DE3446385A1

DE3446385A1 - Statoraufbau zum abstuetzen einer aeusseren luftdichtung in einem gasturbinen-triebwerk

Info

Publication number: DE3446385A1
Application number: DE19843446385
Authority: DE
Inventors: Vincent Paul Guilford Conn. Laurello
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-12-21
Filing date: 1984-12-19
Publication date: 1985-07-04
Anticipated expiration: 2004-12-20
Also published as: FR2557209B1; GB8431266D0; JPS60153405A; JPH0627483B2; FR2557209A1; DE3446385C2; US4643638A; GB2151711A; GB2151711B

Description

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Statoraufbau zum Abstützen einer äußeren Luftdichtung in einem Gasturbinen-Triebwerk

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Triebwerk, insbesondere den Statoraufbau zum Abstützen eines Paares äußerer Luftdichtungen und einer Anordnung von Statorschaufeln in einem solchen Triebwerk. Das Konzept dieser Erfindung wurde auf dem Gebiet der Axialverdichter-Gasturbinen-Triebwerke entwickelt und findet auch Anwendung bei Statoraufbauten auf anderen Gebieten.

Axialströmungs-Gasturbinen-Triebwerke weisen allgemein einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt auf.Durch die Abschnitte des Triebwerks erstreckt sich ein Rotor hindurch, wobei ein Stator in axialer Richtung erstreckt und den Rotor umgibt. Zwischen dem Rotor und dem Stator führt ein ringförmiger Strömungsweg für die heißen Arbeitsgasmedien durch das Triebwerk hindurch. Wenn die Gase durch die Maschine hindurch strömen, werden sie in dem Verdichterabschnitt komprimiert, in dem Brennkammerab-

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schnitt mit Treibstoff verbrannt und bei ihrem Durchgang durch den Turbinenabschnitt entspannt, um Nutzarbeit zu liefern.

Der Rotor in dem Turbinenabschnitt besteht aus einer Rotoranordnung, um Nutzarbeit aus den heißen, unter Druck stehenden Gasen zu erzielen. Diese Rotoranordnung umfasst eine Rotorscheibe und eine Vielzahl von Rotorschaufeln, die sich durch den Strömungsweg des Arbeitsmediums hindurch nach außen erstrecken.

Der Stator in dem Turbinenabschnitt weist eine in Segmente aufgeteilte äußere Luftdichtung auf, die um die Rotorschaufelanordnung herum angeordnet ist, um ein Lecken des Arbeitsgasmediums über den Spitzen der Schaufeln zu verhindern. Der Stator weist einen Statoraufbau auf, der ein äußeres Gehäuse zum Abstützen und in Lage halten der äußeren Luftdichtung um die Rotorschaufelanordnung herum umfasst. Die äußere Luftdichtung weist von der Rotorschaufelanordnung einen radialen Abstand auf und belässt dazwischen einen Spalt für ein Ausdehnungsspiel. Der Ausdehungsspalt ist vorgesehen, um eine zu Zerstörungen führende Überlagerung zwischen den Rotorschaufeln und der äußeren Luftdichtung zu verhindern.

In moderenen Triebwerken wird der Ausdehungsspalt zwischen den Rotorschaufein und der äußeren Luftdichtung moduliert, um das Spiel während unterschiedlicherer Betriebszustände des Triebwerks zu minimieren. Beispiele von Triebwerken, die äußere Konstruktionen verwenden, um den Ausdehnungsspalt zu verändern, sind in dem US-Patent 4 019 320 von Redinger et al, mit dem Titel

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"External gasturbine engine cooling for clearance control" und in dem US-Patent 4 247 248 von Chaplin et al mit dem Titel "Outer air seal support structure for a gasturbine engine" beschrieben, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. In Redinger und in Chaplin wird der Durchmesser der äußeren Luftdichtung um die Anordnung der Rotorschaufein herum und somit der Spalt für das Ausdehungsspiel wahlweise durch Kühlen eines Bereichs des Gehäuses eingestellt. Wie in Redinger und Chaplin dargestellt, ist jede äußere Luftdichtung mit einem Statorabstützaufbau versehen, der einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Abstützring umfasst. Das Triebwerksgehäuse besitzt neben dem stromaufwärtigen Abstützring eine sich in Umfangsrichtung erstreckende schienenartige Flanschverbindung; neben dem stromabwärtigen Abstützring ist eine zweite sich in umfangsrichtung erstreckende schienenartige Flanschverbindung vorgesehen. Auf diese Flanschverbindungen wird Kühlluft geblasen. Wenn die Kühlluft von den äußeren Flanschverbindungen die Hitze abführt, ziehen sich die äußeren Flanschverbindungen zusammen und zwingen den Abstützaufbau zu einem kleineren Durchmesser. Der innere Abstützaufbau ist bezüglich des äußeren Gehäuses und der äußeren Luftdichtungssegmente in Umfangsrichtung verschiebbar, um sich den großen Änderungen im Durchmesser anpassen zu können. Ein Abstellen der Kühlluft ermöglicht es den Flanschverbindungen, sich mit einem auftretenden Zuwachs des Durchmessers des inneren Stützaufbaus und der äußeren Luftdichtungen auszudehnen. Wenn der Ausdehnungsspalt zwischen der äußeren Luftdichtung und den Rotorschaufeln verändert wird, müssen sich der stromaufwärtige und der stromabwärtige Abstützring um den

gleichen Betrag bewegen, um ein Kippen der äußeren Luftdichtungssegmente von vorne nach rückwärts zu verhindern. Beispielsweise könnte ein Kippen der Segmente dadurch entstehen, daß ein unerwarteter axialer Temperaturgradient in dem äußeren Gehäuse zwischen den Flanschverbindungen auftritt oder wenn die stromaufwärtige Flanschverbindung unerwarteterweise mehr gekühlt wird als die stromabwärtige Flanschverbindung, wodurch der Spalt am vorderen Ende der Luftdichtung gegenüber dem am hinteren Ende abnimmt. Eine unverhergesehene Abnahme des Ausdehnungsspalts zwischen der äußeren Luftdichtung und der Rotorschaufeln kann zu einer zerstörenden Überlagerung zwischen den Rotorschaufeln und der äußeren Luftdichtungen führen, was mit einer Leistungsminderung des Triebwerks oder gar mit einem Verlust einer Rotorschaufel einhergeht.

Ein Kippen der Segmente könnte an einer stromabwärtigen Flanschverbindung beispielsweise deshalb auftreten, weil eine unverhergesehene Leckage des Gases aus dem Inneren des Gehäuses zum Äußeren des Gehäuses durch einen Flansch an der Flanschverbindung auftritt. Diese unerwartete Leckage verursacht ein Erhitzen des Flanschs und eine Zunahme des Spalts an der Rückseite der Dichtung im Vergleich zur Vorderseite. Ein Spalt zwischen den Rotorschaufeln und der äußeren Luftdichtung, der größer ist als erwartet, kann eine Abnahme des Wirkungsgrads des Triebwerks infolge einer Zunahme der Leckage des Arbeitsgasmediums über den Spitzen der Rotorschaufeln verursachen.

Die zur Kühlung der stromaufwärtigen und stromabwärtigen

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Flanschverbindung erforderliche Kühlluftmenge ist ebenfalls wichtig. Die Kühlluft, die auf die kühlbaren Flanschverbindungen aufgebracht wird, ist bis zu einem bestimmten Grad komprimiert, um es dieser Luft zu ermöglichen, von Blaskanälen zu den Flanschverbindungen zu strömen. Der Kompressorabschnitt des Triebwerks ist eine Quelle für die unter Druck stehende Kühlluft. Wenn Arbeitsgasmedium durch den Fanabschnitt hindurchtritt, wird ein Teil des unter Druck stehenden Gases (Luft) aus dem Strömungsweg des Arbeitsmediums abgezweigt und zu Blaskanälen geführt. Da die Kühlluft aus dem Strömungsweg des Arbeitsmediums abgezweigt wird, nachdem durch das Triebwerk Energie auf sie aufgebracht wurde, um das Gas unter Druck zu setzen, ist es wünschenswert, die zur Kühlung der Spaltkontrolle erforderliche Kühlluftmenge zu reduzieren.

Daher suchen Wissenschaftler und Ingenieure nach Wegen, um den Bedarf an komprimierter Kühlluft zu vermindern und ungleichmäßige Bewegungen der äußeren Luftdichtung in radialer Richtung zu verhindern, wodurch wieder Veränderungen des Spalts zwischen der äußeren Luftdichtung und den Rotorschaufeln vermieden wird.

Erfindungsgemäß weist ein Statoraufbau für ein Gasturbinen-Triebwerk mit einer kühlbaren Flanschverbindung, die sich um ein äußeren Gehäuse zum in Lage halten einer äußeren Luftdichtung um eine Rotorschaufelanordnung herum erstreckt, einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Abstützring für die äußere Luftdichtung auf, welche an dem äußeren Gehäuse an einer axialen Stelle

benachbart der kühlbaren Flanschverbindung befestigt ist, um zu bewirken, daß die Abstützringe miteinander agieren.

Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist eine kühlbare Flanschverbindung, die sich in Umfangsrichtung um das äußere Gehäuse herum erstreckt. Ein weiteres Merkmal ist eine in Segmente aufgeteilte äußere Luftdichtung. Ein Merkmal besteht in einem in Segmente aufgeteilten stromaufwärtigen und einem solchen stromabwärtigen Abstützring. Jeder dieser Ringe weist eine Vielzahl von AbstützSegmenten auf. Die Vielzahl der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Abstützsegmente greifen gleitend an dem äußeren Gehäuse an und erstrecken sich von dem äußeren Gehäuse zur äußeren Luftdichtung hin. Ein weiteres Hauptmerkmal ist ein Mittel zum Befestigen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Abstützsegmente an einer axialen Stelle, die der kühlbaren Flanschverbindung benachbart ist. In einem Ausführungsbeispiel ist einer der Abstützringe integral mit einer Statorschaufelanordnung ausgebildet. Zum Verbinden der Enden der äußeren Luftdichtungsanordnung mit der Plattform der Statorschaufelanordnung sind Nuten-und Rippenverbindungen vorgesehen.

Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist der Triebwerkswirkungsgrad, der sich aus dem Abdichten der Lekage von Arbeitsmediumgasen über den Spitzen der Rotorschaufelanordnungen mit einer in Segmente aufgeteilten Luftdichtung ergibt. Die in Segmente aufgeteilte äußere Luftdichtung bestitzt stromaufwartige und stromabwärtige Ringe, die um den gleichen Betrag bewegt werden, um ein Kippen der Segmente von vorne nach hinten zu verhindern,

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wenn die Abstützriiige und die äußere Luftdichtung durch die kühlb^re Flanschverbindung ncch innen und nach außen bev/ec/t werden. Uin weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liog-c in dem Vricbwerkswirkungsgrad, der durch ciiu wirjcungsvolle Verwendung der Kühlluft Lei Anordnung einer einzigen kühlbaren Flanschverbindung der s-croraaufwärtigen und stromcibwärtigen Enden der äußeren Luft-" dichtungsanordnungen erhalten wird. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Vorteil der Erfindung in der Reduzierung der Anzahl der Teile, in dem Triebwerk zu sehen, was durch die Verwendung einer einzigen Flanschverbindung zum Positionieren der äußeren ·Luftdichtung und Abstützen des Endes einer äußeren Luftdichtungsanordnung und des Endes einer Statorschaufelanordnung durch denselben Abstützring erreicht wird.

Int folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Turbofan-Triebwerks mit einem an dem Fangehäuse herausgebrochenen Bereich, um eine Kühlluftleitung zu zeigen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Turbinenabschnitts dieses Triebwerks, und

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform des Turbinenabschnitts aus Fig.2.

In Fig.1 ist ein erfindungsgemäßes Bypass-Turboluftstrahl-Triebwerk dargestellt. Das Triebwerk weist einen Fanab-

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schnitt 10, einen Verdichterabschnitt 12, einen Brennkammerabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16 auf, des weiteren eine Drehachse A und einen ringförmigen Strömuhgsweg 18 für die Gase des Arbeitsmediums, das axial durch die bezeichneten Abschnitte des Triebwerks hindurchströmt. Kreisförmig um den Strömungsweg des Arbeitsmediums herum erstreckt sich ein kühlbares äußeres Gehäuse 20. Im Turbinenabschnitt des Triebwerks besitzt das äußere Gehäuse zumindest eine, integral mit ihm ausgebildete kühlbare Flanschverbindung 22, die sich im Umfangsrichtung außen um das Gehäuse herumerstreckt. Zum Aufbringen von Kühlluft auf die Flanschverbindungen ist ein entsprechendes Mittel vorgesehen, beispielsweise eine Vielzahl von Blaskanälen 24, die sich in Umfangsrichtung um das Äußere des Gehäuses herum erstrecken. Eine Vielzahl von Kühlluftlöchern 26 stellt eine Strömungsverbindung des Inneren jedes Kanals mit der zugeordneten Flanschverbindung her. Eine für die Kühlluft vorgesehene Leitung 28 erstreckt sich von dem Fanabschnitt des Triebwerks nach rückwärts und steht in Strömungsverbindung mit den Blaskanälen, um für die kühlbaren Flanschverbindungen eine Kühlluftquelle bereitzustellen.

In Fig. 2 ist die Ansicht eines Längsschnitts durch einen Bereich des Turbinenabschnitts 16 des Triebwerks dargestellt, wobei ein Teil des kühlbaren äußeren Gehäuses und des ringförmigen Strömungswegs 18 für das heiße Arbeitsmedium gezeigt ist. Von dem äußeren Gehäuse 20 erstreckt sich eine Statorschaufelanordnung, dargestellt durch die einzelne Statorschaufel 30, radial nach innen durch den Strömungsweg des Arbeitsmediums hindurch. Jede Statorschaufel besitzt einen gleitend an dem äußeren Ge-

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häuse angreifenden stromaufwärtigen Fuß 32 und einen stromabwärtigen Fuß 34. Der stromabwärtige Fuß ist an dem äußeren Gehäuse durch ein geeignetes Mittel, beispielsweise eine Schraubenriäutter-Anordnung35 befestigt.

Der Turbinenabschnitt umfasst eine erste Rotorschaufelanordnung, die durch die einzelne Rotorschaufel 38 repräsentiert ist. Das erste Rotorschaufelblatt 38 endet in einer Schaufelspitze 40, die axial orientiert ist, d.h. sie erstreckt sich im wesentlichen in axialer Richtung. Eine zweite RotorSchaufelanordnung, dargestellt durch die einzelne Rotorschaufel 42 ist in einem axialen Abstand von der ersten Rotorschaufelanordnung vorgesehen, um eine wechselweise Anordnung von Rotorschaufeln und Statorschaufeln zu bilden. Die zweite Rotorschaufel ende in einer Spitze 44, die sich im wesentlichen axial orientiert.

Die erste Rotorschaufel 38 und die zweite Rotorschaufel 42 erstrecken sich durch den ringförmigen Strömungsweg 18 nach außen bis in die Nähe des kühlbaren äußeren Gehäuses 20. Um die erste Rotorschaufelanordnung erstreckt sich in Umfangsrichtung eine erste Luftdichtung 46 herum, die von den Rotorschaufeln radial einen Abstand aufweist und so einen radialen Spalt G belässt.Diese äußere Luftdichtung wird von einer Anordnung aus bogenförmigen DichtungsSegmenten gebildet, welche Anordnung durch das einzelne Dichtungselement 48 dargestellt ist. An den Segmenten greift ein Statoraufbau 50 an, um die Anordnung der äußeren Dichtungssegmente in radialer Richtung abzustützen und in Lage zu halten. Der Statoraufbau

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umfasst einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Abstützring 52 bzw. 54. Der stromabwärtige Abstützring bestitzt eine kegelstumpfförmige Gestalt und wird aus einer Vielzahl von stromabwärtigen AbstützSegmenten gebildet, wie durch das einzelne stromabwärtige Abstützelement 56 dargestellt. Jedes stromabwärtige Abstützelement greift, an der äußeren Luftdichtung an und ist bezüglich dieser in Umfangsrichtung verschiebbar. Jedes stromabwärtige Abstützelement erstreckt sich von der äußeren Luftdichtung zum äußeren Gehäuse 20 und greift verschiebbar an diesem an. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Zentrum des stromabwärtigen Abstützelements frei, sich in Umfangsrichtung zu bewegen. In einer alternativen Ausbildung kann ein Zentralbolzen (nicht dargestellt) in dem stromabwärtigen Abstützelemente den Zentralabschnitt des stromabwärtigen Abstützelements an einer Verschiebung in Umfangsrichtung bezüglich des Gehäuses hindern. Welche Ausbildungsform auch gewählt wird, die Enden jedes Segments sind frei, sich in Umfangsrichtung zu bewegen; das Abstützsegment ist bezüglich der äußeren Luftdichtung und des äußeren Gehäuses in Umfangsrichtung verschiebbar.

Der stromaufwärtige Abstützring 52 weist eine kegelstumpfförmige Gestalt auf und wird von einer Vielzahl von stromaufwärtigen Abstützsegmenten gebildet, wie es durch das einzelne stromaufwärtige Abstützelement 58 dargestellt ist. Jedes stromaufwärtige Abstützsegment ist von dem äußeren Gehäuse 20 und einem zugeordneten stromabwärtigen Abstützsegment 56 umschlossen. Jedes stromaufwärtige Abstützelement greift verschiebbar an dem äußeren Gehäuse an und erstreckt sich von dem äußeren Gehäuse zu

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der äußeren Luftdichtung, um an dieser anzugreifen. Bezüglich der äußeren Luftdichtung 46 ist jedes stromaufwärtige Abstützsegment in Umfangsrichtung verschiebbar.

Des weiteren ist ein innerer Flansch 62 vorgesehen. Dieser Flansch ist ein Beispiel eines Mittels zum Befestigen der Vielzahl stromaufwärtiger Abstützsegmente 58 und der Vielzahl stromabwärtiger Abstützsegmente 56 an dem äußeren Gehäuse 20. Der Flansch befestigt die Segmente an dem äußeren Gehäuse an einer ersten Stelle A₁ und umfasst eine Schulter 64 und einen Haken 66. Jedes stromaufwärtige Segment wird zwischen dem Flansch an dem Gehäuse und einem zugeordneten stromabwärtigen Abstützsegment 56 eingeschlossen. Durch einen Haken 28 ist das stromabwärtige Abstützsegment angepasst, in umfangsrichtung gleitend an dem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Haken 66 des äußeren Gehäuses anzugreifen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Flansch 62 integral mit dem äußeren Gehäuse ausgebildet. Es sind andere zufriedenstellende Konstruktionen denkbar, welche ein Mittel zum befestigen des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Abstützsegments verwenden, das nicht integral mit dem äußeren Gehäuse verbunden ist (beispielsweise ein zweiter Satz Abstützringe), und was dennoch eine Bewegung in Umfangsrichtung zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ringen und dem äußeren Gehäuse ermöglicht.

Außen um das äußere Gehäuse an einer Stelle A_2;die zur ersten axialen Stelle A axial benaclfcart ist, erstreckt sich eine kühlbare Flanschverbindung 22 mit einer axialen

Weite W in Umfangsrichtung herum. Der Terminus "benachbart" bedeutet, daß die axiale Stelle des Flanschs in einem Abstand D liegt, die kleiner ist als die Weite W der Flanschverbindung. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, daß die axiale Stelle A₂ der Flanschverbindung und die axiale Stelle A₁ sich überlappen.

Durch den ringförmigen Strömungsweg 18 hindurch erstreckt sich eine zweite Anordnung von Rotorschaufeln bis in die Nähe des kühlbaren äußeren Gehäuses 20. Um diese Rotorschaufelanordnung erstreckt sich in Umfangsrichtung eine zweite äußere Luftdichtung 62 herum, die von den Rotorschaufeln einen radialen Abstand aufweist und einen Spalt G„ belässt. Die zweite äußere Luftdichtung wird durch eine Anordnung bogenförmiger Dichtungssegmente 74 gebildet. Ein Statoraufbau 76 des gleichen Typs wie der Statoraufbau 50 stützt die Anordnung der bogenförmigen Segmente um die Rotorschaufelanordnung herum, und hält sie in Lage. Der Statoraufbau umfasst einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Abstützring 78 bzw. 80. Der stromaufwartige Abstützring besitzt eine kegelstumpfförmige Gestalt und wird von einer Vielzahl von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Segmenten gebildet, wie durch das einzelne Segment 82 dargestellt. Der stromabwärtige Abstützring besitzt ebenfalls eine kegelstumpfförmige Gestalt und wird durch eine Vielzahl von stromabwärtigen Abstützsegmenten gebildet, wie durch das einzelne stromabwärtige Abstützsegment 84 dargestellt. Um jedes stromaufwärtige Abstützsegment integral mit einem stromabwärtigen Abstützsegment zu verbinden, damit ein Paar zugeordneter Segmente 90 entsteht, wird eine Schrauben-Mutter-Anordnung 86 oder ein anderes geeignetes Mittel verwendet. Jedes Segmentpaar

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weist einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Haken 92 auf. Ein an einer ersten axialen Stelle A_ an dem äußeren Gehäuse vorgesehener Haken 94 stellt ein Mittel zum Befestigen der Abstützsegmente an dem äußeren Gehäuse dar und versetzt das Gehäuse in die Lage, in Umfangsrichtung gleitbar an dem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Haken des Absützsegmentepaars anzugreifen. Eine kühlbare Flanschverbindung 22 mit einer Weite W erstreckt sich an einer Stelle A. in Umfangsrichtung um das Außengehäuse herum, wobei die Stelle A₄ in axialer Nachbarschaft zur ersten axialen Stelle A-. liegt.

Fig.3 zeigt einen Statoraufbau 96, der eine alternative Ausfuhrungsform des in Fig.2 dargestellten Statoraufbaus 76 ist. Dieser Statoraufbau umfasst eine Anordnung von Statorschaufeln 9 8 mit einem stromaufwärtigen Ende 100 und einem stromabwärtigen Ende 102. Die äußere Luftdichtung 104 wird von einer Vielzahl von bogenförmigen Dichtungssegmenten 106 gebildet. Diese Ausführungsform des Statoraufbaus unterscheidet sich von dem Statoraufbau 76 in Fig.2 dadurch,daß die Vielzahl der stromaufwärtigen Abstützsegmente 108 sich von dem äußeren Gehäuse zu den stromabwärtigen Enden des Statorschaufelaufbaus erstrecken, um die Statorschaufelanordnung abzustützen. Wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, ist jedes Segment 108 der Vielzahl der stromaufwärtigen Abstützsegmente integral mit zumindest einer Statorschaufel 98 ausgebildet. Jedes bogenförmige Abdichtsegment ist

ausgebildet, an dem stromabwärtigen Ende der Statorschaufel mittels einer Rippen-Nuten-Anordnung 110 anzugreifen. Ih dem Ausführungsbeispiel ist gezeigt, daß jedes bogenförmige Abstützsegment eine Rippe 112 be-

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sitzt; jede Schaufel weist demgegenüber eine Nut 114 auf.

Während des Betriebs des Gasturbinen-Triebwerks strömen heiße Arbeitsmedien-Gase aus dem Brennkammerabschnitt 14 in den Turbinenabschnitt. Die heißen unter Druck stehenden Gase werden in dem Turbinenabschnitt 16 entspannt. Wenn die Gase durch den ringförmigen Strömungsweg 18 hindurchströmen, übertragen sie Hitze auf die Komponenten des Turbinenabschnitts. Die Rotorschaufelanordnungen sind in die heißen Gase des Arbeitsmediums eingetaucht und antworten darauf schneller als das äußere

Gehäuse, das von dem Strömungsweg der Arbeitsmedium-Gase weiter entfernt ist. Daraus resultiert, daß der radiale Spalt G zwischen den Rotorschaufeln und der äußeren Luftdichtung variiert. Zunächst ist ein Anfangsspalt vorgesehen, um diese schnelle Ausdehnung der Schaufel und der Scheibe aufzunehmen. Nach einiger Zeit erreicht die Wärme der Gase das äußere Gehäuse und dieses dehnt sich aus, und zwar von den Rotorschaufeln weg, wodurch der Spalt G vergrößert wird. Der Spalt G zwischen der Rotorschaufelanordnung 9 8 und der äußeren Luftdichtung wird durch Beaufschlagung der kühlbaren Flanschverbindung 22 mit Kühlluft reguliert, um zu bewirken, daß die kühlbare Flanschverbindung sich zusammenzieht und das äußere Gehäuse dichter an die Schaufelanordnung heranbewegt. Da die Flanschverbindung 22 sowohl die stromaufwärtige als auch die stromabwärtige Abstützung bewegt, bewegen sich beide Abstützungen zusammen und um den gleichen radialen Betrag, um ein Kippen der Segmente von vorne nach rückwärts zu verhindern. Ein Kippen der Segmente würde ein ungleichmäßiges Variieren des Spalts

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zwischen den sich in axialer Richtung erstreckenden Spitzen der Rotorschaufeln und der äußeren Luftdichtung verursachen und den Spalt in einem nicht erwarteten Ausmaß entweder vergrößern oder verkleinern. Als ein Ergebnis dieses Kippens könnte ein zerstörerischer Kontakt zwischen den Rotorschaufeln und der Luftdichtung entstehen, wenn ein unerwartetes Vermindern des Splts geschieht , oder, wenn eine Zunahme zustandekommt, kann eine größere Menge des Arbeitsmediums als normal über die Spitzen der Rotorschaufeln abströmen,wodurch der Wirkungsgrad des Triebwerks reduziert würde.

Infolge der Verwendung lediglich einer kühlbaren Flanschverbindung zum Positionieren der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden der Anordnung der äußeren Luftdichtungssegmente wird weniger Kühlluft gebraucht als vergleichsweise bei Konstruktionen, die zwei getrennte kühlbare Schienen erfordern. Da zum Verdichten der Kühlluft Energie durch das Triebwerk aufgewendet wird, verbessert eine Abnahme des Gebrauchs an Kühlluft den Wirkungsgrad des Triebwerk im Vergleich zu solchen Aufbauten, bei denen mehrere Flanschverbindungen erforderlich sind, um die Anordnung der äußeren Luftdichtungen zu positionieren. Schließlich wird durch die Verwendung einer einzigen Flanschverbindung zum Positionieren der äußeren Luftdichtung eine geringere Anzahl an Blaskanälen und Abstützbauteilen erforderlich. Bezüglich der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform ergibt sich eine weitere Reduzierung der Anzahl der Bauteile durch die Kombination der Abstützung für die Anordnung der äußeren Luftdichtungen mit der Abstützung für die Anordnung der Statorschaufeln.

Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit detaillierten Ausführungsbeispielen beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich für den Durchschnittsfachmann,daß mannigfaltige Änderungen in Form und Details durchgeführt werden können,ohne von dem Geist und dem Schutzbereich der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

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Claims

Az: 285

Dfpl.-Ohem. Dr. Stefren ANDRAE

Dipi.-Phys. Dieter FLACH

Dlpl.-kng. Dietmar HAUG Dipl.-Chem. Dr. RJchard KNEISSL

PATENTANWÄLTE SteHnstr. 44, D-BOOO München 80 19. DEI 1984

Statoraufbau zum Abstützen einer äußeren Luftdichtung in einem Gasturbinen-Triebwerk

Patentansprüche

Λ) Axialstromungsgasturbine mit einer Drehachse (A), einem ringförmigen Strömungsweg (18) für die Arbeitsgasmedien, einem kühlbaren äußeren Gehäuse (20), das sich in Umfangsrichtung um den Strömungsweg des Arbeitsmediums herumerstreckt/ und mit einem Turbinenabschnitt (16), durch welchen die Arbeitsgasmedien hindurchtreten, wobei der Turbinenabschnitt (16) eine sich nach außen durch den Strömungsweg des Arbeitsmediums (18) hindurcherstreckende Rotorschaufelanordnung (38; 42) umfasst, deren Rotorschaufeln (38;42) jeweils in einer axial orientierten Spitze (40,44) enden, und wobei eine äußere Luftdichtung (46;72;104) von einer Anordnung bogenförmiger Dichtungssegmente (48;74;1O2) gebildet wird, die sich in Umfangsrichtung um den Strömungsweg (18) herumerstrecken und

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die von den Spitzen (40,44) der Rotorschaufeln (38,-42) einen radialen Abstand aufweisen und dabei einen Spalt (GjG₁) belassen, dadurch gekennzeichnet, daß zur radialen Lagehaltung und Positionierung der Anordnung der äußeren Luftdichtungssegmente (48;74;1O6) ein Statoraufbau (50;76;96) vorgesehen ist, der folgende Bauteile umfasst:

- einen stromaufwärtigen Abstützring (52;78) der von einer Vielzahl von stromaufwärtigen Abstützsegmenten (58; 82;108) gebildet ist,die an den Segmenten (58;74;1O6) der äußeren Luftdichtung (46;72;104) angreifen und bezüglich dieser in Umfangsrichtung verschiebbar sind und sich von der äußeren Luftdichtung (46;72;104) zum äußeren Gehäuse (20) hin erstrecken;

- einen stromabwärtigen Abstützring (54;80), der aus einer Vielzahl von stromabwärtigen Abstützsegmenten (56; 84) gebildet ist, die an der äußeren Luftdichtung (46; 72;104) angreifen und bezüglich dieser in Umfangsrichtung verschiebbar sind und sich von der äußeren Luftdichtung zum äußeren Gehäuse (20) erstrecken;

- Mittel zum Befestigen der Vielzahl von stromaufwärtigen Abstützsegmenten (58;82;108) und der Vielzahl von stromabwärtigen Abstützsegmenten (56;84) am äußeren Gehäuse (20) an einer ersten axialen Stelle;

- eine kühlbare Planschverbindung (22), die integral mit dem äußeren Gehäuse (20) verbunden ist und sich in Umfangsrichtung außen um dieses herum an einer Stelle erstreckt, die axial der ersten axialen Stelle benachbart ist, und

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- Mittel zum Beaufschlagen der Flanschverbindung (22) mit Kühlluft;

wobei die Bewegung der kühlbaren Flanschverbindung (22) in Abhängigkeit der aufgebrachten Kühlluft den radialen Spalt G₁;G₂ zwischen der äußeren Luftdichtung (46;72; 104) und den sich axial erstreckenden Spitzen oder Enden (40,44) der StatorSchaufelanordnung dadurch gleichmäßig einstellt, daß der stromaufwärtige und der stromabwärtigeAbstützring (52,54;78;80;108) der äußeren Luftdichtung (46;72;104) sich zusammen um den gemeinsamen radialen Betrag bewegen.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Statorschaufelanordnung (30;98) mit einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende vorgesehen ist, und daß eines (56;82) aus der Vielzahl der AbstützSegmente (56,58;82,84) sich von dem äußeren Gehäuse (20) zu einem der Enden der Statorschaufelanordnung (30) erstreckt, um diese Statorschaufelanordnung abzustützen.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment- (108) der Vielzahl der Absützsegmente (108), die sich zu einem Ende der Statorschaufelanordnung (98) hin erstrecken,integral mit zumindest einem dieser StatorschaufeIn (98) ausgebildet ist.
4. Gasturbine mit einem Statoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

stromaufwärtige Abstützring (9 2;78) und der stromabwärtige Abstützring (54;80) jeweils von kegelstumpfförmiger Gestalt sind, wobei jedes Segment (58;82;108) des stromaufwartigen Abstützrings integral mit einem zugeordneten Segment (56;84) des stromabwärtigen Abstützrings (54;80) ausgebildet ist, um ein Segmentenpaar zu bilden, und wobei jedes Segmentenpaar einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Haken (68;92) aufweist, und Mittel zum Befestigen der Abstützsegmente (56,58;82, 84) an das äußere Gehäuse (20) in Form eines Hakens (6 6; 97) vorgesehen sind, der sich in umfangsrichtung innen an dem äußeren Gehäuse (20) herumerstreckt, wodurch das äußere Gehäuse (20) angepasst ist, in Umfangsrichtung gleitend an dem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Haken (68;92) eines Abstützsegmentenpaares (56,58;82,84) anzugreifen.