DE2833012A1

DE2833012A1 - Gehaeuse fuer strahltriebwerkturbine

Info

Publication number: DE2833012A1
Application number: DE19782833012
Authority: DE
Inventors: Michel Robert Ayache; Pierre Antoine Glowacki; Gerard Marcel Francois Mandet
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1978-07-27
Publication date: 1979-03-08
Also published as: FR2401310B1; FR2401310A1; DE2833012C2; US4222706A; GB2009329B; GB2009329A

Description

SOCIETE NATIONALE D¹ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEURS D¹AVIATION
(S.N.E.C.M.A.)
2, Boulevard Victor
F-75015 Paris / Frankreich

Gehäuse für Strahltriebwerkturbine.

Die Erfindung betrifft Gehäuse für Strahltriebwerkturbinen und insbesondere die Ringe, die am Umfang der Turbinenlaufräder angeordnet sind und einen Teil des Gehäuses bilden, welche Ringe bei erhöhten Temperaturen arbeiten und dem Abrieb unterliegen, der durch die Enden der umlaufenden Schaufel hervorgerufen wird.

In einem Turbostrahltriebwerk ist der Wert des erzeugten Schubes gleichzeitig proportional der Luftmenge und der Austrittsgeschwindigkeit des Abgasstromes. Der vom Verdichter und der Brennkammer kommende Luftstrom wird auf die Schaufeln der Turbine geleitet, die auf drehbaren Scheiben angeordnet sind. Die kinetische Energie des Gasstroms wird bei der Beaufschlagung der Turbinenschaufeln in ein Drehmoment umgewandelt, welches die Scheiben antreibt. Die Turbinenscheiben sind mit einer mit dem Einlaufverdichter gekuppelten Welle fest verbunden. Da der Wirkungsgrad des Triebwerks zum Teil durch die übertragung der kinetischen Energie des Gasstroms auf die Turbine bestimmt wird, ist es vorteilhaft, daß das ganze Gas durch die Schaufeln hindurchtritt, d.h. Leckstellen zu beseitigen, die zwischen den Spitzen der Schaufeln und dem

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und dem Gehäuse, welches sie umgibt und den Stromquerschnitt begrenzt, entstehen können. Infolge der Bewegung der Teile und der hohen Betriebstemperaturen ist es nicht möglich gewesen, in einfacher Weise den Raum zwischen der Spitze der Schaufeln und dem Gehäuse auszuschalten.

Um diesen Raum zu verringern, wenn nicht auszuschalten, wurden bereits zahlreiche Lösungen vorgeschlagen. Gemäß einem ziemlich weit zurückliegenden Vorschlag wurde das Gehäuse durch Ringe ausgekleidet, die gegenüberliegend jeder Schaufelscheibe angeordnet waren. Wegen der Unmöglichkeit, die Toleranzen zwischen den Spitzen der Schaufeln und den Ringen aufrechtzuerhalten, ist ein Verschleißproblem entstanden, das noch durch die Verformungen erschwert wurde, die durch die hohen Temperaturen hervorgerufen wurden, bei welchen diese Organe arbeiten. Man ist daher dazu übergegangen, die Ringe zu kühlen. Um eine wirksame Abdichtung zwischen der Schaufelspitze und dem Ring zu erhalten, ohne die Schaufelspitze zu beschädigen, wurde für den Ring ein Material verwendet, das sich leichter als das Material abnutzt, aus welchem die Schaufeln bestehen, so daß diese in dem Ring eine Furche bilden, in welcher sie sich frei drehen können.

Die ersten wabenförmigen Materialien für Ringe ermöglichten nur eine Kühlung durch Beaufschlagung, die oft ungenügend und nicht sehr gleichmässig war. Eine Kühlung durch Transpiration, d.h. durch Hindurchführung durch das Material kann nur mit einem Material von geringer Porosität verwendet werden, da die Menge des Kühlmediums so gering wie möglich gehalten werden muß, um eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades des Triebwerkes zu vermeiden.

Die Notwendigkeit einer geringen Porosität hat zur Herstellung von Ringen aus einem gesinterten porösen Material geführt.

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Der durch die Schaufeln bewirkte Abrieb hatte zusätzlich eine starke und nicht kontrollierbare Veränderung der Porosität zur Folge und konnte die Kühlung durch Transpiration nicht mehr korrekt durchgeführt werden.

In der USA-Patentschrift 3 825 364 wird eine Lösung dieses Problems durch die Verwendung eines abriebfähigen Materials vorgeschlagen, das aus zwei Schichten Sintermetall von verschiedener Porosiät besteht. Das den Abfluß des Kühlmittels verriegelnde Material ist mit bezug auf die Schaufeln das äusserste, während das mit den Schaufeln in Kontakt befindliche Material eine hohe Porosität hat, so daß es durch die Schaufeln verschleißt werden kann, ohne den Kühlmitteldurchtritt nach aussen zu stören. Die Kühlung des Ringes allein würde kein voll zufriedenstellendes Ergebnis bringen, wenn seine Halterung selbst Verformungen unterliegt. Das Gehäuse und die Halterung des Ringes werden durch einen Luftstrom gekühlt, der durch die öffnungen in einem Mantel gleichmässig verteilt wird, der in einem geringen Abstand von den Wänden des Gehäuses angeordnet ist. Der Ring aus Sintermaterial wird in einem Träger gehalten, der zwischen dem Grund des Trägers und dem Ring einen Raum läßt, der durch die Kühlluft beliefert wird, welcher aus dem Mantel kommt, durch die Gehäusewand hindurchtritt und dann durch den Grund des Trägers.

Diese bekannte Vorrichtung ermöglicht eine Verbesserung gegenüber den früher verwendeten Vorrichtungen, läßt jedoch eine Ursache für ein nicht vernachlässigbares Lecken bestehen und wenn man der Anordnung gemäß der Ansicht sein kann, daß der Raum zwischen dem Ring und den Spitzen der Schaufeln auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist, trifft dies in der Praxis nicht zu. In der Tat verläuft infolge der Porosität des Materials und der Druckunterschiede, die zwischen dem Einlauf und dem Auslauf der Turbine bestehen, ein

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TeS. des Luftstroms des Triebwerks in der Längsrichtung in der porösen Materialschicht/ wodurch seine kinetische Energie nicht an den Schaufeln sondern in dem porösen Material des Ringes verlorengeht, wodurch seine Kühlung durch Transpiration ernstlich beeinträchtigt wird.

Ausserdera weist die Träger- und Montagevorrichtung des Ringes eine gewisse Anzahl von Teilen auf, die durch Ineinanderschachteln zusammenwirken. Diese Art von Zusammenbau ist eine Quelle von Leckverlusten für die Kühlluft und erzeugt Wärmebarrieren, die einer guten Isothermie der Gesamtanordnung entgegenwirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile durch die Verwendung eines Ringes aus einem porösen Sintermaterial zu vermeiden, welches jedes Lecken in der Längsrichtung des Luftstroms des Triebwerks und jede Störung der Kühlung durch Transpiration verhindert, welche von der Oberstromseite zur Unterstromseite im Sinne des Stromabflusses durch Zufuhrkammern moduliert wird, die ebenfalls eine Kühlung durch Beaufschlagung herbeiführen.

Ausserdem ermöglicht die Vorrichtung zur Halterung und Montage des Ringes gemäß einem Merkmal der Erfindung eine gleichmässige Verteilung der Temperaturen, wodurch Temperaturgefälle vermieden werden, die Verformungen hervorrufen.

Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Turboluftstrahltriebwerks weist mindestens einen abriebfähigen Ring aus einem porösen Sintermaterial auf, der zumindest einen Teil des Gehäuses bildet, der die die Schaufeln tragenden Turbinenscheiben umgibt, welcher Ring zumindest durph Transpiration

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mittels Luft gekühlt wird, axe mit Hilfe einer Trägerund Montagevorrichtung des Ringes verteilt wird, und welcher Ring sich dadurch unterscheidet, daß er Zwischenwände besitzt, die quer zur Achse der Turbine verlaufen.

Das Gehäuse der Strahltriebwerkturbine unterscheidet sich ferner dadurch, daß die Träger- und Montagevorrichtung des Ringes einen aus einem Stück bestehenden zylindrischkonischen Umdrehungskörper besitzt, der einen äusseren zylindrischen Teil aufweist, welcher Mittel zur Befestigung am Gehäuse des Triebwerks trägt, sowie einen konischen Teil, der den zylindrischen Aussenteil verlängert, ferner eine perforierte zylindrische Zwinge, die mit ihrem Ende im Inneren des konischen Aussenteils befestigt ist, ein konischer Mantel, der durch Einlagen im Inneren des konischen Aussenteils befestigt ist und der eine geringere Höhe als der konische Aussenteil hat, ein perforierter zylindrischer Mantel, der durch Zwischenstücke über die volle Höhe des perforierten zylindrischen Teils befestigt ist, einen Ring aus einem porösen abriebfähigen Material, der auf dem perforierten zylindrischen Teil befestigt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher erläutert und zwar zeigen:

. 1 eine Teilansicht im Schnitt eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses;

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Ringes mit Zwischenwänden;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Ringes;

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• Fig. 4 eine Ausführungsform der Zwischenstücke.

In Fig. 1 ist im Schnitt ein Teil der Montagevorrichtung eines Turbinengehäuses dargestellt.

Das Gehäuse weist einen einteiligen zylindrisch-konischen Umdrehungskörper von im wesentlichen gleichmässiger Dicke. auf, der durch einen im wesentlichen zylindrischen Aussenteil 1 gebildet wird, dessen eines Ende einen Flansch 2 zur Befestigung am Gehäuse des Triebwerks trägt. Dieser zylindrische Teil ist durch einen konischen Teil 3 verlängert. Im Inneren des konischen Teils 3 ist eine perforierte zylindrische Zwinge 4 an ihrem einen Ende befestigt. Diese Zwinge trägt einen Ring 5 aus einem porösen abriebfähigen Material. An der Innenfläche des konischen Teils

3 ist ein Mantel 6 befestigt, der ebenfalls konisch ist und nachfolgend dem Teil 3 durch Einlagen 7 gehalten wird, die durch Kugeln gebildet werden. Die Höhe dieses Mantels ist derart, daß ein Durchlaß 8 am Ende 9 bleibt, das die Verbindung zwischen dem konischen Aussenteil 3 und der Zwinge 4 bildet. An der Außenwand der perforierten Zwinge

4 ist ein zylindrischer Hantel 10 mittels Zwischenstücken 11 befestigt.

Bei der dargestellten Ausführungsform bedeckt der vorangehend beschriebene Körper einen Teil des Gehäuses der Brennkammer 12 und hat solche Abmessungen, daß er zwischen sich und der Wand 13 des Gehäuses einen Ringraum 14 begrenzt, der mit Kühlluft durch öffnungen 15 beliefert wird. Die Luft wird daher in den Raum 16 geführt, der den konischen Mantel 6 von dem Aussenteil 3 trennt und kühlt diesen Teil durch Konvektion. Der Mantel 6 ist so gestaltet, daß sein

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vorderer Teil 17 auf einer Randleiste 18 befestigt ist, die zum Gehäuse der Brennkammer gehört. In der Kammer 19 entspannt sich sodann die Luft, bevor sie durch die in dem Mantel 1o vorgesehenen öffnungen 20 hindurchtritt.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Zwischenstücke 11, die von der Zwinge 4 getragen werden und die Befestigung des zylindrischen Mantels 10 ermöglicht, durch radiale Rippen gebildet, die an der Aussenfläche der Zwinge vorgesehen sind. Diese Rippen begrenzen mit dem perforierten Mantel ringförmige Kammern 21, welche die Kühlluft regelmässig verteilen. In diese Kammern münden Kanäle 22, die vorzugsweise schräg verlaufen, damit die Luft eine grössere Kontaktfläche mit der Zwinge erhält. Diase Kanäle verbinden die ringförmigen Kammern 21 mit ringförmigen Kammern 23, die durch den Ring 5 aus porösem Material begrenzt werden. Diese Kammern 23 sind in ähnlicher Weise wie die Kammern 21 geformt. Auf der Oberfläche der Zwinge sind Rappen 24 so vorgesehen, daß ihre Lage den Zwischenwänden 25 entspricht, die im Ring ausgebildet sind. Der Ring ist auf diesen Rippen durch herkömmliche Mittel befestigt. Die Ränder des Ringes werden durch Ringkörper 26 und 27 gehalten, die an den Rändern der Zwinge 4 befestigt sind.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Zwischenstücke 11 zwischen dem perforierten zylindrischen Mantel 10 und der Zwinge 4. Die Zwischenstücke werden durch radiale Rippen gebildet, die im Mantel durch Prägen oder Drücken ausgeformt werden. Der Mantel wird sodann auf der Zwinge längs der Rippen beispielsweise durch Elektroschweissen befestigt.

Fig. 2 zeigt in vergrössertem Maßstab eine Schnittansicht eines Teils des Ringes 5, der eine Querwand 25 aufweist, welche in diesem besonderen Fall eine radiale Zwischenwand

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ist. Diese Zwischenwand wird dadurch erhalten, daß der Ring aus porösem Material einem Elektronenstrahl unterzogen wird. Wegen der geringen Dicke des abriebfähigen Materials von etwa 3 - 5 min erzeugt der Elektronenstrahl leicht eine Schmelze von einer Tiefe, die auf eine Zone von geringer Dicke von etwa 0,5 mm beschränkt ist.

Fig. 1 zeigt in der Verlängerung der Zwischenwände und auf der Innenfläche des Ringes, d.h. auf der den Schaufeln des Rotors benachbarten Fläche eine Nut 28. Gemäß den in Fig. 2 und 3 dargestellten Beispielen kann diese Nut von einem halbkreisförmigen oder rechteckigen Profil sein. Das halbkreisförmige Profil kann direkt bei der Bildung der Zwischenwände durch Zubruchgehen des Materials beim Eintritt des Elektronenstrahlbündels erhalten werden. Diese durch Elektronenstrahl oder durch herkömmliche Bearbeitung erzeugte Nut hat zwei Ziele: den dicksten Zwischenwandteil zu beseitigen und zu vermeiden, daß, wenn eine Schaufel mit dem Material und im besonderen mit dem Zwischenwandteil in Kontakt kommt, dieser hierdurch herausgerissen wird.

Eine weitere Lösung besteht darin, daß die Zwischenwände schräg mit bezug auf die Achse des Ringes geformt werden derart, daß die "Messerwirkung" auf die Spitze der Schaufeln vermindert wird.

Wie erwähnt, stehen die Drücke zwischen dem Einlauf und dem Auslauf der Turbine in einem Verhältnis von mindestens 2. Der aus der Brennkammer stammende Luftstrom tritt wegen der großen Porosität des den Ring bildenden Materials leichter in das Material als zwischen den Schaufeln ein. Durch dieses Lecken geht ein guter Teil der Vorteile des abriebfähigen Materials als Dichtungsring mit den Spitzen der Schaufeln verloren. Durch die Bildung von Querzwischenwänden in dem

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.■'aterial wird das a;;iale Lecken durch aas iiaterial verringert, v/enn niciit fast voll ausgeschaltet.

L>e± den bekannten Ausführungsformen wird das norJso abrie.bfüuige iiaterial entweder aurc. gesinterte Glaskügelchen oder durch ^!'Sahwd:iii:.e^:< ijebilüet, die: uurch eine galvanised, im die GlaskigGlenen narum aufgouracnte Sonicht erhalten werden, welche nach -Δοϊλ galvanischen Aufbriug^n aufgelöst, werden und Hellen bili^n.

Die kontinuierliche Struktur der iontagevorrichtung eines a'urbinenringes err-iöcflicht das Urzi-ilen gleichraässicrer 'i'enueraturen inlrolgo Ltas Fehlens von Jickever^nderunifen aer viänue und des Fehlens von aufgesetzten Teilen, wobei die Verbindungen zwischen uen verschiedenen Teilen oft die Rolle von Würmebarrieren bi.la.on.

Die vviricsamkeit der innerea Belüftung hat zusarnuen mit aer rtolle "der Warmsisolierung des abriebfähigen iaterials zur Folge, daß die Struktur eine gleichmässige Temperatur hat und nicht dia evtl. Temperaturschwankungen der heissen Gase des Stroms erfährt. Diese Wärmeregelung der einteiligen Vorrichtung ermöglicht die Beherrschung der radialen Dehnung und damit des Spiels an der Spitze der Schaufeln. Jie Gleichraässigkeit der Temperaturen des Ringes ermöglicht es ferner, die zur Regelung dieses Spiels nachteiligen Verformungen zu vermeiden.

Der Patentanwalt

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Claims

Ansprüche :

Gehäuse für Strahltriebwerkturbine mit mindestens einem abriebfähigen Ring aus einem porösen Sintermaterial, der zumindest einen Teil des Gehäuses bildet, der die die Schaufeln tragenden Turbinenscheiben umgibt, welcher Ring zumindest durch Transpiration durch die Luft gekühlt wird, welche mittels einer Träger- und Montagevorrichtung des Ringes verteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (5) Zwischenwände (25) aufweist, die quer zur Achse der Turbine verlaufen.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (5) Zwischenwände aufweist, die mit bezug auf die Turbinenachse schräggerichtet sind.
3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (25) des Ringes (5) durch Zonen gebildet werden, die durch Elektronenbeschuß geschmolzen worden sind.
4. Gehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,

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dadurch gekennzeichnet, daß der Ring in der Verlängerung der Zwischenwände und auf derjenigen Fläche, die den Spitzen der Schaufeln zugekehrt ist, Nuten (28) aufweist.
5. Gehäuse nach einem oder mehreren der vorangehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger- und Montagevorrichtung des Ringes (5) einen aus einem Stück bestehenden zylindrisch-konischen ümdrehungskörper besitzt, der einen äusseren zylindrischen Teil (1) aufweist, welcher Mittel (2) zur Befestigung am Gehäuse des Triebwerks trägt, sowie einen konischen Teil (3), der den zylindrischen Aussenteil (1) verlängert, ferner eine perforierte zylindrische Zwinge (4), die mit ihrem Ende im Inneren des konischen Aussenteils (3) befestigt ist, ein konischer Mantel (6), der durch Einlagen (7) im Inneren des konischen Aussenteils befestigt ist und der eine geringere Höhe als der konische Aussenteil hat, ein perforierter zylindrischer Mantel (10), der durch Zwischenstücke (11) über die volle Höhe des perforierten zylindrischen Teils befestigt ist, einen Ring (5) aus einem porösen abriebfähigen Material, der auf dem perforierten zylindrischen Teil befestigt ist.
6. Gehäuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke, welche den perforierten zylindrischen Mantel von dem perforierten zylindrischen Teil trennen, durch radiale Rippen gebildet werden, die durch den perforierten zylindrischen Mantel getragen wird.
7. Gehäuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Zwischenstücke, welche den perforierten zylindrischen Mantel von dem perforierten zylindrischen Teil trennen/ durch radiale Rippen gebildet werden, die von dem perforierten zylindrischen Teil getragen werden.
8. Gehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Rippen auf dem perforierten zylindrischen Teil vorgesehen sind, und die Befestigung des Ringes aus abriebfähigem Material senkrecht zu den Zwischenwänden gewährleisten.
9. Gehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte zylindrische Teil schräg nach innen gerichtete Kanäle (22) aufweist.
10. Gehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem konischen Mantel und dem konischen Aussenteil angeordneten Einlagen bzw. Zwischenstücke durch Kugeln gebildet werden.

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