DE2912888A1

DE2912888A1 - Zweischaliges gehaeuse fuer stroemungsmaschinenlaeufer

Info

Publication number: DE2912888A1
Application number: DE19792912888
Authority: DE
Inventors: Steven Smith Chamberlain; Trevor Harold Speak
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-04-04
Filing date: 1979-03-30
Publication date: 1979-11-15
Also published as: JPS5510086A; GB2019954A; GB2019954B; FR2422026A1

Description

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Augsburg, den 30. März 1979

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Zwaisenaliges Gehäuse für Strömungsmaschinenläuf&r

Die Erfindung betrifft ein zweischaliges Gehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für Strömungsmaschinenläufer.

Dabei bezieht sich die Erfindung insbesondere auf Gasturbinentriebwerke, und hauptsächlich, jedoch nicht ausschließließ auf Ysz'dichtergehäuse für Gasturbinentriebwerke.

üb ist bereits bekannt, ein Verdichtergehäuse für ''Jastupbinentr-iebwerke als einschaliges Gehäuse aus zwei

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halbkreisförmigen Gehäusehälften aufzubauen, wobei die beiden Gehäusehälften entlang ihrer aneinanderstoßenden Ränder mit Planschen versehen sind. Die Innenwandung des Gehäuses ist gewöhnlich mit ringförmigen Vertiefungen versehen, in welchen die Leitschaufeln mit ihren äußeren Enden befestigt sind. Die beiden Gehäusehälften werden nach Fertigstellung des Verdichterläufers über diesem zusammengesetzt, wobei die Leitschaufeln genau zwischen die einzelnen Läuferstufen greifen und sodann werden die beiden zusammengesetzten Gehäusehälften längs ihrer Flansche miteinander verschraubt.

Die erforderliche Fertigungszeit zur Herstellung eines Verdichter- oder Turbinengehäuses der eben beschriebenen Art, weiter die Notwendigkeit zur genauen Ausrichtung der Schraubenlöcher in den miteinander zusammenwirkenden Flanschen und der Zeitbedarf zum Zusammenbau oder zum Auseinandernehmen der gesamten Verdichter- oder Turbinenkonstruktion tragen in erheblichem Maße zu den Fertigungs- und Betriebskosten eines Gasturbinentriebwerks mit derartigen Läufergehäusen bei, weshalb es wünschenswert ist, sowohl die Fertigung als auch das Zusammenbauen und Auseinandernehmen der Läufergehäuse für Verdichter oder Turbine zu vereinfachen.

Weitere Probleme in Verbindung mit den Läufergehäusen von Strömungsmaschinen der genannten Art liegen darin, daß

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während der Übergangsbetriebsphasen, beispielsweise beim Anfahren oder beim Drosseln der Maschine, sich die Temperatur des Arbeitsmittels in der Maschine verhältnismäßig schnell ändert. Die in unmittelbarer Berührung mit dem Arbeitsmittel stehenden Teile der Maschine werden deshalb jeweils verhältnismäßig; schnell erwärmt bzw, abgekühlt. Die thermische Reaktion von Bauteilen, die mit dem Arbeitsmittel nicht in unmittelbarer Berührung stehen, verläuft wesentlich langsamer, x^as zu Schwierigkeiten führen kann. Beispielsvieise bei Gasturbinentriebwerken, deren Turbinen- und Verdichterläufer jeweils auf Laufradscheiben angeordnete Laufschaufelkränze aufweisen, die innerhalb eines Gehäuses umlaufen, neigt das Gehäuse zu sehr schneller Erwärmung, während die massiveren Laufradscheiben, die außerdem durch Fußbandringe der Schaufeln und zwischen den einzelnen Stufen gelegene Strömungskanalwandabschnitte gegen die heißen Gase abgeschirmt sind, sich wesentlich weniger schnell erwärmen. Infolge der sich daraus ergebenden unterschiedlichen Wärmedehnungen verändert sich der Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse, was dazu führen kann, daß die Schaufelspitzen am Gehäuse schleifen oder, wenn der Spalt zu groß wird, ein Wirkungsgradverlust oder ein Pumpen des Triebwerks eintritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse der eingangs genannten Art für Strömungsmaschinenläufer so

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zu gestalten, daß das thermische Ansprechverhalten des Gehäuses weitgehend demjenigen des Turbinen- bzw. Verdichterläufers angepaßt ist, um so das Spiel zwischen Gehäuse und Läufer auch bei Betriebszustandsänderungen im wesentlichen konstant zu halten. Gleichzeitig sollen die oben erwähnten Forderungen nach einfacher Herstellbarkeit und leichtem Zusammenbau des Gehäuses Berücksichtigung finden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Konstruktion gelöst.

Vorzugsweise ist die Innenschale des Gehäuses aus zwei oder mehr Abschnitten zusammengesetzt. Bei diesen Innenschalenabschnitten handelt es sich vorzugsweise um stirnseitig aneinandergestoßene ringförmige Axialabschnitte oder um umfangsmäßig zusammengesetzte Hohlzylindersegmente.

Im Falle von stirnseitig aneinandergestoßenen Axialabschnitten der Innenschale sind diese an ihren aneinanderstoßenden Stirnflächen zweckmäßigerweise jeweils mit einem Positionxerungsansatz bzw. einer entsprechenden Ausnehmung zur Aufnahme eines solchen Positxonierungsansatzes versehen.

Die Äußenschale ist vorzugsweise jeweils in demjenigen Bereich, in v/elchera ein Positionierungselement der Innenschale in die zugehörige Ausnehmung der Außenschale eingreift, mit einer Materialanhäufung versehen, die als Mittel zur Regulierung der radialen '-/armedehnung bzw. -zusammenziehung der Innenschale durch Regulierung der Wärmeleitung über den betreffenden Plansch der Innenschale zu bzw« von der Materialanhäufung dient.

Der bzw, .jeder Flansch der Innenschale ist vorzugsweise mit, mit gegenseitigen ümfangsabständen angeordneten Schlitzen versehen, um dem Flansch eine gewisse Flexibilität in Umfangsrichtung zu verleihen«

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig, 1 ein Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk mit

einer Gehäusekonstruktion nach der Erfindung,

Fig« 2 das Verdichtergehäuse des Hochdruck

verdichters des Triebwerks nach Fig« 1 mehr im einzelnen,, wobei

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die Schnittebene gemäß der Linie II-II in Fig. 3 verläuft,

Fig. 3 einen Teil der Innenschale des in

Fig. 2 gezeigten Hochdruckverdichtergehäuses, und zwar in Richtung des Pfeiles A in Fig. 4 gesehen,

Fig. 4 eine Stirnansicht von vorn eines Teils

der Innenschale des in Fig. 2 gezeigten Gehäuses, und

Fig. 5 eine Verschlußplatte zum Verschluß der

Schlitze in den Flanschen der Innenschale des in Fig. 2 gezeigten Gehäuses.

Fig. 1 zeigt ein Mantelgebläse-Triebwerk 10 mit einem frontseitigen Niederdruckverdichter 11, der durch eine Turbine 12 angetrieben wird, weiter mit einem Hochdruckverdichter 13, der von einer Turbine l4 angetrieben wird, und mit einer Brenneinrichtung 15 zur Erzeugung der heißen Treibgase für den Antrieb der Turbinen 12 und 14 sowie mit einer Abgas-Strahldüse 16, durch welche der ebenfalls vortrieberzeugende Abgasstrahl austritt.

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Der Hochdruckverdichter 13 ist in einem Gehäuse 20 untergebracht, das in den Fig. 2 bis 4 mehr im einzelnen dargestellt ist und eine einteilige, ringförmige Außenschale 21 aus Metall und eine ebenfalls aus Metall bestehende Innenschale 22 aufweist, welch letztere aus drei zylindrischen Axialabschnitten 23, 24 und 25 zusammengesetzt ist, die ihrerseits jeweils aus einer Anzahl von (vorzugsweise vier) Hohlzylindersegmenten zusammengesetzt sind, die in Fig. 3 mit 23a, 23b bzw. 24a, 24b bzw. 25a, 25b bezeichnet sind. Diese Segmente weisen jeweils einen umfangsmäßigen Spalt 26 zwischen sich auf, der eine umfangsmäßige Wärmedehnung bzw. Zusammenziehung der einzelnen Segmente erlaubt.

Jeder Axialabschnitt 23, 24 und 25 der Innenschale 22 ist mit Schlitzen 27 versehen, in welche Leitschaufeln 28 der zweiten bis siebten Verdichterstufe hart eingelötet sind. Die Leitschaufeln der ersten Stufe sind unmittelbar an der Außenschale 21 befestigt. Zur leichteren Bezugnahme sind die Leitschaufeln von IV bis 7V numeriert, wobei die Zahl die jeweilige Verdichterstufe angibt, und die Laufschaufeln 29 sind mit IR bis 8R bezeichnet. Der Umfangsspalt 26 zwischen den einzelnen Segmenten der Innenschalen-Axialabschnitte hat jeweils einen treppenartigen Verlauf, so daß er jeweils zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 28 jeder Verdichterstufe hindurchverläuft.

Zwischen den Leitschaufeln der dritten und vierten Verdichterstufe sind AnzapfÖffnungen 29 vorgesehen.

Die zylindrischen Axialabschnitte 23, 2k und 25 der Innenschale sind gemäß Fig, 2 jeweils mit radial nach außen ragenden Planschen 30 bis 36 versehen. Die Flansche 31 bis 36 sind jeweils mit Schlitzen 37 versehen, die mit gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet sind. Dabei haben die Flansche 31 und 32 jeweils vierundzwanzig Schlitze, während, die Flansche 33 bis 36 jeweils sechsunddreißig Schlitze aufweisen. Alle Schlitze haben jeweils gleiche Breite, Weiter weisen die Flansche 30 bis f)6 an ihrem Außenumfang jeweils ein Positionierungselement in Form eines Hakens 38 auf, der durch einen zylindrischen, axial verlaufenden Flanschansatz gebildet ist. Alle diese Positionierungselemente 38 ragen nach vorne, mit Ausnahme derjenigen der Flansche 35 und 36, die nach hinten xueisen. Die Positionierungselemente 38 der Flansche 30 bis J>k greifen jeiveils in entsprechende Ausnehmungen 38a der Außenschale 21 ein. Die Positionierungselemente 38 der Flansche 35 und 36 greifen in Ausnehmungen ein, die in einem Düsenleitschaufelgehäuse 39 mit einem Flansch 40 gebildet sind, welch letzterer zwischen der Außenschale 21 und dem Außengehäuse 41 der Brenneinrichtung 15 eingespannt ist.

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Dieses Düsenleitschaufelgehäuse 39 ist etwa zylindrisch und trägt die Leitschaufeln der achten Stufe sowie nichtgezeigte₅ zum Geraderichten der Strömung dienende Düsenleitschaufeln_s die unmittelbar stromauf der Brenneinrichtung 15 angeordnet sind.

Die Innenschale 22 ist an ihrem hinteren Ende mit Zapfen 42 versehen, die in Bohrungen einer Stirnwand des Düsenleitschaufelgehäuses 39 eingreifen und zur Positionierung der Segmente der Innenschale 22 dienen. Weiter ist die Innensciaale durch mit gleichen gegenseitigen Abständen angeordnete, radiale Spannzapfen 43 zwischen der zweiten und der dritten Stufe gehaltert« Die Außenschale 21 ist an ihrem hinteren Ende mit einem Plansoll 45 mit dem Außengehäuse 4l der Brenneinrichtung vsrschraubt_s und auf diese Weise sind die Positionierungselemente 38 fest in die Aussparungen der Außenschale bzw» des Düsenleitschaufelgehäuses 39 eingespannt. Die Innenschale ist also sowohl gegen axiale als auch gegen radiale Bewegungen festgelegt. Das vordere Ende der Außensehale 21 j.sfc mit nichtgezeigten Positionierungszapfen versehsn_a die ähnlich den Zapfen 42 sind, und ist am hinteren Ende eines Strömungsteilers 49 angeschraubt, der die Strömung zum BasrLstr-isbwerk von der Strömung im Gebläsekanal trennt.

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Die Außenschale 21 ist jeweils im Bereich der Positionierungselemente 38 mit Materialanhäufungen 44 versehen, die jeweils als thermische Kapazität dienen und vorzugsweise als Wandverdickungen ausgebildet sind, obwohl es auch möglich ist, stattdessen äußere Ringe aus geeignetem Werkstoff in gut wärmeleitender Berührung an der Auföenschale anzubringen.

Diese Materialanhäufungen 44 sind so ausgelegt, daß sie aufgenommene Wärme in jeweils geeignetem Maße abgeben, so daß dadurch die Wärmedehnung und Zusammenziehung der Innenschale in Radialrichtung an diejenige des Verdichterläufers angepaßt wird und dadurch der Spalt zwischen der Innenschale und den Laufschaufelspitzen etwa gleich gehalten wird.

Die Schlitze in den Planschen 31 bis 36 ermöglichen eine Wärmedehnung oder Zusammenziehung der Innenschale 22 in Umfangsrichtung ohne Verwerfung dieser Plansche oder der Innenschale. Die Plansche hindern die Innenschale an einer freien radialen Dehnung oder Zusammenziehung, und aufgrund der kombininierten Wirkung dieser radialen Festlegung durch .lie Plansche und die Regulierung der Wärmeabfuhr von der Innenschale 22 über die Plansche zu den Materialanhäufungen 44 wird das Schaufelspitzenspiel zwischen den Laufschaufeln und der Innenschale gesteuert. Die Schlitze 37 in den

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Flanschen 31 bis 36 zwischen den Positionierungselementen 38 sind durch dünne metallene Verschlußplatten 46 verschlossen, von denen eine in Fig. 5 dargestellt ist und die eine Bewegung der Flansche in Uinfangsrichtung ermöglichen.

Die rückwärtigen Stirnflächen der Segmente 23a und 23b und die vordere Stirnfläche der Segmente 25a und 25b sind mit Ausnehmungen 47 versehen, in welche jeweils ein Positionierungsvorsprung 48 der damit zusammenwirkenden Stirnfläche der Segmente 24a und 24b eingreifen, um die Axialabschnitte 23, 24 und 25 koaxial miteinander zu halten.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen die Flansche 30 bis 34 einen jeweils zunehmenden Durchmesser aufj damit die Gehäuseschalen zum Zusammenbau axial ineinander geschoben werden können. Gewünschtenfalls können die Flansche auch gleiche Durchmesser haben und die Außenschale mit bogenförmigen Aussparungen versehen sein, die in mit gegenseitigen Umfangsabständen am Innenumfang der Außenschale angeordnet radial einwärts ragenden Vorsprüngen gebildet sind. In diesem Fall ist es möglich, die Außenschale axial rückwärts über die Innenschale zu schieben, wobei die PositionierungsvorSprünge 3i zwischen den radial einwärts ragenden Vorsprüngen der Außenschale hindurchgleiten und wobei anschließend die Außenschale realtiv zur Innenschale gedreht wird, um die Positionierungs-

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elemente 3'ö in Eingriff mit den zugehörigen Ausnehmungen zu bringen. Durch v/eitere Axialverschiebung der Außenschale durch Festspannen derselben an Außengehäuse kl der Brenneinrichtung wird die Innenschale sicher in der Außenschale festgelegt.

Eeim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Axialabschnitte 23, 2k und 25 der Innenschale 22 jeweils aus^iiohlzylindersegmenten zusammengesetzt. Obwohl diese Konstruktion zu bevorzugen ist, da sie den Zusammenbau des Gehäuses^ um eine mehrstufige Läuferanordnung herum ermöglicht, können die Axialabschnitte 23, 2k und 25 der Innenschale auch jeweils als vollständige Ringkörper ausgebildet sein, die an ihren Stirnseiten aneinandergestoßen sind. In diesem Fall werden die Axialabschnitte der Innenschale zusammen mit dem Läufer zusammengebaut und jeweils zwischen den einzelnen Läuferstufen montiert, und die Außenschale wird anschließend über die Innenschale und den vollständigen Läufer geschoben, bis die Positionierungselemente 38 in die zugehörigen Ausnehmungen eingreifen.

Bei den Ausnehmungen in der Außenschale zur Aufnahme der Positionierungselemente 38 kann es sich um Ringnuten handeln, oder sie können auch als bogenförmige, mit gegenseitigen Umfangsabständen entlang einer Umfangslinie ange-

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ordnete Nuten sein, und die Positionierungselemente 33 sind entsprechend am Umfang der Innenschale 22 angeordnet.

Obwohl es zu bevorzugen ist, die Flansche 31 bis 36 durch Herstellen der genannten Schlitze bzw. Einschnitte zahnkranzartig auszubilden, können die Schlitze weggelassen v/erden, wenn eine gewisse Verwerfung der Flansche keine zu starke Deformation der Innenschale verursacht. In diesem · Fall können die Positionierungselemente an den Flanschen jeweils als geschlossener, um den gesamten Flanschumfang herum verlaufende Ringansätze ausgebildet sein.

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Claims

Patentansprüche

( l4 Zweischaliges Genäuse für Strömungsmaschinenläufer, bestehend aus einer ringförmigen Außenschale und einer mit Eadialabstand dazu angeordneten, ebenfalls ringförmigen Innenschale, an welch letzterer ein oder mehrere radial auswärts zur Auäenschale hin ragende Plansche sowie eine Vielzahl von radial einwärts ragenden Leitschaufeln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Plansch (30 bis 36) der Innenschale (22) einen axial verlaufenden Planschteil (38) aufweist, der als Positionierungselement wirkt und in eine entsprechende, in der Außenschale (21) gebildete Ausnehmung (38a) eingreift, und daß die relative Anordnung und Gestaltung der Ausnehmung und des genannten Flanschteils ein axiales Aufschieben der Außenschale (21) auf die Innenschale gestattet, bis der genannte Flanschteil (38) in die Ausnehmung (38a) eingreift und die Innenschale (22) radial in der Außenschale (21) festlegt.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschale (22) aus zwei oder mehr Abschnitten (23, 24, 25) zusammengesetzt ist.

3. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (23, 24, 25) der Innenschale (22) jeweils als

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ringförmige, stirnseitig aneinandergestoßene Axialabschnitte ausgebildet sind.

4. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Innenschale (22) Hohlzylindersegmente sind.

5. Gehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Axialabschnitt (23, 24, 25) seinerseits aus einer Anzahl von Hohlzylindersegmenten (23a, 23bj 24a, 24b; 25a, 25b) zusammengesetzt ist.

6. Gehäuse nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialabschnitte (23, 24, 25) der Innenschale (22) an ihren aneinanderstoßenden Stirnseiten jeweils einen Positionierungsansatz (48) bzw. eine entsprechende Ausnehmung (47) zur Aufnahme eines solchen Positionierungsansatzes aufweisen.

7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (21) jeweils in demjenigen Bereich, in welchem das als Positionierungselement dienende Flanschteil (38) des oder eines Flansches (33) der Innenschale (22) in die zugehörige Ausnehmung (38a) der Außenschale eingreift, mit einer Materialanhäufung (44) versehen ist, die als Mittel zur Regulierung der radialen

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.■."uriiiedehnurif: und -zusammenziehung der Innenschale (22) durch Regulierung der Vlärir.e leitung über den betreffenden Flansch C30 bis 36) zu bzw. von der Katerialanhäufung dient.

ο. Geh"use nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, da:s der bzw, jeder Flansch (30 bis 36) der Innenschale (22) mit, mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordneten schlitzen (37) zur Herstellung einer Flexibilität des Flansches in Umfangsrichtung versehen ist.

9. Gehäuse nach einen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede Ausnehmung (3<3a) der Außenschale (21) sich über den gesamten Innenumfang derselben erstreckt.

10. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet _} daß der bzw. jeder Flansch (30 bis 36) der Innensehale (22) mit einem einzigen, ringförmigen, in die zugehörige Ausnehmung (38a) der Außenschale (21) eingreifenden Positionierungselement (38) versehen ist.

11. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Flansch (30 bis 36) der

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Innenschale (22) mit einer Mehrzahl von mit umfangsmaßigen gegenseitigen Abständen angeordneten Positionierungselementen versehen ist.

12. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw» die Positionierungselemente (38) Haken aufweisen.

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