DE3243422A1

DE3243422A1 - Gehaeuse fuer turbomaschinen

Info

Publication number: DE3243422A1
Application number: DE19823243422
Authority: DE
Inventors: Derek George Longwell Green Bristol Hand
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-11-26
Filing date: 1982-11-24
Publication date: 1983-06-01
Also published as: GB2110306B; FR2516980A1; JPS6325161B2; DE3243422C2; FR2516980B1; US4573867A; JPS58135305A; GB2110306A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für Turbomaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs I₅ beispielsweise für Gasturbinentriebwerke, und «war insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Verdichter derartiger Triebwerke.

Beim Betrieb von Turbomaschinen, beispielsweise

während bei Gasturbinentriebwerken stattfindender Übergangszustände, z.B. beim Anfahren oder Drosseln der Maschinen, ändert sich die Temperatur des Arbeitsmittels verhältmsmäßig schnell. Infolgedessen werden die in unmittelbarer Berührung mit dem Arbeitsmittel stehenden Teile der Maschine ziemlich schnell erwärmt oder abgekühlt. Das Wärmebewegungsverhalten der nicht in unmittelbarer Berührung mit dem Arbeitsmittel kommenden Bauteile ist jedoch viel langsamer und kann daher zu Schwierigkeiten führen. Beispielsweise bei Verdichtern oder Turbinen von Gasturbinentriebwerken erwärmt sich das Gehäuse sehr schnell, während die viel massiveren Rotorscheiben des Triebwerksrotors, die durch die Fußplatten der Laufschaufeln und durch zwischen den einzelnen Rotorstufen

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befindliche Wandbauteile von dem heißen Arbeitsmittel abgeschirmt sind, sich sehr viel langsamer erwärmen. Die Folge davon ist eine Veränderung des Schaufelspitzenspiels zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit der Wärmedehnungen der genannten Bauteile. Dies kann bei zu starker Verkleinerung des Schaufelspitzenspiels zum Schleifen der Laufschaufelspitzen am Gehäuses oder bei zu groß werdendem Schaufel spitzenspiel zu einem Leistungsverlust oder zum Pumpen des Triebwerks führen=

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde_s ein Gehäuse für Turbomaschinen der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß sein thermisches Ansprechverhalten im wesentlichen an dasjenige des Maschinenrotors angepaßt ist, derart,, daß das Schaufelspitzenspiel zwischen den Laufschaufeln des Maschinenrotors und dem Maschinengehäuse in allen Betriebs- und übergangszuständen im wesentlichen konstant bleibt.

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

Es ist bereits bekannt, Turbinen- oder Verdichtergehäuse in Form zweier mit gegenseitigem Radialabstand angeordneter konzentrischer Gehäuseschalen zu bauen und die Wärmedehnung des Innengehäuses dadurch an diejenige des Rotors anzupassen, daß an der Innenwandfläche des Innengehäuses Wärmeisolierungen angeordnet und am Innengehäuse thermisch tr-'ige Massen vorgesehen werden_s um das thermische Ansprechverhalten des Gehäuses zu verlangsamen. Ein derartiges Verdichtergehäuse ist in der GB-PS 1 501 916 beschrieben. Dabei ist das Innengehäuse aus Leitschaufeln tragenden Statorringen aufgebaut, während das Außengehäuse aus zylindrischen

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Ringteilen oder aus zwei in einer Axialebene miteinander verbundenen halbzylindrischen Gehäusehälften besteht und um das Innengehäuse herum zusammengebaut und mit diesem verschraubt ist.

Eines der Probleme bei Verdichtergehäusen mit in einem Außengehäuse positionierten Segmenten des Innengehäuses liegt darin, daß verdichtete Luft aus den Hochdruckbereichen des Verdichters in die Räume zwischen Innengehäuse und Außengehäuse ausleckt und in die Miederdruckstufen des Verdichters zurückströmt. Dadurch wird der V/irkungsgrad des Verdichters verschlechtert und auch der Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses der Turbomaschine insgesamt wird beeinträchtigt.

Bei der Erfindung wird auch die Abdichtung zwischen den benachbarten Innengehäusesegrnenten verbessert und so die Leckluftrate in den Zwischenraum zwischen Innengehäuse und Außengehäuse auf ein Minimuni reduziert.

Die Erfindung macht sich Axialkräfte und das von den Gaskräften auf die Innengehäusesegmente ausgeübte Drehmoment zunutze, um die Innengehäusesegmente in Anlage an die geneigten Dichtflächen zu drängen, so daß die Segmente in gleitender Berührung mit Dichtungsgegenflächen zur Bildung einer wirksamen Luftabdichtung stehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

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Fig. 1 in 3chematischem Axialhalbschnitt

ein Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk mit einem Gehäuse nach der Erfindung,

Fig. 2 das erfindungsgemäß ausgebildete

Gehäuse des Hochdruckverdichters des Triebwerks nach Fig. 1 im Axialhalbschnitt, und

Fig. 3" in größerem Maßstab einen Ausschnitt

des in Fig. 2 dargestellten Gehäuses,,

Fig. 1 zeigt ein Mantelgebläse-Flugzeugtriebwerk 10 mit einem auch als Niederdruckverdxchter wirkenden Frontgebläse 11, das von einer Turbine 12 angetrieben wird, einem Hochdruckverdichter 13, der von einer Turbine l4 angetrieben wird, einer Brenneinrichtung 15 zur Erzeugung der zum Antrieb der Turbinen 12 und 1*1 dienenden Heißgase, und einem Abgasstrahlrohr 16.

Gemäß den Fig.. 2 und 3 weist das den Hochdruckverdichter 13 umschließende Gehäuse mindestens im Bereich des hinteren Teils des Hochdruckverdichters einen zweischaligen Aufbau mit einem etwa zylindrischen Außengehäuse und einem Innengehäuse 19 auf. Das Außengehäuse 18 besteht aus einer Mehrzahl zylindrischer Abschnitte l8a bis 1.8e, die entlang der Verdichterachse stirnseitig aneinanderstoßend zusammengesetzt sind. Diese Außengehäuseabschnitte 18a bis l8e können jeweils einteilig gefertigt oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein₉ die jeweils längs einer axial verlaufenden Flanschverbindung oder dgl. miteinander verschraubt sind.

Das Innengehäuse 19 befindet sich mit radialem Abstand innerhalb des Außengehäuses 18 und besteht ebenfalls aus einer Mehrzahl etwa zylindrischer Abschnitte 19a bis 19e,

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die axial hintereinander entlang des Verdichters angeordnet sind. Jeder Innengehäuseabschnitt 19a bis 19e besteht aus einer Mehrzahl von Segmenten 20, die entsprechend dem jeweiligen Innengehäuseabschnitt mit dem Zusatz a bis e, also mit 20a bis 2Oe bezeichnet sind. Diese Segmente jedes Innengehäuseabschnitts sind mit gegenseitigem umfangsmäßigem Bewegungsspiel kranzartig angeordnet, so daß zwischen zwei umfangsmäßig benachbarten Segmenten jeweils ein Spalt gebildet ist, der eine gegenseitige wärmebedingte Dehnung oder Zusammenziehung der einzelnen Segmente in Umfangsrichtung gestattet. Diese umfangsmäßigen Spalte zwischen den einzelnen Segmenten verlaufen im wesentlichen axial und sind jeweils mittels eines Dichtungsstreifens 26 abgedichtet, der die beiden jeweils benachbarten Segmente überlappt und so eine wirksame Luftabdichtung bildet.

Jedes der Segmente 20 ist mit mindenstens zwei axial auseinanderliegenden Haltevorrichtungen mit Halteelementen 21 und 22 versehen, die in Fig. 3 mehr im einzelnen dargestellt sind und das betreffende Segment in Gegenelementen 24a und 24b des Außengehäuses 18 positionieren. Die Segmente 20a weisen jeweils ein Halteelement 21 und zwei Halteelemente 22 auf. Weiter trägt jedes der Segmente 20a bis 2Oe eine Mehrzahl von Leitschaufeln 23, die freitragend von dem zylindersegmentförmigen Wandbereich des betreffenden Segments radial einwärts ragen.

Insbesondere aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß das am Außengehäuse 18 angeordnete Gegenelement 24a eine Nut 25 aufweist, die am radial inneren Ende eines Radialflansches 26 des betreffenden Außengehäuseabschnitts l8a bis l8e gebildet ist. Diese Mut 25 ist durch zwei Flankenflächen begrenzt, nämlich eine zur Axialrichtung· geneigte Schra'gflache 27 und eine axiale Fläche 28, die als Dichtflächen dienen. An den Radialflanschen 26 der Außen-

gehäuseabschnitte ist außerdem jeweils ein Gegenelement 2'Ib des Außengehäuses gebildet, das eine Hut 29 aufweist, in welche das Halteelement 22 der Innengehäusesegmente eingreifen. Diese Mut 29 weist eine axial verlaufende zylindrische Flankenfläche 30 auf, die auf dem gleichen Radius wie die axiale Fläche 28 der Nut 25 liffgt, und diese Flächen 28 und 30 tragen die Innengehäusesegmente 20 auf einen festgelegten Radius, wenn der Verdichter sich im Stillstand befindet, der erste Außengehäuseabschnitt l8a weist einen irr. Verlauf seiner Länge angeordneten zusätzlichen Rädialflansch 26 auf. Dieser zusätzliche Flansch weist nur eine Nut 29 auf.

Das Halteelement 21 jedes Segments 20 ist an einem radial auswärts ragenden Flanschabschnitt 31 angeordnet und weist eine bezüglich der Achsrichtung geneigte Fläche 32, die mit der Schrägfläche 27 der Nut 25 zusammenwirkt, und eine axial verlaufende Fläche 33 auf_s die an der axialen Nut fläche 28 anliegt. 20

Das andere Halteelement 22 jedes Segments 20 ist ebenfalls an einem radial auswärts ragenden Flansch J>¹\ angeordnet und weist einen mit diesem zusammen eine hakenartige Anordnung bildenden Axialflansch 35 auf_s der mit seiner inneren, axial verlaufenden Fläche 36 an der Nutfläche 30 der Nut 29 anliegt.

Die im Betrieb auf die Leitschaufeln 23 wirkenden Gaskräfte der axial durch den Hochdruckverdichter 13 strömenden Luft üben eine vorwärts gerichtete Druckkraft auf die Segmente 20a bis 2Oe aus, wie in Fig. 3 durch den Pfeil A angedeutet ist. Dies hat zur Folge, daß die Halteelemente 21 der Segmente mit ihren Schrägflächen 32 entlang der geneigten Nutfläche 27 radial einwärts gleiten und die Flächen 33 und 28 in dichtende Anlage miteinander gedrückt werden. Gleichzeitig gestatten

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die miteinander zusammenwirkenden zylindrischen Flächen und 30 ein axiales Gleiten der Innengehäusesegmente relativ zum Außengehäuse.

Die Gaskräfte üben ein Drehmoment auf die Segmente aus, das in den Darstellungen nach den Fig. 2 und 3 im Uhrzeigersinn gerichtet ist und in Fig. 3 durch den Pfeil MA angedeutet ist. Die resultierende Wirkung des Vorwärtsschubes auf jedes Segment und dieses Drehmoments besteht darin, daß die Flächen 33 und 36 der Halteelemente 21 und 22 jedes Segments radial einwärts gegen die betreffenden Gegenflächen 28 bzw. 30 gedrückt werden und dadurch in den Dichtungsbereichen X und Y eine gute Abdichtung hergestellt wird, so daß das Auslecken von Druckluft in den Zwischenraum zwischen Innengehäuse und Außengehäuse auf ein Minimum reduziert ist.

Die Segmente 20 tragen jeweils eine Mehrzahl von Leitschaufeln 23, wobei trotzdem die geneigten Flächen eine gute Abdichtung am vorderen Ende jedes Segments und der hakenartige Axialflansch 35 mit der Fläche 30 eine gute Abdichtung bilden.

Die Erfindung kann auch bei Turbinengehäusen Anwendung

finden. In diesem Falle wirken die Gaskräfte nach hinten,

so daß die geneigten Flächen 27 und 32 am jeweils hinteren Segmentende angeordnet werden müßten.

Außerdem ist es selbstverständlich möglich, die Halteelemente 21, 22 am Außengehäuse l8 und die entsprechenden Gegenelemente, d.h. die Muten 25, 29, am Innengehäuse 19 anzuordnen. Mit anderen Worten, die in Fig. 3 gezeigte Anordnung könnte diesbezüglich umgekehrt werden.

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Außerdem ist es selbstverständlich möglich, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel radial einwärts weisenden geneigten Flächen 27 radial auswärts weisend anzuordnen, wobei in diesem Fall die axialen Flächen 28 und 30 einwärts weisen würden, so daß auch in dieser Beziehung die in Fig. gezeigte Anordnung.umgekehrt werden.-könnte. Auch in diesem Fall würden die aufeinander gleitenden geneigten Flächen und 32 des Halteelements und des Gegenelements die beiden axialen Flächen 28 und 33 zusammengepreßt werden»

Gemäß einer weiteren Abwandlungsmöglichkeit können die Flächen 28 und 30 anstatt zylindrisch auch konisch sein, wobei in diesem Fall die betreffenden Gegenflächen 33, 36 wiederum zylindrisch oder konisch sein könnten, wobei sich im ersteren Fall eine linienförmige Berührung ergäbe. Jedoch ist eine solche Anordnung nicht zu bevorzugen, da dann die Festlegung der Segmente auf einem bestimmten vorgegebenen Radius schwierig wäre.

Die radial äußeren Flansche 37 des Außengehäuses 18 bilden thermisch träge Massen, welche die Geschwindigkeit der V/ärme ab führung vom Innengehäuse 19 durch die Flanschen 36 und 37 steuern. Gewünschtenfalls kann das Außengehäuse 18 von einem weiteren Gehäuse oder Mantel umschlossen sein, um eine um das Außengehäuse 18 herumverlaufende Kammer zu bilden, durch welche ein Luftstrom zur noch genaueren Steuerung der Erwärmung oder Abkühlung der thermisch tragen Massen geführt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, den Blattspitzenspielraum der Laufschaufeln zu steuern. Im letzteren Fall bildet die beschriebene Anordnung mit dem Innengehäuse 19 und dem Außengehäuse 18 das tragende Gehäuse für den Verdichterrotor.

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Da das Innengehäuse 19 in Nuten des Außengehäuses eehaltert ist, lassen sich radiale Bewegungen des Innengehäuses leichter beherrschen und folglich läßt sich auch dadurch eine bessere Steuerung des Blattspitzenspielraums der Leitschaufeln 23 und der Laufschaufeln des Rotors erreichen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

( Zweischaliges Gehäuse für Turbomaschinen,, bestehend aus einem Außengehäuse und einem mit radialem Abstand dazu angeordneten segmentierten Innengehäuse * dessen Segmente jeweils eine oder mehrere radial einwärts ragende Leitschaufeln tragen, und mit zwei oder mehr axial auseinanderliegenden Haltemittelanordnungen zur Positionierung des Innengehäuses im Außengehäuse, wobei die Haltemittelanordnungen paarweise miteinander zusammenwirkende Positionierungsmittel aufweisen, von denen jeweils eines am Außengehäuse und das andere an den InnengehÖuseaegmenten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Positionierungselement (24a) der ersten Haltemittelanordnung (21, 24a) eine bezüglich der Gehäuseachse geneigte erste Fläche (27) und eine unter einem Winkel dazu verlaufende, eine Dichtfläche bildende zweite Fläche (28) und das andere Positionierungselement (21) der ersten Haltemittelanordnung eine mit der ersten Fläche (27) zusammenwirkende dritte Fläche (32) und eine mit der zweiten Fläche (28) zusammenwirkende vierte Fläche (33) aufweist, daß weiter das eine Positionierungselement (24b) der oder einer weiteren Haltemittelanordnung mit einer fünften Fläche (30) und das andere Positionierungselement (22) dieser weiteren Haltemittelanordnung mit einer sechsten Fläche (36) versehen ist, die mit der fünften Fläche (30) zusammenwirkt und relativ dazu axial verschiebbar ist, und daß die genannten Flächen (27,.28 32, 33, 30, 36) alle derart positioniert, geformt und relativ

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zueinander angeordnet sind, daß die im Betrieb auf die Leitschaufeln (23) wirkenden Gaskräfte einen Axialschub auf die InnengehäuseSegmente (20) ausüben und dadurch die dritte Fläche (32) in Anlage an die erste Fläche (27) gedrängt und wegen der Neigung dieser Flächen eine Kraftkomponente erzeugt wird, welche die vierte Fläche (33) mit der zweiten Fläche (28) und die sechste Fläche (36) mit der fünften Fläche (30) in Anlage drängt.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, _v daß die erste Haltemittelanordnung (21, 2¹Ja) am stromaufwärtigen Ende der Innengehäusesegmente (20) und die weitere Haltemittelanordnung (22, 2*Jb) am stromabwärtigen Ende der Segmente angeordnet ist.

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3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die erste Fläche (27) und die zweite Fläche (28) aufweisende Positionierungselement (2¹Ja) und das die fünfte Fläche (30) aufweisende Positionierungselement (24b) am Außengehäu3e (18) angeordnet sind und daß das die dritte Fläche (32) und die vierte Fläche (33) aufweisende Positionierungselement (21) und das die sechste Fläche (36) aufweisende Positionierungselerr.ent (22) an den Innengehäusesegmenten (20) angeordnet sind.

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H. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die erste Fläche und die zweite Fläche aufweisende Positionierungselement und das die fünfte Fläche aufweisende Positionierungselement an den Innengehäusesegmenten angeordnet sind und daß das die dritte Fläche und die vierte Fläche aufweisende Positionierungselernent und das die sechste Fläche aufweisende Positionierungselement am Außengehäuse angeordnet sind.

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5. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis H „ dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Dichtungselement (26) zur Abdichtung der umfangsmäßigen Spielräume zwischen benachbarten Innengehausesegmenten (20) vorgesehen ist»

6. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5j» dadurch gekennzeichnet, daß das die erste und zweite Fläche (27j, 28) aufweisende Positionierungselement (2^a) eine Nut (25) aufweist, deren beide Nutflankenflächen durch die erste Fläche (27) und die zweite Fläche (28) gebildet sind.

7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6_S dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (28) unter spitzem Winkel zur ersten Fläche (27) verläuft. ·

8. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7₉ dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (28) und die fünfte Fläche (30) zylindrische Flächen sind.

9. Gehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und fünfte Fläche (28, 30) auf einem gemeinsamen Radius liegende Zylinderflächen sind.

10. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7_S dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (28) und die fünfte Fläche (30) konische Flächen sind.

11. Gehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Fläche (33) und die sechste Fläche (36) mit der zweiten bzw. fünften Fläche (28_S 30) zusammenwirkende zylindrische Flächen sind.

12. Gehäuse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Fläche (33) und die sechste Fläche (36) zur zweiten bzw. fünften Fläche (28, 30) komplementär konische Flächen sind.

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