DE3445835C2 - Ummantelungsplatte für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ummantelungsplatte für ein Gasturbinen­ triebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1. Eine der­ artige Ummantelungsplatte ist aus der US-P 2 984 454 bekannt.

Gasturbinentriebwerke haben zahlreiche ringförmige Bereiche, zu denen die Brennkammer, die Hochdruckturbine und die Nieder­ druckturbine gehören. Diese Bereiche werden jeweils durch ein Flammrohr oder eine Ummantelung begrenzt, die eine Strömungs­ bahn bilden. Übliche Flammrohre/Ummantelungen können in eine Anzahl gekrümmter Platten unterteilt sein, wobei eine Einrich­ tung zum Befestigen jeder Platte an einem Halter vorgesehen ist.

Bislang sind solche Platten durch Gießen eines Rohlings des Teils und durch anschließendes genaues spanabhebendes Bear­ beiten hergestellt worden (s. US-PS 2 955 415). Diese Platten sind wegen der Gieß­ beschränkungen, die minimale Dicken erfordern, schwer. Außer­ dem können sie wegen Hohlräumen, die während des Gießprozesses erzeugt werden, Schwachstellen aufweisen. Weiter erfordert die spanabhebende Bearbeitung zusätzliche Zeit, wodurch die Platten verteuert werden.

Gemäß der eingangs genannten US-PS 2 984 454 kann eine Ummantelung und Halterung für Leitschaufeln auch aus mehreren miteinander verbundenen Blechteilen hergestellt werden. Dort ist eine der auskragenden Schaufelhalterung zugeordnete Ummantelungsplatte an ihren stumpf abgewinkelten Endstücken mit der Schaufelhalterung fest verbunden.

Ferner ist aus der DE-PS 6 34 039 eine aus Blech herge­ stellte Laufschaufel für Dampf- oder Gasturbinen mit keilförmig verdicktem Schaufelfuß bekannt, wobei die Keilform durch eine mit dem Schaufelfuß in dichter Werkstoffberührung stehende Umbiegung des Schaufelfusses gebildet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ummantelungsplatte der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie mit einfachen Mitteln und schnell hergestellt und montiert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung und durch sie erzielbare Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinen­ triebwerks,

Fig. 2 eine Querschnittansicht einer Ummantelungs­ platte und der Befestigung derselben gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Ummante­ lungsplatte nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Querschnittansicht der Ummantelungs­ platte nach Fig. 2,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines gespannten Gebietes einer Blechplatte und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren gespannten Gebietes einer Blechplatte.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Verdichter 12, einer Brennkammer 14, einer Hochdruckturbine 16 und einer Niederdruckturbine 18. Jeder dieser ringförmigen Be­ reiche wird radial durch eine Struktur begrenzt, die eine Strömungsbahn bildet. Der Verdichter 12 ist durch ein Gehäuse 20 begrenzt, die Brennkammer 14 ist durch ein Flammrohr 22 begrenzt, und die Turbinen 16 und 18 sind durch Ummantelungen 23 und 26 begrenzt. Diese Strukturen müssen jeweils mit einem Halter verbunden sein. Darüber hinaus kann jede Struktur aus verschiedenen Konstruktions- und Zusammenbaugründen in eine Anzahl von gekrümmten Platten unterteilt sein. Die Anforderungen an die Festigkeit, die Wärmebeständigkeit, das Gewicht usw. können zwar für jede dieser Strukturen unterschiedlich sein, allen ist jedoch gemeinsam, daß sie eine stabile, zuverlässige und relativ billige Einrichtung zur Befestigung an einem Halter benötigen.

Eine Ummantelungsplatte 24 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein gekrümmtes Segment der Hochdruckturbinen-Ummantelung 23. Die Ummantelungsplatte 24, von der eine Ansicht in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt ist, wird aus einem einzigen Stück Blech hergestellt. Zahlreiche Werkstoffe können für das Blech vorteilhaft verwendet werden. Der bevorzugte Werkstoff wird aus einer warmfesten Legierung bestehen, die allein oder in Kombination die Elemente Nickel, Kobalt und Chrom enthält. Im Handel erhältliche Werkstoffe mit diesen Eigenschaften sind beispielsweise Hastalloy X, HS188, L605, Rene′ 41, Waspalloy, MA754 und MA956. Die Dicke T des Bleches wird durch den Ver­ wendungszweck bestimmt. Sie kann beispielsweise mehr als 0,64 mm und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwischen 0,64 mm und 1,52 mm betragen.

Die Platte 24 hat einen insgesamt gekrümmten Mantelabschnitt 38. Die gekrümmte Form entspricht insgesamt der Umfangs­ richtung 40 der Turbine, die durch die Ummantelungsplatten 24 begrenzt wird. Die Platte 24 hat außerdem einen in Strömungsrichtung gesehen vorderen Befesti­ gungshaken 42 und einen in Strömungsrichtung gesehen hinteren Befestigungshaken 44.

Gemäß Fig. 4 hat der vordere Befestigungshaken 42 einen ersten, radial außen liegenden Befestigungsteil 92 und einen zweiten, radial innen liegenden Befestigungsteil 94. Der Befestigungsteil 92 weist ein erstes Stegteil 96 auf, das sich von dem vorderen Ende des Mantelabschnitts 38 nach außen erstreckt, und einen ersten, äußeren Schienenabschnitt 98, der sich von dem ersten Stegteil 96 aus erstreckt. Der Be­ festigungsteil 94 weist einen zweiten, inneren Schienenabschnitt 100 und ein zweites Stegteil 102 auf. Gemäß der folgenden aus­ führlicheren Beschreibung ist der Befestigungsteil 94 so den Befestigungsteil 92 umgefalzt, daß das erste Stegteil 96 und der erste Schienenabschnitt 98 im wesentlichen der Form des zweiten Stegteils 102 bzw. des zweiten Schienenabschnitts 100 angepaßt sind. Die Stegteile 96 und 102 bilden dadurch einen Steg, und die Schienenabschnite 98 und 100 bilden eine strom­ wärtig, vordere Schiene 30.

Ebenso weist der hintere Befestigungshaken 44 einen dritten, stromabwärtige radial innen liegenden Befestigungsteil 104 und einen vierten, radial außen liegenden Befestigungsteil 106 auf. Der Befestigungsteil 104 weist ein drittes Stegteil 108 auf, das sich von dem hinteren Ende des Ummantelungsträgers 38 nach außen erstreckt, und einen dritten, inneren Schienenabschnitt 110, der sich von dem Stegteil 108 aus stromaufwärts erstreckt. Der Befesti­ gungsteil 106 weist einen vierten, äußeren Schienenabschnitt 112 und ein viertes Stegteil 114 auf Ebenso wie der vordere Befe­ stigungshaken 42 ist der hintere Befestigungshaken 44 durch Umfalzen des Befestigungsteils 106 auf den Befestigungs­ teil 104 gebildet, so daß das dritte Stegteil 108 und der vierte Schienenabschnitt 110 im wesentlichen der Form des vierten Stegteils 114 bzw. des vierten Schienenabschnitts 112 angepaßt sind. Die Stegteile 108 und 114 bilden dadurch einen Steg, und die Schienenabschnitte 110 und 112 bilden eine hin­ tere Schiene 32.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist jede Platte 24 an einem Halter 28 durch Aufnahme des vorderen Befestigungshakens 42 und des hin­ teren Befestigungshakens 44 der Platte 24 in einer vorderen Nut 34 bzw. einer hinteren Nut 36 des Halters 28 befestigt. Zusätzlich zu der insgesamt gekrümmten Form der Platte 24 in der Richtung 40 sind Biegungen 46a, 46b, 46c, 46d, 46e, 46f, 46g und 46h im wesentlichen senkrecht zu der Richtung 40 gebildet. In der Nachbarschaft jeder Biegung besteht ein gespanntes Gebiet, in welchem Zug- und/oder Druckspannungen sowohl aus der ge­ krümmten Form als auch aus der dazu senkrechten Biegung resultieren.

Fig. 5 zeigt ausführlicher ein stromaufwärtiges gespanntes Gebiet 48 der Platte 24 in der Nachbarschaft der Biegung 46g. Das gespannte Gebiet 48 bildet einen ersten Schnittbogen 50 mit einer ersten, stromaufwärtigen Ebene 52. Die Ebene 52 ist insgesamt parallel zu einer Ebene, die zu dem Scheitel 49 der Biegung 46g tangential ist. Der Radius des Bogens 50 ist der Abstand von der Mittellinie des Trieb­ werks. Das gespannte Gebiet 48 bildet weiter einen zweiten Bogen 54 mit einer zweiten, umfangsseitigen Ebene 56. Die Ebene 56 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel senkrecht zu der ersten Ebene 52. Der Bogen 54 ist das Abbild der inneren Oberfläche 59 des gespannten Gebietes 48 und entspricht dem inneren Radius der Biegung 46g. Im allgemeinen wird der Radius 64 des Bogens 54 kleiner sein als das Doppelte der Dicke (2T) der Platte 24. Im Falle der Biegung 46g, wo die Platte 24 auf sich selbst umgekantet oder umgefalzt ist, ist der Radius 64 des Bogens 54 viel kleiner als die Dicke (1T) der Platte 24 und nähert sich null. Die Abmessung des Bogens 54 wird ungefähr 180° betragen, da die Platte 24 an der Biegung 46g auf sich selbst umgefalzt ist.

Es kann verschiedene Gründe geben, um einen kleinen Radius der Biegung 46g beizuerhalten. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 muß der vordere Befestigungshaken 42 in der vorderen Nut 34 aufgenommen werden. Genaue Abmessungen müssen an dieser Grenzfläche eingehalten werden. Demgemäß würde eine Biegung mit großem Radius, die ein kugelförmiges Ende des Befestigungshakens 42 erzeugt, dieses Zusammenpassen nachteilig beeinflußen. Darüber hinaus wird der Spalt 66 zwischen den Schienenabschnitten 98 und 100 hart­ verlötet. Zum Erzielen einer guten Festigkeit muß der Spalt 66 auf seiner gesamten Länge schmal sein.

Üblicherweise muß im Stand der Technik der innere Radius 64 dieser Biegungen größer als das Doppelte oder gleich dem Doppelten der Dicke (2T) der Platte 24 sein, um ein Brechen zu verhindern. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind engere Biegungen von weniger als 2T und bis nahe null erzielt worden. Die Platte 24 wird zuerst gespannt, indem sie in ihre in Umfangsrichtung gekrümmte Form verformt wird. Dadurch werden Zug- und Druckspannungen in der Platte 24 in Umfangsrichtung erzeugt. Diese Krümmung wird aufrechterhalten, während das Teil in einer zweiten Richtung mit einem sehr kleinen Krümmungsradius gebogen wird. Durch diesen Prozeß wird ein biaxialer Spannungszustand erzeugt, der dadurch gestattet, diese Biegungen mit kleinen Radien zu erzielen.

Das Falzen einer Platte 24 auf sich selbst, wie es in den Fig. 2-5 gezeigt ist, kann zwar notwendig sein, um die Befestigungshaken 42 und 44 herzustellen, an anderer Stelle an der Platte 24 können aber Biegungen mit einem anderen engen Radius erforderlich sein. Als Beispiel ist ein gespanntes Gebiet 72 in der Nachbarschaft der Biegung 46d in Fig. 6 gezeigt. Das Gebiet 72 bildet einen ersten Schnittbogen 74 mit einer ersten Ebene 76. Das Gebiet 72 bildet einen zweiten Schnittbogen 78 mit einer zweiten Ebene 82. Der Schnittbogen 78, der der innere Radius der Biegung 46d ist, hat einen Radius 84 von weniger als dem Doppelten der Dicke (2T) der Platte 24. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Radius 84 ungeführ 1T, obgleich kleinere Radien bei Bedarf erzielbar sind.

Enge Biegungen können überall dort erzielt werden, wo es not­ wendig ist, die Umrisse von bekannten Gußplatten nachzubilden. Beispielsweise können die Biegungen 46a und 46c eng sein, um den Flächeninhalt des hinteren Befestigungshakens, der in die hintere Nut 36 einfaßt, zu vergrößern. Die Biegung 46d kann eng sein, um den Flächenverbindungskontakt zwischen den Stegteilen 108 und 114 des Steges 90 zu vergrößern. Ebenso wie bei der Biegung 46g, die in Fig. 4 gezeigt ist, können sich die Radien der engen Biegungen bei Bedarf null nähern.

Es kann erwünscht sein, die in Fig. 4 gezeigten Verbindungs­ stellen 60 und 61, wo die Befestigungsteile 92 und 94 bzw. 104 und 106 aneinander anliegen, hartzulöten. Eine Methode, durch die diese Verbindungsstellen hartgelötet werden können, ist das Verbinden im Vakuum. Insbesondere kann der in der US-PS 4 098 450 beschriebene Prozeß vorteilhaft benutzt werden.

Die Ummantelungsplatte 24 gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist jedoch nicht nur für eine Turbine geeignet, sondern kann auch in anderen Komponenten eines Gasturbinentriebwerks benutzt werden.

Claims (5)

1. Ummantelungsplatte für ein Gasturbinentriebwerk mit einer ringförmigen Strömungsbahn, in der in Strömungs­ richtung hintereinander ein Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine angeordnet sind, wobei die Ummantelungs­ platte aus einem einzelnen Stück Blech hergestellt ist und wenigstens einen Teil der Strömungsbahn in der Turbine begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ummantelungsplatte (24) einen Mantelabschnitt (38) aufweist, von dessen gegenüberliegenden Enden jeweils ein vorderer und hinterer Befestigungshaken (42, 44) ausgeht, von denen wenigstens ein Befestigungshaken umgefalzte Stegteile (96, 102; 108, 114) und umgefalzte Schienen­ abschnitte (98, 100; 110, 112) aufweist, die von den entsprechenden Stegteilen ausgehen, wobei die Schienen­ abschnitte (98, 100; 110, 112) einen ersten Schnittbogen (50) mit einer ersten Ebene (52) und einen zweiten Schnittbogen (54) mit einer zweiten Ebene (56) bilden und der zweite Bogen einen inneren Radius (64) hat, der kleiner als die Dicke (T) der Ummantelungsplatte (24) ist.

2. Ummantelungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem hinteren Ende des Mantelabschnitts (38) und einem der hinteren Stegteile (108) ein Biegebereich (72) befindet, dessen Innenradius kleiner als die doppelte Dicke (T) der Ummantelungsplatte (24) ist.

3. Ummantelungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenabschnitte (98, 100; 110, 112) im wesentlichen parallel zu dem Mantelabschnitt (38) verlaufen.

4. Ummantelungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen und hinteren Befestigungshaken (42, 44) jeweils umgefalzte Steg- und Schienenabschnitte aufweisen.

5. Ummantelungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Dicke (T) größer als 0,64 mm ist und der zweite Schnittbogen (52) etwa 180° beträgt.