DE2258480A1

DE2258480A1 - Zusammengesetztes dehnungsteil

Info

Publication number: DE2258480A1
Application number: DE19722258480
Authority: DE
Inventors: Penny Robert Noel
Original assignee: PENNY ROBERT NOEL
Current assignee: PENNY ROBERT NOEL
Priority date: 1971-12-01
Filing date: 1972-11-29
Publication date: 1973-06-07
Also published as: IT975912B; BE792224A; FR2164215A5; US3854843A; JPS4863111A; AU4931272A; SE385941B; JPS5138371B2; AU463454B2; CH561354A5; GB1363897A; NL7216110A; CA989312A

Description

PATB	IT TA ST W AIiT
DIPIi-ING.	K. HOIiZEB
89 A	UGSBXTRG
ΪΗΙΙΛΡΡΙΝΒ	-WStSFn-STBASSB U
TB	LKfONt 81375

W. 596

Augsburg, den 28. November 1972

Robert Noel Penny, 12 Alderbrook Road, Solihull,

Warwickshire, England,

Zusammengesetztes Dehnungsteil

Die Erfindung betrifft ganz allgemein zusammengesetzte Teile und betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich Leitschaufelträgeranordnungen, welche den Turbinenrotor von Gasturbinentriebwerken konzentrisch umgeben.

Leitschaufelträger umgeben den Außenumfang von Turbinenrotoren und legen dadurch die Außenbegrenzung

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des durch die Turbine hindurchverlaufenden Treibmittelkanals radial außen fest. Die Rotorschaufeln selbst können entweder ohne Deckband oder mit Deckband ausgestattet sein, welch letzteres zumeist einstückig mit den Laufschaufeln ausgeführt ist und konzentrisch zum Leitschaufelträger liegt. Zwischen den Schaufelenden deckbandloser Schaufeln bzw. ggfs. dem Deckband des Turbinenrotors und dem Leitschaufelträger muß selbstverständlich ein Laufspiel in Form eines Ringspaltes bestimmter Radialabmessung vorgesehen sein.

Der Turbinenrptor, welcher die Laufschaufeln und ein gegebenenfalls vorhandenes Deckband trägt, ist aus einem Werkstoff gefertigt, welcher den notwendigerweise einzuhaltenden hohen Betriebstemperaturen standhält. In gleicher Weise ist auch der Leitschaufelträger hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt und ebenfalls aus einem Werkstoff hergestellt, der solchen hohen Temperaturen standhält. Wenn der Rotor und der Leitschaufelträger aus gleichem Werkstoff hergestellt sind, so dehnt sich der Leitschaufelträger stärker als der Rotor, so daß der Ringspalt bei steigender Betriebstemperatur in zunehmendem Maße größer wird. Dies hat seine Ursache darin, daß der Temperaturgradient des Rotors in radialer Richtung von der

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Nabe zu den Schaufelenden bzw. zum Rotordeckband hin größer wird. Die zunähme der Radialabmessung des Ringspaltes hat zur Folge, daß die Turbine bei Erreichung ihrer Betriebstemperatur leistungsmäßig schlechter wird, weil andererseits bei kalter Turbine zur Verhinderung des Scheuerns des Turbinenrotors am Leitschaufelträger ein Mindestradialspiel vorhanden sein muß.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bezüglich des Leitschaufelträgers eine im wesentlichen gleiche Radialdehnung wie beim Rotor zu erreichen, so daß der Ringspalt zwischen dem Rotor und dem Leitschaufelträger innerhalb des gesamten Betriebstemperaturbereiches der Turbine eine im wesentlichen gleichbleibende Radialabmessung hat.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung ein zusammengesetztes Bauelement, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß dasselbe aus mindestens zwei Teilen verschiedenen Materials besteht, deren Enden zusammengefügt, deren Materialien jeweils im Hinblick auf ihre Temperatur-Längendehnungskoeffizienten so ausgewählt und deren Gesamtabmessungen jeweils so beschaffen sind, daß das ganze Bauelement bei Erleiden einer bestimmten

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Temperaturänderung eine Abmessungsänderung erfährt, die einem bestimmten effektiven Temperatur-Längendehnungskoeffizienten entspricht.

Die Erfindung beinhaltet weiterhin ein solches Bauelement als Leitschaufelträger für Gasturbinentriebwerke, innerhalb welchem ein Turbinenrotor mit bestimmtem Laufspiel in Form eines Ringspaltes zwischen dem Leitschaufelträger und dem Turbinenrotorumfang angeordnet ist, und ein solches Bauelement ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die endseitig aneinandergefügten Teile bogenförmig ausgebildet, materialmäßig so ausgewählt und hinsichtlich ihres Bogenmaßes so beschaffen sind, daß das ümfangsmaß des Leitschaufelträgers sich bei Temperaturänderungen innerhalb des Konstruktions-Gesamt-Betriebstemperaturbereiches des Gasturbinentriebwerks entsprechend einem vorbestimmten effektiven Temperatur-Längendehnungskoeffizienten derart ändert, daß diese Gesamt-Umfangsmaßänderung des Leitschaufelträgers im wesentlichen der Durchmesseränderung des Rotors entspricht, so daß die Radialabmessung des Ringspaltes im wesentlichen auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

Zweckdienlicherweise ist ein solcher Leitschaufelträger zwar aus bogenförmigen Teilen aus zwei verschiedenen Werkstoffen

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hergestellt, es können jedoch bei Bedarf auch aus mehr als zwei Werkstoffen hergestellte bogenförmige Teile verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Leitschaufelträgers nach der Erfindung ist einer der Werkstoffe, aus welchen die bogenförmigen Teile hergestellt sind, der gleiche wie der, aus dem der Rotor hergestellt ist. Dabei haben der bzw. die anderen Werkstoffe einen niedrigeren Temperatur-Längendehnungskoeffizienten, so daß die effektive Temperatur-Längendehnung des zusammengesetzten Leitschaufeltragers im wesentlichen gleich der Temperatur-Längendehnung des Rotors ist.

Die bogenförmigen Teile können mit ineinanderfügbaren Endflächen versehen sein.

Die bogenförmigen Teile des Leitschaufelträgers können miteinander durch einen konzentrischen Umhüllungsring verbunden sein, welcher aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen Temperatur-Längendehnungskoeffizient im wesentlichen gleich demjenigen des Rotorwerkstoffes ist. Der Werkstoff des konzentrischen Umhüllungsringes kann schlechtere Bruchlastwerte als derjenige Werkstoff aufweisen, aus welchem der Rotor hergestellt ist.

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Die Erfindung umfaßt außerdem eine Gasturbine, welche einen Rotor und einen Leitschaufelträger der soeben beschriebenen Art aufweist.

Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen eine Gasturbine mit einem zusammengesetzten Leitschaufelträger dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. I einen schematischen Teil-Axial

schnitt durch eine Gasturbine,

Fig. 2 eine Stirnansicht der in Pig. I

dargestellten Gasturbine,

Fig. 3 eine Teilansicht einer abge

wandelten Ausführungsform des Leitschaufelträgers der in Fig. dargestellten Gasturbine,

Fig. ll in einer gleichen Ansicht wie

in Fig. 1 eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.

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Eine in den Fig. 1 und 2 dargestellte' Gasturbine weist einen Leitschaufelträger auf, welcher aus einer Vielzahl von bogenförmigen Teilen 1, 2 gebildet ist, welche'in Umfangsrichtung derart aneinandergesetzt sind, daß sie einen vollständigen Kreisring bilden. Die Segmentteile 1, -sind zwa-i»■ aus- zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt; wenn jedoch mehr als zwei bogenförmige Teile vorhanden sind, so werden auch mehr als zwei verschiedene Werkstoffe verwendet. Ein oder mehrere bogenförmige Teile 1 sind aus dem gleichen Werkstoff wie der Rotor 12 hergestellt, beispielsweise aus einer Nickellegierung, während der andere bogenförmige Teil bzw. die anderen bogenförmigen Teile 2 aus einem Keramik- bzw. keramikartigen Werkstoff, wie beispielsweise. Siliziumnitrid, hergestellt sind. Die bogenförmigen Teile sind innerhalb eines konzentrischen äußeren Umhüllungsringes 3'gehaltert, welcher aus einem . Werkstoff hergestellt sein kann, ,der den gleichen Temperatur-Längendehnungskoeffizienten wie die Nickellegierung aufweist. Der Umhüllungsring 3 kann allerdings aus einem .billigeren Werkstoff hergestellt sein, welcher schlechtere Bruchlastwerte aufweist und welcher selbst nicht in der Lage wäre, die Beanspruchungen, welchen der Leitschaufelträger · während des Betriebes der Gasturbine ausgesetzt ist, auszuhalten. Das Verhältnis der Gesamtumfangslänge der bogenförmigen

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Teile 2 zur üosamtumfangslänge der Legierungsteile 1 ist derart gewählt, daß der effektive Temperatur-Längendehnungskoeffizient des zusammengesetzten Leitschaufel trägers im wesentlichen gleich dem Temperatur-Längendehnungskoeffizient des Werkstoffes des Rotors ist. Wenn beispielsweise der relative Temperatur-Längendehnungskoeffizient der Legierung gleich 18 und der relative Temperatur-Längendehnungskoeffizient des Keramikwerkstoffes gleich 3 ist und wenn der radiale Wärmegradient des Turbinenrotors auf einen effektiven relativen Temperatur-Längendehnungskoeffizienten des Rotors von 12 führt, so kann der effektive relative Temperatur-Längendehnungskoeffizient des zusammengesetzten Leitschaufelträgers ebenfalls gleich 12 gemacht werden, indem das Verhältnis der Umfangslängen der Legierungssegmentteile zu den Keramiksegmentteilen 3 : 2 gemacht wird.

Dadurch, daß der effektive Temperatur-Längendehnungskoeffizient des zusammengesetzten Leitschaufelträgers im wesentlichen gleich dem Temperatur-Längendehnungskoeffizienten des Werkstoffes gemacht wird, aus welchem der Rotor hergestellt ist, wird die radiale Länge des Spaltes X zwischen dem Leitschaufelträger und den Enden der Laufschaufeln bzw. dem Laufschaufeldeckband, sofern ein solches vorgesehen

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ist, in dem Betriebstemperaturbereich, für welchen die Gasturbine ausgelegt ist, im wesentlichen konstant gehalten.

Der äußere konzentrische Umhüllungsring 3 kann dadurch an einer Axialverschiebung gehindert werden, daß er zwischen zwei Gehäuseteile 4 und 5» wie beispielsweise einen Eintrittsleitschaufelkranz und einen weiteren zwischen dem Turbinenrotor und einem benachbarten Rotor angeordneten Zwischenboden eingespannt wird. Der Ring 3 kann mit Schrumpfsitz in ein oder beide Gehäuseteile eingepaßt sein.

Der zusammengesetzte Leitschaufelträger 1, 2 kann sowohl· den Eintrittsleitschaufelkranz als auch Laufschaufelkranz umgreifen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind die bogenförmigen Teile 1, 2 mit ineinanderfügbaren Enden, wie beispielsweise Federn und Nuten 6, versehen, damit die richtige Lage der einzelnen Teile in bezug aufeinander aufrechterhalten bleibt. Andererseits können die einander gegenüberliegenden Umfangsenden der einzelnen Teile jeweils konkav und konvex ausgeführt sein, wie bei 7 in Fig. 3 dargestellt ist. Durch diesen Aufbau werden die einander benachbarten Enden der bogenförmigen Teile ebenfalls an den richtigen radialen Stellen gehalten.

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Pig. 4 zeigt eine Abwandlung des in Pig. 2 dargestellten Aufbaus, bei welcher ein konzentrischer Umhüllungsring 8 sich in axialer Richtung verjüngt und an einer kegeistumpfförmigen Fläche eines Gehäuseteils 9 anliegt. Eine zwischen dem Ring 8 und einem weiteren Gehäuseteil 11 angeordnete Feder 10 drängt den Ring 8 durch Keilwirkung radial nach innen gegen den zusammengesetzten Leitschaufelträger 1, 2. Auf diese Weise werden die bogenförmigen Teile 1, 2 in ihrer Lage mit gegenseitig aneinanderstoßenden Enden gehalten.

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Claims

2258/. Patentansprüche:

1.1 Zusammengesetztes Bauelements dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe aus mindestens zwei Teilen (1, 2) verschiedenen Materials besteht, deren Enden zusammengefügt, deren Materialien jeweils im Hinblick auf .ihre Temperatur-Längendehnungskoeffizienten so ausgewählt und deren Gesamtabmessungen jeweils so beschaffen sind, daß das ganze Bauelement bei Erleiden einer bestimmten Temperaturänderung eine Abmessungsänderung erfährt, die einem bestimmten effektiven Temperatur-Längendehnungskoeffizienten entspricht.

2. Bauelement nach Anspruch 1 als Leitschaufelträger für Gasturbinentriebwerke, innerhalb welchem ein Turbinenrotor mit bestimmtem Laufspiel in Form eines Ringspaltes zwischen dem Leitschaufelträger und dem Turbinenrotorumfang angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die endseitig aneinandergefügten Teile (1 und 2) bogenförmig ausgebildet^ materialmäßig so ausgewählt und hinsichtlich ihres Bogenmaßes so beschaffen sind, daß das Umfahgsmaß des Leitsehaufelträgers sich bei Temperäturänderungen innerhalb

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des Konstruktions-Gesamt-Betriebstemperaturbereiches des Gasturbinentriebwerks entsprechend einem vorbestimmten effektiven Temperatur-Längendehnungskoeffizienten derart ändert, daß diese Gesamt-Umfangsmaßänderung des Leitschaufelträgers im wesentlichen der Durchmesseränderung des Rotors entspricht, so daß die Radialabmessung des Ringspaltes (X) im wesentlichen auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Werkstoffe, aus welchen die bogenförmigen Teile (1, 2) hergestellt sind, der gleiche ist wie der, aus dem der Rotor (12) hergestellt ist, und daß der andere Werkstoff bzw. die anderen Werkstoffe einen niedrigeren Temperatur-Längendehnungskoeffizienten haben, so daß die effektive Temperatur-Längendehnung des zusammengesetzten Leitschaufelträgers im wesentlichen gleich der Temperatur-Längendehnung des Rotors ist.

Ί. Bauelement nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Teile (1, 2) ineinanderfügbare Endflächen (6, 7) aufweisen.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis ¹J, dadurch

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gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Teile (I₅ 2) des Leitschaufelträgers miteinander durch einen konzentrischen^ Umhüllungsring (3 bzw» 8) verbunden sind_s welcher aus einem Werkstoff hergestellt ist_s dessen Temperatur-Längendehnungskoeffiaient im wesentlichen gleich demjenigen des Rotorwerkstoffes ist„

6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet_s daß der konzentrische Umhüllungsring (8) eine kegelstumpf= förmige äußere ümfangsflache aufweist_s welche an einem dazu komplementären Gehäuse (11) anliegt, und daß eine Feder·(10) den Umhüllungsring radial derart nach innen drängt, daß er den zusammengesetzten Leitschaufelträger (1, 2) durch Keilwirkung zwischen dem Umhüllungsring und dem Gehäuse haltert (Pig, 4).

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