-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Statorgehäuse eines
Gasturbinentriebwerks gemäß Offenbarung
beispielsweise in US-A-4 578 942, und insbesondere ein Statorgehäuse, das
an einen Rotor des Triebwerks angepasste vorübergehende Auslenkungen aufweist.
-
Gasturbinentriebwerke
besitzen einen Stator und einen oder mehrere drehbar auf dem Stator
befestigte Rotoren. Die Rotoren haben in Umfangsreihen angeordnete
Laufschaufeln. Jede Schaufel erstreckt sich von einem Fuß zu einer
Spitze. Der Stator ist aus einem oder mehreren rohrförmigen Gehäusen ausgebildet,
welchem den Rotor so aufnehmen, dass die Rotorlaufschaufeln innerhalb
der Gehäuse rotieren.
In dem Kompressorabschnitt von Gasturbinentriebwerken ist es erwünscht, die
Zwischenräume zwischen
den Laufschaufelspitzen und den Innenoberflächen der Gehäuse zu minimieren,
um die Triebwerksströmungsabrissreserven
und Wirkungsgrade zu verbessern. In dem Turbinenabschnitt von Gasturbinentriebwerken
ist es erwünscht,
die Zwischenräume
zwischen den Schaufelblattspitzen und den Innenoberflächen der
Gehäuse
zu minimieren, um den Triebwerkswirkungsgrad zu erhöhen.
-
Die
Zwischenräume
zwischen den Rotorlaufschaufelspitzen und den Innenoberflächen sind durch
die Auslenkungen der Schaufelblattspitzen und die Auslenkungen der
Innenoberflächen
der Statorgehäuse
bestimmt. Die Auslenkungen der Schaufelblattspitzen werden durch
mechanische Zugspannung aufgrund von Zentrifugalkräften auf
dem rotierenden Rotor und Wärmeausdehnung
aufgrund erhöhter
Temperaturen des Strömungspfadgases
verursacht. Ebenso sind die Auslenkungen der Innenoberflächen der
Gehäuse
eine Funktion von mechanischer Zugspannung und Wärmeausdehnung der Rotoren und
der Statorgehäuse.
Diese Auslenkungen können
durch Steuerung der mechanischen Belastung und Wärmeausdehnung der Rotoren und
Statorgehäuse
aneinander angepasst werden. Im Allgemeinen ist es erwünscht, die
Auslenkungen so anzupassen, dass die Zwischenräume zwischen den Rotorlaufschaufelspitzen
und den Innenoberflächen
der Statorgehäuse
insbesondere während
eines stabilen Triebwerksbetriebszustands minimiert werden.
-
In
der Vergangenheit wurde die Statorgehäuseauslenkung hauptsächlich durch
die Lenkung von Kühlluft
auf Abschnitte des Gehäuses
gesteuert, um Auslenkungen zu reduzieren und dadurch Zwischenräume zwischen
den Laufschaufelspitzen und den Innenoberflächen der Gehäuse zu reduzieren.
Alternativ wurden Umfangsrippen in dem Gehäuse direkt über den Blattspitzen ausgebildet,
um Statorauslenkungen zu reduzieren. Es besteht jedoch eine Notwendigkeit,
Zwischenräume
weiter zu reduzieren, um die Strömungsabrissreserven
und Wirkungsgrade von Gasturbinentriebwerken zu verbessern.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Von
den mehreren Merkmalen der vorliegenden Erfindung können die
Bereitstellung eines Statorgehäuses
für ein
Gasturbinentriebwerk mit einem Stator und einem Rotor angeführt werden.
Der Rotor weist mehrere Umfangsreihen von Laufschaufeln auf. Jede
Laufschaufel erstreckt sich radial von einem Fuß zu einer Spitze nach außen. Das
Gehäuse enthält einen
sich axial zwischen einem vorderen Ende und einem hinteren Ende
erstreckenden rohrförmigen
Mantel. Der Mantel hat eine Innenoberfläche, die einen hohlen Innenraum definiert,
der für
die Aufnahme eines Teils des Rotors des Gasturbinentriebwerks bemessen
und geformt ist. Das Gehäuse enthält auch
einen ringförmigen
vorderen Flansch, der sich aus dem vorderen Ende des Mantels radial nach
außen
erstreckt und einen ringförmigen
hinteren Flansch, der sich radial aus dem hinteren Ende des Mantels
nach außen
erstreckt. Zusätzlich
enthält das
Gehäuse
eine ringförmige
Rippe, die sich radial von dem Mantel zwischen benachbarten Reihen
von Laufschaufeln nach außen
erstreckt. Die Rippe ist so bemessen und geformt, dass sie vorübergehende Auslenkungen
des Mantels so anpasst, dass sie im Wesentlichen mit vorübergehenden
Auslenkungen der Spitzen der mehreren Rotorlaufschaufeln übereinstimmen,
um einen vorübergehenden
Zwischenraum zwischen der Innenoberfläche des rohrförmigen Mantels
und den Spitzen der Rotorlaufschaufeln zu verringern.
-
In
einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Gasturbinentriebwerk
mit einem Stator und einem drehbar auf dem Stator befestigten Rotor.
Der Stator enthält
ein Gehäuse
wie vorstehend beschrieben.
-
Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden zum teilweise offensichtlich
und werden teilweise hierin nachstehend dargelegt.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Vertikalschnittsansicht eines Abschnittes eines herkömmlichen
Gasturbinentriebwerks;
-
2 ist
eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Kompressorgehäuses; und
-
3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Kompressorgehäuses der vorliegenden Erfindung.
-
Entsprechende
Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile durchgängig durch
die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
-
Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
-
In
den Zeichnungen, und insbesondere in 1 ist ein
(teilweise dargestelltes) Gasturbinentriebwerk in seiner Gesamtheit
mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Triebwerk 10 besitzt
einen (insgesamt mit 12 bezeichneten) Stator und einen oder
mehrere (insgesamt mit 14 bezeichnete) Rotoren, die drehbar
auf dem Stator montiert sind. Obwohl 1 den Stator
und Rotor eines Hochdruckkompressors darstellt, wird der Fachmann
auf diesem Gebiet erkennen, dass die vorliegende Erfindung auch
auf andere Abschnitte des Triebwerks, wie zum Beispiel eine Turbine
angewendet werden kann. Der Rotor 14 weist in Umfangsreihen
angeordnete Laufschaufeln 16 auf. Jede von den Laufschaufeln 16 erstreckt
sich von einem Fuß 18 zu
einer Spitze 20. Der Stator 12 weist ein insgesamt
mit 22 bezeichnetes rohrförmiges Gehäuse mit einer Innenoberfläche 24 auf,
welche die Laufschaufelspitzen 20 umgibt. Der Fachmann
auf diesem Gebiet wird erkennen, dass es erwünscht ist, die Zwischenräume 26 zwischen
den Laufschaufelspitzen 20 und der Innenoberfläche 24 des
Gehäuses
zu minimieren.
-
Um
die Unterschiede zwischen dem Statorgehäuse der insgesamt mit 30 (3)
bezeichneten vorliegenden Erfindung und den herkömmlichen Statorgehäusen besser
darzustellen, wird ein herkömmliches
Statorgehäuse 22 detaillierter
unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Das herkömmliche
Gehäuse 2 enthält einen
aus zwei Gehäusehälften 34, die
an axialen Teillinien 36 miteinander verbunden sind, ausgebildeten
rohrförmigen
Mantel 32. Jede Gehäusehälfte 34 besitzt
einen sich axial entlang seiner entsprechender Seiten erstreckenden
Flansch 38 zum Verbinden der Hälften mit (nicht dargestellten) Befestigungselementen.
Der Mantel 32 erstreckt sich axial zwischen einem vorderen
Ende 40 und einem dem vorderen Ende gegenüberliegenden
hinteren Ende 42. Ferner definiert die Innenoberfläche 24 des Mantels 32 einen
insgesamt mit 44 bezeichneten hohlen Innenraum, der für die Aufnahme
wenigstens eines Abschnittes des Rotors 14 (1)
des Gasturbinentriebwerks 10 bemessen und geformt ist.
Ein runder vorderer Flansch 46 erstreckt sich radial aus dem
vorderen Ende 40 des Mantels 32, um das Gehäuse 22 mit
einer vor dem Mantel angeordneten ersten Statorkomponente 48 (1)
zu verbinden. Ebenso erstreckt sich ein ringförmiger hinterer Flansch 50 radial
aus dem hinteren Ende 42 des Mantels 32, um das
Gehäuse 22 mit
einer hinter dem Mantel angeordneten zweiten Statorkomponente 52 (1)
zu verbinden. Verteiler 60 sind zu dem hinteren Ende 42 des
Gehäuses 22 hin
ausgerichtet vorgesehen, um aus dem Strömungspfad entzogene Druckluft
zu anderen Abschnitten des Triebwerks 10 zu leiten. Ferner
erstrecken sich Umfangsreihen zylindrischer Vorsprünge 62 aus
dem Mantel 32, um Statorleitschaufeln 64 (1)
mit variabler Anstellung innerhalb der Innenoberfläche 24 des
Mantels zwischen benachbarten Reihen von Laufschaufeln 16 zu
haltern. Jede Reihe von Vorsprüngen 62 ist
direkt von einer entsprechenden Reihe von Statorleitschaufeln 64 mit
variabler Anstellung auswärts
gerichtet positioniert. Ferner sind die Vorsprünge 62, um die Vorsprünge zu unterstützen und
zur Vereinfachung der Fertigung, durch Stege 66 (2)
verbunden. In der Vergangenheit wurden die Breiten der Stege 66 minimiert,
um das Triebwerksgewicht zu reduzieren. Weitere Merkmale des Stators 12 sind üblich und
werden hier nicht weiter im Detail beschrieben.
-
3 stellt
ein Statorgehäuse 30 der
vorliegenden Erfindung dar. Das Statorgehäuse 30 ist mit dem
vorstehenden beschriebenen herkömmlichen Statorgehäuse 22 bis
auf die Ausnahme identisch, dass sich ringförmige Rippen 70 radial
aus dem Mantel 32 anstelle der Vorsprünge 62 und der Stege 66 erstrecken.
Wie die Vorsprünge 62 und
die Stege 66 sind die Rippen 70 zwischen benachbarten
Reihen von Rotorlaufschaufeln 16 angeordnet. Ferner sind die
Rippen 70 aus jeder Reihe variabler Statorleitschaufeln 64 (1)
radial nach außen
gerichtet positioniert. In dieser Position sind die Rippen 70 vor heißen Strömungspfadgasen
durch (nicht dargestellte) äußere Plattformen
der Leitschaufeln 64 abgeschirmt. Einige (nicht dargestellte)
herkömmliche Kompressorgehäuse weisen
ebenfalls Rippen auf, wobei aber diese über den Schaufelblattspitzen
statt zwischen diesen angeordnet sind. Das Gehäuse 22 der vorliegenden
Erfindung hat kleinere Wärmeauslenkungen
aufgrund einer Erwärmung
aus den Strömungspfadgasen
als herkömmliche
mit Rippen versehene Gehäuse,
da die Rippen 70 der vorliegenden Erfindung thermisch vor
den Strömungspfadgasen durch
die Leitschaufel-Außenplattformen
abgeschirmt sind. Da die Rippen thermisch abgeschirmt sind, wird
ein kleinerer Oberflächenbereich
der Rippen den erhitzten Strömungspfadgasen
ausgesetzt und eine geringere Wärmeenergie
an die Rippen übertragen.
Wie es ferner in 3 dargestellt ist, haben die
Rippen 70 eine Reihe von Löchern 72, die sich
radial durch die Rippen in konstanten Winkelintervallen um die Rippen
erstrecken, um die variablen Statorleitschaufeln 64 auf
dem Mantel 32 zu befestigen.
-
Die
Rippen 70 sind so bemessen und geformt, dass sie vorübergehende
Auslenkungen des Mantels 32 so anpassen, dass sie im Wesentlichen mit
vorübergehenden
Auslenkungen der Spitzen der Rotorlaufschaufeln 16 übereinstimmen.
Wie der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, verringert eine
Vergrößerung des
Rippenquerschnittes die mechanische Zugspannung und verlangsamt
die Wärmereaktion
des Mantels 32. Durch Angleichen der Auslenkung des Mantels 32 an
die Auslenkungen der Laufschaufelspitzen 20 werden die
vorübergehenden
Zwischenräume 26 zwischen
der Innenoberfläche 24 des
rohrförmigen
Mantels 32 und den Spitzen der Rotorlaufschaufeln 16 verringert.
Insbesondere sind die Rippen 70 zum Minimieren der vorübergehenden
Zwischenräume 26 zwischen
der Innenoberfläche 24 des
rohrförmigen
Mantels 32 und den Spitzen 20 der Rotorlaufschaufel 16 bemessen
und geformt. Ferner sind die Rippen 70 zur Anpassung von
Auslenkungen des Mantels 32 bemessen und geformt, um eine
Unrundheit der Innenoberfläche 24 des
Mantels zu verringern. Die Unrundheit ist eine Folge davon, dass
die axialen Flansche 36 steifer sind und weniger durch
eine mechanische und thermische Belastung als die anderen Abschnitte
des Mantels 32 beeinflusst werden. Wie der Fachmann auf
diesem Gebiet erkennen wird, variiert die Größe und Form der Rippen 70,
die zum Reduzieren und/oder Minimieren der Zwischenräume oder
zum Reduzieren der Unrundheit erforderlich ist, abhängig von
der speziellen Konfiguration und den Betriebsbedingungen des Triebwerks.
Jedoch kann die Bestimmung der Größe und Form der Rippen 70 unter
Anwendung herkömmlicher
und gut verstandener Konstruktionsprozeduren erreicht werden.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein Kompressorgehäuse beschrieben wurde,
wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass Rippen den Turbinengehäusen hinzugefügt werden
können,
um Zwischenräume
zu reduzieren und/oder zu minimieren. Zusätzlich zur Erhöhung der
Strömungsabrissreserven
von Kompressoren reduziert die Ersetzung der Vorsprung- und Stegstruktur
herkömmlicher
Kompressoren durch Rippen mit einem unveränderlichen rechteckigen Querschnitt Kosten
in Verbindung mit der Herstellung des Gehäuses 22 durch Elimination
von Bearbeitungsvorgängen.
-
Wenn
Elemente der vorliegenden Erfindung oder ihrer bevorzugten Ausführungsform(en)
eingeführt
werden, sollen die Artikel "ein", "der" und "dieser" die Bedeutung haben,
dass ein oder mehrere von den Elementen vorhanden sind. Die Begriffe, "aufweisend", "enthaltend" und "habend" sind im einschließenden Sinne
gedacht und bedeuten, dass zusätzliche
Elemente außer
den aufgeführten
Elementen vorhanden sein können.
-
Da
verschiedene Änderungen
in den vorstehenden Konstruktionen ohne Abweichung von dem Schutzumfang
der Erfindung ausgeführt
werden könnten,
soll der gesamte in der vorstehenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen
enthaltene Inhalt als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden
Sinne interpretiert werden.