stirnflächen 42 durch Stumpfschweißung miteinander verbunden sind'.

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-Zum Tragen des Innenmantels 22 und des diesem zugeordneten Lagere 18 sind die bereits erwähnten Streben 26 vorgesehen· Diese besitzen vorzugsweise Flügelprofil und können zum Teil in einander benachbarten Segmenten ausgebildet sein, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Danach ist die Strebe bei kk an das Segment angegossen. Wenn die Strebe gemäß Fig. 3 und 4 angegossen ist, kann der innere Teil der Strebe 26 direkt zwischen den Ringen an den einwärtsgerichteten Fortsatz k6 der Ringe und des Abstandhalters zwischen den. axialen Enden der Flansche J6 und 38 angeschweißt werden, so daß die Schweißnaht vollständig und visuell zugänglich ist. Die Außenringe 32 und 3k bestehen somit aus einzelnen Umfangs-Segmenten. Je nach der Anzahl der erforderlichen Streben können in gleichen Abständen voneinander angeordnet e Segmente gemäß Fig. 2 nach der in Fig. 5 veranschaulichten Weise eingefügt werden. Alle Segmente sind an ihren Rand» flächen durch Stumpfschweißung miteinander zu einem ununterbrochenen Ring verbunden. Um ein solches Zusammenschweißen zu ermöglichen, sind am Flansch des Ringes axial· Öffnungen k8 vorgesehen, damit die wärmeaufnehmende Wirkung der axialen Flansche 36 und 38 ausgeglichen wird. Wenn der Flansch als eine zu groß· Wärmesenk· wirken würde, könnt· das zu schweißende Metall an dieser Stelle keine gute Schweißnaht bilden und die Spannungen werden durch die Öffnungen k8 vermieden·

Fig. k zeigt einen Querschnitt. Wi* vorstehend dargelegt, kann

der innere Teil einer Streb« 26 an einem einwärtsg«riehfc«t*n

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Fortsatz 46 angeschweißt werden. Der übrige Teil der Konstruktion ist in Fig. 3 dargestellt. Der Pfeil 50 deutet die Richtung der heißen Abgase an.

Fig. 5 zeigt die beiden Mäntel und die segraentartig aufgebaute Ringkonstruktion. Obwohl hier radiale Streben 26 gezeigt sind, können auch tangentiaIe Streben verwendet werden.

Der hier angegebene Trag- bzw. Turbinenrahmen unterscheidet i sich von den bekannten. Rahmen vor allem dadurch, daß er eine vollständig freiliegende Konstruktion bildet, die sich schnell ausdehnt und schrumpft und mit dem Mantel der Turbine zu einem Konatruktionsteil verbunden ist. Wie duroh den Doppelpfeil in Fig. 4 angedeutet, verursacht eine radiale Ausdehnung keine Spannungen und Verformung des Tragrahmens, so daß die bisher aufgetretenen Risse vermieden werden. Der Außenmantel bildet einen Teil des Turbinenrahmens und ist zusammen mit diesem beweglich. Der Turbinenrahmen ist daher im wesentlichen spannungsfrei und zeichnet sich durch eine lange Gebrauchsdauer und rasche Anpassung an Temperaturveränderungen der Turbine aus.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

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Claims

PA TENTAN WAL Tt m 16015A8 PATENTANWALT DIPL.-ING RICHARD MULLER-BORNER · PATENTANWALT DIPL.-ING. HANS-W EINPICH WtY BERLIN-DAHLEM - PODB ELSKIALLEE 68 MÜNCHEN 22 · WtDENMAYEHSTRASSE 49 TELEFON: 76 29 07 · TELEGRAMME: PROPINOUS ldk TELEFO N : 22 55 85 · TELEGRAMME: PROPINDUS BERLINER BANK AKTIENGESELLSCHAFT · DEPKA 39 ß\) DRESDNEFiBANKAGMONCHEN-DEPKALtOPOLDSTR. BERLIN-ZEHLENDOHF ■ K ONTO - NU M M EH 96 123 KONTO-NUMMER GO 666 POSTSCHECKKONTO: BERLIN-WEST NU MMER 4491 POSTSCHECKKONTO: MÜNCHEN NUMMER 33« St 19 509 General Electric Company Schenectady , New York (USA) Pat entansprüche

1. Rahmen, insbesondere für Gasturbinen mit einem Außenmantel und einem zum Außenmantel im wesentlichen konzentrischen Innenmantel und mit einem ebenfalls konzentrisch dazu verlaufenden, ringförmigen Strömungskanal, beispielsweise für heiße Abgase, gekennzeichnet durch axial in Ab« stand voneinander angeordnete Ringe (28, 30) , die mit rddial auswärts gerichteten Rippen (32, 34) versehen und stumpf an dem Außengehäuse (24) und aneinander gestoßen und befestigt sind, sowie durch mehrere axial zwischen den Ringen (28, 30) in Umfangsrichtung in Abständen voneinander angeordnete Streben (26), die an dem Innenmantel (22) und dem Außenmantel (24) befestigt sind, wobei zur Herabsetzung der Wärmespannungeη die Ringe beispielsweise den Abgasen direkt ausgesetzt sind.

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2. Rahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (28, 30) im wesentlichen einen T-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei der Steg (32, 3^) des T*s die Rippe bildet und radial auswärtsgerichtet ist und der Flansch (36, 38) sich axial über die Strebe (27) hinaus erstreckt.

3· Rahmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (28, 30) axial in Abstand voneinander angeordnet und stumpf mit einem Abstandhalter (4o) gestoßen und an diesem befestigt sind.

k, Rahmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (26) ein Strömungsprofil aufweisen und jeweils an einen radial einwärtsgerichteten Portsatz (46) der Ringe (28, 30) befestigt sind.

5. Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (28,30) aus einzelnen Umfangssegaienten bestehen und in gleichen Abständen voneinander angeordnete Segnente mit flugelprofiIfÖrmigen Streben (26) versehen sowie alle Segmente durch Stumpfschweißung miteinander zu einem ununterbrochenen Ring verbunden sind.

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BAD ORIGfNAL

6. Rahmen nach Anspruch 5 ι dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (3², 3*0 zwischen aneinanderstoßenden Segmenten an ihren Flanschen (36, 38) mit axialen Öffnungen (48) versehen sind.

7. Rahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, ansonat wie beschrieben und bzw. oder dargestellt.

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