DE3348479C2 - Vorrichtung zum Befestigen eines Kranzes von Leitschaufeln in einem Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk hat einen Fanabschnitt, einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsgase erstreckt sich axial durch diese Abschnitte. Wenn die Arbeitsgase durch den Strömungsweg strömen, werden sie in dem Fan- und dem Verdichtungsabschnitt unter Druck gesetzt und in dem Verbrennungsabschnitt mit Brennstoff verbrannt, wobei sie Energie aufnehmen. Die heißen, unter hohem Druck stehenden Gase expandieren in dem Turbinenabschnitt, um nutzbare Arbeit zum Unter-Druck-setzen der Gase in dem Fan- und dem Verdichtungsabschnitt und Schub für den Vortrieb des Gasturbinentriebwerks zu erzeugen.

Der Turbinenabschnitt des Triebwerks hat ein äußeres Gehäuse, das den Strömungsweg umschließt. Kränze von Leitschaufeln erstrecken sich von dem äußeren Gehäuse nach innen über den Strömungsweg zum Leiten der Arbeitsgase. Kränze von Laufschaufeln, die an einem Rotor befestigt sind, erstrecken sich nach außen über den Strömungsweg, um den Arbeitsgasen Arbeit zu entziehen, wenn diese durch den Strömungsweg strömen. Eine äußere Gasabdichtung an jedem Laufschaufelkranz ist an dem äußeren Gehäuse abgestützt und befestigt. Die äußere Gasabdichtung umschließt die Spitzen der Laufschaufeln und weist engen Abstand von diesen auf, um die Arbeitsgase auf den Strömungsweg zu beschränken, wenn die Gase durch die Laufschaufelkränze hindurchgehen.

In modernen Triebwerken ist das äußere Gehäuse, das die äußere Gasabdichtung trägt, kühlbar, damit der Durchmesser des Gehäuses und somit der radiale Spalt zwischen dem Kranz von Laufschaufeln und der äußeren Gasabdichtung veränderbar ist. Beispiele solcher Konstruktionen zeigen die US-PS 40 19 320, 42 47 248 und 42 79 123. Bei diesen Konstruktionen erstrecken sich kühlbare Rippen in Umfangsrichtung um die Außenseite des äußeren Gehäuses.

Fachleute arbeiten daran, ein kühlbares äußeres Gehäuse zur Verwendung bei von außen gekühlten Turbinenabschnitten zu schaffen, das die Leistungsfähigkeit des Triebwerks verbessert, indem die Menge an Kühlluft verringert wird, die erforderlich ist, um einen bestimmten Spalt zu erzielen, und indem die Ansprechzeit des Stators auf das Kühlen verkürzt wird, um die Ansprechzeit zu verkürzen, die benötigt wird, um einen bestimmten Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen und der äußeren Gasabdichtung zu erzielen.

In dem hier betrachteten Fall hat ein Stator für ein Gasturbinentriebwerk, der einen Kranz von Laufschaufeln umgibt und einen Kranz von äußeren Gasabdichtungen außerhalb der Laufschaufelspitzen trägt, ein äußeres Gehäuse mit einem stromaufwärtigen und einem stromabwärtigen Flansch und ein kühlbares Profilteil zum Positionieren der äußeren Gasabdichtung, die an den beiden Flanschen abgestützt ist, um dem Profilteil zu ermöglichen, sich in bezug auf die beiden Flansche radial zu bewegen.

Eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art ist aus DE 29 27 781 A1 bekannt. Dort befindet sich die die Leitschaufeln tragende Vorrichtung radial einwärts derselben, und die Leitschaufeln sind außen lediglich radial verschiebbar geführt. Das alles beeinträchtigt die sichere Wärmeabfuhr aus dem Stator und bedingt daher einen großen Kühlluftbedarf.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus GB 2 043 792 A bekannt. Diese dient zwar zur Befestigung der Leitschaufeln am äußeren Gehäuse, jedoch erfolgt diese Befestigung unmittelbar an dem die Gasabdichtung tragenden Profilteil. Das hat den Nachteil, daß sich die von den Leitschaufeln aufgenommene Wärme direkt auf den Laufschaufelspitzenspalt auswirken kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß die vom Stator aufgenommene Wärme sicherer nach außen abgeleitet werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Vorrichtung nach der Erfindung sind die Leitschaufeln am äußeren Gehäuse befestigt, wo sich die Wärme am sichersten aus dem Stator abführen läßt. Der Laufschaufelspitzenspalt läßt sich so ohne nachteiligen Einfluß von Wärme aus dem Stator optimieren.

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 Seitenansicht eines Turbofan- Gasturbinentriebwerks, und

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Teils des Verbrennungsabschnitts und des Turbinenabschnitts des in Fig. 1 gezeigten Triebwerks.

Fig. 1 zeigt ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk. Das Triebwerk hat eine Drehachse Ad. Die Hauptabschnitte des Triebwerks sind ein Fanabschnitt 10, ein Verdichtungsabschnitt 12, ein Verbrennungsabschnitt 14 und ein Turbinenabschnitt 16. Ein Stator 18 erstreckt sich axial durch das Triebwerk. Der Stator hat ein äußeres Gehäuse 20. Ein kühlbares Profilteil 22 erstreckt sich außen und in Umfangsrichtung um das äußere Gehäuse 20. Eine Leitung 24 für Kühlluft erstreckt sich von der Rückseite des Fanabschnitts 10 des Triebwerks aus. Mehrere Sprührohre 26, die an die Leitung 24 angeschlossen sind, erstrecken sich in Umfangsrichtung um das äußere Gehäuse 20 und weisen Abstand von dem Profilteil 22 auf. Jedes Sprührohr 26 hat mehrere Löcher 27, über die Kühlluft zu einem benachbarten Profilteil 22 geleitet wird.

Fig. 2 zeigt eine Längsschnittansicht eines Teils des Verbrennungsabschnitts 14 und des Turbinenabschnitts 16 des Triebwerks. Ein Rotor 28 und ein ringförmiger Strömungsweg 30 für Arbeitsgase erstrecken sich axial durch das Triebwerk. Der Rotor 28 hat Kränze von Laufschaufeln 32. Jede Laufschaufel hat eine Spitze 34. Jeder Kranz von Laufschaufeln 32 erstreckt sich durch den Strömungsweg 30 nach außen bis in die Nähe des äußeren Gehäuses 20 des Stators 18. Der Verbrennungsabschnitt 14 hat eine innere Flammrohrwand 36 und eine äußere Flammrohrwand 38, die stromaufwärts des Rotors 28 angeordnet sind. Von jeder Flammrohrwand ist nur ein Teil dargestellt. Die innere und äußere Flammrohrwand 36, 38 erstrecken sich in Umfangsrichtung um die Drehachse Ad und haben gegenseitigen radialen Abstand, so daß zwischen ihnen eine ringförmige Brennkammer 40 verbleibt. Die äußere Flammrohrwand 38 ist mit radialem Abstand von dem äußeren Gehäuse 20 angeordnet, so daß ein ringförmiger Durchlaß 42 für Kühlluft zwischen ihnen vorhanden ist.

Das äußere Gehäuse 20 hat drei sich axial erstreckende Gehäuseteile: einen ersten Gehäuseteil 48 (das Hochdruckturbinengehäuse), einen zweiten Gehäuseteil 46 (das Diffusorgehäuse); und einen dritten Gehäuseteil 50 (das Niederdruckturbinengehäuse). Jeder Gehäuseteil hat einen stromaufwärtigen Flansch 52b und einen stromabwärtigen Flansch 54b. Jeder Flansch hat mehrere Löcher 56. Benachbarte Flansche, eine Mutter und eine Schraube in jedem Loch bilden eine stromaufwärtige Flanschverbindung 58 zwischen dem zweiten Gehäuseteil 46 und dem ersten Gehäuseteil 48. Eine stromabwärtige Flanschverbindung 60 verbindet den ersten Gehäuseteil 48 und den dritten Gehäuseteil 50.

Ein Kranz von Leitschaufeln 61, bei dem es sich hier um die Leitschaufeln der ersten Stufe handelt, ist radial einwärts von dem ersten Gehäuseteil 48 angeordnet und erstreckt sich nach innen über den Strömungsweg 30. Eine Vorrichtung ist vorgesehen zum Befestigen des Leitschaufelkranzes an dem ersten Gehäuseteil 48. Diese Vorrichtung ist ein ringförmiges Element 62, das sich von dem äußeren Gehäuse 20 aus axial und radial nach innen erstreckt und die Leitschaufeln 61 freitragend an dem äußeren Gehäuse befestigt. Das ringförmige Element 62 hat einen ringförmigen Flansch 64, einen zylindrischen Teil 66 und einen kegelstumpfförmigen Teil 68. Der kegelstumpfförmige Teil 68 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Drehachse Ad und nimmt den sich nach außen erstreckenden Teil 70 jeder Leitschaufel 61 auf. Der zylindrische Teil 66 des ringförmigen Elements 62 ist an dem kegelstumpfförmigen Teil 68 und an dem ringförmigen Flansch 64 angeformt. Über den ringförmigen Flansch 64 ist das ringförmige Teil 66 mit dem zweiten Gehäuseteil 46 und dem ersten Gehäuseteil 48 an der stromaufwärtigen Flanschverbindung 58 verbunden. Eine ringförmige Feder 72 erstreckt sich zwischen dem ringförmigen Element 62 und benachbarten Elementen 74, die sich von dem äußeren Gehäuse 20 aus nach innen erstrecken. Die ringförmige Feder 72 liegt an den benachbarten Elementen 74 verschiebbar an, so daß diese sich gegenüber der ringförmigen Feder und dem ringförmigen Element 62 radial bewegen können.

Die benachbarten Elemente 74 sind eine äußere Gasabdichtung 76, das Profilteil 22 des äußeren Gehäuses 20 und eine Vorrichtung 78 zum Befestigen der äußeren Gasabdichtung an dem Profilteil 22. Die äußere Gasabdichtung 76 besteht aus mehreren sich umfangsmäßig erstreckenden Segmenten 80. Jedes Segment 80 hat ein stromaufwärtiges Ende 82 und ein stromabwärtiges Ende 84 und ist durch einen radialen Spalt G von dem Laufschaufelkranz getrennt. Die Vorrichtung 78 zum Befestigen der äußeren Gasabdichtung 76 an dem Profilteil 22 umfaßt einen stromaufwärtigen Flansch 86, eine in Segmente geteilte stromaufwärtige Tragvorrichtung 88, die mit dem stromaufwärtigen Flansch 86 verbunden ist, einen stromabwärtigen Flansch 90 und eine in Segmente geteilte stromabwärtige Tragvorrichtung 92, die mit dem stromabwärtigen Flansch 90 verbunden ist. Das Profilteil 22 hat eine stromaufwärtige Rippe 94, einen ringförmigen Steg 96 und eine stromabwärtige Rippe 98 in axialem Abstand von der stromaufwärtigen Rippe 94. Die stromaufwärtige Rippe 94 und die stromabwärtige Rippe 98 sind an dem ringförmigen Element 62 angeformt. Das Profilteil 22 hat eine axiale Länge L_r.

Eine Vorrichtung 100 zum Abstützen des Profilteils 22 an dem stromaufwärtigen Flansch 52b und an dem stromabwärtigen Flansch 54b ermöglicht dem Profilteil, sich in bezug auf diese beiden Flansche radial zu bewegen, wenn sich die Temperatur des Profilteils ändert. Die Vorrichtung 100 umfaßt zum Abstützen des Profilteils 22 einen stromaufwärtigen Abschnitt 102 des äußeren Gehäuses 20 und einen stromabwärtigen Abschnitt 104 des äußeren Gehäuses 20. Der stromaufwärtige Abschnitt 102 erstreckt sich zwischen dem Profilteil 22 und dem stromaufwärtigen Flansch 52b. Der stromaufwärtige Abschnitt 102 ist an dem stromaufwärtigen Flansch 52b und an der stromaufwärtigen Rippe 94 angeformt, d. h. mit diesen integral verbunden. Der stromaufwärtige Flansch 52b könnte konisch in den stromaufwärtigen Abschnitt 102 übergehen, wie es durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Der stromaufwärtige Abschnitt 102 hat ein axiale Länge L₁, die gleich der Hälfte oder größer als die Hälfte der axialen Länge L_r des Profilteils 22 ist. Der stromaufwärtige Abschnitt 102 hat eine Mindestquerschnittsfläche A₁, die kleiner ist als die Mindestquerschnittsfläche A_r des ringförmigen Steges 96 des Profilteils 22. Der stromabwärtige Abschnitt 104 erstreckt sich zwischen dem Profilteil 22 und dem stromabwärtigen Flansch 54b. Der stromabwärtige Abschnitt 104 ist an dem stromabwärtigen Flansch 54b und an der stromabwärtigen Rippe 98 angeformt. Der stromabwärtige Abschnitt 104 hat eine axiale Länge L₂, die gleich der Hälfte oder größer als die Hälfte der axialen Länge L_r des Profilteils 22 ist, und eine Mindestquerschnittsfläche A₂, die kleiner ist als die Mindestquerschnittsfläche A_r des Profilteils 22. In der gezeigten Ausführungsform hat der stromaufwärtige Abschnitt 102 eine Dicke t₁, der stromabwärtige Abschnitt 104 hat eine Dicke t₂, und das Profilteil 22 hat eine Mindestdicke t_r. Die Dicke t₁ und die Mindestquerschnittsfläche A₁ des stromaufwärtigen Abschnitts 102 und die Dicke t₂ und die Mindestquerschnittsfläche A₂ des stromabwärtigen Abschnitts 104 sind kleiner als die Hälfte oder gleich der Hälfte der Dicke t_r bzw. der Mindestquerschnittsfläche A_r des Profilteils 22, d. h. t₁, t₂ [t_r/2]; A₁, A₂ [A_r/2].

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks wird in der ringförmigen Brennkammer 40 des Verbrennungsabschnitts 14 Brennstoff mit Luft vermischt. Der Brennstoff wird in der Brennkammer 40 verbrannt, um Arbeitsgasen Energie in Form von Wärme zuzuführen. Die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisenden Arbeitsgase werden aus dem Verbrennungsabschnitt 14 abgegeben und in dem Turbinenabschnitt 16 ausgedehnt, um an den Laufschaufeln 32 Arbeit zu verrichten. Wenn die Arbeitsgase auf dem ringförmigen Strömungsweg 30 durch den Turbinenabschnitt 16 hindurchgehen, umströmen sie die Kränze von Leitschaufeln 61 und die Kränze von Laufschaufeln 32. Wärme wird von den heißen Arbeitsgasen auf die Leitschaufeln 61 und Laufschaufeln 32 übertragen. Wenn sich die Laufschaufeln 32 um die Drehachse Ad drehen und durch die Arbeitsgase erhitzt werden, bewegen sie sich schnell nach außen zu dem sie umgebenden Kranz von Segmenten der äußeren Gasabdichtung 76. Das Profilteil 22 des äußeren Gehäuses 20, das die äußere Gasabdichtung 76 trägt und positioniert, ist nicht in unmittelbarer Nähe des Strömungsweges 30 und ist von den heißen Arbeitsgasen durch Kühlluft getrennt, die durch den Durchlaß 42 strömt. Das Profilteil 22 spricht langsamer als die Laufschaufeln 32 auf Temperaturänderungen an und ist Drehkräften überhaupt nicht ausgesetzt.

Während eines transienten Betriebes, wie beispielsweise einer plötzlichen Zunahme der Leistung bei einem Start des Flugzeuges in Meereshöhe, wird der Spalt G kleiner, da sich die Spitzen der Laufschaufeln 32 schnell nach außen zu der äußeren Gasabdichtung 76 bewegen. Der Spalt G zwischen der äußeren Gasabdichtung 76 und den Laufschaufeln 32 ist groß genug, um die Differenz im transienten Wachstum zwischen diesen, das dazu führt, daß sich die Laufschaufeln 32 in bezug auf die äußere Gasabdichtung nach außen bewegen, aufzunehmen. Wenn das Triebwerk einen stationären Betriebszustand erreicht, beispielsweise den Reiseflugzustand, steigt die Temperatur des Profilteils 22 an, was dazu führt, daß sich die Rippen 94, 98 ausdehnen, wodurch der Spalt G zwischen der äußeren Gasabdichtung und den Spitzen 34 der Laufschaufeln 32 größer wird. Kühlluft wird durch die Leitung 24 geleitet, tritt aus den Sprührohren 26 aus und prallt auf das Profilteil 22. Dieses Kühlen bewirkt, daß sich das Profilteil 22 zusammenzieht und die äußere Gasabdichtung 76 in bezug auf die Laufschaufeln 32 nach innen bewegt, wodurch der Spalt G und die Menge an Arbeitsgasen, die zwischen den Spitzen 34 der Laufschaufeln 32 und der äußeren Gasabdichtung 76 hindurchströmt, kleiner werden.

Das ringförmige Element 62 zum Befestigen des umfangsmäßig in Segmente geteilten Kranzes von Leitschaufeln 61 ist in axialem Abstand von den benachbarten Elementen 74 angeordnet, und die Umfangsfläche für die Befestigungs des ringförmigen Flansches 64 des ringförmigen Elements 62 an dem äußeren Gehäuse 20 hat axialen Abstand von dem Profilteil 22, so daß das ringförmige Element 62 von dem Profilteil 22 getrennt ist. Durch diese Trennung wird vermieden, daß das Profilteil 22 eine Kraft auf das ringförmige Element 62 zum Befestigen der Leitschaufeln 61 ausüben muß, wenn das Profilteil 22 den Kranz der äußeren Gasabdichtung 76 nach innen bewegt. Darüber hinaus werden die Leitschaufeln 61 durch die Arbeitsgase erhitzt. Wärme wird von den Leitschaufeln 61 auf das ringförmige Element 62 übertragen. Die Trennung des ringförmigen Elements 62 von den benachbarten Elementen 74 und insbesondere von dem Profilteil 22 blockiert die Wärmeübertragung von den Leitschaufeln 61 auf das Profilteil 22. Weil die Wärmemenge im Vergleich zu Konstruktionen, bei denen der Kranz der Leitschaufeln 61 der ersten Stufe an dem stromaufwärtigen Flansch 52b befestigt ist, geringer ist, ist zum Kühlenm des Profilteils 22 weniger Kühlluft erforderlich. Demgemäß wird der Triebwerkswirkungsgrad nicht nur durch Verringern der Menge an Kühlluft verringert, die erforderlich ist, um die Rippen 94, 98 zu veranlassen, die erforderliche Kraft zum Überwinden der Widerstandskraft gegen das Positionieren der äußeren Gasabdichtung 76 auszuüben, sondern auch durch das Verlängern der Ansprechzeit des Profilteils 22 durch Verringern der Wärmemenge, die aus dem Profilteil 22 entfernt werden muß, um einen bestimmten Temperaturwert in dem Profilteil zu erzielen.

Die Konzentrizität der äußeren Gasabdichtung 76 in bezug auf die Spitzen 34 des Kranzes von Laufschaufeln 32 und in bezug auf die Drehachse Ad wird durch den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Abschnitt 102, 104 aufrechterhalten, die das Profilteil 22 in bezug auf die Drehachse axial und radial positionieren und dabei relatives radiales Wachstum in bezug auf die Flanschverbindungen 58, 60 gestatten. Die Steifigkeit des Profilteils 22, die sich durch die U-Profilkonfiguration des Profilteils im Vergleich zu der Biegsamkeit des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Abschnitts 102 bzw. 104 ergibt, ermöglicht den beiden Rippen 94, 98, ihre Wirkung gemeinsam zu entfalten, und verringert jedwede Neigung zur Unrundheit, die durch örtliche Veränderungen in der Erwärmung von benachbarten Teilen des äußeren Gehäuses 20 verursacht würde.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Befestigen eines Kranzes von Leitschaufeln (61) in einem Gasturbinentriebwerk mit einer äußeren Gasabdichtung (76), die die Spitzen (34) eines Kranzes von Laufschaufeln (32) umgibt und neben dem Kranz von Leitschaufeln (61) angeordnet ist, und mit einem äußeren Gehäuse (20), das aus drei sich axial erstreckenden äußeren Gehäuseteilen (46, 48, 50) besteht, von denen der erste Gehäuseteil (48) mit dem zweiten Gehäuseteil (46) durch eine stromaufwärtige Flanschverbindung (58) verbunden ist und von denen der ersten Gehäuseteil (48) ein kühlbares Profilteil (22) außerhalb der äußeren Gasabdichtung (76) hat, das sich umfangsmäßig um die Gasabdichtung (76) erstreckt und diese trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein kühlbares ringförmiges Element (62) ist, das sich zum Befestigen des Kranzes von Leitschaufeln (61) von einer Stelle an dem äußeren Gehäuse (20) aus, die sich in axialem Abstand stromaufwärts von dem kühlbaren Profilteil (22) befindet, axial und radial nach innen erstreckt, und daß allein mittels des ringförmigen Elements (62) die Leitschaufeln (61) freitragend an dem äußeren Gehäuse (20) radial und axial befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element (62) mit dem äußeren Gehäuse (20) an der stromaufwärtigen Flanschverbindung (58) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz von Leitschaufeln (61) in axialem Abstand stromaufwärts von der äußeren Gasabdichtung (76) angeordnet ist und daß die stromaufwärtige Flanschverbindung (58) in axialem Abstand von dem Kranz von Leitschaufeln (61) angeordnet ist.