DE2331893C3

DE2331893C3 - Guide vane ring for the gas turbine of a jet engine

Info

Publication number: DE2331893C3
Application number: DE19732331893
Authority: DE
Inventors: lan Alexander Hayes Middlesex; Kirk Geoffrey Eric Gotham Nottingham; Anthony Norman Howell Hemsby Norfolk; Bamber Derek Robert Flint Flintshire; Crossley (Großbritannien)
Original assignee: Rolls-Royce (1971) Ltd., London; Loughborough University of Technology, Loughborough, Leicestershire; (Großbritannien)
Priority date: 1972-06-21
Filing date: 1973-06-22
Publication date: 1976-02-19

Description

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Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für die Gasturbine eines Strahltriebwerks, dessen Leitschaufeln über Stirnringflächen abstromseitig an entsprechenden Gegenringflächen der äußeren und inneren Gehäuseteile unter dem axial wirkenden Gasdruck kraftschlüssig anliegen und in Umfangsrichtung durch Vorsprünge in ihrer Lage gehalten sind.The invention relates to a guide vane ring for the gas turbine of a jet engine, its guide vanes Via end ring surfaces on the downstream side on corresponding mating ring surfaces of the outer and inner Housing parts rest positively under the axially acting gas pressure and through in the circumferential direction Projections are held in place.

Ein solcher Leitschaufelkranz ist aus der CH-PS 62 268 bekannt. Dabei sind die stromabwärts gerichteten Stirnringflächen von Schaufelkopf und Schaufelfuß eben ausgebildet und liegen ebenen Gegenringflächen des Gehäuses an, die von L-förmigen Schutzringen gebildet werden. In Umfangsrichtung erfolgt die Abstützung durch Rippen, die in Einschnitte des Schaufelfußes eingreifen, welche eine formschlüssige Abstützung bewirken. Am stromaufwärtigen Ende sind die Schaufelfüße bzw. Schaufelköpfe durch Flansche formschlüssig abgestützt, so daß sich eine Einspannung sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung ergibt, die bei thermischer Beanspruchung infolge ungleichmäßiger Wärmeausdehnung zu Einspannmomenten führt, die die Leitschaufel nicht nur einer Druckbelastung, sondern in gewissen Zonen auch einer Zugbelastung unterwerfen.Such a guide vane ring is known from CH-PS 62 268. Here are the downstream The end ring surfaces of the blade head and the blade root are flat and lie flat mating ring surfaces of the housing, which are formed by L-shaped protective rings. In the circumferential direction, the Supported by ribs that engage in notches in the blade root, which provide form-fitting support cause. At the upstream end, the blade roots or blade heads are positively locked by means of flanges supported so that there is a restraint both in the axial direction and in the circumferential direction, which result in clamping moments in the event of thermal stress due to uneven thermal expansion Leads that the guide vane not only a pressure load, but also a tensile load in certain zones subject.

Da derartige Leitschaufeln einer hohen Temperaturbeanspruchung ausgesetzt sind, weil sie unmittelbar den aus der Brennkammer austretenden heißen Gasen ausgesetzt sind, muß man als Werkstoff hochtemperatürfeste Werkstoffe benutzen, deren Zugfestigkeit im allgemeinen relativ gering ist. Dies trifft insbesondere für Keramikmaterial zu, welches ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf eine Temperaturbeanspruchung aufweist, aber äußerst spröde ist und insbesondere nur geringe Zugspannungen aufnehmen kann.Since such guide vanes are exposed to high temperature stress, because they are immediate are exposed to the hot gases emerging from the combustion chamber, the material must be high-temperature-resistant Use materials whose tensile strength is generally relatively low. This is particularly true for ceramic material, which has excellent properties in terms of temperature stress has, but is extremely brittle and in particular can only absorb low tensile stresses.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leitschaufelkranz zu schaffen, bei dem die Leitschaufeln von jeglicher Einspannbiegebeanspruchung sowohl in Achsrichtung der Gasturbine als auch in deren Umfangsrichtung entlastet werden.The invention is therefore based on the object of creating a guide vane ring in which the guide vanes from any clamping bending stress both in the axial direction of the gas turbine and in its Circumferential direction are relieved.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Leitschaufelkranz der eingangs genannten Bauart gelösl durch die Kombination folgender Merkmale:According to the invention, this object is achieved in a guide vane ring of the type mentioned at the beginning by the combination of the following features:

a) die Stirnringflächen oder/und die entsprechenden Gegenringflächen sind torusförmig gekrümmt;a) the end ring surfaces and / or the corresponding mating ring surfaces are curved in a toroidal shape;

b) die in Umfangsrichtung weisenden Flächen der Scha-jfelfüße und Schaufelköpfe der einzelnen Leitschaufeln liegen unter Einwirkung des in Umfangsrichtung wirkenden Gasdruckes an ballig ausgebildeten Gegenflächen der Vorsprünge der äußerer, und inneren Gehäuseteile kraftschlüssig an.b) the surfaces of the heads and shovel heads of the individual heads pointing in the circumferential direction Guide vanes are under the action of the gas pressure acting in the circumferential direction on spherical Opposite surfaces of the projections of the outer and inner housing parts frictionally.

Durch, den erfindungsgemäßen Aufbau wird es möglich, die Leitschaufeln lose zu montieren, und durch diese lose Aufhängung werden die Belastungen, die vom Triebwerksaufbau bei Wärmedehnungen auf die Leitschaufeln übertragen werden, sehr gering gehalten und es ist dennoch gewährleistet, daß die Leitschaufeln in einer Lage verbleiben, die aerodynamisch in gleicher Weise wirksam ist, wie bei starr eingespannten Leitschaufeln. Durch die Erfindung wird es so möglich, kostspielige metallische Leitschaufeln aus temperaturfesten Legierungen durch vergleichsweise billige, nichtmetallische Leitschaufeln aus Keramikmaterial zu ersetzen, die bisher für solche Anwendungen infolge ihrer Sprödigkeit¹ nicht geeignet waren.The structure according to the invention makes it possible to mount the guide vanes loosely, and this loose suspension means that the loads that are transferred from the engine structure to the guide vanes during thermal expansion are kept very low and it is nevertheless ensured that the guide vanes are in one position remain, which is aerodynamically effective in the same way as with rigidly clamped guide vanes. The invention thus makes it possible to replace expensive metallic guide vanes made of temperature-resistant alloys with comparatively cheap, non-metallic guide vanes made of ceramic material, which hitherto were unsuitable ^{for such applications due to their brittleness 1.}

Durch die Erfindung werden demgemäß Biegemomente vermieden, die bei bekannten Anordnungen einerseits durch unterschiedliche Wärmeauüdehnungen und andererseits durch die Gasbelastungen hervorgerufen wurden.The invention accordingly avoids bending moments that occur in known arrangements caused on the one hand by different heat expansions and on the other hand by the gas loads became.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigtAn exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the drawing. In the Drawing shows

F i g. 1 eine axiale Teilschnittansicht des Strahltriebwerks im Bereich der Düsenleitschaufeln,F i g. 1 is an axial partial sectional view of the jet engine in the area of the nozzle guide vanes,

Fig.2 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 1,2 shows a section along the line 3-3 according to Fig. 1,

F i g. 3 eine perspektivische Teilansicht einer Leitschaufel, F i g. 3 a perspective partial view of a guide vane;

Fi g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Einzelteils der Fi g. 1.Fi g. 4 is a perspective view of an individual part the Fi g. 1.

Gemäß F i g. 1 besitzen die Leitschaufeln 14 als Schaufelkopf einen Ringabschnitt 22, der mit den Schaufelköpfen benachbarter Leitschaufeln, wie in F i g. 3 dargestellt, zusammenwirkt, um eine Außenwand eines Gasströmungsringkanals zu schaffen. Dieser Ringabschnitt liegt zwischen zwei Kreisringen 26, 28, deren gegenüberliegende Oberflächen eben ausgebildet sind. Die nach stromabwärts gerichtete Stirnringfläche 24 des Ringabschnittes 22 ist torusförmig konvexAccording to FIG. 1 have the guide vanes 14 as a vane head an annular section 22, which with the Blade heads of adjacent guide vanes, as in FIG. 3, cooperates to form an outer wall to create a gas flow ring channel. This ring section lies between two circular rings 26, 28, the opposite surfaces of which are flat. The end ring face facing downstream 24 of the ring section 22 is convex in a toroidal shape

gekrümmt und stößt während des Betriebes an die ebene Oberfläche des Kreisringes 26 an und berührt diesen längs einer Linie. Die Länge des Ringabschnittes 22 zwischen dem stromoberseitigen und dem stromunterseitigen Rand ist derart, daß eine begrenzte freie Bewegung der Leitschaufel 14 innerhalb der Grenzen gegenüberliegender Oberflächen der Kreisringe 26. 28 in Achsrichtung des Triebwerks wenigstens bei Stillstand des Triebwerks möglich ist.curved and strikes the flat surface of the circular ring 26 during operation and touches it along a line. The length of the ring section 22 between the upstream and downstream Edge is such that there is limited free movement of the vane 14 within the limits of opposite one another Surfaces of the circular rings 26, 28 in the axial direction of the engine at least when the engine is at a standstill of the engine is possible.

Die beiden Kreisringe 26, 28 sind durch einen weite- to ren Kreisring 3Ö distanziert, der an seinem äußeren Umfang "mit Klauen und Schlitzen 32 ausgestattet ist, die mit ähnlich gestalteten Schlitzen dnd Klauen des Gehäuses 18 derart zusammenwirken, daß eine Relativdrehung verhindert wird.The two circular rings 26, 28 are separated by a further circular ring 30, which is on its outer side Circumference "is equipped with claws and slots 32, which are dnd claws with similarly shaped slots Housing 18 cooperate in such a way that relative rotation is prevented.

Der Kreisring 30 besitzt mehrere am inneren Umfang ausgebildete Vorsprünge 38, deren Zahl gleich der Zahl der Leitschaufeln 14 einer kompletten Stufe ist. Jeder Vorsprung 18 besitzt eine als Flanke ausgebildete Gegenfläche 42, die konvex gekrümmt Lt, und während des Laufes des Triebwerks wird jede konvex gekrümmte Gegenfläche 42 von einem Seitenrand 40 des Ringabschnittes 22 einer entsprechenden Leitschaufel 14 (F i g. 2) beaufschlagt. Es liegt jedoch jeder Vorsprung 38 in einer Nut 39 in dem entsprechenden Ringabschnitt, ohne in Eingriff hiermit zu stehen.The circular ring 30 has a plurality of projections 38 formed on the inner circumference, the number of which is equal to the Number of guide vanes 14 is a complete stage. Each projection 18 has a flank designed as a flank Counter surface 42, which is convexly curved, and each becomes convexly curved during operation of the engine Opposite surface 42 of a side edge 40 of the ring section 22 of a corresponding guide vane 14 (Fig. 2) applied. However, each projection 38 lies in a groove 39 in the corresponding ring section, without interfering with it.

Jede Leitschaufel 14 hat an ihrem radial inneren Ende (radial bezüglich der Drehachse des Triebwerks) eine Plattform 44, die mit Plattformen der übrigen Leitschaufeln dieser Stufe derart zusammenwirkt, daß die Innenwand eines Gasströmungskanals gebildti wird. Die in Strömungsrichtung nach hinten gerichtete Oberfläche jeder Plattform besitzt eine teilzylindrische Ausnehmung, die in einer Richtung verläuft, die in Sehnenrichtung bezüglich eines hypothetischen Bogens verläuft, der in einer Ebene quer zur Triebwerksdrehachse und um diese zentriert geschlagen ist. Der Grund 46 der Ausnehmung ist im Querschnitt (F i g. 1) halbkreisförmig. Each guide vane 14 has at its radially inner end (radially with respect to the axis of rotation of the engine) a platform 44 which cooperates with platforms of the remaining guide vanes of this stage in such a way that the Inner wall of a gas flow channel is formed. The surface facing backwards in the direction of flow each platform has a part-cylindrical recess that runs in a direction that is in the direction of the chord with respect to a hypothetical arc running in a plane transverse to the engine axis of rotation and is centered around them. The base 46 of the recess is semicircular in cross section (FIG. 1).

Die Plattformen 44 sind zwischen Kreisringen 48, 50 angeordnet, die ihrerseits axial durch einen weiteren Kreisring 52 getrennt sind, der nach Art des Kreisringes 30 verzahnt ist, und außerdem sind zwei Scheiben 54 und 56 vorgesehen und sämtliche Teile sind verbolzt.The platforms 44 are arranged between circular rings 48, 50, which in turn axially through a further Annular ring 52 are separated, which is toothed like the circular ring 30, and there are also two disks 54 and 56 are provided and all parts are bolted.

Jeder Vorsprung 60 des Kreisringes 52 sitzt in einer Nut 62 der jeweiligen Plattform 44, und seine konvex gekrümmte Gegenfläche 64 (F i g. 2) itößt, während das Triebwerk im Betrieb befindlich ist, gegen einen Seitenrand 66 einer benachbarten Leitschaufel. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Seitenränder von Schaufelringabschnitt und Plattform, die an den Vorsprung anstoßen, auf der gleichen Seite des Schaufelblattes 68 der Leitschaufel 14 liegen.Each projection 60 of the circular ring 52 sits in a groove 62 of the respective platform 44, and its convex curved mating surface 64 (FIG. 2) abuts against one while the engine is in operation Side edge 66 of an adjacent guide vane. From Fig. 2 it can be seen that the side edges of the blade ring section and platform abutting the protrusion on the same side of the airfoil 68 the guide vane 14 lie.

Jede Leitschaufel 14 ist schwenkbar an einem halbkreisförmigen Trägerstab 70 gelagert, dessen flache Seite gegen den Kreisring 50 stößt und mit diesem in Dichtungseingriff steht, wobei eine Festlegung durch einen Dübelzapfen 72 erfolgt, der seinerseits schwenkbar in dem Kreisring 50 gelagert ist. Der Trägerstab 70 ist beidseitig eines Mittelabschnittes 74 ausgenommen, damit nur eine sehr kleine Berührungsfläche zwischen dem Mittelabschnitt 74 und der Oberfläche der Ausnehmung 46 gebildet wird, wodurch die Reibung zwischen Leitschaufel und Trägerstab minimal wird.Each guide vane 14 is pivotably mounted on a semicircular support rod 70, the flat of which Side abuts against the circular ring 50 and is in sealing engagement with this, whereby a definition by a dowel pin 72 takes place, which in turn is pivotably mounted in the circular ring 50. The support rod 70 is excluded on both sides of a middle section 74, so that only a very small contact area between the central portion 74 and the surface of the recess 46 is formed, thereby reducing the friction between Guide vane and support rod is minimal.

In F i g. 4 sind Nut 62 und Ausnehmung 46 perspektivisch dargestellt und ebenso ist in Fig.4 der halbzylindrische Trägerstab 70 perspektivisch dargestellt.In Fig. 4 groove 62 and recess 46 are shown in perspective, and the semi-cylindrical one is also shown in FIG Support rod 70 shown in perspective.

Der Paßeingriff jeder Plattform 44 jeder Leitschaufel zwischen den Kreisringen 48, 50 und dem Trägerstab 70 ist derart, daß eine begrenzte Bewegung jeder Plattform bei Stillstand des Triebwerks möglich wird.The mating engagement of each platform 44 of each vane between the annuli 48, 50 and the support rod 70 is such that there is limited movement of each platform when the engine is stopped.

ArbeitsweiseWay of working

Bei Zündung des Triebwerks treten heiße, innerhalb der Brennkammer erzeugte Gase aus der Düse 75 (Fig. 1) aus und treten über die Schaufelblätter 68 der Leitschaufeln 14 und gelangen dann auf die Laufschaufeln 16 der Turbine, um Arbeit zu leisten. Dadurch wird jede Leitschaufel seitlichen Belastungen unterworfen, die eine positive Belastung auf der Seite 68a zur Folge haben, und diese Belastungen werden nach den konvexen Gegenflächen der jeweiligen Vorsprünge der Kreisringe 30 und 52 übertragen.When the engine is ignited, hot gases generated within the combustion chamber emerge from the nozzle 75 (Fig. 1) and step over the blades 68 of the Vanes 14 and then get onto the turbine blades 16 to do work. This will each vane is subjected to side loads that result in a positive load on side 68a have, and these loads are after the convex mating surfaces of the respective projections of the Circular rings 30 and 52 transferred.

Der Kreisring 30 ist starr mit dem Gehäuse verbunden und verbleibt infolgedessen stationär, jedoch dreht sich der Kreisring 52, der nicht derart starr abgestützt ist, um einen kleinen Betrag im Gegenuhrzeigersinn relativ zum Gehäuse t8. Bei bekannten Schaufellagern führt diese Wirkung zu einem Biegemoment innerhalb der Leitschaufeln, während bei der erfindung'.gemäßen Ausbildung jede Leitschaufel lediglich nach Art eines Pendels schwingt, wobei die jeweiligen flachen Seitenränder in Linienberührung über die konvexen Gegenflächen 40,64 der jeweiligen Vorsprünge abrollen.The circular ring 30 is rigidly connected to the housing and consequently remains stationary, but the circular ring 52, which is not supported so rigidly, rotates a small amount counterclockwise relative to the housing t8. In known vane bearings, this effect leads to a bending moment within the guide vanes, while in the design according to the invention, each guide vane only swings like a pendulum, the respective flat side edges rolling in line contact over the convex mating surfaces 40, 64 of the respective projections.

Es ist bekannt, daß eine relative axiale Bewegung ebenfalls zwischen dem äußeren Ringaufbau und dem inneren Ringaufbau stattfindet, d. h., die Ringaufbauten 48, 52, 56, 58 und 50 bewegen sich in Strömungsrichtung relativ zum Gehäuse 18 und seinem zugeordneten Ringaufbau nach hinten. Außerdem kann während fluktuierender Triebwerksarbeitsperioden die Bewegung des Ringaufbaus 48, 52, 56, 58 und 50 hin- und hergehend sein. In jedem Fall schwenkt die Leitschaufel 14 in einer die Drehachse des Triebwerks enthaltenden Ebene um einen Punkt P, der der Krümmungsmittelpunkt der gekrümmten Oberfläche der Ausnehmung 46 ist. Gleichzeitig bewegt sich die konvex gekrümmte, nach hinten gerichtete Stirnringfläche 24 des Ringabschnittes 22 in rollender Linienberührung gegenüber der flachen Oberfläche des Kreisringes 26.It is known that relative axial movement also occurs between the outer ring assembly and the inner ring assembly, ie, the ring assemblies 48, 52, 56, 58 and 50 move rearwardly in the direction of flow relative to the housing 18 and its associated ring assembly. Additionally, during fluctuating engine operating periods, the movement of the ring assembly 48, 52, 56, 58 and 50 may be reciprocating. In any case, the guide vane 14 pivots in a plane containing the axis of rotation of the engine about a point P which is the center of curvature of the curved surface of the recess 46. At the same time, the convexly curved, rearwardly directed end ring surface 24 of the ring section 22 moves in rolling line contact with respect to the flat surface of the circular ring 26.

Die auf die Leitschaufeln ausgeübten Gasbelastungen halten diese an den jeweiligen Kreisring gepreßt, und die Zahnflankenoberflächen verhindern dabei ein Klappern der Anordnung trotz des losen Sitzes der Leitschaufeln in dem Ringaufbau. Außerdem verläuft die Wirkung der Gasbelastung durch die Ringabschnitte und Plattformen der Leitschaufeln nach dem jeweiligen Ringaufbau und den Ringträgern. Auf die Leitschaufeln einwirkende Biegebelaslungen. die durch Relativbewegungen zwischen dem inneren und äußeren festen Aufbau, von denen die Leitschaufeln getragen werden, erzeugt werden, sind im wesentlichen dadurch ausgeschaltet, daß die Leitschaufeln in der Lage sind, infoige ihrer gekrümmten Stirnflächen zu oszillieren.The gas loads exerted on the guide vanes keep them pressed against the respective circular ring, and the tooth flank surfaces prevent the arrangement from rattling despite the loose fit of the Guide vanes in the ring structure. In addition, the effect of the gas load runs through the ring sections and platforms of the guide vanes after the respective ring structure and the ring carriers. On the guide vanes acting bending stresses. that by relative movements between the inner and outer solid structures by which the vanes are supported are essentially created thereby switched off that the guide vanes are able to oscillate infoige of their curved end faces.

Es ist ersichtlich, daß durch die erfindungsgemäße Lagerung der Leitschaufeln 14 Schaufeln aus extrem sprödem Material, z. B. aus Silizium-Karbid oder Silizium-Nitrid, eingebaut werden können, welche Materialien extrem hohen Temperaturen während des Laufes des Triebwerks widerstehen können, jedoch keine mechanischen Beanspruchungen aushalten, die auf sie infolge der mechanischen Betriebsbedingungen ausgeübt werden. Es ist jedoch klar, daß auch metallische Schaufeln in der gleichen Weise gelagert werden können.It can be seen that the inventive mounting of the guide vanes 14 blades from extreme brittle material, e.g. B. made of silicon carbide or silicon nitride, which materials can be installed can withstand extremely high temperatures while the engine is running, but not mechanical Withstand stresses exerted on them as a result of mechanical operating conditions will. It is clear, however, that metallic blades can also be stored in the same way.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Guide vane ring for the gas turbine of a jet engine, the guide vanes over end ring surfaces downstream on the corresponding mating ring surfaces of the outer and inner housings parts rest under the axially acting gas pressure and pass through in the circumferential direction Projections are held in place, g e k e η η - ίο is characterized by the combination of the following features:

a) the end ring surfaces (24) and / or the corresponding mating ring surfaces are toroidal curved: '5

b) the surfaces of the blade roots and blade heads of the individual blades pointing in the circumferential direction Guide vanes (14) are applied under the effect of the gas pressure acting in the circumferential direction spherical counter surfaces (42, 64) of the projections (38, 60) of the outer and inner Housing parts frictionally

2. Guide vane ring according to claim 1, characterized in that the forming the blade head Ring section (22) and the platform (44) forming the blade root with flat side edges (40, 66) are provided which are attached to the convex mating surfaces (42,64) of the tooth-like projections (38, 60) and that the outer projections (38) and the inner projections (60) in the circumferential direction are limited mobility.

3. guide vane ring according to claim 2, characterized in that the outer and the inner Projection (38, 60) has a tooth with a convex mating surface (42, 64) which is in line contact with the side edge (40, 66) of the blade root or the blade head, and that the guide vane has a groove (39, 62) on the blade head or on the blade root, which the projection (38, 60) records.

4. guide vane ring according to claims 1 to 3, characterized in that the guide vanes (14) consist of ceramic material.