DE602005000290T2

DE602005000290T2 - Hochdruckturbinenstator einer Strömungsmaschine und deren Zusammenbauverfahren

Info

Publication number: DE602005000290T2
Application number: DE602005000290T
Authority: DE
Inventors: Anne-Marie Arraitz; Thierry Fachat; Jerôme Friedel; Alain Gendraud; Delphine Roussin
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: CA2500493A1; JP2005264935A; EP1577501B1; ES2273318T3; UA87968C2; JP4526420B2; CA2500493C; RU2374459C2; RU2005106888A; US20050238477A1; FR2867805A1; EP1577501A1; US7360987B2; DE602005000290D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der Spielsteuerung an der Spitze der beweglichen Schaufeln einer Hochdruckturbine einer Turbomaschine. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum Zusammenbau der sektorisierten Elemente, die den Stator einer Hochdruckturbine einer Turbomaschine bilden.
Der Stator einer Hochdruckturbine einer Turbomaschine besteht hauptsächlich aus einem ringförmigen Gehäuse, das um eine Längsachse der Turbine angeordnet ist, einer Vielzahl von sektorisierten Querstreben, die auf dem Gehäuse befestigt sind, und einer Vielzahl von Ringsegmenten, die auf den Querstreben befestigt sind und eine kreisförmige Fläche bilden, die bewegliche Schaufeln eines Rotors der Turbine umgeben.
Es ist bekannt, daß es zur Erhöhung der Leistung einer solchen Turbine notwendig ist, das Spiel, das zwischen der Spitze der beweglichen Schaufeln des Rotors der Turbine und den Teilen des Stators, die ihnen gegenüber liegen, vorhanden ist, möglichst zu verringern.
Diese Verringerung des Spiels an der Schaufelspitze wird dadurch erreicht, daß der Durchmesser des Gehäuses der Turbine je nach ihrem Betriebszustand variiert wird. Im Allgemeinen sind ringförmige Leitungen des Stators der Turbine um das Gehäuse angeordnet und von Luft durchströmt, die an anderen Teilen der Turbomaschine entnommen wird. Die Luft wird in das Gehäuse eingeleitet und führt somit zu thermischen Dehnungen oder Kontraktionen des Stators der Turbine, die zu einer Durchmesseränderung führen. Die Luftzirkulationsleitungen bilden ein Gehäuse zur Spielsteuerung an der Schaufelspitze.
Die Gehäuse zur Spielsteuerung an der Schaufelspitze, die bisher bekannt sind, ermöglichen es nicht immer, eine große Einheitlichkeit der Temperatur über den gesamten Umfang des Gehäuses der Turbine zu erzielen, was zu Verzerrungen des Gehäuses führen kann, die besonders nachteilig für die Leistung und die Lebensdauer der Hochdruckturbine sind.
Beispielsweise beschreibt das Dokument EP 1 258 599 eine Methode zum Zusammenbau eines Spielkontrollsystems in einer Turbomaschine.
Gegenstand und Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung soll somit solche Nachteile vermeiden, wobei sie ein Verfahren zum Zusammenbau der sektorisierten Elemente eines ringförmigen Stators einer Hochdruckturbine vorschlägt, das es ermöglicht, eine Spielsteuerung an der Schaufelspitze zu erzielen, die zu möglichst geringen und in allen Fällen sich wiederholenden thermischen Verzerrungen führt.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau von sektorisierten Elementen eines ringförmigen Stators einer Hochdruckturbine einer Turbomaschine um eine Längsachse der Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, ein Winkelverteilungsmuster der Elemente des Stators für einen vorbestimmten Winkelsektor zu definieren, wobei das Verteilungsmuster derart definiert ist, daß eine radiale Ausrichtung zwischen Zonen zwischen den Sektoren der Elemente des Stators, die zwischen zwei aneinander grenzenden Sektoren eines selben Elements des Stators definiert sind, vermieden und das Verteilungsmuster über den gesamten Umfangs des Stators wiederholt wird.
Vorzugsweise wird das Winkelverteilungsmuster rotationssymmetrisch in Bezug auf den vorbestimmten Winkelsektor wiederholt.
Wenn die Elemente des Stators aus einem ringförmigen Gehäuse, einer Vielzahl von sektorisierten Querstreben, auf denen eine Vielzahl von Ringsektoren befestigt ist, die eine kontinuierliche kreisförmige Fläche bilden, die bewegliche Schaufeln eines Rotors der Turbine umgibt, und aus einer Vielzahl von Winkelsektoren von Gehäusen zur Luftzirkulation bestehen, die dazu bestimmt sind, die Luft auf dem Gehäuse abzuleiten, um die Steuerung des Spiels an der Spitze der beweglichen Schaufeln des Rotors der Hochdruckturbine zu ermöglichen, ist das Winkelverteilungsmuster der Elemente des Stators vorzugsweise derart definiert, daß eine Radialausrichtung zwischen den Zonen zwischen den Querstreben, die zwischen zwei aneinander grenzenden Querstreben definiert sind, und den Zonen zwischen den Sektoren des Gehäuses, die zwischen zwei aneinander grenzenden Sektoren des Gehäuses definiert sind, vermieden wird.
Auf diese Weise wird vermieden, Zonen des Gehäuses, von denen keine Luft durch die Sektoren von Gehäusen zur Luftzirkulation abgeleitet wurde, mit Zonen zwischen den Querstreben radial auszurichten. Auf dem vorbestimmten Winkelsektor erfolgen die Temperaturverteilung des Gehäuses und die thermischen Verzerrungen, die sich ergeben, somit auf einheitliche Weise.
Wenn ferner die Winkelverteilung symmetrisch wiederholt wird, erfolgt die Temperaturverteilung des Gehäuses symmetrisch auf dem gesamten Umfang des Gehäuses. Daraus ergibt sich, daß die thermischen Verzerrungen des Gehäuses im Wesentlichen sich wiederholend sind, was die Kontrolle vereinfacht.
Wenn die Elemente des Stators ferner aus einer Vielzahl von Luftzufuhröffnungen gebildet ist, die durch das Gehäuse angeordnet und dazu bestimmt sind, eine Stufe eines Niederdruckverteilers der Turbomaschine, der sich stromabwärts zu der Hochdruckmaschine befindet, mit Luft zu versorgen, besteht das Verfahren ferner darin, jede Luftzufuhröffnung mit einer Zone zwischen den Sektoren des Gehäuses radial auszurichten.
Vorzugsweise entspricht der vorbestimmte Winkelsektor einem Winkelsektor eines Gehäuses zur Luftzirkulation. Ferner sind mit jedem Winkelsektor eines Gehäuses zur Luftzirkulation vorzugsweise drei Querstreben und eine Luftzufuhröffnung verbunden.
Die Erfindung betrifft auch einen Stator einer Hochdruckturbine, dessen Winkelverteilung der sektorisierten Elemente zu geringen und sich wiederholenden thermischen Verzerrungen führt.
Der Stator der Hochdruckturbine ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Stators winkelmäßig um die Längsachse der Hochdruckturbine verteilt sind, um eine radiale Ausrichtung zwischen den Zonen zwischen den Querstreben, die zwischen zwei aneinander grenzenden Querstreben definiert sind, und den Zonen zwischen den Sektoren des Gehäuses, die zwischen zwei aneinander grenzenden Gehäusesektoren definiert sind, zu vermeiden.
Vorzugsweise sind die Elemente des Stators winkelmäßig um die Längsachse der Hochdruckturbine verteilt, um ferner radial jede Luftzufuhröffnung mit einer Zone zwischen den Sektoren des Gehäuses radial auszurichten.
Auf vorteilhafte Weise umfaßt der Stator N Winkelsektoren von Gehäusen zur Luftzirkulation, 3N Querstreben, N Luftzufuhröffnungen und 6N Ringsektoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der untenstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor, die ein Ausführungsbeispiel darstellen, das keinesfalls einschränkenden Charakter hat. In den Figuren:

– ist 1 eine Perspektive eines Stators einer Hochdruckturbine gemäß der Erfindung;
– ist 2 eine schematische Querschnittansicht des Stators aus 1; und
– sind die 3 und 4 schematische Querschnittansichten von Statoren nach weiteren Ausführungsarten der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform
Der Stator 10 einer Hochdruckturbine umfaßt ein ringförmiges Gehäuse 12, das um eine Längsachse X-X der Hochdruckturbine angeordnet ist.
Auf der Innenseite des ringförmigen Gehäuses 12 sind eine Vielzahl von sektorisierten Querstreben 14 befestigt, die am Umfang um die Längsachse X-X der Turbine angeordnet sind. Unter sektorisierten Elementen ist in der nachfolgenden Beschreibung zu verstehen, daß die bezeichneten Elemente in Form von Winkelsektoren vorhanden sind, die, wenn sie aneinander gelegt werden, eine ringförmige Einheit bilden.
Ringsegmente 16 sind auf der Innenseite der Querstreben 14 befestigt. Die Ringsektoren 16 sind am Umfang um die Längsachse X-X der Turbine angeordnet und bilden eine kontinuierliche kreisförmige Fläche, die bewegliche Schaufeln (in den Figuren nicht dargestellt) eines Rotors (nicht dargestellt) der Hochdruckturbine umgibt.
Die Innenseite der Ringsektoren 16 definiert zum Teil den Ableitungskanal der aus der Brennkammer (nicht dargestellt) der Turbomaschine kommenden Gase, die durch die Hochdruckturbine strömen.
Ein Spiel (nicht dargestellt) wird zwischen der Innenseite der Ringsektoren 16 und der Spitze der beweglichen Schaufeln des Rotors der Turbine gelassen, um die Drehung dieser letztgenannten zu ermöglichen.
Um die Leistung der Turbine zu erhöhen, ist es erforderlich, dieses Spiel möglichst zu verringern. Zu diesem Zweck ist eine Spielkontrolleinrichtung 18 vorgesehen. Diese Einrichtung besteht insbesondere aus einem Luftsammelrohr 20, das um das Gehäuse 12 angeordnet ist und mit Luft über mindestens eine Zufuhrleitung 22 (in 1 ist nur eine dargestellt) versorgt wird.
Das Luftsammelrohr 20 versorgt eine Vielzahl von Winkelsektoren von Gehäusen zur Luftzirkulation 24 mit Luft, die am Umfang des Gehäuses 12 mit Hilfe von Befestigungsleisten 26 befestigt sind. Die Versorgung dieser Gehäusesektoren zur Luftzirkulation 24 erfolgt mit Hilfe von mit dem Sammelrohr 20 verbundenen dichten prismenförmigen Schellen 28.
In 1 besteht jeder Gehäusesektor 24 drei Luftzirkulationsrampen, die axial beabstandet und im Wesentlichen zueinander parallel sind. Jede dieser Rampen ist mit einer Vielzahl von Löchern (nicht dargestellt) durchbohrt, die die Luft auf dem Gehäuse 14 ableiten, um seine Temperatur zu ändern.
Überdies ist eine Vielzahl von Luftzufuhröffnungen 30 durch das Gehäuse 12 hindurch vorgesehen. Diese Öffnungen 30 sind dazu bestimmt, eine Stufe eines Niederdruckverteilers (nicht in den Figuren dargestellt) der Turbomaschine, der stromabwärts zur Hochdruckturbine angeordnet ist, mit Luft zu versorgen.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Zusammenbau dieser verschiedenen Elemente des Stators der Turbine um ihre Längsachse X-X vor.
Erfindungsgemäß besteht dieses Verfahren darin, ein Winkelverteilungsmuster der Elemente des Stators 10 für einen vorbestimmten Winkelsektor ψ zu zu definieren und das Muster auf dem gesamten Umfang des Stators zu wiederholen.
Das Verteilungsmuster der Elemente des Stators 10 auf einem vorbestimmten Winkelsektor ψ ist derart definiert, daß eine radiale Ausrichtung zwischen Zonen zwischen den Sektoren von Elementen des Stators vermieden wird. Die Zonen zwischen den Sektoren sind als Zonen definiert, die sich zwischen zwei aneinander grenzenden Sektoren eines selben Elements des Stators befinden.
Der vorbestimmte Winkelsektor ψ wird vorzugsweise derart gewählt, daß er einem Winkelsektor des Gehäuses 24 entspricht.
2 stellt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. In dieser Figur wurde als vorbestimmter Winkelsektor ψa ein Sektor von 60° gewählt.
Auf diesem Winkelsektor ψa sind die Elemente des Stators 10 derart angeordnet, daß eine radiale Ausrichtung zwischen Zonen zwischen den Sektoren von Elementen des Stators vermieden wird. Insbesondere wird die Winkelverteilung derart gewählt, daß eine radiale Ausrichtung zwischen den Zonen 14a zwischen den Querstreben, die zwischen zwei aneinander grenzenden Querstreben definiert sind, und den Zonen 24a zwischen den Sektoren des Gehäuses, die zwischen zwei aneinander grenzenden Sektoren 24 des Gehäuses definiert sind, vermieden wird.
Eine solche Verteilung 14 der Querstreben in Bezug auf die Gehäusesektoren 24 ermöglicht es, eine radiale Ausrichtung zwischen Zonen des Gehäuses 12 zu vermeiden, in denen die Luft nicht von der Spielkontrolleinrichtung 18 abgeleitet wird (d.h. im Bereich der Zonen 24a zwischen den Sektoren des Gehäuses und der Zonen 14a zwischen den Querstreben).
Auf diese Weise erfolgen die Temperaturverteilung des Gehäuses 12 auf dem Winkelsektor ψa und somit die daraus resultierenden thermischen Verzerrungen im Wesentlichen auf einheitliche Weise.
Das so auf dem Winkelsektor ψa definierte Verteilungsmuster wird nun über den gesamten Umfang des Stators 10 wiederholt. In dem Beispiel der 1 wird das Verteilungsmuster fünfmal wiederholt, bevor der gesamte Umfang des Stators abgedeckt ist.
Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird das Verteilungsmuster auf dem gesamten Umfang des Stators drehsymmetrisch in Bezug auf den vorbestimmten Winkelsektor ψa wiederholt.
So erfolgt die Temperaturverteilung des Gehäuses 12 symmetrisch auf dem gesamten Umfang des Gehäuses. Daraus ergibt sich, daß die thermischen Verzerrungen des Gehäuses 12 im Wesentlichen sich wiederholend sind, was ihre Kontrolle erleichtert.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist das Winkelverteilungsmuster der Elemente des Stators 10 für den vorbestimmten Winkelsektor auch derart definiert, daß jede Luftzufuhröffnung 30 radial mit einer Zone zwischen den Sektoren des Gehäuses 24a ausgerichtet wird. Diese besondere Anordnung der Luftzufuhröffnungen 30 trägt auch dazu bei, die Einheitlichkeit der Temperatur des Gehäuses 12 zu verbessern.
In 2 ist gut zu sehen, daß die Öffnungen 30, die dazu bestimmt sind, eine Stufe eines Niederdruckverteilers mit Luft zu versorgen, jeweils zwischen zwei aneinander grenzenden Gehäusesektoren 24 angeordnet sind.
3 stellt ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. In dieser Figur wurde als vorbestimmter Winkelsektor ψb ein Sektor von 90° gewählt. Dieser Winkelsektor ψb entspricht einem Winkelsektor des Gehäuses 24.
Auf diesem Winkelsektor ψb sind die Elemente des Stators 10 einerseits derart angeordnet, daß eine radiale Ausrichtung zwischen Zonen zwischen den Sektoren von Elementen des Stators vermieden wird, und andererseits derart, daß jede Luftzufuhröffnung 30 radial mit einer Zone zwischen den Sektoren des Gehäuses 24a ausgerichtet wird.
Diese Winkelanordnung wird auch auf dem Stator der 4 eingehalten, die ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. In dieser Figur wurde als vorbestimmter Winkelsektor ψc ein Sektor von 30° entsprechend einem Winkelsektor des Gehäuses 24 gewählt.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß jedem Winkelsektor eines Gehäuses zur Luftzirkulation 24 drei Querstreben 14 und eine Luftzufuhröffnung 30 zugeordnet sind. Überdies ist es auch vorteilhaft, zwei Ringsektoren 16 jeder Querstrebe 14 zuzuordnen.
Mit anderen Worten umfaßt der Stator 10 der Hochdruckturbine gemäß der Erfindung N Winkelsektoren von Gehäusen zur Luftzirkulation 24, 3N Querstreben 14, N Luftzufuhröffnungen 30 und 6N Ringsektoren 16.
So werden die Konfigurationen A, B und C der folgenden Tabelle erhalten, die den Ausführungsbeispielen des Stators der 2, 3 bzw. 4 entsprechen. Diese Tabelle zeigt die Anzahl von sektorisierten Elementen in Abhängigkeit von der Konfiguration A, B oder C an.

Claims

Verfahren zum Zusammenfügen sektorisierter Elemente (14, 24) eines ringförmigen Stators (10) einer Turbomaschinen-Hochdruckturbine um eine Längsachse (X-X) der Turbine, wobei der Stator umfaßt: – ein ringförmiges Gehäuse (12), das um die Längsachse (X-X) der Hochdruckturbine angeordnet ist; – eine Vielzahl von Stegen (14), die sektorisiert und an dem Gehäuse (12) angebracht sind und an denen eine Vielzahl von Ringsektoren (16) befestigt ist, die umfangseitig um die Längsachse (X-X) der Turbine derart angeordnet sind, daß sie eine durchgehende kreisförmige, Laufschaufeln eines Rotors der Turbine umgebende Fläche bilden; sowie – eine Vielzahl von Gehäusewinkelsektoren zur Luftzirkulation (24), die umfangseitig um das Gehäuse (12) angeordnet und dazu bestimmt sind, Luft auf das Gehäuse zu entladen, um die Steuerung des Spiels an der Spitze der Laufschaufeln des Rotors der Turbine zu ermöglichen; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es darin besteht: – ein Winkelverteilungsmuster der Elemente des Stators für einen vorbestimmten Winkelsektor (ψ) zu definieren, wobei das Muster derart definiert ist, daß ein radiales Fluchten zwischen den Zwischenstegbereichen (14a), die zwischen zwei benachbarten Stegen (14) gebildet sind, und den Gehäusezwischensektorbereichen (24a), die zwischen zwei benachbarten Gehäusesektoren (24) gebildet sind, vermieden wird; und – das genannte Verteilungsmuster über den gesamten Umfang des Stators zu wiederholen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelverteilungsmuster rotationssymmetrisch zu dem vorbestimmten Winkelsektor (ψ) wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die Elemente des Stators ferner aus einer Vielzahl von Luftzufuhröffnungen (30) bestehen, die durch das Gehäuse (12) angeordnet und dazu bestimmt sind, eine Stufe eines Niederdruckverteilers der Turbomaschine, welcher stromabwärts der Hochdruckturbine angeordnet ist, mit Luft zu beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Verfahren ferner darin besteht, eine jede Luftzufuhröffnung (30) mit einem Gehäusezwischensektorbereich (24a) radial auszurichten.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem vorbestimmten Winkelsektor (ψ) ein Gehäusewinkelsektor zur Luftzirkulation (24) entspricht.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Gehäusewinkelsektor zur Luftzirkulation (24) drei Stege (14) sowie eine Luftzufuhröffnung (30) zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Steg (14) zwei Ringsektoren (16) zugeordnet sind.
Stator einer Turbomaschinen-Hochdruckturbine, welcher die folgenden Elemente umfaßt: – ein ringförmiges Gehäuse (12), das um eine Längsachse (X-X) der Hochdruckturbine angeordnet ist; – eine Vielzahl von Stegen (14), die sektorisiert und an dem Gehäuse (12) angebracht sind und an denen eine Vielzahl von Ringsektoren (16) befestigt ist, die umfangseitig um die Längsachse (X-X) der Hochdruckturbine derart angeordnet sind, daß sie eine durchgehende kreisförmige, Laufschaufeln eines Rotors der Hochdruckturbine umgebende Fläche bilden; – eine Vielzahl von Gehäusewinkelsektoren zur Luftzirkulation (24), die umfangseitig um das Gehäuse (12) angeordnet und dazu bestimmt sind, Luft auf das Gehäuse zu entladen, um die Steuerung des Spiels an der Spitze der Laufschaufeln des Rotors der Hochdruckturbine zu ermöglichen; sowie – eine Vielzahl von Luftzufuhröffnungen (30), die durch das Gehäuse (12) angeordnet und dazu bestimmt sind, eine Stufe eines Niederdruckverteilers der Turbomaschine, welcher stromabwärts der Hochdruckturbine angeordnet ist, mit Luft zu beaufschlagen; dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Stators derart winkelmäßig um die Längsachse (X-X) der Hochdruckturbine verteilt sind, daß ein radiales Fluchten zwischen den Zwischenstegbereichen (14a), die zwischen zwei benachbarten Stegen (14) gebildet sind, und den Gehäusezwischensektorbereichen (24a), die zwischen zwei benachbarten Gehäusesektoren (24) gebildet sind, vermieden wird.
Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Stators ferner derart winkelmäßig um die Längsachse (X-X) der Hochdruckturbine verteilt sind, daß jede Luftzufuhröffnung (30) mit einem Gehäusezwischensektorbereich (24a) fluchtet.
Stator nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß er N Gehäusewinkelsektoren zur Luftzirkulation (24), 3N Stege (14) und N Luftzufuhröffnungen (30) umfaßt.
Stator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er 6N Ringsektoren (16) umfaßt.