DE3243659C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Austrittsgehäusebaugruppe für ein Axialgasturbinentriebwerk der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Aus dem "THE AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE AND ITS OPERATION", Marketing Support, Juni 1952, reprinted with revisions May 1974, Pratt & Whitney Aircraft Group, Seite 92, Figur 3-41 oder Figur 3-42 ist bekannt, die Leitschaufeln durch eine starre Befestigung an ihren äußeren Enden an der äußeren Austrittsgehäusebaugruppe freitragend zu haltern. Alle Axial-, Radial- und Torsionsbelastungen der Leitschaufeln werden dadurch in das äußere Austrittsgehäuse an dem Befestigungspunkt der Leitschaufeln eingeleitet.

Eine derartige Austrittsgehäusebaugruppe weist weiterhin das bei dem Flugzeug F100 verwendete Axialgasturbinentriebwerk der Pratt & Whitnwy Aircraft Group auf. Diese Austrittsgehäusebaugruppe besteht aus einem inneren und einem äußeren Gehäuse, die durch mehrere sich radial erstreckende hohle Streben, welche an ihren inneren und äußeren Enden an dem inneren bzw. äußeren Gehäuse starr befestigt sind, in gegenseitigem Abstand gehalten werden. Das äußere Gehäuse bildet die radial äußere Fläche des Strömungsweges der Arbeitsgase stromabwärts der letzten Stufe von Laufschaufeln. Die radial innere Fläche des Strömungsweges für Arbeitsgase wird durch eine nichttragende Verkleidung aus Blech gebildet, die mit radialem Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse angeordnet ist und durch die die hohlen Streben hindurchgehen. Die Verkleidung ist an ihrem hinteren Ende an dem inneren Gehäuse freitragend gehaltert. Das innere Gehäuse ist an seinem vorderen Ende an einer Lagertragvorrichtung für eine Rotorwelle befestigt. Verbindungsstangen, die mit der Lagertragvorrichtung verbunden sind, erstrecken sich radial nach außen durch die hohlen Streben zu einer Triebwerksbefestigungsvorrichtung. Diese umgibt das äußere Gehäuse, um Kräfte von der Lagertragvorrichtung auf die Triebwerksbefestigungsvorrichtung zu übertragen. Die Verkleidung aus Blech bildet hierbei nur die innere Strömungswegwand und dient als Hitzeschild für das innere Gehäuse und die Lagertragvorrichtung. Bei dieser bekannten Austrittsgehäusebaugruppe für ein Axialgasturbinentriebwerk weisen die austretenden Arbeitsgase Drall auf, was zu Druckverlusten und somit zu einer Verminderung der Triebwerksleistung führen kann.

Weiterhin ist bekannt, bewegliche Leitschaufeln, die den Laufschaufeln vorgeschaltet sind, in Turbineneinlaßbaugruppen zu verwenden.

Beispielsweise ist in der DE-AS 20 54 926 ein Endstück einer Turbobaugruppe, an das sich weitere Baugruppen anschließen, offenbart. Hierbei ist die Leitschaufel der Laufschaufel vorgeschaltet und dabei in radialer Richtung beweglich. Die auf die Leitschaufel wirkenden Kräfte werden an den äußeren Enden der Leitschaufel auf tragende Teile übertragen. Die inneren Enden der Leitschaufel sind über einen verhältnismäßig kräftig bemessenen Innenring mit dem Gehäuse der Turbine fest verbunden.

Auch bei den in der CH-PS 3 62 269 offenbarten Leitschaufeln sind die Innenenden der Leitschaufeln jeweils an einem tragenden Bauteil festgelegt.

In der DE-AS 30 03 470 ist eine Turbinenleitschaufelaufhängung für Gasturbinentriebwerke beschrieben, bei der die Leitschaufeln innen am Schaufelfuß über einen Schaufelträger mit Wandabschnitten begrenzt radial/axial beweglich sowie in Umfangsrichtung verdrehgesichert aufgehängt sind. Die Beweglichkeit ist aber sehr eingeschränkt, weil der vordere radial verlaufende Wandabschnitt autark axial auffedernd ausgebildet und somit stets in fester Anlage an dem Schaufelfuß ist. Dieser kann aber nicht beweglicher als die Wandabschnitte sein, zwischen denen er eingespannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Austrittsgehäusebaugruppe für ein Axialgasturbinentriebwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei der die Triebwerksleistung verbessert und gleichzeitig das Gewicht des Axialgasturbinentriebwerks minimiert wird.

Die Aufgabe ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Durch das Vorsehen von Leitschaufeln hinter den Laufschaufeln der letzten Turbinenstufe wird der Drall der austretenden Arbeitsgase nahezu beseitigt, wodurch Druckverluste vermindert werden und die Triebwerksleistung verbessert wird. Durch die zusätzlichen Leitschaufeln und deren Tragkonstruktion ergibt sich zwar ein höheres Gewicht des Axialgasturbinentriebwerkes, bei der Austrittsgehäusebaugruppe nach der Erfindung sind jedoch Vorkehrungen getroffen, um die Gewichtserhöhung zu minimieren. Dafür sind die inneren Enden der Leitschaufeln an der Wand der Verkleidung geführt, ohne daß dadurch übermäßig hohe Kräfte auf die Wand der Verkleidung ausgeübt werden. Um dies zu erreichen, sind die Leitschaufeln an ihrem äußeren Ende schwenkbar befestigt, damit sie sich sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts um ihre schwenkbare Anlenkung bewegen können. Dies gestattet eine beträchtliche Verwindung des äußeren Gehäuses relativ zu dem inneren Gehäuse, ohne daß dadurch radiale oder übermäßig hohe Torsionskräfte auf die Verkleidung ausgeübt werden. Das ist insbesondere deshalb günstig, weil die Verkleidung kein sehr festes Bauteil ist und normalerweise nicht als geeignete Abstützung für die Leitschaufeln anzusehen ist. Außerdem hält die Verkleidung das innere Ende der Leitschaufeln nur in Axialrichtung, unter Zulassung einer begrenzten Axialbeweglichkeit, fest. In Radialrichtung ist das innere Ende der Leitschaufeln in bezug auf die Wand der Verkleidung frei beweglich. Dadurch, daß den Leitschaufeln gestattet wird, um ihre äußeren Befestigungspunkte zu schwenken, werden die Momente verringert. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Wand zum Führen der radial innerne Enden der Leitschaufeln heranzuziehen und so die Gewichtserhöhung zu beschränken. Wären die Momente nicht verringert worden, wären diese von dem äußeren Gehäuse auf die Leitschaufeln übertragen worden und hätten zu einer übermäßigen axialen Bewegung an den inneren Enden der Leitschaufeln geführt. Eine übermäßige axiale Bewegung an den inneren Enden der Leitschaufeln könnte zu einer gegenseitigen Berührung zwischen den Leitschaufeln und denjenigen Teilen des Axialgasturbinentriebwerks führen, die sich unmittelbar stromaufwärts der Leitschaufeln befinden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittansicht des Turbinenaustrittsteils eines Axialgasturbinentriebwerks, das mit der Austrittsgehäusebaugruppe nach der Erfindung versehen ist,

Fig. 2 eine Querschnittansicht nach der Linie 2-2 in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Querschnittansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 1.

In Fig. 1 sind die Turbine und der Turbinenaustrittsabschnitt eines Axialgasturbinentriebwerks im Längsschnitt gezeigt. Der gezeigte Teil umfaßt eine Rotorbaugruppe 10, eine Austrittsgehäusebaugruppe 12, eine Rotorwelle 14, ein hinteres Lager 16, eine Lagertragvorrichtung 18, Verbindungsstangen 20 und eine Triebwerksbefestigungsvorrichtung 22.

Die Rotorbaugruppe 10 ist auf der Rotorwelle 14 durch nicht dargestellte bekannte Vorrichtungen befestigt. Die Rotorbaugruppe 10 hat einen Nabenteil 24 mit mehreren Laufschaufeln 26, die sich von dem Nabenteil 24 aus radial nach außen über einen Strömungsweg 28 von Arbeitsmediumgasen erstrecken.

Das Lager 16 hat einen umlaufenden äußeren Laufring 27 und einen feststehenden inneren Laufring 30, die durch umfangsmäßig angeordnete Rollen 32 voneinander getrennt sind. Der umlaufende äußere Laufring 27 ist an dem hinteren Ende 34 der Rotorwelle 14 befestigt und dreht sich mit dieser. Der feststehende innere Laufring 30 ist an der Lagertragvorrichtung 18 befestigt, die mehrere ringförmige tragende Teile wie den W-förmigen Träger 36 und den Wellendichtungshalter 38, welche durch Schrauben 40 aneinander befestigt sind, aufweist.

Die Austrittsgehäusebaugruppe 12 weist ein inneres Gehäuse 42, ein äußeres Gehäuse 44, eine ringförmige Verkleidung 46, mehrere sich radial erstreckende hohle Streben 48 und eine Reihe von Leitschaufeln 50 auf. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gibt es sechs hohle Streben 48, die in gleichen gegenseitigen Umfangsabständen um die Triebwerksachse angeordnet und an ihren inneren Enden 52 und ihren äußeren Enden 54 an dem inneren Gehäuse 42 bzw. dem äußeren Gehäuse 44 starr befestigt sind. Das stromaufwärtige Ende 43 des inneren Gehäuses 42 hat einen sich radial nach innen erstreckenden Flansch 56, der mit einem entsprechenden, sich radial nach außen erstreckenden Flansch 58 verschraubt ist, welcher ein Teil des Wellendichtungshalters 38 ist. Die Austrittsgehäusebaugruppe 12 ist somit an der Lagertragvorrichtung 18 aufgehängt oder abgestützt.

Die Verbindungsstangen 20 haben innere, mit Gewinde versehene Enden 60, die an der Lagertragvorrichtung 18 starr befestigt sind, und äußere, mit Gewinde versehene Enden 62, die an der Triebwerksbefestigungsvorrichtung 22 starr befestigt sind. Jede Verbindungsstange geht durch eine der hohlen Streben 48 hindurch und überträgt die Kräfte von der Lagertragvorrichtung 18 auf die Triebwerksbefestigungsvorrichtung 22. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Triebwerksbefestigungsvorrichtung 22 ein Teil einer Fanmantelstromkanalbaugruppe 66, die mit dem äußeren Gehäuse 44 einen im Querschnitt ringförmigen Fanmantelstromweg 68 begrenzt. Ein Lagerölzuführrohr 70, das durch eine Strebe 48 hindurchgeht, ist ebenfalls dargestellt.

Die Verkleidung 46 hat ein stromaufwärtiges Ende 72, ein stromabwärtiges Ende 74 und dazwischen eine Wand 76 aus Blech. Die Wand 76 und das äußere Gehäuse 44 begrenzen den Strömungsweg 28 der Arbeitsgase stromabwärts der Leitschaufeln 50. Gemäß der Darstellung in der Zeichnung ist das stromabwärtige Ende 74 der Verkleidung 46 an dem inneren Gehäuse 42 stromabwärts der Streben 48 freitragend abgestützt. Die Wand 76 hat Durchgangslöcher 78, deren Form der Querschnittsform der Streben 48 entspricht, die durch die Durchgangslöcher 78 hindurchgeführt sind. Gemäß Fig. 2 hat die Wand 76 axiale Wellungen 80 über der Länge der Streben 48. Diese Wellungen 80 dienen hauptsächlich dem Zweck, Schwingungen in der Verkleidung 46 im Triebwerksbetrieb zu verringern. Das stromaufwärtige Ende 72 der Verkleidung 46 hat einen Tragring 82, der eine beträchtliche Querschnittsfläche aufweist, um die dünne, aus Blech bestehende Wand 76 zu versteifen.

Gemäß Fig. 3 sind die Leitschaufeln 50 in der hier beschriebenen Ausführungsform praktisch ebene Platten (d. h. nichtflügelprofilförmig), um die zwischen den Laufschaufeln 26 austretende Strömung der Arbeitsgase geradezurichten. In der hier beschriebenen Ausführungsform findet praktisch kein Druckabfall an den Leitschaufeln 50 statt. Die Leitschaufeln 50 haben radial innere Enden 84 mit inneren Plattformen 86 und radial äußere Enden 88 mit äußeren Plattformen 90. Die Leitschaufeln 50 sind an dem äußeren Gehäuse 44 an ihren äußeren Enden 88 nahe ihren Vorderkanten 92 befestigt. Die Plattformen 90 haben einen sich nach außen erstreckenden und umfangsmäßig anliegenden Flanschteil 94 mit sich nach vorn erstreckenden Lippen 96. Diese Lippen 96 fassen in eine nach hinten weisende Ringnut 98 in einem Leitschaufeltragring 100 ein. Der Leitschaufeltragring 100 hat einen sich radial nach außen erstreckenden ringförmigen Plattenteil 102, der zwischen einem sich radial nach außen erstreckenden Flansch 104 eines vorderen Teils 106 des äußeren Gehäuses 44 und einem sich radial nach außen erstreckenden Flansch 108 eines hinteren Teils 110 des äußeren Gehäuses 44 eingespannt ist. Die Flansche 104, 108 sind durch Schrauben 112 aneinander befestigt. Sich radial nach innen erstreckende, in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete ringförmige Lippenabschnitte 114 an dem hinteren Teil 110 des äußeren Gehäuses 44 unmittelbar stromabwärts jedes Flanschteils 94 verhindern eine axiale Bewegung der äußeren Ende 88 der Leitschaufeln 50. Diese hakenartige Anordnung der stromaufwärtigen Enden der Plattformen 90, gekoppelt mit einem kleinen radialen Spalt 116 zwischen den stromabwärtigen Enden der Plattformen 90 und dem äußeren Gehäuse 44, gestattet ein beträchtliches Ausmaß an Schwenkung der Leitschaufeln 50, um deren Befestigungspunkt an dem äußeren Gehäuse 44. Die Leitschaufeln 50 können einzelne Leitschaufeln 50 sein, die jeweils mit ihren eigenen Plattformen 86, 90, versehen sind, oder es kann sich um Gruppen von zwei oder mehr als zwei Leitschaufeln 50 handeln, die sich gemeinsame Plattformen 86, 90 teilen.

Die stromaufwärtigen Enden der inneren Plattformen 86 der Leitschaufeln 50 haben radial innere erstreckende und umfangsmäßig aneinander anliegende Lappen 118, die, zusammengenommen einen in Segmente geteilten Ring bilden. Die Lappen 118 fassen in eine radial nach außen weisende Ringnut 120 ein, die in dem Tragring 82 der Verkleidung 46 gebildet ist, und können sich relativ zu dieser frei radial bewegen. Im Triebwerksbetrieb sind die Leitschaufeln 50 in stromaufwärtiger Richtung mit einem höheren Druck beaufschlagt als stromabwärts, so daß die Lappen 118 gegen eine nach hinten weisende Fläche 122 der Ringnut 120 gedrückt werden. Die axiale Breite der Ringnut 120 ist größer als die Dicke der Lappen 118, so daß die Leitschaufeln 50 schwenkbar sind, ohne daß die Möglichkeit besteht, daß auf die Verkleidung 46 irgendwelche Verdrehmomente ausgeübt werden.

Die Austrittsgehäusebaugruppe 12 ergibt nicht nur ein leichtgewichtiges, baulich stabiles Halterungssystem für die Leitschaufeln 50, sondern bildet auch ein gutes Hitzeschild für das Lager 16 und die Lagertragvorrichtung 18, da als einziger Leckweg für den heißen Arbeitsgasstrom die Spalte zwischen der Wand 76 und den Streben 48 und die Spalte zwischen benachbarten Lappen 118 vorhanden sind.

Claims (6)

1. Austrittsgehäusebaugruppe (12) für ein Axialgasturbinentriebwerk mit einem Turbinenabschnitt, der wenigstens eine Rotorbaugruppe (10) aufweist, wobei die Austrittsgehäusebaugruppe (12) stromabwärts der Rotorbaugruppe (10) angeordnet ist und Vorrichtungen aufweist, die einen sich axial erstreckenden, im Querschnitt ringförmigen Strömungsweg (28) von Arbeitsgasen begrenzen, mit einem inneren Gehäuse (42), einem äußeren Gehäuse (44), das mit Abstand radial außerhalb von dem inneren Gehäuse (42) angeordnet ist, mehreren umfangsmäßig angeordneten Streben (48), die sich radial durch den Strömungsweg (28) erstrecken und innere Enden (52) haben, die an dem inneren Gehäuse (42) starr befestigt sind, und äußere Enden (54), die an dem äußeren Gehäuse (44) starr befestigt sind, und einer Verkleidung (46), die ein stromaufwärtiges Ende (72) und ein stromabwärtiges Ende (74) aufweist und dazwischen mit einer Wand (76) aus Blech versehen ist, die zwischen dem inneren Gehäuse (42) und dem äußeren Gehäuse (44) angeordnet ist und die radial innere Fläche des im Querschnitt ringförmigen Strömungsweges (28) bildet, wobei die Verkleidung (46) an ihrem stromabwärtigen Ende (74) an dem inneren Gehäuse (42) stromabwärts der Streben (48) freitragend abgestützt ist und wobei die Streben (48) jeweils durch ein Durchgangsloch (78) in der Wand (76) hindurchgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts der Streben (48) eine Reihe von Leitschaufeln (50) in dem Strömungsweg (28) angeordnet ist, um die austretende Strömung der Rotorbaugruppe (10) geradezurichten, wobei die Leitschaufeln (50) radial äußere Enden (88) haben, die an dem äußeren Gehäuse (44) so befestigt sind, daß die Leitschaufeln (50) um den Punkt, an dem sie an dem äußeren Gehäuse (44) befestigt sind, schwenken können, wobei das stromaufwärtige Ende (72) der Verkleidung (46) die inneren Enden (84) der Leitschaufeln (50) berührt, um diese unter Zulassung einer begrenzten Axialbeweglichkeit in Axialrichtung abzustützen, und wobei die inneren Enden (84) der Leitschaufeln (50) sich relativ zu der Verkleidung (46) radial frei bewegen können.

2. Austrittsgehäusebaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (50) an dem äußeren Gehäuse (44) nahe ihren Vorderkanten (92) befestigt sind.

3. Austrittsgehäusebaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (76) axiale Wellungen (80) zwischen den Streben (48) hat.

4. Austrittsgehäusebaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stromaufwärtige Ende (72) der Verkleidung (46) einen angeformten Tragring (82) aufweist, der die Wand (76) versteift und eine radial nach außen weisende Ringnut (120) hat, in die an den inneren Enden (84) der Leitschaufeln (50) vorgesehene Lappen (118) radial nach innen gerichtet einfassen.

5. Austrittsgehäusebaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Ringnut (120) in axialer Richtung größer ist als die Dicke der Lappen (118) in axialer Richtung.

6. Austrittsgehäusebaugruppe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lappen (118) in Umfangsrichtung erstrecken und aneinander anliegen, um einen in Segmente geteilten Ring zu bilden.