DE3818882A1 - Schaufelringaufbau fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaufelringaufbau, der im Betrieb die äußeren Spitzen einer Turbinenschau­ felstufe in einem Gasturbinentriebwerk umgibt.

Ein allgegenwärtiges Problem, mit dem sich die Konstruk­ teure von Gasturbinentriebwerksaufbauten zu befassen ha­ ben, ist die relative thermische Reaktionscharakteristik der Teile, die den Turbinenaufbau bilden. Diese Teile, die aus dem gleichen Material bestehen, können sich in ihrem thermischen Wachstum weit voneinander unterschei­ den, weil einige der Teile bei höheren Temperaturen ar­ beiten als die übrigen. Außerdem können einige dieser Teile mit hoher Drehzahl umlaufen, so daß die Zentrifu­ galkräfte, die dabei erzeugt werden, die unterschiedli­ chen Raten der Abmessungsänderung zwischen drehenden und stehenden Teilen vergrößern.

Es sind Versuche unternommen worden, um einen Aufbau von Teilen zu konstruieren, bei denen das Material einiger fester Teile thermische Reaktionscharakteristiken be­ sitzt, die sich von denen der rotierenden Teile unter­ scheiden, so daß unter Berücksichtigung der lokalen Umge­ bung, in der sie arbeiten, eine Zusammenziehung und Aus­ dehnung in der Weise erfolgen kann, daß eine Anpassung an die entsprechenden Bewegungen der rotierenden Teile gegeben ist. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß dann, wenn die Teile, die unterschiedliche thermische Reak­ tionscharakteristiken besitzen, fest miteinander verbunden werden, unzulässige Beanspruchungen an der Ver­ bindung erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbes­ serten Schaufelringaufbau für eine Turbine zu schaffen.

Die Erfindung geht aus von einem Schaufelringaufbau für Gasturbinentriebwerke mit einem lose in Axial- und in Ra­ dialrichtung am Triebwerksaufbau angeordneten Ring und mit einem Turbinenschaufelring, der aus einer Vielzahl von seitlich stumpf aneinanderstoßenden Segmenten be­ steht. Bei einem solchen Schaufelringaufbau wird gemäß der Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß jedes Schaufelringsegment von einer radialen Stirnfläche des Rings herabhängt und gasdicht relativ zu dem festen Aufbau beweglich ist, wobei der Ring aus einem Material besteht, das niedrigere thermische Reaktionscharakteri­ stiken besitzt als das Material des festen Aufbaus.

Vorzugsweise umfaßt der feste Aufbau einen Flansch und eine innere Ringnut und jedes Schaufelringsegment ist mit einem stromaufwärtigen Flanschteil versehen, der inner­ halb der Nut derart liegt, daß eine relative Radialbewe­ gung in gasdichter Weise im Betrieb erfolgen kann.

Vorzugsweise wird der Ring lose in Radialrichtung durch langgestreckte Teile gehalten, die von der stromabwärti­ gen Seite des Flansches vorstehen und lose in komplemen­ täre Teile des Ringes eingreifen.

Die langgestreckten Teile und die hierzu komplementären Teile können im Querschnitt rechteckig sein.

Vorzugsweise wird der Ring lose in Axialrichtung dadurch gehalten, daß er eine Axiallänge aufweist, die kleiner ist als die vorspringenden Längen der langgestreckten Teile, und dadurch, daß ein weiterer Ring auf der Außen­ seite aufgeklemmt ist.

Der weitere Ring kann einen nach innen gebogenen Flansch auf einem zylindrischen Körper aufweisen, wobei dessen zylindrischer Abschnitt die langgestreckten Teile über­ lappt und gleitbar in einen weiteren zylindrischen Körper eingreift, der am Außengehäuse der Turbine fixiert ist.

Vorzugsweise hängt jedes Schaufelringsegment von Dübel­ zapfen herab, die in einer radialen Stirnfläche des Rings angeordnet sind.

Jedes Schaufelringsegment kann einen Gasdichtungsstreifen aufweisen, der die Zwischenfläche zwischen benachbarten Seiten benachbarter Paare von Schaufelringen überbrückt und in gegenüberliegende Schlitze eingreift.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinen­ triebwerks gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht des freiliegenden Turbinenabschnitts gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Anordnung ge­ mäß Fig. 2,

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht der Anordnung gemäß Fig. 3, in Richtung des Pfeiles 4 be­ trachtet,

Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform in einer Schnittansicht gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk (10), das in Strö­ mungsrichtung hintereinander einen Kompressor (12), eine Verbrennungseinrichtung (14), einen Turbinenteil (16) und eine Abgasdüse (18) aufweist.

Die Verbrennungseinrichtung (14) endet in einer Schubdüse (20), die eine Umfangsanordnung von Düsenleitschaufeln (22) besitzt, die einen Teil des festen Aufbaus definie­ ren.

Die Leitschaufeln (22) haben eine gemeinsame Schaufel­ ringanordnung (24), die einen Ringflansch (26) auf­ weist.

Das Triebwerk (10) ist von einem Gehäuse (28) umschlos­ sen, das aus mehreren axial ausgerichteten Zylindern und/oder kegelstumpfförmigen Abschnitten besteht, die nicht im einzelnen dargestellt sind.

Gemäß Fig. 2 ist ein Ring (30) über einen Zentrierbund (32) an der stromabwärtigen Stirnfläche des Leitschaufelringflansches (26) festgelegt. Eine radial innere Lippe (32) des Rings (30) wirkt mit einem radial inneren Abschnitt der stromabwärtigen Stirnseite des Flansches (26) zusammen, um eine sich radial nach innen öffnende Nut (34) zu schaffen.

Der äußere Teil der stromabwärtigen Stirnseite des Flan­ sches (30) besitzt mehrere im gleichen Winkelabstand zu­ einander angeordnete flache Ausnehmungen (36), die darin ausgebildet sind. Die Ausnehmungen (36) besitzen ein quadratisches Profil und nehmen je ein Ende einer Stange (38) auf, die ein entsprechendes Querschnittsprofil be­ sitzt, das dicht in die jeweilige Ausnehmung (36) ein­ paßt. Dies ergibt sich deutlicher aus Fig. 3.

Weiter zeigt Fig. 2 einen Steuerring (40) mit einer Ring­ stufe (42), die an der stromaufwärtigen Stirnseite ausge­ bildet ist, und in der äußeren Umfangsfläche sind Nuten (44) ausgebildet, die in Zahl und Abstand den Stangen (38) entsprechen. Unabhängig davon, aus welchem Material der beschriebene Aufbau besteht, sollte das Material, aus dem der Steuerring (40) hergestellt ist, so sein, daß seine thermischen Reaktionscharakteristiken sich dadurch unterscheiden, daß sie langsamer auf Temperaturänderungen reagieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel be­ steht der Aufbau, der den Steuerring (40) trägt, aus einer Legierung mit der Bezeichnung N 80A, und dies ist eine Nickellegierung. Der Steuerring (40) besteht aus einer Legierung N.907, und dies ist wiederum eine Nickel­ legierung, die sich jedoch bezüglich Bestandteilen und Mengen von der erstgenannten Legierung unterscheidet.

Der Steuerring (40) wird gegen den Ring (30) angelegt, indem die Nuten (44) auf die Stangen (38) ausgerichtet werden, und es wird dann der Ring (40) gegen den Ring (30) bewegt. Die Größe der Abmessungen der Nuten (44) re­ lativ zu jenen der Stangen (38) ist derart, daß gewähr­ leistet wird, daß eine begrenzte Relativbewegung in Ra­ dialrichtung zwischen den Stangen (38) und dem Ring (40) möglich wird. Außerdem ist die axiale Dicke des Ringes (40) relativ zur Länge der Stange (38) so gewählt, daß eine begrenzte relative Axialbewegung zwischen dem Ring (40) und den Stangen (38) stattfinden kann, nachdem ein Klemmring (46) am stromabwärtigen Ende der Stangen (38) festgelegt ist. Die Fixierung wird über Mutter-Bolzen- Einheiten (48) bewirkt, wobei die Bolzen (50) durch den Aufbau von Flansch (26), Ring (30), die Stangen (38) und den Klemmring (46) hindurchlaufen. Der Steuerring (40) ist demgemäß mit einem losen Feder-Formschluß am übrigen Aufbau festgelegt.

Ein Zentrierflansch (51), der mit der Stufe (42) erzeugt wird, ist im Steuerring (40) ausgebildet und an verschie­ denen Stellen ausgenommen, um Kühlluftpfade (52) zu schaffen. Diese sind deutlicher aus Fig. 3 ersichtlich.

Im folgenden wird wiederum auf Fig. 2 Bezug genommen. Eine nach stromauf gerichtete Stirnfläche (54) des Steuer­ rings (40) besitzt mehrere im gleichen Winkelabstand zu­ einander angeordnete Dübelzapfen (56), die von der Stirn­ fläche (54) vorstehen, und jedes Paar von Turbinenschau­ felringsegmenten (58) wird über Paare von Lagern (60) aufgehängt.

Der Schaufelrand jedes Schaufelrings (58) weist einen ra­ dial nach außen gebogenen Flansch (62) auf, der gerade Stege (64) an der stromaufwärtigen und der stromabwärti­ gen Stirnseite aufweist. Der Flansch (62) ist in der Nut (34) über die geraden Stege (64) gelagert, die mit den Wänden zusammenwirken, um einen Leckstrom der Turbinen­ abgase aus dem Turbinenringkanal (66) in den Bereich außerhalb des Schaufelringaufbaus so klein als möglich zu halten.

Das stromabwärtige Ende eines jeden Schaufelringsegments (58) besitzt eine Axialnut (68), in die das Ende eines Zylinderflansches (70) eingreift. Der Zylinderflansch (70) ist mit seinem Radialflansch (72) in einer radial nach innen weisenden Ringnut (74) im festen Aufbau (76) eingesetzt.

Die radial innere Oberfläche eines jeden Schaufelringseg­ mentes (58) ist in bekannter Weise mit abriebfähigem Ma­ terial (78) ausgestattet, und die Schaufelringsegmente (58) insgesamt umschließen eine Stufe von Turbinenschau­ feln (80), von denen nur der radial äußere Abschnitt einer Schaufel in Fig. 2 dargestellt ist.

Wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich, sind Schlitze (78) in den Seitenrändern eines jeden Schaufelringsegmentes (58) angeordnet und nicht dargestellte Dichtungsstreifen sind in bekannter Weise eingepaßt, d. h. jeder (nicht darge­ stellte) Dichtungsstreifen erstreckt sich über die Länge des jeweiligen Schlitzes (78) und die benachbarten Ränder der benachbarten Segmente (58), so daß ein schmaler (nicht dargestellter) Spalt zwischen jenen benachbarten überbrückt wird.

Wenn das Gasturbinentriebwerk (10) im Betrieb befindlich ist, dann bewirken bei Beschleunigung der Turbinenscheibe (82) (Fig. 1) die Zentrifugalkräfte und das Ansteigen der Temperatur, denen die Teile ausgesetzt sind, daß die Scheibe (82) und die Schaufeln (80) sich alle in Radial­ richtung relativ zur Drehachse des Aufbaus ausdehnen. Der Aufbau (26 und 30), der durch die Hitze beeinflußt wird, die durch die heißen Gase erzeugt wird, welche über die (nicht dargestellten) Leitschaufeln abströmen, die durch den Schaufelringaufbau (26) umschlossen sind, wächst ebenfalls in Radialrichtung und ebenso der Steuerring (40). Der Aufbau (26, 30) besteht jedoch aus einem Mate­ rial, welches schneller auf Temperaturänderungen an­ spricht als das Material, aus dem der Steuerring (40) be­ steht, so daß der Aufbau (26, 30) gegenüber dem Steuer­ ring (40) wächst.

Dadurch, daß der Steuerring (40) lose durch den Aufbau (26, 30 und 38) abgestützt wird, wird jedoch die Erzeu­ gnng von Spannungen dazwischen vermieden.

Das anfängliche Wachsen der Turbinenscheibe (82) und der zugeordneten Schaufeln (80) geht schnell vonstatten, wäh­ rend das Wachstum des Steuerrings (40) und demgemäß die Bewegungen der Schaufelringsegmente (58) nach außen hin relativ langsam verlaufen. Infolgedessen graben sich die Spitzen der Schaufeln (80) in die Abriebauskleidung (78) ein und die ursprünglichen Schaufelspitzen werden abge­ nutzt. Das Ausmaß der Abnutzung ist bei der anfänglichen Benutzung des Triebwerks am größten, wenn ein Flugzeug hochläuft, und die beschriebene Abnutzung tritt daher während des Starts des zugeordneten Flugzeugs auf.

Durch Drosselung des Triebwerks beim Übergang in den Reiseflug vermindern sich sowohl Gastemperatur als auch Zentrifugalkräfte, was zur Folge hat, daß der Aufbau (26 und 30) und die Schaufeln (82, 80) sich radial nach innen zusammenziehen.

Der Steuerring (40) zieht sich ebenfalls radial nach innen zusammen, aber mit einer geringeren Geschwindigkeit als der erwähnte Aufbau. Infolgedessen wird eine Kolli­ sion zwischen den Schaufelringsegmenten (58) und den Spitzen der Schaufeln (80) und demgemäß eine weitere Ab­ nutzung vermieden.

Durch die Benutzung des Steuerrings (40) gemäß der Erfin­ dung wird gewährleistet, daß nach einer anfänglichen Ab­ nutzung der Spitzen der Schaufeln (80), wenn sie während der Beschleunigung des Triebwerks (10) wachsen, und nach Stabilisierung des Reisefluges der resultierende Ring­ spalt zwischen den Spitzen der Schaufeln (82) und der Ab­ riebsschicht (78) auf einem Minimum gehalten wird. Auf diese Weise wird der spezifische Brennstoffverbrauch des Triebwerks (10) verbessert.

Eine Bewegung der Schaufelringsegmente (58) in Radial­ richtung kann körperlich in Radialrichtung oder durch eine Schwenkbewegung erfolgen. Wenn die Bewegung körper­ lich stattfindet, dann bewegt sich der Flanschring (70) ebenfalls körperlich und sein Flansch (72) gleitet in der Nut (74). Wenn die Bewegung eine Schwenkbewegung ist, dann verschwenken die Schaufelsegmente (58) um ihre stromabwärtigen Enden, d. h. um den Haltering (70) und die Nut (68).

Die Abmessungen von Steuerring (40) relativ zu dem Trä­ geraufbau (26, 30 und 38) werden berechnet unter Berück­ sichtigung ihrer unterschiedlichen Reaktionscharakteristi­ ken gegenüber Temperaturänderungen, denen sie in ihrer Umgebung ausgesetzt sind.

Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel können die langgestreckten rechteckigen Teile (38) durch (nicht dar­ gestellte) Zapfen ersetzt werden, und die komplementären rechteckigen Teile (44) sind durch (nicht dargestellte) Bohrungen ersetzt, deren Durchmesser genügend viel größer relativ zum Durchmesser der Zapfen ist, um den ange­ strebten losen Sitz dazwischen zu gewährleisten.

Nunmehr wird auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 Be­ zug genommen. Die Schaufeln (80) besitzen bei diesem Aus­ führungsbeispiel integrale Schaufelringsegmente (84), von denen jedes zwei Dichtungsstege (86, 88) in bekannter Weise trägt. Wenn derartige Schaufeln in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung benutzt werden, dann sollten die Schaufelringsegmente (58) vom Steuerring (40) in einer Ebene (90) aufgehängt sein, die so nahe als nur möglich an jener Ebene liegt, die den Dichtungssteg (88) enthält. Der Grund hierfür liegt darin, daß ein Druck­ abfall in den Gasen in Sehnenrichtung der Schaufeln (80) auftritt, und es ist bekannt, daß der größte Druckabfall über dem stromabwärtigen Dichtungssteg (88) erfolgt. Die Druckänderung wirkt auf die Schaufelringsegmente (58) in der Weise, daß sie sich um ihre Aufhängung neigen, d. h. um die Dübelzapfen (56). Wegen der Koinzidenz oder der angenäherten Koinzidenz des Neigungspunktes und des Dich­ tungssteges (88) wird jedoch gewährleistet, daß ein mini­ maler Zwischenraum zwischen dem Dichtungssteg (88) und der Abriebschicht (78) an jedem Schaufelringsegment (58) aufrechterhalten wird.

Claims (9)

1. Schaufelringaufbau für Gasturbinentriebwerke mit einem Ring, der lose axial und radial im festen Triebwerksaufbau gelagert ist, und mit einem Turbi­ nenschaufelring, der mehrere seitlich stumpf anein­ anderstoßende Segmente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment (58) von einer Radialfläche des Ringes (40) herab­ hängt und gasdicht und relativ beweglich gegenüber dem festen Aufbau (24, 30) angeordnet ist und daß der Ring (40) aus einem Material besteht, das niedrigere thermische Reaktionscharakteristiken aufweist als das Material des festen Aufbaus (24, 30).

2. Schaufelaufbau nach Anspruch 1, bei welchem der feste Aufbau einen Flansch (24) aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß eine innere Ringnut (34) vorgesehen ist und daß jedes Schaufelringsegment (58) mit einem stromaufwär­ tigen Flanschabschnitt (62) versehen ist, der inner­ halb der Nut (34) derart liegt, daß eine relative Radialbewegnng dazwischen derart erfolgen kann, daß im Betrieb in situ eine Gasabdichtung erfolgt.

3. Schaufelringaufbau nach Anspruch 2, bei welchem der Ring lose in Radialrichtung durch Mittel gehaltert wird, dadurch gekennzeichnet, daß langgestreckte Teile (38) von der stromabwärtigen Seite des Flansches (30) vorstehen und lose komple­ mentäre Teile (44) lokalisieren, die im Ring (40) ausgebildet sind.

4. Schaufelringaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreck­ ten Teile (38) und ihre komplementären Teile (44) im Querschnitt rechteckig sind.

5. Schaufelringaufbau nach Anspruch 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ring (40) lose in Axialrichtung dadurch gehaltert ist, daß er eine Axiallänge besitzt, die kleiner ist als die vorspringende Länge der langgestreckten Teile (38), und dadurch, daß ein weiterer Ring (46) an den freien Enden der langgestreckten Teile (38) ange­ klemmt wird.

6. Schaufelringaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Ring (46) einen radial nach innen abgebogenen Flansch auf einem zylindrischen Körper aufweist, dessen zylindrischer Teil die langgestreckten Teile (38) überlappt und gleitbar an einem weiteren zylindri­ schen Körper angreift, der am äußeren Turbinengehäuse fixiert ist.

7. Schaufelringaufbau nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Schaufelringsegment (58) von Dübelzapfen (56) herabhängt, die an einer Radialflä­ che des ersten Rings (40) festgelegt sind.

8. Schaufelringaufbau nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zwischenfläche zwischen benachbar­ ten Schaufelringrändern durch einen Dichtungsstreifen überbrückt ist, wobei jeder Rand des Dichtungsstrei­ fens in einem Schlitz (78) des jeweiligen Schaufel­ ringrandes aufgenommen wird.

9. Schaufelringaufbau nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaufeln (80), die durch den Ring abzuschirmen sind, integrale Schaufelringabschnitte (84) aufweisen, die zwei im axialen Abstand zueinan­ der angeordnete Dichtungsstege (86, 88) tragen, und daß die Abmessungen des Schaufelringaufbaus derart sind, daß bei Einbau in situ um eine Stufe der Schau­ feln (80) herum die Ebene, in der der Schaufelring­ aufbau aufgehängt ist, mit der Ebene zusammenfällt oder nahezu zusammenfällt, die den axial stromabwär­ tigen Dichtungssteg (88) enthält.