DE60224902T2

DE60224902T2 - Gasturbinenauslass zur Reduzierung der thermischen Spannungen und Methode zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE60224902T2
Application number: DE60224902T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Paul Cincinnati Darnell; Robert Paul Cincinnati Czachor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: JP4033715B2; US20020182058A1; DE60224902D1; EP1262636B1; EP1262636A3; JP2003003863A; US6511284B2; EP1262636A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Gasturbinenauslässe.
Gasturbinentriebwerke umfassen einen Verdichter, um einer Brennkammer verdichtete Luft zuzuführen, wobei die Luft in der Brennkammer mit Treibstoff gemischt und entzündet wird, um Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase werden zu einer Turbine geleitet, die den Gasen Energie entzieht, um den Verdichter zu betreiben und Schub zum Antreiben des Flugzeuges zu erzeugen. Da Turbinenströmungswege, die die Verbrennungsgase leiten, den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, können in ihnen thermische Spannungen ausgelöst werden. Dass die Strukturen fortwährend den thermischen Spannungen und heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, kann eine thermische Ausdehnung der Strukturen, eine Zunahme ihres Durchmessers und Umfangs eingeschlossen, bewirken.
Gasturbinentriebwerke weisen auch einen ringförmigen Rahmen auf. Der Rahmen umfasst ein radial auswärts von einer ringförmigen Nabe beabstandetes Gehäuse. Eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Abstützungen erstreckt sich zwischen dem Gehäuse und der Nabe. Das stromab von der Brennkammer liegende Gehäuse ist heißen Verbrennungsgasen aus dem Verdichter ausgesetzt. Folglich sind die Abstützungen stromab von der Brennkammer ebenso heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt.
Da die Nabe massiver als das Gehäuse ist und da ein großer Teil der ringförmigen Nabe den heißen Verbrennungsgasen nicht ausgesetzt ist, steigen die Betriebstemperatu ren des Gehäuses während transienter Arbeitsvorgänge des Turbinentriebwerks viel schneller als die Betriebstemperaturen der Nabe. Als Ergebnis derartiger Temperaturunterschiede können sich thermische Spannungen zwischen der Nabe und dem Gehäuse entwickeln. Ist der Rahmen andauernd thermischen Spannungen ausgesetzt, so können dadurch ein Reißen des Rahmens aufgrund von Kurzzeitermüdung und ein schließliches Versagen des Rahmens möglich werden.
US-A-5316437 zeigt ein Schema für die Führung von Verbrennungsgasen durch einen Gasturbinenauslass, um – mit einem temperaturabhängigen Ventil zur Regulierung des Stroms heißer Gase – einen Wärmeausgleich des Gasturbinenauslasses zu erreichen.
US-A-6163959 lehrt ein Verfahren zur Verkleinerung eines Spalts zwischen einer Auskleidung und einem Turbinen-Verteiler und US-A-5167484 enthüllt eine Struktur zum Beaufschlagen eines mit einer Niederdruckwelle verbundenen Ausgleichskolbens mit einer Kraft sowie zur Erwärmung eines hinteren Turbinenrahmens. EP-A-0 344 877 zeigt eine schwimmende Struktur zur Unterstützung einer Auslassleitschaufel.
Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren für die Montage eines Gasturbinenauslasses zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
die Bereitstellung eines Gasturbinenauslasses mit einem ringförmigen Gehäuse, einer radial einwärts von dem Gehäuse liegenden Nabe, die einen ringförmigen primären Strömungsraum für die Leitung von Verbrennungsgasen zwischen dem Gehäuse und der Nabe definiert, wobei die Nabe eine Seitenwand enthält, die einen Hitzeschild aus Blech mit ei ner Vielzahl von Wellen zur Reduzierung der thermischen Spannungen bereitstellt; die Befestigung des Hitzeschildes an der Seitenwand, um einen sekundären Strömungsraum zu definieren, der zumindest an einen Teil der Nabe angrenzt und radial einwärts von der Nabe angeordnet ist, sowie die Befestigung einer Vielzahl von Abstützungen zwischen dem Gehäuse und der Nabe, die jeweils einen Kanal zu dem Gehäuse aufweisen, sodass jeder Kanal strömungstechnisch mit dem primären und dem sekundären Strömungsraum verbunden ist.
Die Erfindung stellt auch einen Gasturbinenauslass für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Symmetrieachse zur Verfügung, wobei der Gasturbinenauslass umfasst:
ein ringförmiges Gehäuse; eine Nabe, die radial einwärts von diesem Gehäuse angeordnet ist und einen ringförmigen primären Strömungsraum für die Leitung von Verbrennungsgasen zwischen dem Gehäuse und der Nabe definiert; einen an einer Seitenwand der Nabe angebrachten Blech-Hitzeschild, der einen radial einwärts von der Nabe angeordneten sekundären Strömungsraum definiert, wobei in dem Hitzeschild eine Vielzahl von Wellen ausgebildet ist; eine Vielzahl von an dem Gehäuse befestigten Abstützungen, wobei die Abstützungen sich von dem Gehäuse aus radial einwärts erstrecken und an der Nabe befestigt sind, und wobei die Abstützungen jeweils einen Kanal aufweisen, der strömungstechnisch mit dem primären und dem sekundären Strömungsraum verbunden ist.
Während des Betriebes strömen Verbrennungsgase aus dem primären Strömungsraum durch die Abstützungen und in den durch den Hitzeschild definierten zweiten Strömungsraum. Die Verbrennungsgase werden im Umfeld der Nabe durch den Hitzeschild zurückgehalten und erhöhen die Betriebstemperatur der Nabe, was ein geringeres Temperaturdifferenzial zwischen der Nabe und den Unterstützungen ermöglicht. Ferner erlauben die Wellen in dem Hitzeschild eine unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen dem Hitzeschild und der Nabe. Als Ergebnis wird die Reduzierung thermaler Spannungen zwischen den Abstützungen, der Nabe und dem Hitzeschild ermöglicht.
Eine Ausbildungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
1 ist eine Schemadarstellung eines Gasturbinentriebwerks;
2 ist eine axiale Teilansicht eines Gasturbinenauslasses, der mit dem in 1 gezeigten Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann;
3 ist ein schematischer Querschnitt des in 2 gezeigten Gasturbinenauslasses;
4 ist eine Teilperspektive des in 3 gezeigten Hitzeschildes mit Blick radial auswärts und
5 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt des Hitzeschildes aus 4.
1 ist eine Schemadarstellung eines Gasturbinentriebwerks 10 mit einem Niederdruckverdichter 12, einem Hochdruckverdichter 14 und einer Brennkammer 16. Das Triebwerk 10 umfasst außerdem eine Hochdruckturbine 18, eine Niederdruckturbine 20, einen Gasturbinenauslass 22 und ein Gehäuse 24. Eine erste Welle 26 verbindet den Niederdruckverdichter 12 mit der Niederdruckturbine 20 und eine zweite Welle 28 verbindet den Hochdruckverdichter 14 mit der Hochdruckturbine 18. Das Triebwerk 10 weist eine Symmetrieachse 32 auf, die sich von einer stromauf liegenden Seite 34 des Triebwerks 10 nach hinten zu einer stromab liegenden Seite 36 des Triebwerks 10 erstreckt. In einer Ausführungsform ist das Gasturbinentriebwerk 10 ein GE90-Triebwerk, das bei der Firma General Electric in Cincinnati, Ohio, erhältlich ist.
Während des Betriebs strömt Luft durch den Niederdruckverdichter 12, und verdichtete Luft wird dem Hochdruckverdichter 14 zugeführt. Hochverdichtete Luft wird der Brennkammer 16 zugeführt. Die Verbrennungsgase 38 aus der Brennkammer 16 treiben die Turbinen 18 und 20 an. Die Hochdruckturbine 18 dreht die zweite Welle 28 und den Hochdruckverdichter 14, während die Niederdruckturbine 20 die erste Welle 26 und den Niederdruckverdichter 12 um die Achse 32 dreht.
2 ist eine axiale Teilansicht des Gasturbinenauslasses 22. 3 ist ein schematischer Querschnitt des Gasturbinenauslasses 22. Der Gasturbinenauslass 22 umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten und sich radial erstreckenden Abstützungen 40. Der Gasturbinenauslass 22 umfasst außerdem eine Nabe 50 und eine ringförmige Lageraufnahme 56. Die Nabe 50 ist an der ringförmigen Lageraufnahme 56 befestigt, um die erste Welle 26 (in 1 dargestellt) zu halten. Die Abstützungen 40, die Nabe 50 und die Lageraufnahme 56 bieten eine relativ starre Anordnung für die Übertragung der Rotorlasten auf das Gehäuse 24 während des Betriebs des Triebwerks 10.
Zwischen dem Gehäuse 24 und der Nabe 50 ist ein primärer Strömungsraum 60 definiert. Der primäre Strömungsraum 60 ist ringförmig und erstreckt sich in Umfangrichtung innerhalb des Gehäuses 24. Die Abstützungen 40 erstrecken sich radial durch den primären Strömungsraum 60. Während des Triebwerks-Betriebs strömen Verbrennungsgase 38 von der Niederdruckturbine 20 durch den primären Strömungsraum 60. Jede Abstützung 40 enthält zumindest einen Kanal 62, der sich von dem primären Strömungsraum 60 bis unterhalb der Nabe 50 erstreckt. Der Kanal 62 ermöglicht den Strom der Verbrennungsgase 38 innerhalb der Abstützung 40 von dem primären Strömungsraum 60 bis unterhalb der Nabe 50.
Die Nabe 50 umfasst ein Mittelteil 64, eine vordere Seitenwand 66, eine innere Schiene 68 und eine Naben-Hinterteil 70. Die vordere Seitenwand 66 umfasst eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 76, die sich axial durch die vordere Seitenwand 66 erstrecken. In der beispielhaften Ausführungsform befinden sich die Austrittsöffnungen 76 der vorderen Seitenwand in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Abstützungen 40.
Ein Hitzeschild 80 definiert einen ringförmigen sekundären Strömungsraum 82, der sich radial einwärts von der Nabe 50 und neben dieser befindet. Der Kanal 62 ermöglicht einen Strom von Verbrennungsgasen 38 aus dem primären Strömungsraum 60 zu dem sekundären Strömungsraum 82.
Der Hitzeschild 80 umfasst ein Vorderteil 84, ein hinteres Teil 86 und ein Mittelteil 88. Das Mittelteil 88 um fasst eine radial einwärts liegende Oberfläche 90 und eine radial auswärts liegende Oberfläche 92 und weist eine Dicke 94 zwischen der inneren Fläche 90 und der radial auswärts liegenden Fläche 92 auf. In einer Ausführungsform ist der Hitzeschild 80 aus Leichtmetallblech mit einer Dicke 94 von 0,508 mm (0,020 Zoll) hergestellt. In einer alternativen Ausführungsform beträgt die Dicke 94 3,175 mm (0,125 Zoll). Der Hitzeschild 80 ist an der inneren Schiene 68 befestigt. In einer Ausführungsform ist das Vorderteil 84 an die innere Schiene 68 geschweißt. In einer anderen Ausführungsform ist das Vorderteil 84 mittels einer Vielzahl von Befestigungsmitteln (nicht gezeigt) an der inneren Schiene 68 befestigt. Der Hitzeschild 80 erstreckt sich derart von der inneren Schiene 68 radial stromabwärts, dass das hintere Teil 86 des Hitzeschildes das hintere Teil 70 der Nabe berührt.
4 ist eine Teilsperspektive des Hitzeschildes 80 mit Blick radial auswärts. 5 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt des Hitzeschildes 80. Der Hitzeschild 80 umfasst eine Vielzahl von Wellen 96. Die Wellen 96 sorgen für eine Reduzierung der thermischen Spannungen, um eine Reduzierung der Unterschiede bei der thermischen Ausdehnung zu ermöglichen. Genauer gesagt ermöglichen die Wellen 96 die Reduzierung der thermischen Spannungen zwischen der Nabe 50 und dem Hitzeschild 80. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Wellen 96 glatte, gerundete Vorsprünge, die sich von dem vorderen Teil 84 zu dem hinteren Teil 86 erstrecken. In einer alternativen Ausführungsform erstrecken sich die Wellen 96 teilweise zwischen dem vorderen Teil 84 und dem hinteren Teil 86.
In der beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Wellen 96 radial einwärts und sind in Bezug auf die Achse 32 in einem 45-Grad-Winkel 100 ausgerichtet. In einer anderen Ausführungsform erstrecken sich die Wellen 96 in Bezug auf die Achse 32 in einem schiefen Winkel 100. In einer alternativen Ausführungsform erstrecken sich die Wellen 96 radial auswärts (nicht gezeigt). In einer noch anderen alternativen Ausführungsform erstrecken sich die Wellen 96 radial einwärts und auswärts (nicht gezeigt).
Siehe 3: Während des Betriebes des Gasturbinentriebwerks 10 strömen Verbrennungsgase 38 aus der Niederdruckturbine 20 (dargestellt in 1) und prallen auf die Abstützungen 40. Der Kanal 62 leitet einen Sekundärstrom 110 von Verbrennungsgasen 38 in den sekundären Strömungsraum 82. Der Hitzeschild 80 hält den Sekundärstrom 110 in dem sekundären Strömungsraum 82 neben der Nabe 50 und ermöglicht so die Reduzierung eines Temperaturdifferenzials zwischen den Abstützungen 40 und der Nabe 50. Der Sekundärstrom 110 verlässt den sekundären Strömungsraum 82 durch die Austrittsöffnungen 76.
Als Ergebnis wird die Reduzierung thermischer Spannungen zwischen der Nabe 50, den Abstützungen 40 und dem Hitzeschild 80 ermöglicht. Zusätzlich ermöglicht der Sekundärstrom 110 die Reduzierung der Umfangstemperaturänderungen in der Nabe 50 und reduziert so das mittlere Belastungsniveau in dem Gasturbinenauslass 22.
Der oben beschriebene Hitzeschild ist kosteneffizient und hochverlässlich. Der Gasturbinenauslass enthält einen Hitzeschild mit Wellen zur Reduzierung von thermischen Spannungen innerhalb der Nabe. Der Hitzeschild hält einen Sekundärstrom innerhalb eines um die Nabe geschaffenen Hohlraums. Als Ergebnis wird ein Gasturbinenauslass zur Verfügung gestellt, der den Betrieb eines Gasturbinentriebwerks mit hoher Effizienz und Leistung bei gleichzeitiger Reduzierung der in dem Gasturbinenauslass induzierten thermischen Spannungen ermöglicht.

Claims

Verfahren für die Montage eines Gasturbinenauslasses (22), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: das Zur-Verfügung-Stellen eines Gasturbinenauslasses mit einem ringförmigen Gehäuse (24) und einer radial einwärts von diesem Gehäuse angeordneten Nabe (50), die einen ringförmigen primären Strömungsraum (60) für die Leitung von Verbrennungsgasen zwischen dem Gehäuse und der Nabe definiert, wobei die Nabe (50) eine Seitenwand (66) enthält; das Zur-Verfügung-Stellen eines Hitzeschildes (80) aus Blech mit einer Vielzahl von Wellen (96) zur Reduzierung der thermischen Spannungen; die Befestigung des Hitzeschildes an der Seitenwand, um einen sekundären Strömungsraum (82) zu definieren, der zumindest an einen Teil der Nabe angrenzt und radial einwärts von der Nabe angeordnet ist, sowie die Befestigung einer Vielzahl von Abstützungen (40) zwischen dem Gehäuse und der Nabe, die jeweils einen Kanal zu dem Gehäuse (24) aufweisen, so dass jeder Kanal strömungstechnisch mit dem primären und dem sekundären Strömungsraum verbunden ist.
Gasturbinenauslass (22) für ein Gasturbinentriebwerk (10) mit einer Symmetrieachse (32), wobei der Gasturbinenauslass umfasst: ein ringförmiges Gehäuse (24); eine Nabe (50), die radial einwärts von diesem Gehäuse angeordnet ist und einen ringförmigen primären Strömungsraum (60) für die Leitung von Verbrennungsgasen zwischen dem Gehäuse und der Nabe definiert; einen an einer Seitenwand (66) der Nabe (50) angebrachten Blech-Hitzeschild (80), der einen radial einwärts von der Nabe angeordneten sekundären Strömungsraum (82) definiert, wobei in dem Hitzeschild eine Vielzahl von Wellen (96) ausgebildet ist und eine Vielzahl von an dem Gehäuse (24) befestigten Abstützungen (40), wobei die Abstützungen sich von dem Gehäuse radial einwärts erstrecken und an der Nabe (50) befestigt sind, und wobei die Abstützungen jeweils einen Kanal (62) aufweisen, so dass jeder Kanal strömungstechnisch mit dem primären Strömungsraum (60) und dem sekundären Strömungsraum (82) verbunden ist.
Gasturbinenauslass (22) nach Anspruch 2, wobei die Wellen (96) bezogen auf die Symmetrieachse des Turbinentriebwerks (32) in einem schiefen Winkel (100) ausgerichtet sind.
Gasturbinenauslass (22) nach Anspruch 2, wobei die Wellen (96) bezogen auf die Symmetrieachse des Turbinentriebwerks (32) in einem 45-Grad-Winkel (100) ausgerichtet sind.
Gasturbinenauslass (22) nach Anspruch 2, wobei die Nabe (50) Seitenwände (66) aufweist, die mit Innen schienen (68) versehen sind und wobei der Hitzeschild (80) an den Innenschienen befestigt ist.
Gasturbinenauslass (22) nach Anspruch 2, wobei die Wellen (96) sich von dem Hitzeschild (80) radial einwärts und radial auswärts erstrecken.
Gasturbinenauslass (22) nach Anspruch 2, wobei der Hitzeschild (80) ein Vorderteil (84), ein hinteres Teil (86) und ein Mittelteil (88) aufweist und wobei die Wellen (96) sich von dem Vorderteil zu dem hinteren Teil des Hitzeschildes erstrecken.
Gasturbinenauslass (22) nach Anspruch 2, wobei der Hitzeschild (80) eine Dicke (94) von unter 3,175 mm (0,125 Inch) aufweist.
Gasturbinentriebwerk (10) mit einem Gasturbinenauslass (22) nach einem der Ansprüche 2 bis 8.