DE2536514A1

DE2536514A1 - Gehaeuse fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2536514A1
Application number: DE19752536514
Authority: DE
Inventors: Roy Simmons
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1974-08-23
Filing date: 1975-08-16
Publication date: 1976-03-04
Also published as: JPS5146610A; FR2282537B1; US4063847A; FR2282537A1; GB1485032A; IT1044585B

Description

TAT» HIAHWAII

Dipl. ing. B.

«Ο AUGSBUBG

auf«

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R.936

Augsburg, den l4. August 1975

Rolls-Royce (1971) Limited, Norfolk House, St, James's Square,

London SWlY 4JS, England

Gehäuse für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für Gasturbinentriebwerke, mit einer ringförmigen Innenwand, welche axial abwechselnd hintereinanderliegende Leitschaufelhalteabschnitte und Wandabschnitte aufweist, welch letztere Laufschaufelkränze umschließen.

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Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bei Verdichtergehäusen anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verhältnismäßig leichte Gehäusekonstruktion zu schaffen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein Gehäuse der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch eine Außenschicht aus kohle faserverstärktem Verbundwerkstoff gekennzeichnet, der kontinuierliche, um die Innenwand des Gehäuses herumgewickelte Kohlefasern aufweist, welche in eine Kunstharzmatrix eingebettet und durch dieselbe an die Innenwand gebunden sind.

Die Leitschaufelhalteabschnitte und die Laufs chaufelkränze umschließenden Wandabschnitte können aus Metall oder aus einem zusammengesetzten faserverstärktem Werkstoff hergestellt sein, wobei vorzugsweise die im Hinblick auf die mechanische Festigkeit und die erforderliche Temperaturbeständigkeit des Gehäuses leichtestmöglichen Werkstoffe verwendet werden.

Die Leitschaufelhalteabschnitte und die, die Laufschaufelkränze ümschlieBonden Wandabschhitte können jeweils entweder

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als gesonderte Ringe ausgebildet oder Teile einer einstückigen Gehäusewand sein, welcheaus Metall, ganz aus faserverstärktem Verbundwerkstoff oder aus einer Kombination dieser beiden Werkstoffe hergestellt sein kann. Zur Herstellung einer glatten Außenfläche zum Aufwickeln der Kohlefasern werden Aussparungen in der Außenfläche der Innenwand vorzugsweise mit einem leichten Werkstoff ausgefüllt, beispielsweise mit bienenwabenartigem Material, oder mit einem faserverstärktem Verbundwerkstoff.

Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgehäuses für Gasturbinentriebwerke, gemäß welchem Leitschaufelhalteeinsätze mit dazwischen liegenden Abstandskörpern mit gegenseitigen Axialabständen angeordnet und danach die Einsätze und die Abstandskörper mit kontinuierlichen, kunstharzüberzogenen Fäden außen umwickelt werden, um die Einsätze und die AbStandsstücke zu einer zusammenhängenden Konstruktion zu verbinden.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben» Es zeigen:

Figo 1 schematisch ein Gasturbinen-

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triebwerk mit einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Ve rdi chtergehäus e,

die Fig. 2a und 2b entlang der Linie I-I zusammen

gesetzt einen vergrößerten Halbschnitt des Verdichtergehäuses des in Pig. I gezeigten Triebwerks,

Fig. 3 einen vergrößerten Halbschnitt

des vorderen Teils einer anderen Gehäusekonstruktion,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der

Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 eine Ansicht eines Leitschaufel-

halteeinsatzes in Richtung des Pfeiles A in Fig, 4.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter 1, einer Brenneinrichtung 2, einer Turbine 3 und einer Auetrittedüse 4, die sämtlich gemäß einer auf dem

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Gebiet der Gasturbinentriebwerkstechnik bekannten Bauart ausgeführt sein können_β

Dar Verdichter weist ein Gehäuse 5 auf, welches in den Fig. 2a und 2b mehr im einzelnen dargestellt ist und aus einer Anzahl von abwechselnd miteinander angeordneten Leitschaufelhalteringen 10 und Ab stands ringe η 16 aus verschiedenen Werkstoffen besteht. Die Leitsehaüfelhalteringe 10 und die Abstandsringe 16 bilden zusammen eine innenwand und sind mit einer Außenschicht aus kunstharzgebundenen Kohlefasern überwickelt, welche die einzelnen Ringe zu einer einstückigen Konstruktion verbinden.

Gemäß den Pig, 2a und 2b weist die Innenwand des Verdichtergehäuses 5 drei mit gegenseitigen Axialabständen angeordnete Leitsehaüfelhalteringe 10 aus Walzstahl auf, welche als in Ümfangsrichtung kontinuierliche Ringe mit T-Querschnitt und axial gerichteten T-Stegen 12 ausgebildet sind. Die Stege 12 der T-Ringe bilden unterschnittene Aussparungen 15, die zur Aufnahme von gestrichelt eingezeichneten Le it schaufelfüßen 14 geeignet sind.

Zwischen den Leitschaufelhalteringen 16 eind Abstandsringe 16 angeordnet, welche zur Positionierung der Ringe 10 mit dem geeigneten Axialabstand dienen und außerdem eine

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glatte Innenwandung für den Gaskanal durch den Verdichter bilden» Di<§ Abittndsrihge bilden die Fortsetzung der üblichen , nieht dari§ätelltgn Strömungskänälbgrenzungs* plätten dir Leits ©häufeln 14* Me Abständsringe 16 umsöhließtn die Spitzin der Laufsöhaüföln dies Verdichterrotors und können^ wie beispielsweise bei 18 dargestellt ist, ein© Aussparung zur Aufnähine einer abschleifbaren Auskleidung aufweisen.

Die Ab Stands ringe liegen jeweils an der radial inneren Seite der f-Sttge der Leitschaufelhalteringe 10 an und sind so gegen radiale Bewegungen gesichert.

Da die Abstandsringe keine stark belasteteten Bauteile darstellen, können sie aus leichtem kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehen.

Zum Zusammenbau des Verdichtergehäuses werden die Ringe 10 und die Abstandsringe 16 zusammen mit einem vorderen Stirnflansch 20 und einem hinteren Stirnflansch in einer Vorrichtung auf einem Dorn angeordnet und danach wird ein kontinuierlicher Faden aus Kohlefasern über die Außenfläche der gesamten Anordnung in Kreuzlagen aufgewickelt, und gleichzeitig wird Kunstharz auf den Kohle-

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faden aufgebracht. Nach dem Aushärten des Harzes bilden die Kohlefasern eine Außenschicht 24, welche die Anordnung zusammenhält, und die gesamte Anordnung kann nun als einstückige Konstruktion von der Vorrichtung heruntergenommen werden. Der Kohlefaserfaden besteht aus einem Bündel kleinerer Fäden,

Zur Verhinderung einer überspannung der Pasern beim Wickeln in engen Ecken und über kleine Radien wird vor dem Aufwickeln ausreichend Füllmaterial auf die Außenfläche der Abstandsringe aufgebracht, um mindestens irgendwelche scharfe Ecken abzurunden, wie dies beispielsweise bei 26 dargestellt ist. Bei diesem Füllstoff zum Ausfüllen der Ecken kann es sich selbst wieder um faserverstärktes Kunstharzmaterial handeln. Alternativ dazu können die Abstandsringe selbst so geformt sein, daß scharfe Ecken -vermieden sind. Als weitere Abwandlung kann die gesamte Außenfläche der einen kleineren Durchmesser aufweisenden Abstandsringe mit einem leichten Füllmaterial belegt werden, so daß sich der gleiche Außendurchmesser wie bei den Leitschaufelhalteringen ergibt und eine glatte Außenfläche entsteht, auf welche die Kohlefasern aufgewickelt werden können.

Die Leitschaufeln werden durch einen einzigen Aus-

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schnitt in die T-HaIteringe eingesetzt, wobei die Füße der Leitschaufeln nacheinander eingesetzt und dann in Umfangsrichtung durch den Halteschlitz hindurchgeschoben werden.

Nach dem vollständigen Einsetzen eines Leitschaufel- kranzes wird der letzte Leitschaufelfuß mittels vier Schrauben in seiner Lage im Pührungsschlitz gehalten, welche von der Gehäuseaußenseite her in den betreffenden Leitschaufelfuß eingeschraubt werden.

Um den Verdichter vollständig zusammenzubauen, wird jeweils nach der Fertigstellung eines Leitschaufelkranzes eine vollständige Laufradscheibe eingesetzt.

Die Werkstoffe der Gehäusebauteile können entsprechend der jeweiligen Anforderungen an die Gehäusekonstruktion abgewandelt werden. Anstelle von Walzstahl für die Leitschaufelhalte ringe kann beispielsweise eine Aluminiumoder Magnesiumlegierung am kühlen Verdichterende oder eine Titan- oder Nickellegierung am heißen Verdichterende Anwendung finden. Bestehen die Leitschaufeln selbst aus Kohlefasern, so kann es möglich sein, vorgeformte Kohle fas erringe zu verwenden und dadurch eine homogene

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Verdichterkonstruktion herzustellen.

In ähnlicher Weise können die nur schwach beanspruchten Abstandsringe aus Glas- oder Kohlefasern oder wiederum aus einer Leichtmetallegierung hergestellt sein.

Eine Kohlefaserschicht mit einer Dicke von etwa 1,25 mm weist für den Niederdruckverdichter eines Gasturbinentriebwerks eine ausreichende Festigkeit und Starrheit auf.

Eine andere Verdichtergehäusekonstruktion ist in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Bei dieser Konstruktion ist die Gehäuseinnenwand als einstückige Trommel ausgebildet, die aus Metall oder aus glasfaserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt sein kann.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Innenwand durch eine glasfaserverstärkte Trommel 30 gebildet und weist Aussparungen 32 zur Aufnahme von Leitschaufeln und Abschnitte 3¹* auf, welch letztere die Laufschaufelkränze umschließen und zusammen mit Plattformen der Leitschaufeln 38 eine glatte Strömungskanalwandung darstellen. Die Trommel kann aus Glasfaserfäden gewickelt

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oder aus Streifen aus vorimprägnierten, formgepreßten · Pasern aufgebaut sein. In jedem Fall ist die Trommel als einstückiger Körper ausgebildet, so daß keine Verbindungen herzustellen sind.

Die Trommel ist mit axial abwechselnd untereinander liegenden Abschnitten mit relativ kleineren und größeren Durchmessern ausgebildet, so daß abwechselnd nach außen offene und nach innen offene Aussparungen 40und 32 gebildet sind. Die nach innen offenen Aussparungen 32 nehmen die Leitschaufeln auf; die nach außen offenen Ausnehmungen stellen jedoch ein Problem hinsichtlich des Aufwickeins der Kohle faserschicht dar.

Dieses Problem ist bei diesem Konstruktionsbeispiel dadurch gelöst, daß die Ausnehmungen 40 mit einem leichten honigwabenartigen Werkstoff 45 ausgefüllt sind, so daß eine glatte Außenfläche entsteht, auf welche die Kohlefasern aufgewunden sind.

Löcher und Verdickungen zur Befestigung der Leitschaufeln werden dadurch hergestellt, daß um im Gehäuse angeordnete Zapfen herumgewickelt wird, um die Löcher 42 auszusparen, und der um die Löcher herum aufgebaute Faserbelag nach-

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träglich mit einer LastVerteilungsscheibe 43 zur Herstellung einer Verdickung zusammengedrückt wird.

Eine weitere Schicht 44 aus Glasfasern kann um die, die Laufschaufeln umgebenden Wandäbschnitte herum aufgebracht werden.

Die Leitschaufeln werden in den Aussparungen 32 mit Hilfe von metallenen Halteplatten 46 gehalten, die mittels Schrauben 48 am Gehäuse angeschraubt sind.

Die Halteplatten sind aus Metall und mit axial verlaufenden Schlitzen 50 in ihren in Umfangsrichtung weisenden Seitenkanten versehen, in welche Plansche 52 der Leitschaufeln gegen eine umfangsmäßige Verschiebung gesichert sind» Axialbewegungen der Leitschaufeln werden von einer Zunge 54 auf der Halteplatte verhindert, welche mit einem Schlitz 56 der betreffenden Leitschaufel zusammenwirkt. Zur Beschränkung der Axialbewegung der Metallschaufeln ist also eine Metall-Metall-Berührung vorgesehen, da die aus dem Verbundwerkstoff bestehenden Schultern der Ausnehmung 36 weniger abriebfest ist.

Der Zusammenbau des Verdichters erfolgt folgendermaßen:

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Da die Ausnehmungen 32 an ihren axialen Enden gerade Seitenflächen aufweisen, wird eine Halteplatte eingeschraubt und es kann eine Leitschaufel in die Ausnehmung eingesetzt und in Umfangsrichtung mit ihrem Plansch 52 in eine Nut 50 der Halteplatte eingeschoben werden. Die nächste Halteplatte kann sodann in die Ausnehmung eingesetzt und in Umfangsrichtung bis an die bereits eingesetzte Schaufel herangeschoben werden. Auf diese Weise wird der Leitschaufelkranz abwechselnd aus Schaufeln und Halteplatten aufgebaut. In den Nuten 50 zwischen den Halteplatten und den Schaufeln ist in Umfangsrichtung ausreichend Spielraum vorhanden, so daß, sofern die Halteplatten nicht gleich angeschraubt werden, der aufsummierte Spielraum es ermöglicht, die letzte Halteplatte einzusetzen. Sodann werden alle Halteplatten und Schaufeln in Umfangsrichtung zurückbewegt, um die Spielräume zwischen den benachbarten Planschen und Schlitzen auszugleichen, wonach die Halteplatten festgeschraubt werden.

Ein in der oben beschriebenen Weise aufgebautes Verdi chtergehäuse ist beträchtlich leichter als herkömmliche Metall- oder Verbundwerkst off gehäuse, was von der großen Festigkeit der Kohlefasern und ihrer Anwendung in Form einer kontinuierlichen gewebten Schicht herrührt, welche

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die erforderliche Umfangsfestigkeit des Verdichtergehäuses ergibt.

Wegen des sehr hohen Elastizitätsmoduls der Kohlefasern ist die Starrheit des in der oben beschriebenen Weise zusammengesetztes Gehäuses im Vergleich zu einem glasfaserverstärkten Gehäuse gleicher Dicke vergrößert, und die Starrheit des mit Bezug auf die Figuren 3 bis 5 beschriebenen abgewandelten Gehäuses ist durch die Einlage der Honigwabenschicht zwischen der Innenwand und der Kohlefaseraußenhaut noch weiter vergrößert.

Das Wicklungsmuster kann verändert werden, um die Richtungen und Windungszahlen der Pasern an jeder Stelle des Gehäuses den unterschiedlichen Gehäusebeanspruchungen bestmöglichst anzupassen.

Am stromabwärtigen Gehäuseende sind die aufgewickelten Fasern zur Bildung eines Radi al flansch es ausgespreizt, der mit Hilfe weiterer Windungen oder Bänder aus faserverstärktem Material verstärkt ist.

Ein weiter abgewandeltes Gehäuse kann unter Verwendung eines dünnen Innengehäuses aus Metall, welches zu einer Trommel gebogen und geschweißt ist, jedoch

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unter Verwendung der unmittelbar aufgewickelten äußeren Kohlefaserschicht als Hauptkonstruktionselement aufgebaut sein.

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Claims

Patentansprüche

QL. /Gehäuse für Gasturbinentriebwerke, mit einer ringförmigen Innenwand, welche axial abwechselnd hintereinanderliegende Leit schaufelhalte ab schnitte und Wandabschnitte aufweist, welch letztere Laufschaufelkränze umschließen, gekennzeichnet durch eine Außenschicht (24; 41) aus kohle faserverstärktem Verbundwerkstoff, der kontinuierlich um die Innenwand (10, 16;32, 34) des Gehäuses herumgewickelte Kohlefasern aufweist, welche in eine Kunstharzmatrix eingebettet und durch dieselbe an die Innenwand gebunden sind·

2, Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelhalteabschnitte (10; 32) jeweils im Verhältnis zu den Durchmessern der benachbarten, die Laufschaufelkränze umschließenden Wandabschnitte (16; 34) größere Durchmesser aufweisen und daß zur Beseitigung plötzlicher Durchmesseränderungen an der Außenfläche der Innenwand ein Füllmaterial (26; 43) auf die Außenfläche der die Laufschaufelkränze umschließenden Wandabschnitte aufgebracht ist«

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3, Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (26; 43) ein leichtes honigwabenartiges Material ist, welches eine so große Dicke aufweist, daß seine Außenfläche eine Fortsetzung der Außenfläche der Leitschaufelhalteabschnitte bildet (Figo 3)·

4. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelhalteabschnitte (10) und die, die Laufschaufelkränze umschließenden Wandabschnitte (16) jeweils als gesonderte Ringe ausgebildet sind und daß diese Ringe durch die aus kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff (24) bestehende Außenschicht zu einer einstückigen Konstruktion verbunden sind.

5· Gehäuse nach Anspruch 4« dadurch gekennzeichnet, daß die genannten gesonderten Ringe aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind.

6. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand als einstückige Trommel (30) ausgebildet ist, welche aus kunstharzgebundenem Glasfaserverbundwerkstoff geformt ist.

7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Innenwand eine einstückige Trommel (30) aus Leichtmetall ist«

8. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß in den Leits chaufelhalteabs chnit ten (32) des Gehäuses Leitschaufeln (38) mit Hilfe von Halteplatten (46) befestigt sind, und daß die Halteplatten entlang ihrer in ümfangsrichtung weisenden Seitenkanten Schlitze (50) aufweisen, die mit entsprechenden komplementären Planschen (52) der radial äußeren Enden der Leitschaufeln zusammenwirken, und daß die Halteplatten im Gehäuse festgeschraubt sind.

9. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelhalteabschnitte (10) jeweils mit unterschnittenen Ausnehmungen (15) zur Aufnahme entsprechend geformter Vorsprünge der radial äußeren Enden von Leitschaufeln (14) versehen sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leits chauf elhalte abschnitte bildende Ringe und jeweils dazwischenliegende, die, die Laufschaufelkränze umschließenden Wandabschnitte bildende Abstands-

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ringe auf einer Haltevorrichtung angeordnet und mit kontinuierlichen, kunstharzüberzogenen Kohlefaserfäden umwickelt werden, um die einzelnen Ringe zu einer einstückigen Konstruktion zu verbinden.

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