DE3919606C2 - Axialkraftübertragung vom Verdichteraustrittsleitschaufelkranz auf das Triebwerksaußengehäuse eines Gasturbinentriebwerks unter Minimierung der Schaufeltorsionsbeanspruchung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine konstruktive Anordnung zur Über­ tragung von gasdruckbedingten Axialkräften in Gasturbinen­ triebwerken über den Verdichteraustrittsleitschaufelkranz auf das Triebwerksaußengehäuse, wobei Torsionsbeanspruchungen der Verdichteraustrittsleitschaufeln minimal gehalten werden.

Die aerodynamischen Gaskräfte, die im Betrieb auf Innengehäu­ se und Außengehäuse der Brennkammer sowie auf die Eintritts­ leitschaufeln der Hochdruckturbine und die Austrittsleit­ schaufeln des Hochdruckverdichters einwirken, sind in der Hauptsache Axialkräfte, die von den betreffenden Komponenten auf das die Tragkonstruktion des Triebwerks bildende Trieb­ werksaußengehäuse übertragen und von diesem aufgenommen wer­ den müssen. Da die Verdichteraustrittsleitschaufeln, um den hochdruckverdichteten Luftstrom unter dem günstigsten Winkel in die Brennkammer einzuleiten, mit ihren Sehnen einen Winkel zur Axialrichtung des Triebwerks bilden, erzeugen die erheb­ lichen Axialkräfte auch eine nicht unbeträchtliche Torsions­ belastung auf die Verdichteraustrittsleitschaufeln. Bei den Turbineneintrittsleitschaufeln sind die Torionsbelastungen dem gegenüber vergleichsweise gering.

Zur aerodynamischen Optimierung des Triebwerks ist es wün­ schenswert, die Verdichteraustrittsleitschaufeln mit mög­ lichst geringer Dicke auszubilden, damit sie dem hindurch­ tretenden Luftstrom einen möglichst geringen Strömungswider­ stand entgegensetzen. Die im Betrieb auf die Verdichteraus­ trittsleitschaufeln aufgrund der über sie übertragenen hohen Axialkräfte einwirkenden, ebenfalls beträchtlichen Torsions­ kräfte machen es aber notwendig, sie zum Erreichen der not­ wendigen Verwindungssteifigkeit mit wesentlich größerer Dicke auszubilden, als dies in aerodynamischer Hinsicht wünschens­ wert wäre.

Das US-Patent 4 716 721 beschreibt eine Anordnung zur Über­ tragung von Reaktionskräften vom Innengehäuse eines Gastur­ binentriebwerks und den damit verbunden inneren Bauteilen auf das Außengehäuse. Dabei werden Axialkräfte über miteinander mit geringem Radialspiel zusammenwirkende Schubringe übertra­ gen, während Torsionskräfte über einen Torsionsring mit U- artigem Querschnitt übertragen werden, der andere Kräfte, insbesondere auf das Außengehäuse einwirkende Biegebeanspru­ chungen, entkoppelt und damit vom Innengehäuse fernhält. Das hier in Rede stehende Problem der Berücksichtigung der auf die Verdichteraustrittsleitschaufeln einwirkenden Torsions­ kräfte bei der Übertragung der gasdruckbedingten Reaktions­ kräfte auf das Außengehäuse findet dort allerdings keine Be­ rücksichtigung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kon­ struktive Anordnung zur Übertragung der hohen Axialkräfte auf das Triebwerksaußengehäuse zu schaffen, die eine Verringerung der auf die Hochdruckverdichteraustrittsleitschaufeln einwir­ kenden Torsionskräfte bewirkt, so daß die Verdichteraus­ trittsleitschaufeln aufgrund der Entlastung von Verwindungs­ beanspruchungen dünner ausgeführt und damit in aerodynami­ scher Hinsicht optimaler gestaltet werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete und gemäß den Unteransprüchen weiter ausgestaltete Anordnung gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks,

Fig. 2 einen schematisierten Axial­ halbschnitt durch einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Triebwerks, und

Fig. 3 eine ebenfalls schematisierte Abwicklungsdarstellung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Axialverdichter 12, einer Brenneinrichtung 14, einer Turbine 16 die mit dem Verdichter in Antriebverbindung steht, einem Strahlrohr 18 und einer hinteren Strahldüse 20.

In Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Triebwerk 10 einen Kranz von mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordneten Aus­ trittsleitschaufeln 22 am Austrittsende des Hochdruckteils des Verdichters 12 aufweist, weiter eine Brennkammer 24 auf­ weist, die Teil der Brenneinrichtung 14 bildet, und einen Kranz von ebenfalls mit gegenseitigen Umfangsabständen ange­ ordneten Eintrittsleitschaufeln 26 am Einlaß des Hochdruck­ teils der Turbine 16 aufweist. Die Verdichteraustrittsleit­ schaufeln 22 sind mit ihren radial äußeren Enden 22a an einem Teil des Triebwerksgehäuses 28 und mit ihren radial inneren Enden 22b am Brennkammeraußengehäuse jeweils starr befestigt. Das Brennkammeraußengehäuse 30 ist an seinem stromabwärtigen Ende mit den Eintrittsleitschaufeln 26 des Hochdruckteils der Turbine 16 verbunden. Die stromabwärtigen Bereiche des Brenn­ kammerinnengehäuses 24 und des Brennkammeraußengehäuses 30 unterliegen, wie ersichtlich, zusammen mit den Eintrittsleit­ schaufeln 26 der Turbine aufgrund der auf sie wirkenden Gas­ drücke einer Axialkraft F. Diese Gasdrücke können ein beträchtliches Ausmaß erreichen und werden üblicherweise über das Brennkammeraußengehäuse 30 und die Verdichteraustritts­ leitschaufeln 22 auf das Turbinengehäuse 28 übertragen, das als Tragkonstruktion wirkt.

Bekanntermaßen ist es zur Verhinderung eines Verwindens der Verdichteraustrittsleitschaufeln 22 notwendig, diese dicker auszuführen, als aerodynamisch an sich wünschenswert wäre. Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß, wenn die Axialkraft F richtungsmäßig derart korrigiert werden kann, daß sie entlang der Sehnenlinie C der Schaufeln 22 wirkt, diese Kraft von dünner ausgeführten Schaufeln aufgenommen werden kann, als dies gegenwärtig der Fall ist.

Die Korrektur der Wirkungsrichtung der Axialkraft F erfolgt durch Verwendung von Stäben 32, die um den Umfang des Brenn­ kammeraußengehäuses 30 herum positioniert sind. Diese Last­ übertragungsstäbe sind jeweils um einen Winkel θ mit Bezug auf die angreifende Last und die Triebwerksmittellinie CL ab­ gewinkelt, wobei dieser Winkel θ gleich dem Winkel ist, unter welchem die Sehenenlinie jeder Schaufel 22 mit Bezug auf die Triebwerksmittellinie CL abgewinkelt ist. Die Last­ übertragungsstäbe 32 sind dadurch gebildet, daß eine Reihe von mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordneten Schlitzen 34 in den Umfang des Brennkammeraußengehäuses 30 eingeschnitten sind. Diese Schlitze sind jeweils mit ent­ sprechendem Winkelverlauf zur Triebwerksmittellinie CL an­ geordnet und bilden so die seitlichen Begrenzungen 32a jedes Lastübertragungsstabs 32. Damit keine Luft durch die Schlitze 34 entweichen kann, ist eine in Umfangsrichtung ver­ laufende dichtende Abdeckung 36 über den Schlitzen ange­ ordnet, die in Fig. 2 dargestellt ist. Die Dichtung 36 ist mit Hilfe von daran gebildeten, in Umfangsrichtung verlaufen­ den Schlitzen 36a, 36b positioniert, die mit entsprechenden Gegenelementen 38, 40 des Brennkammeraußengehäuses 30 zusammenwirken. Natürlich können auch andere Montagemöglich­ keiten Anwendung finden.

Im Betrieb unterliegen das Brennkammerinnengehäuse 24, das Brennkammeraußengehäuse 30 und die Eintrittsleitschaufeln 26 der Turbine 16 aufgrund des Druckes der Verbrennungsgase hohen Axialkräften und möglicherweise auch in gewissem Maße einer Torsionsbelastung. Dies ist schematisch durch die Pfeile F_A und F_T an der Schaufel 26 in Fig. 3 dargestellt. Eine gegebenenfalls vorhandene kleine Torsionsbelastung F_T, welcher die Brennkammergehäuse unterliegen, wird über die Schaufeln 26 auf das Außengehäuse 28 übertragen.

Das Ende des Brennkammeraußengehäuses 30 ist mittels Schrauben oder anderer Befestigungselemente an den Schaufeln 26 befestigt, welche bei der Übertragung der Torsionsbelastung F_T mitwirken. Die Richtung der Reaktions­ kraft, welche der Axialkraft F_A entgegenwirkt, wird durch die Winkellage der Lastübertragungsstäbe 32 mit Bezug auf die Triebwerksmittellinie CL bestimmt. Die Lastübertragungs­ stäbe 32 stellen dabei einen Kraftübertragungsweg dar, ent­ lang dessen eine Reaktionskraft Rθ übertragen wird. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Sehnenlinie C der Verdichteraus­ trittsleitschaufeln 22 mit Bezug auf die Triebwerksmittel­ linie CL um den gleichen Winkel wie die Lastübertragungs­ stäbe 32 abgewinkelt ist. Diejenige Komponente der Axiallast F_A, die über die Lastübertragungsstäbe 32 aufgenommen wird, wird also entlang der Sehnenlinie C der Schaufeln 22 auf das tragende Triebwerksaußengehäuse 28 übertragen. Es ist leicht einzusehen, daß auf diese Weise eine Verwindungsbeanspruchung der Schaufeln 22 vermieden werden kann, da nun keine Torsionskraft mehr auf diese Schaufeln wirkt. Weiter geht aus Fig. 3 hervor, daß zur Aufnahme der Reaktionskraft, welche der Axialkraft F_A entgegenwirkt, eine kleine Torsion­ reaktionskraft R_T, erforderlich ist. Diese Torsionsreaktions­ kraft R_T ist annehmbar klein und kann über die Turbinenein­ trittsleitschaufeln 26 in gleicher Weise wie die Torsions­ kraft F_T übertragen werden.

Durch Verringerung der Winkel θ und kann ein größerer Anteil der Axialkraft über die Lastübertragungsstäbe und die Verdichteraustrittsleitschaufeln 22 aufgenommen und die Größe der Reaktionstorsionskraft R_T verringert werden.

Claims (6)

1. Anordnung zur Übertragung gasdruckbedingter Axialkräfte von über ein axiales Zwischenelement mit den radial inneren Enden von Verdichteraustrittsleitschaufeln verbundenen Bau­ teilen eines Gasturbinentriebwerks über die Verdichteraus­ trittsleitschaufeln (22) auf das Triebwerksaußengehäuse (28), dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenbauteil (30) in eine Anzahl paralleler stabartiger kraftübertragender Elemente (32) gegliedert ist, die unter einem Winkel (θ) zur Triebwerksmittelachse (CL) geneigt verlaufen, der gleich dem Winkel ist, den die Sehnenlinien (C) der Vordichteraus­ trittsleitschaufeln (22) mit der Triebwerksmittellinie (CL) bilden, und daß auf der von den Turbinenaustrittsleit­ schaufeln (32) abgewandten Seite der stabförmigen Elemente (32) eine torsionskraftaufnehmende Verbindung zum Turbinenaußengehäuse (28) vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenbauteil (30) durch eine Anzahl eingearbeiteter Schlitze (34) in die durch die zwischen den Schlitzen ver­ bleibenden Materialbereiche gebildeten stabförmigen Elemente (32) gegliedert ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiallastbeaufschlagten Bauteile Komponenten einer Brennkammer sind und das Zwischenbauteil durch einen Ab­ schnitt des Brennkammeraußengehäuses (30) gebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die torsionskraftaufnehmende Verbindung zum Triebwerksaußenge­ häuse (28) durch einen Kranz von Turbineneintrittsleit­ schaufeln (26) gebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß pro Verdichteraustrittsleitschaufel (22) ein mit dessen Sehnenlinie (C) fluchtendes stabförmiges Element (32) vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (34) durch einen Abdeckung (36) verschlossen sind.