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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerksleitapparate
und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zur Montage von Gasturbinentriebwerksleitapparaten.
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Gasturbinentriebwerke
enthalten Brennkammern, die Treibstoff-Luft-Gemische zünden, welche dann
durch eine Turbinendüsen-
bzw. -leitapparatanordnung zu einer Turbine geleitet werden. Zumindest einige
bekannte Turbinenleitapparatanordnungen enthalten mehrere Leitapparate,
die in Umfangsrichtung angeordnet und als Dubletten konstruiert
sind. Zumindest einige bekannte Turbinenleitapparate enthalten mehr
als zwei in Umfangsrichtung zueinander in Abstand angeordnete ausgehöhlte Schaufelblätter, die
durch integral ausgebildete Plattformen eines inneren und eines äußeren Deckbandes
aneinander gekoppelt sind. Genauer gesagt, bildet das innere Deckband
eine radial innere Strömungspfadbegrenzung,
während
das äußere Deckband
eine radial äußere Strömungspfadbegrenzung
bildet. Andere bekannte Turbinenleitapparate sind in einer freitragenden
Anordnung montiert, bei der das innere Deckband radial und axial
beweglich ist, während
das äußere Deckband
an Vorder- und Hinterhaken
eingespannt ist.
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Eine
Ausbildung des Turbinenleitapparates mit mehr als zwei integral
gebildeten Schaufelblättern
ermöglicht
eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit
und eine Reduktion von Leckagen im Vergleich mit Turbinenleitapparaten,
die lediglich ein oder zwei Schaufelblätter enthalten. Entsprechend
enthalten zumindest einige bekannte Turbinenleitapparate zumindest
ein einzelnes Schaufelblatt, das zwischen einem Paar in Umfangsrichtung
angeordneter äußerer Schaufelblätter positioniert
ist. Im laufenden Betrieb können
jedoch Temperaturgradienten und aerodynamische Belastungen zu thermischen
Spannungen und thermischer Verbiegung bzw. Sehnenbildung (Chording)
an einer Verbindungsstelle zwischen den Schaufelblättern und
dem äußeren Deckband
führen. Insbesondere
können
höhere
Spannungen in den äußeren Schaufelblättern herbeigeführt werden
als in den Schaufelblättern,
die zwischen den äußeren Schaufelblättern positioniert
sind. Mit der Zeit können die
in dem Turbinenleitapparat hervorgerufenen lokalen Spannungen zu
einem vorzeitigen Ausfall des Turbinenleitapparates führen.
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Um
eine Reduktion von Auswirkungen thermischer Gradienten und einer
aerodynamischen Beanspruchung zu fördern, wird zumindest innerhalb
einiger bekannter Turbinenleitapparate eine Verrundung mit variablem
Radius zwischen jedem Schaufelblatt und dem äußeren Band gebildet. Wenigstens einige
bekannte Turbinenleitapparate sind jedoch mit geringer aerodynamischer
Konvergenz konstruiert, um eine leichte Durchströmung für die Leitschaufelkühlung zu
ermöglichen
und um Kühl-
und Spülluft
für die
Niederdruckturbinenrotorhohlräume
der Hochdruckturbine durchströmen
zu lassen. Auf diese Weise kann die Erweiterung der Verrundungen
entlang der Schaufelblätter
in unerwünschter
Weise die aerodynamische Konvergenz durch ein Turbinenleitapparat
reduzieren. Darüber
hinaus kann die reduzierte aerodynamische Konvergenz unter extremen
Umständen
dazu führen,
das sich die aerodynamische Verengung des Leitapparates von der
Leitapparathinterkante nach vorne verschiebt, was somit eine instabile
aerodynamischen Umgebung zur Folge hat.
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Eine
solche Anordnung ist in der EP-A-1 039 096 offenbart.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein Turbinenleitapparat für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen.
Der Leitapparat enthält
ein äußeres Deckband,
ein inneres Deckband und mehrere Schaufelblätter, die durch das äußere Deckband
und das innere Deckband miteinander verbunden sind. Die mehreren
Schaufelblätter
enthalten zumindest ein erstes Schaufelblatt und ein zweites Schaufelblatt.
Das erste Schaufelblatt enthält
eine Verrundung mit variablem Radius, die sich zwischen dem äußeren Deckband
und dem ersten Schaufelblatt erstreckt. Das zweite Schaufelblatt
ist mit dem äußeren Deckband
lediglich über
eine Verrundung mit festem Radius verbunden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthält ein
Gasturbinentriebwerk zumindest einen Turbinenleitapparat, der ein äußeres Deckband,
ein inneres Deckband und mehrere Schaufelblätter enthält, die durch das äußere und
das innere Deckband miteinander verbunden sind. Die mehreren Schaufelblätter enthalten
ein erstes Schaufelblatt und ein zweites Schaufelblatt, das in Umfangsrichtung
neben dem ersten Schaufelblatt positioniert ist. Das erste Schaufelblatt
enthält
zumindest eine Verrundung mit variablem Radius, die sich zwischen
dem ersten Schaufelblatt und dem äußeren Deckband erstreckt. Das zweite
Schaufelblatt weist lediglich eine einzelne Verrundung mit festem
Radius auf, die sich zwischen dem äußeren Deckband und dem zweiten
Schaufelblatt erstreckt.
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Die
Erfindung ist nun detaillierter anhand von Beispielen und unter
Bezug auf Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Turbinenleitapparats, der gemeinsam
mit dem in 1 veranschaulichten Gasturbinentriebwerk
verwendet werden kann;
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3 eine
perspektivische Seitenansicht des in 2 veranschaulichten
Turbinenleitapparats; und
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4 ist
eine Querschnittsansicht des in 3 veranschaulichten
Turbinenleitapparats, geschnitten entlang der Linie 4-4.
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1 zeigt
eine schematisierte Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10,
das eine Bläseranordnung 12,
einen Hochdruckverdichter 14 und eine Brennkammer 16 enthält. Das
Triebwerk 10 enthält ferner
eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20.
Das Triebwerk 10 weist eine Einlassseite 28 und
eine Auslassseite 30 auf. In einer Ausführungsform ist das Triebwerk
ein CF-34-10 Triebwerk, das kommerziell von General Electric Aircraft
Engines, Cincinnati, Ohio erhältlich
ist.
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Im
laufenden Betrieb strömt
Luft durch die Bläseranordnung 12,
und komprimierte Luft wird zu dem Hochdruckverdichter 14 geliefert.
Die hochkomprimierte Luft wird der Brennkammer 16 zugeführt. Die
Luftströmung
aus der Brennkammer 16 treibt die Turbinen 18 und 20 an,
und die Turbine 20 treibt die Bläseranordnung 12 an.
Die Turbine 18 treibt den Hochdruckverdichter 14 an.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Turbinenleitapparates 50,
der zusammen mit dem (in 1 veranschaulichten) Gasturbinentriebwerk 10 verwendet
werden kann. 3 zeigt eine perspektivische
Seitenansicht des Turbinenleitapparates 50. 4 zeigt
eine Querschnittsansicht des Turbinenleitapparats 50, der
entlang der (in 3 veranschaulichten) Linie 4-4
geschnitten wurde. Der Leitapparat 50 enthält mehrere
in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnete Schaufelblätter 52,
die mittels eines bogenförmigen
radial äußeren Deckbandes
oder einer Plattform 54 und eines bogenförmigen radial
inneren Deckbandes oder einer Plattform 56 miteinander
gekoppelt sind. Genauer gesagt, ist in der beispielhaften Ausführungsform
jedes Deckband 54 und 56 in einem Stück, integral
mit den Schaufelblättern 52 ausgebildet,
und der Leitapparat 50 enthält vier Schaufelblätter 52.
In einer Ausführungsform
ist jeder bogenförmige
Leitapparat 50 als ein Vierblattsegment bekannt. In einer
alternativen Ausführungsform
sind die Leitapparatschaufelblätter 52 in
einer freitragenden Anordnung innerhalb des Leitapparates 50 montiert.
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Das
innere Deckband 56 enthält
einen hinteren Flansch 60, der sich von diesem aus radial
nach innen erstreckt. Genauer gesagt, erstreckt sich der Flansch 60 radial
von dem Deckband 56 in Bezug auf eine radial innere Oberfläche 62 des
Deckbandes 56. Das innere Deckband 56 enthält auch
einen vorderen Flansch 64, der sich von diesem aus radial
nach innen erstreckt. Der vordere Flansch 64 ist zwischen einer
stromaufwärtigen
Kante 66 des inneren Deckbandes 56 und dem hinteren
Flansch 60 positioniert. In der beispielhaften Ausführungsform
erstreckt sich der Flansch 64 radial nach innen von dem
Deckband 56 aus.
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Das äußere Deckband 54 enthält ein freitragendes
Montagesystem 70, das eine vordere Halterung 72,
eine mittlere Hakenanordnung 74 und eine hintere Hakenanordnung 76 enthält. Das
freitragende Montagesystem 70 ermöglicht die Abstützung des Turbinenleitapparats 50 innerhalb
des Triebwerks 10 von einem (nicht gezeigten) umgebenden
ringförmigen
Gehäuse
aus. Die vordere Halterung 72 erstreckt sich von einer äußeren Fläche 80 des äußeren Deckbandes 54 aus
radial nach außen
und definiert einen Kanal 82, der sich kontinuierlich in
einer Umfangsrichtung quer über
eine Vorderkante 84 des äußeren Deckbandes 54 erstreckt.
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Die
mittlere Hakenanordnung 74 ist hinter der vorderen Halterung 72 positioniert
und enthält
in der beispielhaften Ausführungsform
mehrere in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnete und
in Umfangsrichtung zueinander ausgerichtete Haken 90. Alternativ
erstreckt sich die mittlere Hakenanordnung 74 kontinuierlich
quer über
die Außenoberfläche 80 des äußeren Deckbandes.
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Die
hintere Hakenanordnung 76 ist hinter der mittleren Hakenanordnung 74 positioniert
und befindet sich als solche zwischen einer Vorderkante 92 des
Leitapparates 50 und der mittleren Hakenanordnung 74.
In der beispielhaften Ausführungsform
erstreckt sich die Hakenanordnung 76 kontinuierlich in einer
Umfangsrichtung quer über
die äußere Oberfläche 80 des äußeren Deckbandes
und ist im Wesentlichen parallel zu der mittleren Hakenanordnung 74 ausgerichtet.
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Die
Schaufelblätter 52 sind
im Wesentlichen einander ähnlich,
und jedes enthält
eine erste Seitenwand 100 und eine zweite Seitenwand 102.
Die erste Seitenwand 100 ist konvex und definiert eine
Saugseite eines jeden Schaufelblatts 52, während die zweite
Seitenwand 102 konkav ist und eine Druckseite jedes Schaufelblatts 52 definiert.
Die Seitenwände 100 und 102 sind
an einer Vorderkante 104 und an einer axial im Abstand
angeordneten Hinterkante 106 eines jeden Schaufelblatts 52 miteinander
verbunden. Genauer gesagt, ist jede Schaufelblatthinterkante 106 in
Sehnenrichtung beabstandet und stromab von jeder zugehörigen Schaufelblattvorderkante 104 angeordnet.
Die erste und die zweite Seitenwand 100 bzw. 102 erstrecken
sich auch in Längsrichtung oder
radial nach außen
in der Spannweitenrichtung von dem radial inneren Deckband 56 aus
zu dem radial äußeren Deckband 54.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
enthält
jeder bogenförmige
Leitapparatteil 50 ein Paar in Umfangsrichtung innerer
Schaufelblätter 110 und 112 und
ein Paar in Umfangsrichtung äußerer Schaufelblätter 114 und 116.
Die inneren Schaufelblätter 110 und 112 sind
zwischen den äußeren Schaufelblättern 114 und 116 eingekoppelt
und sind in Umfangsrichtung in einem Abstand 120 zueinander
angeordnet. Die Schaufelblätter 110, 112, 114 und 116 sind
auch im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Der Abstand 120 und
eine Orientierung der Schaufelblätter 110, 112, 114 und 116 werden
variabel ausgewählt,
um die Bildung eines stark divergenten Strömungspfads durch den Leitapparat 50 zu
unterstützen
und um eine Optimierung der aerodynamischen Konvergenz durch den
Leitapparat 50 zu fördern.
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Die
Schaufelblätter 110, 112, 114 und 116 sind
integral mit sowohl dem inneren als auch dem äußeren Deckband 56 bzw. 54 verbunden.
Insbesondere ist jedes Schaufelblatt 52 mit dem inneren
Deckband 56 über
eine Verrundung 130 mit festem Radius verbunden, die jedes
Schaufelblatt 52 begrenzt und einen sanften Übergang
zwischen jedem entsprechenden Schaufelblatt 110, 112, 114 und 116 und dem
inneren Deckband 56 schafft. Jedes innere Schaufelblatt 110 und 112 ist
ferner mit dem äußeren Deckband 54 über eine
Verrundung 132 mit konstantem Radius gekoppelt, die jedes
Schaufelblatt 110 und 112 begrenzt und einen sanften Übergang
zwischen jedem jeweiligen Schaufelblatt 110 und 112 und
dem äußeren Deckband 56 schafft.
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Jedes äußere Schaufelblatt 114 und 116 ist über eine
Rundung 140 mit variablem Radius und über eine Rundung 142 mit
konstantem Radius mit dem äußeren Deckband 54 verbunden.
Insbesondere ist jede Verrundung 142 mit konstantem Radius zwischen
dem jeweiligen in Umfangsrichtung inneren Schaufelblatt 110 bzw. 112 und
jedem zugehörigen äußeren Schaufelblatt 114 bzw. 116 positioniert.
Genauer gesagt, erstreckt sich die Verrundung 142 mit konstantem
Radius, die einen Übergang
zwischen dem Schaufelblatt 114 und dem äußeren Deckband 54 schafft,
lediglich entlang der Saugseite des Schaufelblatts 114,
während
sich die Verrundung 140 mit variablem Radius, die einen Übergang
zwischen dem Schaufelblatt 114 und dem äußeren Deckband 54 schafft,
lediglich entlang der Druckseite des Schaufelblatts 114 erstreckt.
In ähnlicher
Weise erstreckt sich die Verrundung 142 mit konstantem
Radius, die von dem Schaufelblatt 116 zu dem äußeren Deckband 54 übergeht,
lediglich entlang der Druckseite des Schaufelblatts 116,
und die Verrundung 140 mit variablem Radius, die von dem
Schaufelblatt 116 zu dem äußeren Band 54 übergeht,
erstreckt sich lediglich entlang der Saugseite des Schaufelblatts 116.
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Jede
Verrundung 140 mit variablem Radius enthält einen
ersten Radius R1 und einen zweiten Radius R2. Insbesondere ist der
Radius R1 kleiner als der zweite Radius R2 und erstreckt sich zwischen dem
zweiten Radius R2 und dem äußeren Deckband 54.
Genauer gesagt, erstreckt sich der zweite Radius R2 von einer äußeren Oberfläche 150 eines
jeden jeweiligen Schaufelblatts 114 bzw. 116 aus
und geht in den ersten Radius R1 über, so dass sich der erste Radius
R1 seicht in eine innere Oberfläche 152 des äußeren Deckbandes 54 einfügt.
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Da
die Schaufelblätter 52 in
einem Stück
mit dem äußeren und
dem inneren Deckband 54 bzw. 56 ausgebildet sind,
können
im laufenden Betrieb, wenn heiße
Verbrennungsgase durch den Leitapparat 50 strömen, Temperaturgradienten
und aerodynamische Lasten zu thermischen Spannungen und thermischer
Verbiegung bzw. Sehnenbildung (Chording) zwischen den Schaufelblättern 52 und
dem äußeren Deckband 56 führen. Die
Verrundungen 140 mit variablem Radius erleichtern jedoch
eine Reduktion lokaler thermischer Spannungen zwischen den Schaufelblättern 52 und
dem äußeren Deckband 54.
Weil die Verrundungen 140 mit variablem Radius nicht jedes äußere Schaufelblatt 114 und 116 begrenzen und
weil die inneren Schaufelblätter 110 und 112 keine
Verrundungen 140 mit variablem Radius enthalten, wird darüber hinaus
ermöglicht,
die Wirkung auf die aerodynamische Konvergenz durch den Leitapparat 50 auf
ein Minimum zu reduzieren. Weil jede einzelne Verrundung 142 mit
konstantem Radius in ihrer Größe kleiner
ist als eine Verrundung 140 mit variablem Radius, schränken insbesondere
die Verrundungen 142 mit konstantem Radius den aerodynamischen
Durchgang durch den Leitapparat 50 weniger ein. In Folge
dessen fördern
die Verrundungen 140 mit variablem Radius eine Erhöhung der
Dauerhaftigkeit des Leitapparates 50 und eine Verlängerung
der Nutzungsdauer des Leitapparates 50.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist der Leitapparat 50 in Form einer freitragenden Montageanordnung
ausgebildet, während
das innere Deckband 56 radial und axial frei beweglich
ist und das äußere Deckband 54 lediglich
durch die Hakenanordnungen 74 und 76 festgehalten
ist. Im Betrieb werden höhere
Spannungen zwischen dem äußeren Deckband 54 und
den Schaufelblättern 52 hervorgerufen, wobei,
wie oben beschrieben, alle inneren Deckbänder und Schaufelblattverbindungsstellen
eine einfache Verrundung 130 mit konstantem Radius verwenden.
Die Verrundungen 140 mit variablem Radius werden lediglich
entlang der in Umfangsrichtung äußeren Außenkanten
des äußeren Bandes
und der Schaufelblattverbindungsstellen verwendet. Falls erwünscht, können in
dieser Ausführungsform
und in den anderen beschriebenen Ausführungsformen zusätzliche
Verrundungen 140 mit variablem Radius zunehmend in Richtung
eines umfangsseitigen Zentrums des Mehrschaufelblattsegments verlängert werden.
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Der
vorstehend beschriebene Turbinenleitapparat enthält ein Paar äußerer Schaufelblätter, die jeweils
eine Verrundung mit variablem Radius enthalten, die sich lediglich
entlang einer einzigen Seite jedes Schaufelblattes erstreckt. Die
inneren Schaufelblätter
enthalten keine Verrundungen mit variablem Radius und sind an das äußere Deckband über eine herkömmliche
Verrundung mit konstantem Radius angekoppelt. Die Verrundungen mit
variablem Radius reduzieren Spannungskonzentrationen, die in dem
Turbinenleitapparat hervorgerufen werden, ohne die aerodynamische
Konvergenz durch den Turbinenleitapparat negativ zu beeinflussen.
In Folge dessen wird eine Erhöhung
der Dauerhaftigkeit und Nutzungsdauer des Turbinenleitapparates
durch den variablen Radius gefördert.