DE2947292C2 - Düsenleitschaufelaufbau für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Düsenleitschaufelaufbau der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solcher Düsenleitschaufelaufbau ist aus der DE-OS 27 41 463 bekannt. Bei diesem bekannten Schaufelaufbau sind die Schaufelblätter in dem Doppelwandaufbau durch Verschweißung festgelegt. Der Doppelwandaufbau weist eine innere dicke, den Strömungskanal begrenzende Wand und eine äußere dünne Wand auf, die mit Lufteintrittslöchern ausgestattet ist, um eine Prallkühlung der Innenwand zu ermöglichen. Die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Schaufeln werden abwechselnd von innen und außen mit Kühlluft versorgt, die über die Schaufelblätter abfließt Bei diesem bekannten Schaufelaufbau ist eine Expansion der Schaufeln relativ zu den sie stützenden Plattformwänden nicht möglich, sondern die Plattformen müssen sich vielmehr jeweils zusammen mit den Schaufelblättern ausdehen bzw. zusammenziehen, was zu erheblichen Spannungen führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Relativbewegung zwischen den Schaufeln und den Schaufelplattformen bei unterschiedlicher Expansion in günstiger Weise zu ermöglichen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist demgemäß nicht nur erforderlich, eine Gleitbewegung zwischen den Schaufelblättern und den Plattformen zuzulassen, sondern es müssen auch Dichtungen vorhanden sein, um Leckströme zu vermeiden, die sonst unvermeidbar einen Teil der Gasströmung nach außen ableiten würden. Außerdem muß Vorsorge getroffen werden, daß die Schaufeln in Schaufellängsrichtung außenseitig und innenseitig abgestützt werden, wobei die Abstützung so erfolgen muß, daß sie in jedem Betriebszustand gewährleistet ist, d.h. die Abstützung muß den sich bewegenden Schaufelblättern folgen können.

Durch die Erfindung wird demgemäß ein Schaufelaufbau geschaffen, bei dem die Schaufelblätter von den Plattformen getrennt hergestellt sind und ohne metallische Verbindungen zu diesen Plattformen verbleiben, wobei die Lastträgerfunktion und die aerodynamische Funktion der Plattformen getrennt werden, derart daß sich eine Verbesserung der beiden Funktionen ergibt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Dichtung zwischen dem Schaufelblatt und den Plattformen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5. Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Innenwand ergibt sich aus den Ansprüchen 6 bis 8.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Schnitt des Düsenleitschaufelaufbaus nach der Erfindung;

F i g. 2 und 3 abgewickelte Ansichten der inneren bzw. äußeren Oberfläche der äußeren Plattform des Aufbaus nach Fig. 1;

F i g. 4 und 5 in größerem Maßstab Teilschnittansichten, die Anordnungen erkennen lassen, welche die Plattformen gegenüber dem Schaufelprofil abdichten;

Fig.6 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;

Fi g. 7 und 8 in größerem Maßstab Teilansichten der in F i g. 6 mit 7 und 8 gekennzeichneten Details;

F i g. 9 eine Ansicht der Unterseite der inneren Schaufelringplattform, betrachtet in Richtung des Pfeiles9gemäß Fig.6.

Fig. 1 zeigt den Düsenleitschaufelaufbau 15 im Schnitt. Der Aufbau umfaßt mehrere Schaufelblätter 16. Jede Leitschaufel ist am inneren und äußeren Ende mit Vorsprüngen 17 bzw. 18 versehen. Der innere Vorsprung 17 greift an einem ringförmigen Tragkranz 19 an, der seinerseits von einem kegelstumpfförmigen Lagerflansch 20 abgestützt wird, welcher einen Teil des festen Aufbaus des Triebwerks bildet. In gleicher Weise liegt der äußere Vorsprung 18 an einem Flansch 21 an, der von einem Gehäuse 22 vorsteht, welches einen Teil des festen Triebwerksaufbaus bildet. Durch Eingriff zwischen den Vorsprüngen 17 und 18 und den Teilen 19

und 20 wird das Schaufelblatt 16 gegen radiale Bewegung gesichert gehalten, während eine Flexibilität in den Lagern, insbesondere zwischen dem Teil 19 und dem Flansch 20, eine relative Ausdehnung rwischen den Schaufelblättern und dem festen Aufbau ermöglicht

Am äußeren Ende ist das Schaufelb'?.tt 16 mit einem Steg 23 versehen, der vollständig um die Spitze des Schaufelblattes herum verläuft Der Steg 23 paßt in eine entsprechend gestaltete öffnung 24 der TrägeroberHäche 25 ein. Die Größe der öffnung 24 ist so bemessen, daß sie sehr genau der Form des Steges 23 entspricht

Auf diese Weise kann der Endabschnitt des Schaufelblattes in axialer Richtung gegenüber der Trägerwand 25 gleiten, während in allen anderen Richtungen eine formschlüssige Fixierung erfolgt.

Die Wand 25 erstreckt sich von der Eingriffsstelle in einer Ringnut 26 in einem Flansch 27 nach hinten, der vom Gehäuse 22 vorsteht Etwas stromab des Schaufelblattes 16 ist die Wand 25 mit einem nach innen ragenden Flansch 28 versehen, der mittels mehrerer Bolzen 29 an einem Endflansch 30 angeschraubt ist, der am Gehäuse 22 ausgebildet ist. Die Wand 25 erstreckt sich weiter stromab und endet in einem zweiten Flansch

31 und einem ringförmigen Fortsatz 32, dessen Zweck weiter unten beschrieben wird. Der Flansch 31 steht radial nach außen vor und wirkt mit dem nicht dargestellten Aufbau zusammen.

Die Wand 25 ist so widerstandsfähig ausgebildet, daß sie sämtliche Belastungen aufnehmen kann, die in ihrer eigenen Ebene vom Schaufelblatt nach dem festen Aufbau und insbesondere nach dem Gehäuse 22 übertragen werden. An der Unterseite der Wand 25 ist ein dünnerer Innenmantel 33 befestigt. Dieser Mantel weist wiederum stromlinienförmig gestaltete öffnungen auf, durch die das Schaufelblatt 16 in engem Paßsitz hindurchtreten kann, wobei jedoch keine Störung oder Verklemmung eintreten kann und die untere Oberfläche ist von glatter aerodynamischer Gestalt, so daß sie die äußere Begrenzung des Gasströmungskanals durch den Leitschaufelaufbau 15 bildet. Um den Innenmantel abzustützen, ist er an seinem vorderen Ende mit mehreren Haken 34 versehen, die in die Nut 26 eingreifen, und zwar zusammen mit dem Vorderende der Wand 25. Eine zweite Reihe von Haken 35 greift um einen entsprechenden Formteil 36, der an der Innenfläche der Wand 25 im Bereich der Basis des Flansches 28 ausgebildet ist. Schließlich besitzt das stromabwärtige Ende des Innenmantels 33 eine dritte Reihe von Haken 37, die an dem vorspringenden Ring

32 der Wand 25 angreifen. Der Innenmantel 33 steht auch über die Enden des

Schaufelblattes 16 vor und definiert die äußere Grenze des Strömungskanals durch die erste Turbinenrotorstufe38.

Bei der bisher beschriebenen Anordnung besteht eine gewisse Gefahr, daß ein hoher Leckstrom von Hochdruck-Kühlluft aus dem Raum zwischen Gehäuse 22 und Wand 25 austritt, oder Heißgas aus dem Gasstrom in diesen Raum eintreten, wenn nicht die Passung zwischen dem Steg 23 und den Löchern 24 in der Wand 25 extrem gut ist. Um diese potentielle Leckstromquelle auf ein Minimum zu bringen, ist die Wand 25 mit einer vorstehenden Lippe 39 (Fig. 4) versehen, die um jede der öffnungen 24 herumgeführt ist und selbst mit einem Falz 40 am Innenrand versehen ist. Innerhalb des Falzes 40 liegt ein Dichtungsmaterial, wofür jedes geeignete hitzewiderstandsfähige Material Anwendung finden kann, jedoch wird nach dem Ausführungsbeispiel eine Siliciumschnur 41 benutzt Diese Schnur kann rnk Festsitz im Falz 40 so angeordnet werden, daß sie nicht nur eine wirksame Gasdichzung schafft sondern auch die Wahrscheinlichkeit eines Festfressens des Schaufelblattes in der öffnung 24 vermindert

Die F i g. 2 und 3 zeigen die Abwicklung der oberen Oberflächen von Innenmantel 33 und Wand 25. Hieraus ist ersichtlich, daß der Innenmantel 33 längs der Linien 41 und 42 in getrennte Segmente aufgeteilt ist Diese Segmente stoßen aneinander und bilden einen vollständigen durchgehenden Ring. Die Stoßkanten zwischen benachbarten Segmenten sind so angeordnet daß sie jeweils an einer Ausnehmung des Schaufelblattes 16 anschließen. So werden die öffnungen in den Wänden auch benutzt, um die Stoßlänge zu vermindern, die eine Dichtung erfordert Es ist außerdem aus Fig.3 ersichtlich, daß die Wand 25 mit einer großen Zahl von Löchern 57 versehen ist. Diese Löcher 57 sind Kühlluftlöcher und der Innenmantel 33 wird wirksam gekühlt, indem das unter Hochdruck stehende Kühlmittel durch diese öffnungen hindurchströmt und auf dem Mantel 33 auftrifft.

Bisher wurde nur die äußere Plattform beschrieben, die aus dem Innenmantel 33 und der Außenwand 25 besteht. Die innere Plattform ist im Prinzip gleich ausgebildet. In diesem Falle ist eine dickere Trägerwand 43 vorgesehen, die mit öffnungen 44 versehen ist, durch die ein Steg bzw. Bund 45 des Schaufelblattes 16 hindurchtreten kann, der dem Steg bzw. Bund 23 entspricht. Die Wand 23 hat zwar eine von der Wand 25 abweichende Form, jedoch hat sie eine ähnliche Funktion, indem die Belastungen vom Schaufelblatt 16 übertragen werden und das Schaufelblatt kann sich wiederum frei in axialer Richtung gegenüber der Wand bewegen. Im Falle der Wand 43 ist ein nach innen vorstehender Flansch 45 bei 46 am festen Aufbau des Triebwerks verschraubt.

In diesem Fall besteht der feste Aufbau aus dem radial inneren Abschnitt des Flansches 20. Am rückwärtigen Ende greift die Wand 43 über eine Klauenverbindung 47 am Ende des Flansches 20 an. Auf diese Weise wird die Wand 43 vorn und hinten gehalten. Ein dünnerer Innenmantel 48 liegt über der Wand 43. In gleicher Weise wie der Mantel 33 überträgt der Mantel 48 nur sehr geringe Belastungen und er kann daher gewichtsmäßig sehr leicht und aerodynamisch sehr glat ausgebildet werden. Der Innenmantel 48 besitzt seine eigenen stromlinienförmig gestalteten öffnungen 49, durch die jeweils ein Bund 45 hindurchtreten kann. Um den Mantel 48 an seinem vorderen Ende festzulegen, ist er mit mehreren Haken 50 versehen, die unter einer nach vorn vorspringenden Lippe 51 der Innenwand 43 angreifen. Am rückwärtigen Ende besitzt der Mantel 48 eine zweite Reihe von Haken 52, die in diesem Fall in eine Nut 53 am rückwärtigen Ende der Wand 43 eingreifen.

In der gleichen Weise wie die äußere Plattform ist es auch hier notwendig zu gewährleisten, daß der Spalt zwischen der Wand 43 und dem Bund 45 abgedichtet ist, und zu diesem Zweck weist die Wand 43 einen Vorsprung 54 (F i g. 5) um die gesamte stromlinienförmig gestaltete Öffnung 49 auf, die mit einem Falz 55 am Innenrand ausgestattet ist. Wiederum ist in diesen Falz eine Siliciumschnur 56 eingelegt, die die notwendige Dichtung gewährleistet.

Die Wand 43 bildet zusammen mit dem Innenmantel 48 die innere Plattform, die mit den gleichen

Aufprallkühlanordnungen versehen werden kann wie im Bezug auf die Wände der äußeren Plattform beschrieben.

Die beschriebene Konstruktion bewirkt, daß die Trägerfunktion der Plattform von ihrer aerodynamischen Funktion getrennt wird und auf diese Weise können die beiden Funktionen ohne Kompromiß in besonders zweckmäßiger Weise durchgeführt werden. Eine differentielle Expansion zwischen dem Schaufelblatt und den Plattformen und ein Ersatz des Schaufelblattes wird dadurch möglich, daß das Schaufelblatt in axialer Richtung durch die öffnungen der verschiedenen Wände hindurchgleiten kann. Außerdem kann ein Aufbau geschaffen werden, der gewichtsmäßig relativ leicht ist und bei dem die getrennten Abschnitte relativ leicht entfernt und zum Zwecke der Reparatur ersetzt werden können.

F i g. 6 bis 9 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches in seinen Grundzügen dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bis 5 gleicht, jedoch eine unterschiedliche Konstruktion aufweist, um die Schaufelblätter in axialer Richtung festzulegen und um eine Abdichtung zwischen den Schaufelblättern und den Wänden zu bewirken, die die Plattformen der Schaufeln bilden.

Die Schaufelblätter 60 verlaufen zwischen den inneren und äußeren Plattformen. Die äußere Plattform besteht aus einer äußeren Lastträgerwand 61 und einem dünnen Innenmantel 62, entsprechend der Wand 25 und dem Mantel 33 bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1. Der innere Aufbau besitzt in gleicher Weise eine äußere Lastträgerwand 63 und einen dünnen Innenmantel 64, die der Wand 43 bzw. dem Mantel 48 entsprechen. Die äußeren Wände können wiederum gelocht sein, um als Aufprallkühlplatten zu dienen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch die dünnen Mäntel 62 und 64 mit Flanschen 65,66 versehen, die um die öffnungen 67 und 68 verlaufen, durch die die Enden des Schaufelblattes 60 geführt sind.

Diese Flansche haben einen doppelten Zweck. Sie verstärken die dünnen inneren Mantel, so daß sie hohen Gasbelastungen widerstehen können. Dies kann notwendig sein, wenn ein großer Druckabfall über der Schaufelstufe zu einer großen Druckänderung über der inneren Oberfläche der dünnen Mantel führt, während die äußeren Oberflächen einem relativ gleichförmigen Druck ausgesetzt sind. Zweitens wirken diese Flansche mit Schultern 69 und 70 zusammen, um jede Axialbewegung der Schaufelblätter gegenüber den Plattformen zu vermeiden. Auf diese Weise ersetzen die Schultern und Flansche die Ansätze 17 und 18 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. I und ihre verschiedenen Anschläge.

Obgleich die Schultern und Flansche in der Weise zusammenwirken, daß das Schaufelblatt festgelegt wird, sind sie so angeordnet, daß das Schaufelblatt einen genügenden Spielraum besitzt, um differentielle Ausdehnungen aufnehmen zu können. Aus den F i g. 7 und 8 ergibt sich, daß ein Spielraum zwischen dem Flansch 65 und der Schulter 62 belassen ist. Da das Schaufelblatt im Gleilsilz innerhalb der öffnungen 67 und 68 sitzt, kann es sich in Längsrichtung in genügender Weise bewegen, um differentieiie Ausdehnungen aufzunehmen.

Wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ergibt sich auch hier die Gefahr eines Leckstromes zwischen Schaufelblatt und Plattformen, weil die Schaufelblätter in den öffnungen 67 und 69 im Gleitsitz angeordnet sind. Aus diesem Grunde ist eine Dichtung in Form von Federringen 71 und 72 vorgesehen, deren Innendurchmesser sehr dicht über die Außenseite der relevanten Teil.; des Schaufelblattes paßt. Fig.9 zeigt die Form der Federringe 72, deren Gestalt der Außenkontur der relevanten Teile des Schaufelblattes folgt und die Federringe besitzen Vorsprünge 77, die dazu dienen, die Federkräfte in den Plattformenaufbau zu übertragen.

Weitere Federringe 73 und 74 sind vorgesehen, um die stromabwärtigen Enden der Innenwände 62 und 64 gegenüber dem festen Aufbau abzudichten. Diese Federringe sind einfache Ringe, deren Querschnitt so ausgebildet ist. daß sie veranlaßt werden, gegen die Hakenflansche 75 und 76 gedrückt zu werden, die von den Wänden vorstehen, so daß sie gegen den festen Aufbau gedrückt werden. So zeigt F i g. 7 wie der Federring 73 einen geschnitten dargestellten Abschnitt 77 aufweist, der einen teilkonischen Ring bildet Wenn dieser Ringabschnitt zwischen der Wand 61 und dem benachbarten stationären Aufbau liegt, preßt er demgemäß gegen den benachbarten Aufbau und bewirkt gegenüber diesem eine Abdichtung. Ebenso wird der Federring gegen den Flansch 75 gedrückt Auf diese Weise bewirken die Federringe 73 und 74 eine wirksame Dichtung an den stromabwärtigen Enden der Plattformen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   !. Düsenleitschaufelaufbau für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Reihe von in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Düsenleitschaufeln, die innen und außen mit den Gasströmungskanal begrenzenden Plattformen versehen sind, die doppelwandig ausgebildet sind und Ausnehmungen aufweisen, durch die das Schaufelblatt durchsteht, und die das Schaufelblatt verdrehungsfest und in Umfangsrichtung abstützen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schaufelblätter (16; 60) in den Ausnehmungen (24; 44; 49; 67; 68) frei in Schaufellängsrichtung zum Zwecke des thermischen Ausgleichs verschieben können, und daß die Abstützung der Schaufelblätter in Schaufellängsrichtung durch Vorsprünge (17, 18;, 65, 66) am radial äußeren und inneren Ende des Schaufelblattes (16; 60) bewirkt wird, die an dem Aufbau (19,21; 65, 66) formschlüssig angreifen, und daß Dichtungen (40, 41; 55, 56; 71, 72) zwischen der Innenwand (33; 48; 62; 64) jeder Plattform und dem Schaufelblatt vorgesehen sind.
2. 2. Düsenleitschaufelaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen aus einem elastischen Körper (41, 56, 71, 72) bestehen, der von der Innenwand (33,48,62,64) abgestützt ist.
3. 3. Düsenleitschaufelaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus einem Federring (71,72) besteht.
4. 4. Düsenleitschaufelaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus einem faserförmigen wärmebeständigen Material (41, 56) besteht.
5. 5. Düsenleitschaufelaufbau nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus einer Siliciumschnur (41,56) besteht.
6. 6. Düsenleitschaufelaufbau -.iach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Wände (33) aus Segmenten zusammengesetzt ist.
7. 7. Düsenleitschaufelaufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (41, 42) zwischen benachbarten Segmenten jeweils die Öffnung für das Schaufelblatt (16) einschließt, und daß die Stirnflächen benachbarter Segmente so gestaltet sind, daß sie gegen die benachbarten Oberflächen des Schaufelblattes stoßen.
8. 8. Düsenleitschaufelaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (33) der äußeren Plattform stromab verläuft und die äußere Begrenzung des Strömungskanals durch den daran anschließenden Turbinenrotor (38) bildet.