DE2833012C2

DE2833012C2 - Gehäuse für Strahltriebwerkturbine

Info

Publication number: DE2833012C2
Application number: DE2833012A
Authority: DE
Inventors: Michel Robert Brunoy Ayache; Pierre Antoine Melun Glowacki; Gerard Marcel Francois Brunoy Mandet
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1978-07-27
Publication date: 1985-12-19
Also published as: US4222706A; FR2401310B1; GB2009329A; GB2009329B; DE2833012A1; FR2401310A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für Strahltriebwerkturbine mit mindestens einem abriebfähigen Ring aus einem porösen Sinterniat?rial gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Ring ist am Umfang des Turbinenlaufrades angeordnet und bildet einen Teil des Gehäuses. Der Ring arbeitet bei erhöhten Temperaturen und unterliegt Abrieb, der durch die Enden der umlaufenden Schaufeln hervorgerufen wird.

Bei einem Turbostrzhltriebwerk ist der Wert des erzeugten Schubes sowohl proportional der Luftmenge als auch der Austrittsgeschwindigkeit des Abgasstroms. 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 Beaufschlagung der Turbinenschaufeln in ein Drehmoment umgewandelt, das 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 gesamte Gas durch die Schaufeln hindurchtritt, d. h. Leckstellen beseitigt sind, die zwischen den Spitzen der Schaufeln 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 Jen 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 Unmöglichkeil, die Toleranzen zwischen den Spitzen der Schaufeln und den Ringen aufrechtzuerhalten, ist ein VerschleißDrobiem entstanden, das noch durch die Verformungen erschwert wurde, die durch die hohen Temperaturen hervorgerufen wurden, bei weichen 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 Materia! 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 gehallen 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 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 38 25 364 wird eine Lösung dieses Problems durch die Verwendung eines abriebfähigen Materials vorgeschlagen, das aus zwei Schichten Sintermetall von verschiedener Porosität 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 vcrschleißt 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 Teil des Luftstroms des Triebwerks in der Längsrichtung in der porösen Maierialschicht, wodurch seine kinetische Energie nicht an den Schaufeln sondern in dem porösen Material des Ringes verlorengeht, wodurch seine Kühlung durch Transpiration (Verdunstungskühlung) ernsthaft beeinträchtigt wird.

b? Außerdem weist clic Triigcr- und Montiigcvorriihtung des Ringes eine bestimmte An/ahl von Teilen auf, die durch Ineinanderschachteln zusammenwirken. Diese Art des Zusammenbaus verursacht Leckverluste für

die Kühlluft and erzeugt Wärmesperren, die einer guten isothermie der Gesamtanordnung entgegenwirken.

Aus der DE-OS 16 01 559 ist ein Statorring mit einem abriebfähigen porösen Ring bekannt, der über seine gesamte axiale Länge in Längsrichtung der Turbine vollständig gleichförmig bleibt Lediglich der den Träger des abriebfähigen Rings bildende zylindrische Ring weist kalibrierte Löcher für den Durchtritt von Kühlluft auf, wobei die Löcher in Längsrichtung verteilt angeordnet sind. Dadurch können jedoch die erwähnten Nachteile nicht überwunden werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Ring aus dem porösen Sinlermaterial so auszubilden, daß Lecken in Längsrichtung des Luftstromes des Triebwerks und eine Beeinträchtigung der Kühlwirkung durch Transpiration verhindert sind, wobei diese in Strömungsrichtung durch Züfuhrkammern moduliert wird, die ebenfalls eine Kühlung durch Beaufschlagung herbeiführen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Die Erfindung wird durch die Merkmale der ünteransprüche weitergebildet

Durch die Zwischenwände wird das axiale Lecken verringert, wenn nicht vollständig verhindert Ausgehend davon läßt sich eine Montagevorrichtung verwenden, die eine gleichmäßige Temperaturverteilung erlaubt

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 im Teilschnitt ein gemäß der Erfindung ausgestaltetes Turbinengehäuse,

Fig.2 im Ausschnitt eine Ausführungsform eines Rings mit Zwischenwänden,

F i g. 3 eine andere Ausführungsform eines Ringes, F i g. 4 eine Ausführungsform der Zwischenstücke.

in Fig. i 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 Mantel 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 Auücnteil 3 trennt und kühlt diesen Teil durch Konvektion. Der Mantel 6 is*, so gestaltet, daß sein 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 10 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

ίο schräg verlaufen, damit die Luft eine größere Koataktfläche mit der Zwinge erhält Diese 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 Rippen 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 wer- den durch Ringkörper 26 und 27 g-.*>ilten, die an den Rändern der Zwinge 4 befestigt sind.

F i g. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Zwischenstücke 11 zwischen dem perforierten zylindrischen Mantel 10 und der Zwinge 4. Die Zwischenstücke wer den 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 F i g. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Schnittan sieht eines Teils des Ringes 5, der eine Querwand 25 aufweist, welche in diesem besonderen Fall eine radiale Zwischenwand 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 mm erzeugt der Elektronenstrahl leicht eine Schmelze von einer Tiefe, die auf eine Zone von geringer Dicke von etwa 0,5 mm beschränkt ist.

F i g. 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 Zwischenwand- teil zu beseitigen und zu vermeiden, daß, wenn eine

Schaufel mit dem Material und im besonderen mit dem Zwischenwandteil in Kontakt kommt, dieser hierdurch

h".rac*g-irissen wird.

Eine weitere Lösung besteht darin, daß die Zwischen-

wände schräg mit ßezug 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 Material wird das axiale Lecken durch das Material verringert, wenn nicht fast voll ausgeschaltet.

Bei den bekannten Ausführungsformen wird das poröse abriebfähige Material entweder durch gesinterte Glaskügelchen oder durch »Schwämme« gebildet, die durch eine galvanisch um die Glaskügelchen herum aufgebrachte Schicht erhalten werden, welche nach dem galvanischen Anbringen aufgelöst werden und Zellen bilden.

Die kontinuierliche Struktur der Montagevorrichtung eines Turbinenringes ermöglicht das Erzielen gleichmäßiger Temperaturen infolge des Fehlens von Dickeveränderungen der Wände und des Fehlens von aufgesetzten Teilen, wobei die Verbindungen zwischen den verschiedenen Teilen oft die Rolle von Wärmebarrieren bilden.

Die Wirksamkeit der inneren Belüftung hat zusam- is men mit der Rolle der Wärmeisolierung des abriebfähigen Materials zur Folge, daß die Struktur eine gleichmäßige Tcmpcrüiüi hai lifiu tiiCht die c'vii. Tcitipcraiurschwankungen 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. Die Gleichmäßigkeit der Temperaturen des Ringes ermöglich ί es ferner, die zur Regelung dieses Spiels nachteiligen Verformungen zu vermeiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. 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, weiche mittels einer Träger- und Montagevorrichtung des Ringes verteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (5) Zwischenwände (25) aufweist, diequerzur 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 gekennzeicfcr.st, daß die Zwischenwände (25) des Ringes (5) duitä Zonen gebildet werden, die durch Elektronenbeschuß geschmolzen worden sind.

4. Gehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring in der Verlängerung der Zwischenwände und auf derjenigen Fläche, die den Spitzen der Schaufeln zugekehrt ist, Nuten (28) aufweist