DE3018621A1

DE3018621A1 - Aussengehaeuse fuer axialverdichter oder -turbinen von stroemungsmaschinen

Info

Publication number: DE3018621A1
Application number: DE19803018621
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8074 Karlsfeld Liebl
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1981-12-03
Also published as: FR2482662B1; JPS5710714A; GB2076067A; IT1137477B; DE3018621C2; GB2076067B; IT8121696A0; FR2482662A1

Description

. MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNiQii — " ,;

MÜNCHEN GMBH "7 ■■■■-,...-

München, den 12. Mai^:1980

.

Außengehäuse für Axialverdichter oder

-turbinen von Strömungsmaschinen "."._■- .

•^ Die Erfindung bezieht sich auf ein Außengehäuse für Axialverdichter oder -turbinen von Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, welches unter Einschluß von Luftkammern doppelwandig ausgebildet

ist.
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Hierbei geht es primär um die Schaffung einer· die auftretenden thermischen Einflüsse kompensierenden Gehäusekonzeption. Der Nutzen-einer-wirksamen Gehäuse-* kompensation besteht"darin» daß an thermisch beauf-

schlagten Statorgehäusen eine kontrollierte radiale Ausdehnung und Schrumpfung stattfindet und somit das Radialspaltverhalten zwischen Rotor und Stator positiv beeinflußt wird.

Bereits bekannte Kompensationsausführungen, die-z.B.

aus einem segmentierten Innenring einer Hakenzentrierung und einem Kontrollring bestehen, weisen insbesondere durch das Verklemmen der Haken erhebliche FunktionsmängeT auf,deren Ursache die im Betrieb auftretenden Segmentverformungen sind. Diese

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Lösung hat zudem den Nachteil, daß wichtige Bauelemente wie die Hakenzentrierung und die Segmentabdichtung jeweils an den Stoßstellen verschleißbehaftet sind und sich damit das Kompensationsverhalten mit zunehmender Laufzeit verschleehtern kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgäbe zugrunde, im ^O Rahmen der dargestellten Probleme'die Nachteil e der

Kompensationsaüsführung. in Segmentbauweise und Haken^ ' zentrierung zu beseitigen und ein Außengehäuse zu schaffen, welches bei einem gleichzeitig verhältnismäßig einfachen und verschTe.ißarmen Aufbau insbe- ^ sondere im Hinblick auf schroffe Lastwechsel der betreffenden Strömungsmaschine ein optimales Κοηϊρεη-sationsverhalten im Interesse eines geringen und möglichst konstanten Schaufel spitzenspiel s ge-

wöhrleistet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung im .wesentlichen eine integrale Gehäuseversion vor, die . hauptsächlich aus einem doppelwandigen Ring,.den dazwischen liegenden radialen Abstützungen und den

Luftkammern bestehen, soll.

Erfindungsgemäß können diese Abstützungen ferner vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt

und in ihrer Mitte, von der Ringinnenwand, ausgehend, 30

spaltförmig ausgespart sein,-um eine kontrollierte» radiale Temperaturausdehnung durch eine möglichst verschleißlose Umfangsdehnung zu gewährleisten. Für -die Funktion dieser Erfindung stellen die radialen Stützelemente einen Schwerpunkt dar, sie werden bei

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Temperatureinwirkung, die vorwiegend an der Innenwand auftritt, durch ihre Längenänderung; auf Druck oder Zug und durch die Umfangsdehnuncj der Innenwand auf Biegung belastet.

Parameter für eine optimale Formgebung und Anzahl der Zwischenstege und deren Aussparungen können durch eine gute Temperaturabschätzung und

'" Festigkeitsbetrachtung ermittelt werden. Sie stehen in direkter Beziehung zu den im Betrieb

■ ·. tatsächlich vorhandenen radialen und tangentialen Gehäusedehnungen und den damit verbundenen Biege-

und Druckbelastungen.
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Das optimale Massenverhältnis zwischen Ihnen- und Außenwand wäre in der gleichen Art und Weise zu definieren.

An den axialen Enden und äußeren Randzonen des integralen Ringes sind rein konstruktive Maßnahmen notwendig, um den Wärmeübergang an den Luftkammern und der Kontrollmas'se zu verringern. Die hierzu

• vorgesehenen Abdichtungen bzw. Abdeckungen sollen

die Stützelemente und den inneren Ring in ihrer Funktion möglichst nicht beeinträchtigen..

Treten Betriebsfälle mit relativ holien Temperaturgradienten auf, so kann erfindungsgemäß an der 30

inneren Randzone der Wärmeübergang durch eine zusätzliche, hierfür geeignete Wärmeisolierschicht verkleinert werden.

Dieses dargestellte Gesamtsystem eines integralen Gehäuses bedarf einer sorgfältigen radialen Zentrierung als auch axialen Fixierung, wobei

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-dtW Verbindungselemente zu den benachbarten ^:--. >> Gehäuse>tu;fen^:zweckmäßiger Weise" je nach An-

wendüngsfatl unterschiedlich ausgeführt werden ■■"".- : sollten. " '- : .. -."·..'

-"·"-.;-■ Ein AusfÜrhLtngsbet-spiel der Erfindung ist nachfolgend in'-.'dein Zeichrmngen dargestent; es zeigen:

^v ; Hg· I ; die Teil ansicht eines erfindungs-

"_--"-"■- _-.":"" gemäßen, integralen, doppelwandigen ^; ;;./:" ;; " &ehäus.eringes,

-; - / Figt 2 ein Gehäusjarihgausschnitt nach

■■; ;. ."-■;... ■■:... ^ _v; .- Einzelheit II der Fig. 1 in ver- : \?;_Γ C > Γ; ._; gräi3ertem Maßstab, "-■-..-"

F.ig, 3\ einen Schnitt nach der Linie ΙΙΙ-ΙΙΊ

""·"--".:,-: : der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab

_:; ■ ;."";"""■ "■■■"■■''i-ig;^"-4->-_ ■ ein\e^\L;angss.ch.n"itt-einer aus zwei je-

.; - \. .-■;^v ;: -Γ.";-■ ■ ■;"_^:.--_: ;! we i 1 s i η teg ral en Gehäusebauteilen be- _ : .; ".;.--·-..";; ν; -stehenden Gehäusepartie 'für einen mehr-."; Γ".-;^{: :}. ; ■;,"■ ^: - stufigen Axialverdichter eines Tür-· Ζ; '--.:■-..; v:^: binenstrahl triebwerkes.

-A ".-'■";■ Das; ti opp el wandige, integrale Gehäusebauteil nach 30 Fig.:1 besteht aus einem Außenring 3 und einem

--."■--■■;. ,Innenring 5, die durch dünnwandige radiale Zwischen-■"-".-_" ν Stege ;2; yerbuaden sind. Die freien Luftkammern 4 -AAA: ^: ; zwisehenί den Stegen Z dienen hauptsächlich zur ; Verringerung des Wärmeübergangs zwisehen Innen-

und Außenring;- Dadurch kann, die radiale Temperaturausdehnuhg und -schrumpfung am Außenring 3 verzögert und damit eine Element zur Kontrolle der radialen Dehnung am Innehfing 5.über die Stege 2 werden. ...

In Fig. 2 und S wird das Kompensationsprirvzip und dessen zeit]icher Ablauf in folgenden Schritten dargestellt:

Bei Erwärmung wird der Innenring 5 kurzzeitig in seiner radialen Ausgangslage gehalten, bewegt sich dann mit zunehmender Erwärmung der Stege 2 ura den Anteil der Längendehnung 8 radial nach innen und erfährt erst bei Temperatufeinwirkung auf den Außenbzw. Kontrollring 3 eine radiale Bewegung nach außen, die in etwa dem. Anteil der radialen Temperaturdehnung des Außenringes 3 entspricht.

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Die Größe der radialen Dehnungsdiffernez zwischen Innenring 5 und Außenring 3, hervorgerufen durch eine optimale Formgebung der Stege 2, ist ein Faktor für die Wirksamkeit der Kompensation. Dieser Faktor ist zugleich ein Maß zur .Ermittlung-des tangential en Dehnungsanteils -9 am innenring 5, der durch eine sinnvolle Dimensionierung der Spaltbreite 7 und Gestaltung der Rad;iabspalte 1 bei zugleich ausreichender InnenringaufteTlung 6 gewährleistet, wird.

Bei einer Abkühlung des Innenrings 5 läuft dieser dargestellte Prozeß jeweils in umgekehrter radialer und tangential er Richtung ab. Erwähnenswert er- ·· scheint hier die kurzzeitige Radiuszunahrn.e des \ .

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Innenrings5, bedingt durch das Zusammenziehen der Stege 2 bei Temperaturabnahme. Für.den Anwendungsfall bei einem Strahltriebwerk stellt dies eineii positiven Einfluß dar, da bei einer schnellen Abkühlung bzw. Verzögerung des Triebwerks dadurch das Spaltverhalten zwischen Rotorschaufeln und Statorgehäuse verbessert werden kann.

]0 Trotzdem soll te der Vorgang der Temperaturabnahme bei der Dimensionieruns aller hierzu notwendigen Bauelemente mit einbezogen werden.

Fig. 4 verkörpert eine konstruktive Gestaltungsmöglichkeit für das Außengehäuse 10 eines mehrstufigen Axialverdichters eines Gasturbinenstrahltriebwerkes. Hierbei kann beispielsweise mindestens ein τ im Längsschnitt gesehen - im wesentlichen T-förmig profiliertes sowie ferner ringförmig aufgebautes Verbindungselement 11 für die axiale - 12 und radiale-13 - Gehäusezentrierung bzw. -abstützung vorgesehen sein. Dabei ruht ein radial vorstehender Umfangswandabschnitt 14 des Verbindungselements 11 in einer stirnseitigen Ausnehmung des vornehmlich außenringseitigen Bereiches eines Bauteils und grenzt andererseits unmittelbar an einen Dichtkörper 15 an. Die integralen Bauteile können mittels Paß-Bolzen verschraubt sein, die die jeweiligen Außenringe 3, . Dichtkörper 15 sowie die radialen Wandabschnitte 14"" · der Verbindungselement« 11 in Axrichtung - entlang der Linie 1/6 - durchsetzen sollen.

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Gemäß Fig. 4 kann ferner jeder Irinenring 5 eines integralen Bauteils auf-der. dem ""Verdichter-' oder Turbinenkanal zugekehrten Seite eine .Wärmeisolierung 17 aufweisen, die vorzugsweise mit einem Einlaufbelag für die daran angrenzenden Spitzen tier Laufschaufeln 18 der betreffenden Turbine kombiniert sein kann. Diese Isolierung 17 kann ferner aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein. ·

Wie weiter azs Fig. 4 hervorgeht, kann das Außengehäuse 10 an der jeweiligen gehäuseinnenseitigen Verbindungsstelle zwischen zwei benachbarten inte-,_ gralen Bauteilen als Leitschaufel träger, beispielsweise in Form einer Umfangsnut 19 für die betreffenden Lauf sxhauf el fuße, ausgebildet sein.

Gemäß Fig. 4 wird ferner an der jeweiligen gehäuse- ««' innenseitfgen: Verbindungsstell e zwischen den beiden benachbarten integralen Bauteilen anhand einer ringförmigen Flanschverbindung 20 eine radiale Zentrierung und zugleich radiale Abdichtung der be- . treffenden Luftkammerri 4 zum Turbinen- bzw.. Verdichterkanal geschaffen.

Zum Thema Gehäusewerkstoff und Herstellungsverfahren sei noch bemerkt, daß zu den gewählten Einsatzgebieten und den entsprechenden betrieblichen Möglichkeiten die jeweilig sinnvollsten Werkstoffe und Verfahren verwendet werden -sollten.

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Öle züitr IVUßjBflgehgüse gehOrigen integralen &aü-teiie: koftifiten beArofzugt ζ,Β* aus einer hoch- ' ■ «■■"■; V/äfmf^sten Ni-Basislegierung gefertigt

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Claims

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München, deri 12. Mai 1980

P a te η ta ii s ρ r ü ehe

•j^ 1. Äußengehäuse für Axialverdichter oder -turbinen von-Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen-" ; triebwerken,.welches unter Einschluß von Luft-, jammerndoppelwandig ausgebildet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: ■

20 "■■■".■ -V^-:: - _;;-:;;; ' - .■■■-■

a) Das Äußengehäuse (10) ist aus integralen, ringförmigen Bauteilen zusammengesetzt, deren je-"■-":"" ■;....-..'"-. v/eiliger Innenring (5) durch radiale Zwischen-V λ Stege (2) fest mit. dem Außenring (3) verbunden

.-■.·.-." b-) anhand der^ Zwischenstege (2) sind mehrere in ":'- -v Umfangsrichtung voneinander getrennte sowie

vorzugsweise gleichförmig verteilte Luft-30 "kammern '(4) gebildet;

c) von der Gehäuseinnenwand ausgehend, weisen die Zwischenstege [Z) sich jeweils mittig zwischen ' zwei benachbarteTi Luftkaramern (4) erstreckende, 35 gegen den betreffenden Verdichter- bzw. Turbinenk anal geöffnete Radial spalte (I)-auf.. -
2. Außengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekenn-zeichnet, daß für die gleichzeitig sei tiiche sowie axiale. Abdichtung 4er Luftkammern (4) und Abdeckung der Radiulspalte (1) in ümfangs-, richtung verlaufende Dichtkörper (15} (-bleche bzw. -manschetten) zwischen jeweils zv/ei in Achsrichtung fluchtend miteinander verbundenen, integralen Bauteilen angeordnet sind.
3. Außengehäuse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß - im Längsschnitt gesehen - im wesentlichen T-förmig profilierte_s sowie ferner ringförmig aufgebaute Verbindungselemente (11) für die axiale Gehäusefixierung und radiale Zentrierung vorgesehen sind, deren jeweils radial Vorstehender Umfangswan-d abschnitt (14) in" einer stirnseitigen Ausnehmung" des vornehmlich außenringseitigen Bereichs eines Bauteils* ruht und andererseits unmittelbar an den Dichtkörper (15) angrenzt, wobei die integralen Bauteile mittels Paß-Bolzen verschraubt sind, die die jev/eil igen Außenringe (3), Dichtkörper (15) und radialen Wandabsehnitte (14) der Verbindungselemente in Axrichtung durchsetzen.
4. Außengehäuse nach den Ansprüchen 1, 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Innenring- (5) eines integralen Bauteils auf der dem Turbinenoder Verdichterkanal zugekehrten Seite eine Wärmeisolierung (17) aufweist, die vorzugsweise mit einem Einlaufbelag für die Laufschaufel spitzen der betreffenden Turbine oder d«s Verdichters kombiniert ist.

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5. Außengehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (17) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist.
6. Außengehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es an der jeweiligen gehäuseinnenseitigen Verbindungsstelle zwischen zwei-.benachbarten" integralen Bauteilen als

.10 Leitschaufel träger, beispielsweise in Form einer Umfangsnut (19) für die betreffenden Leitschaufelfüße, ausgebildet ist.
7. Außengehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 6, da-'"** durch gekennzeichnet, daß an der jeweiligen gehäuseinnenseitigen Verbindungsstelle zwischen zwei benachbarten integralen Bauteilen durch "eine ringförmige Flanschverbindung(20) eine radiale Zentrierung und zugleich radiale Abdichtung des

. Innenraums, "bzw. der betreffenden Luftkammern

(4) zum Verdichter- oder Turbinenkanal gegeben . "ist. . .

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