DE3810600C2 - Rahmenanordnung für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rahmenanordnung für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Rahmenanordnung ist aus der GB 2 149 022 A bekannt.

In Gasturbinentriebwerken sind Stützrahmenstrukturen auf der axia­ len Länge des Triebwerks vorgesehen. Eine derartige strukturelle Stützung ist insbesondere an der Turbinenstufe erforderlich, ins­ besondere wenn Lagerstützen zwischen den Turbinenstufen vorge­ sehen sind. Die Rahmenstruktur enthält im allgemeinen innere und äußere Mäntel, die durch Rahmenstreben miteinander verbunden sind, die die Strömungsbahn des Arbeitsmittels durchqueren. Wenn eine derartige Rahmenstruktur in dem heißen Abschnitt des Triebwerks vorhanden ist, wie beispielsweise an der Turbine, ist es wün­ schenswert, den Rahmen von den heißen Strömungsgasen zu trennen und somit zu schützen.

Der Schutz des Rahmens wird durch eine Verkleidung erreicht, die eine innere und äußere Strömungsbahnwand aufweist, die durch eine hohle stromlinienförmige Verkleidungsstrebe verbunden sind, die die Rahmenstrebe umgibt, um für einen thermischen Schutz zu sor­ gen. Aufgrund der Anordnung, daß eine hohle Verkleidungsstrebe eine innere Rahmenstrebe umgibt, sind bisher verschiedene Ferti­ gungs- und Montagetechniken vorgeschlagen worden.

Bei einer Lösung wird die Verkleidung als eine einstückige Kon­ struktion gebildet, wobei eine Gieß- oder eine andere Fertigungs­ technik verwendet wird. Die Rahmenstruktur wird dann gefertigt oder montiert durch die einstückige Verkleidung, die als ein ein­ zelnes Stück gehaltert wird. Die Rahmenstruktur kann auch zunächst als eine einstückige Konstruktion gebildet werden, entweder durch Gießen oder eine andere Fertigungstechnik. Die Verkleidung wird dann um diesen Rahmen herum angebracht und mit ihm als eine un­ trennbare Einheit verbunden.

Ferner beschreibt die eingangs genannte GB 2 149 022 A eine komplexe Struktur aus mehreren Einzelteilen, bei der die inneren und äusseren Plattformen mit den dazwischen ange­ ordneten Führungsschaufeln in Umfangsrichtung segmentiert sind. Dabei ist jede Führungsschaufel einzeln von einem inneren und tragenden Kern und einer äusseren, umgebenden Wand zum Schutz gegenüber den heißen Verbrennungsgasen gebildet, wobei der Kern und die Schutzwand miteinander verbunden sind.

Bei jeder dieser bekannten Lösungen haben die Fertigungstechniken relativ hohe Kosten zur Folge, und die fertige Struktur ist kom­ plex. Die Verkleidung und der Rahmen werden untrennbar und infol­ gedessen wird es schwierig, Teile von entweder dem Rahmen oder der Verkleidung zu reparieren, wenn an einem der beiden Teile eine Beschädigung auftritt.

Als Teil von jeder Turbinenstufe des Gasturbinentriebwerks sind im allgemeinen Düsenführungsschaufeln vorgesehen, um die Verbren­ nungsgase auf die Turbine zu richten und den Aufprallwinkel zu korrigieren, um die Turbine richtig anzutreiben. Wenn der Rahmen und die Verkleidung neben der Turbine vorgesehen sind, sind die Düsenführungsschaufeln im allgemeinen im axialen Abstand zu der Verkleidung angeordnet und bilden dadurch eine zusätzliche axiale Komponente, die im Abstand von der Verkleidung angeordnet ist, wodurch die Länge des Triebwerks vergrößert und das Gewicht erhöht wird. Da die Verkleidung als eine getrennte Komponente gegossen oder gefertigt ist, war es bisher nicht möglich, die Verkleidung in die Düsenführungsschaufelstruktur zu integrieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Rahmenanordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie auf einfache Weise gefertigt und an einem Gasturbinentriebwerk montiert werden kann und auch eine Demontage zu Reparatur- und Wartungszwecken gestattet ist.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit der Erfindung sind insbesondere die Vorteile erzielbar, daß die gesamte Verkleidung einschließlich der inneren und äusseren Strömungswände und der die Rahmenstützstreben umgebenden Verkleidungsstreben als ein in Umfangsrichtung durchgehender Ringkörper ausgebildet ist, der axial in zwei zusammenpassende und lösbar verbindbar Abschnitte geteilt ist. Diese so geteilte Verkleidung kann getrennt von dem Rahmen gefertigt und auf einfache Weise um den Rahmen herum montiert werden, indem die zwei Abschnitte wie Schalenteile eingeführt, um die Rahmenteile herum angeordnet und in passender Lage miteinander verbunden werden. Eine derartige Verkleidung kann auch zu Wartungszwecken auf einfache Weise ein- und ausgebaut und ausgetauscht werden. Auf Wunsch kann auch das Strömungsprofil der Leitschaufeln schnell und einfach geändert werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einem Gastur­ binentriebwerk und zeigt die Lage der Rahmenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zwi­ schen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruck­ turbine.

Fig. 2 ist eine perspektivische auseinandergezogene Darstel­ lung der vorderen und hinteren Abschnitte einer Ver­ kleidungsstruktur vor ihrer Montage um die Rahmenstre­ ben der Rahmenanordnung herum.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht von einer Rahmenstrebe, die durch eine Verkleidungsstrebe der Rahmenanordnung ein­ gehüllt ist.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 3 und zeigt die Stromlinienform der Verkleidungsstrebe.

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf die zusammenpassenden Ansatz­ stücke, entlang den Linien 8-8 in Fig. 3.

In Fig. 1 ist schematisch als Beispiel ein Gasturbinentrieb­ werk 10 gezeigt, das eine Einströmung 12 für Luft in das Trieb­ werk entlang der Strömungsbahn 14 aufweist. Die Luft strömt durch einen Axial-Zentrifugal-Verdichter 18 und in eine Brenn­ kammer 20 und wird mit Brennstoff verbrannt, um heiße Verbren­ nungsgase zu erzeugen. Die Gase strömen dann in eine Hochdruck­ turbine (HDT) 24 und dann in eine Niederdruckturbine (LDT) 26 und werden dann durch einen Auslaß 28 ausgestoßen.

Den jeweiligen Turbinenstufen der LDT 26 sind Düsenführungs­ schaufeln 30 zugeordnet, die dazu dienen, Verbrennungsgase aus stromaufwärtigen Stufen auf die Turbinenschaufeln der nächsten Stufe zu richten und den Aufprallwinkel zu korrigieren, um die LDT 26 anzutreiben.

Zwischen der HDT 24 und der ersten Stufe der LDT 26 ist ein Hauptwellenlager 32 an einem radial inneren Ende eines Turbi­ nenrahmens 33 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung be­ festigt. Der Rahmen 33 haltert ein hinteres Ende der Hauptwelle, die die HDT 24 mit dem Verdichter 18 verbindet. Der Rahmen 33 weist mehrere in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete radiale Rahmenstreben 34 auf, die von einem Abschnitt eines Triebwerks­ gehäuses 35 radial nach innen verlaufen. Eine Verkleidung 36 umgibt die Streben 34 und trennt die Streben 34 von den heißen Strömungsgasen, die durch eine Strömungsbahn 38 von der HDT 24 zur LDT 26 strömen.

Die Konstruktion einer bekannten Verkleidung und ihre Montage an einem bekannten Rahmen hatte bisher eine komplexe Anordnung mit untrennbaren Teilen zur Folge. Dies führte zu erhöhten Ko­ sten für diese Fertigung und Montage und sorgte auch für Schwie­ rigkeiten, wenn Reparaturen erforderlich waren.

In den Fig. 2 bis 5 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verkleidung 36 dargestellt, die durch Gießen oder ein ande­ res Herstellungsverfahren unabhängig von dem Rahmen 33 gefer­ tigt und dann an dem Rahmen 33 montiert und mechanisch in ih­ rer Lage befestigt werden kann.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ent­ hält der ringförmige Rahmen 33 zur Halterung des hinteren Endes der Hauptwelle einen äußeren Mantel 40, der ein Teil des Gehäu­ ses 35 ist, und einen inneren Mantel 42, die durch die Streben 34 miteinander verbunden sind. Die Streben 34 verlaufen quer zu der Gasströmungsbahn 38 und würden dadurch, abgesehen von der Verkleidung 36, die heißen Gase kanalisieren, die in die LDT 26 eintreten. Um den Rahmen 33 zu schützen, ist die Verklei­ dung 36 vorgesehen.

Die Verkleidung 36 enthält eine innere Strömungswand 46, die im Abstand außen von dem inneren Mantel 42 angeordnet ist. Wei­ terhin ist eine äußere Strömungswand 48 vorgesehen, die im Ab­ stand innen von dem äußeren Mantel 40 angeordnet ist. Die inne­ ren und äußeren Wände 46, 48 sind durch mehrere Verkleidungs­ streben 50 miteinander verbunden. Wie am besten in Fig. 5 ge­ zeigt ist, ist jede Verkleidungsstrebe 50 hohl und hat einen gebogenen, U-förmigen Vorderabschnitt 52. Ein hinteres Ende 54 der Strebe 50 ist ebenfalls U-förmig und bildet zusammen mit dem vorderen Abschnitt 52 eine stromlinienförmige Strebe 50, die als eine Schaufel zur Verwendung mit Düsenführungsschaufeln dient, wie es im folgenden näher erläutert wird.

Wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Verkleidung 36 zwei komplementäre Abschnitte auf, die einen vorderen Abschnitt 56 und einen hinteren Abschnitt 58 besitzen. Die zwei Abschnit­ te haben zusammenpassende Flächen mit einer Fläche 60 auf dem vorderen Abschnitt 56 und einer entsprechenden passenden Fläche 62 auf dem hinteren Abschnitt 58.

Um die Abschnitte aneinander zu befestigen, sind aneinander an­ liegende Ansatzstücke vorgesehen. Auf dem Abschnitt 56 sind meh­ rere in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Ansatzstücke 66 vorgesehen, die von der äußeren Strömungswand 48 radial nach außen vorstehen. Weiterhin ragen mehrere Ansatzstücke 68 von der inneren Strömungswand 46 radial nach innen. Entsprechende zusammenpassende Ansatzstücke 66a und 68a sind in ähnlicher Weise auf dem passenden hinteren Abschnitt 58 vorgesehen. Die Ansatzstücke 66 und 66a und 68 und 68a werden dann durch Bolzen 70, 72 aneinander befestigt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, oder sie werden durch andere mechanische Befestigungsmittel mitein­ ander verbunden.

Um die Verkleidung 36 richtig zu positionieren, sind mehrere in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete axiale Ansatzstücke 74 vorge­ sehen, die von dem äußeren Mantel 40 nach unten vorstehen und an mehreren in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten passen­ den Ansatzstücken 76 angreifen, die an dem Hinterteil der obe­ ren Strömungswand 48 nach oben ragen, wie es in den Fig. 3 und 8 gezeigt ist. Dies sorgt für eine Zentrierung und Positio­ nierung der Verkleidung 36 in Umfangsrichtung und für eine rich­ tige axiale Positionierung der Verkleidung relativ zur Rahmen­ struktur. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Verklei­ dung durch die radialen Ansatzstücke 74 thermisch unbelastet ist, die sich radial relativ zu den Ansatzstücken 76 bewegen können. Auf diese Weise belasten sich der Rahmen 33 und die Ver­ kleidung 36 sich thermisch nicht gegenseitig und dadurch wird eine längere Lebensdauer der Bauteile erreicht.

Der Rahmen 33 kann vollständig gefertigt werden getrennt von der Verkleidung 36. Die Verkleidung 36 könnte gegossen oder in einer einteiligen Struktur gefertigt werden. Sie wird dann ma­ schinell geteilt in den vorderen Abschnitt 56 und den hinteren Abschnitt 58. Die zwei Abschnitte werden dann um den Rahmen 33 herum montiert und durch Schrauben bzw. Bolzen miteinander ver­ bunden und dann wird die fertige Verkleidung 36 in üblicher Wei­ se an den Außenmantel 40 nahe den Ansatzstücken 74 befestigt.

Aufgrund der Möglichkeit, die Verkleidung 36 getrennt von dem Rahmen 33 zu bilden, sorgt die Erfindung für niedrigere Kosten bei der Fertigung dieser Bauteile. Zusätzlich kann die Verklei­ dung 36 zunächst als ein Teil hergestellt und dann geteilt wer­ den, wobei die zusammenpassenden Oberflächen 60, 62 nahezu per­ fekt aneinander angepaßt werden können. Diese Anpassung ver­ meidet Stufen, Schultern oder andere Fehlausrichtungen, die anderenfalls auftreten könnten. Solche Stufen oder Schultern würden normalerweise Leistungsverluste in der Strömungsbahn verursachen. Dadurch, daß die getrennte Fertigung der Verklei­ dungsabschnitte 56, 58 vermieden wird, werden solche Verluste eliminiert.

Da die Verkleidungsabschnitte 56, 58 mechanisch aneinander be­ festigt sind, kann die Verkleidung 36 selbst von dem Rahmen 33 abmontiert werden, um eine leichtere Reparatur und ein besse­ res Wartungsvermögen zu gestatten. Sollte also irgendeines der Teile eine Reparatur, Veränderung oder Entnahme erfordern, kann es leicht demontiert werden.

Wie in den Fig. 2 und 5 gezeigt ist, können zusätzlich zu der Bildung der Verkleidung 36 selbst die Verkleidungsstreben 50 (vorderer Abschnitt 52 und hinterer Abschnitt 54) zwischen den Düsenführungsschaufeln 80 angeordnet bzw. verteilt sein. Die Form der Verkleidungsstreben 50 ist im allgemeinen ähnlich der Form der Schaufeln 80, so daß die Streben 50 auch gleich­ zeitig als einige der Schaufeln 80 dienen können.

In dem Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, sind zwölf Verkleidungsstreben 50 (nur drei sind gezeigt) und sechs- unddreißig Düsenschaufeln 80 (nur sechs sind gezeigt) vorge­ sehen, wobei drei Schaufeln 80 zwischen jeweils zwei benachbar­ ten Streben 50 angeordnet sind. Es sei darauf hingewiesen, daß, da die Schaufeln 80 eine kürzere axiale Länge haben als die Streben 50, obwohl die Streben 50 in zwei Abschnitten ausgebil­ det sind, von denen das eine Teil in dem vorderen Verkleidungs­ abschnitt 56 und der andere in dem hinteren Verkleidungsab­ schnitt 58 angeordnet ist, die Schaufeln 80 vollständig in einem Abschnitt gebildet sind, beispielsweise in dem hinteren Ver­ kleidungsabschnitt 58, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Verkleidungsstreben 50 selbst nicht notwendigerweise exakt zur Hälfte geteilt sind, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Teilung wird vorzugsweise so ausgeführt, daß eine Teilung der Schaufeln 80 vermieden ist und damit ein größerer Teil innerhalb des hinteren Abschnitts 58 und ein kleinerer Teil innerhalb des vorderen Abschnitts 56 ausgebildet ist, um eine Verbindung der Abschnitte 56, 58 und das Gießen der Schaufeln 80 in einem Abschnitt allein zu er­ leichtern.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß zwar zwölf Verkleidungs­ streben 50 in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, aber nur sechs Streben 34, wobei eine Strebe in jeder anderen Ver­ kleidungsstrebe 50 angeordnet ist. Die anderen Stieben 50 wür­ den typisch Service-Leitungen enthalten zum Leiten von Öl und Luft zu und von dem Triebwerkssumpf in üblicher Weise.

Durch Zusammenfassen der Verkleidung 36 und der Turbinendüsen­ schaufeln 80 als eine einzige Einheit ist es möglich, das Erfor­ dernis für einen getrennten axialen Abschnitt für die Düsen­ führungsschaufeln im Abstand von der Verkleidung 36 zu elimi­ nieren. Auf diese Weise kann die axiale Gesamtlänge und das Ge­ wicht des Gasturbinentriebwerks 10 gesenkt werden.

Claims (8)

1. Rahmenanordnung für ein Gasturbinentriebwerk mit einem ringförmigen Rahmen (33), der einen inneren Mantel (42), einen äußeren Mantel (40) und radiale Stützstreben (34) aufweist, die die inneren und äußeren Mäntel miteinander verbinden und quer zu einer Gasströmungsbahn (38) ange­ ordnet sind, und mit einer den Rahmen (33) von den heißen Verbrennungsgasen trennenden Verkleidung (36), die eine innere Strömungswand (46) radial außen von dem Innenmantel (42) und eine äußere Strömungswand (48) radial innen von dem Außenmantel (40) aufweist, wobei die innere Strömungs­ wand (46) und die äussere Strömungswand (48) durch Verklei­ dungsstreben (50) verbunden sind, die die Rahmenstütz­ streben (34) umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (36) als ein in Umfangsrichtung durchgehender Ring ausgebildet ist, der entlang zusammenpassenden Umfangsflächen (60, 62) in einen vorderen bzw. stromaufwärtigen und einen hinteren bzw. stromabwärtigen Verkleidungsabschnitt (56, 58) geteilt ist, die durch Verbindungsmittel (66, 68, 70, 72) lösbar mitein­ ander verbindbar sind und im verbundenen Zustand die Rahmenstützstreben (34) umgeben.

2. Rahmenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungsstreben (50) eine Stromlinien­ form aufweisen.

3. Rahmenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungsstreben (50) schaufelförmig sind und einen Teil einer Turbinendüse bilden.

4. Rahmenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsenschaufeln (80) radial zwischen den inneren und äußeren Strömungswänden (46, 48) angeord­ net und in Umfangsrichtung zwischen den Verkleidungs­ streben (50) verteilt sind.

5. Rahmenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenschaufeln (80) vollständig nur in einem der vorderen und hinteren Verkleidungsabschnitte (56, 58) angeordnet sind.

6. Rahmenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenschaufeln (80) in dem hinteren Verkleidungs­ abschnitt (58) angeordnet sind.

7. Rahmenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen und hinteren Verkleidungsabschnitte (56, 58) mehrere gegenüberliegende Ansatzstücke (66, 68) aufweisen, die in Umfangsrichtung im Abstand angeord­ net sind und von der äußeren Strömungswand (48) radial nach außen ragen, und daß mechanische Befestigungsmit­ tel (70, 72) die Ansatzstücke miteinander verbinden, um die Abschnitte (56, 58) aneinander zu befestigen.

8. Rahmenanordnung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der vordere Abschnitt (56) axial kürzer ist als der hintere Abschnitt (58).