DE68902100T2

DE68902100T2 - Hitzeschild fuer das gestell einer gasturbine.

Info

Publication number: DE68902100T2
Application number: DE8989300747T
Authority: DE
Inventors: Dudley Owen Nash; Ronald Edwin Quinn
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2009-01-27
Also published as: US4920742A; IL88638A0; EP0344877B1; IL88638A; EP0344877A1; JPH01305132A; DE68902100D1

Description

Diese Erfindung befaßt sich allgemein mit dem Abschirmen und Schützen des Triebwerksrahmens eines Gasturbinentriebwerks gegenüber heißen Gasen, die durch die Triebwerksströmungsbahn ausgestossen werden.
Flugzeug-Turbinentriebwerke benutzen zwei oder mehr als Gestelle oder Rahmen bekannte strukturelle Baugruppen zum Abstützen und genauen Positionieren des Triebwerksrotors in dem Stator. Jeder Rahmen enthält eine stationäre Nabe, die in einem stationären Gehäuse abgestützt ist von einer Anzahl radialer Streben, die für eine minimale Störung mit der Triebwerkströmung geformt sind. Der Rahmen an der Rückseite des Triebwerks, gewöhnlich stromabwärts von der Turbine, ist typisch gegenüber den extremen Turbinenabgastemperaturen geschützt durch luftgekühlte Hitzeschilde, die Strömungsbahnauskleidungen und Auslaßführungsschaufeln enthalten.
Hitzeschilde sind notwendig zum Schützen des Triebwerkrahmens wegen der begrenzten Wärmewiderstandsfähigkeit von erhältlichen Rahmenkonstruktionsmaterialien. Hitzeschilde werden auch benutzt zum Begrenzen der thermischen Expansion und Deformation der Rahmen. Eine durch thermische Gradienten begründete übermäßige Expansion und Verformung der Rahmen beeinflußt nachteilig die Ausrichtung des Rotors in dem Triebwerk, und hierdurch wird die Triebwerksleistungsfähigkeit nachteilig beeinflußt.
An modernen Triebwerken werden die Hitzeschilde, die an dem rückwärtigen Rahmen die Streben umschließen, so geformt, daß irgendein in dem Turbinenablaßstrom verbliebener Wirbel beseitigt wird. Die Wirbelbeseitigung ist erforderlich für ein richtiges Funktionieren des Triebwerkverstärkers und der Auslaßdüse. Diese geformten Hitzeschilde, die die Streben schützen, sind als die Auslaßführungschaufeln bekannt. Die Hitzeschilde, die die Nabe und das Gehäuse schützen, sind als Strömungsbahnauskleidungen bekannt und schirmen zusammen mit den Auslaßführungsschaufeln den gesamten stromabwärtigen Triebwerksrahmen thermisch ab.
Da die heißen Gase, die den Verbrennungs- und Turbinenabschnitt eines fortschrittlichen Gasturbinentriebwerks verlassen, über der Schmelztemperatur der verfügbaren Materialien sein können, die in der Hitzeschildkonstruktion benutzt werden, müssen die Hitzeschilde selbst wirksam gekühlt werden. Je wirksamer das Hitzeschild-Kühlsystem ist, desto weniger Kühlluft ist zum Kühlen der Hitzeschilde erforderlich und desto wirksamer ist der gesamte Turbinentriebwerkszyklus.
Eine der wirksamsten Methoden zum Kühlen der Hitzeschilde kombiniert eine Prallkühlung mit einer Filmkühlung. Bei diesem zweifachen Kühlverfahren gelangt die Kühlluft zuerst durch eine perforierte Platte, die als eine Prallplatte bekannt ist. Die Prallplatte unterteilt die Kühlluft in eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsstrahlen, die auf die rückseitige Oberfläche der die Strömungsbahnauskleidung bildenden Metall-Hitzeschilde aufprallen und diese Kühlen.
Die Kühlluft wird dann in die Triebwerksströmungsbahn eingeführt durch Schlitze oder gewinkelte Löcher, die als Luftkühlfilm-Injektionslöcher bekannt sind, welche sich durch die Strömungsbahnauskleidungen erstrecken. Dieses erzeugt einen thermisch schützenden Kühlluftfilm auf den Oberflächen der Strömungsbahnauskleidungen, die den heißen Abgasen direkt ausgesetzt sind. Dieser Teil des Kühlverfahrens wird Filmkühlung genannt. Ein Kühlsystem dieser Art macht es zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Rühlluftstroms erforderlich, daß ein bedeutender Differenzdruck zwischen der Kühlluft, die hinter den und durch die Strömungsbahnauskleidungen strömt, und den heißen Gasen vorliegt, die durch die Triebwerksströmungsbahn strömen. Die Hitzeschild- Halterungstruktur muß so ausgelegt sein, daß sie diese relativ große Druckbelastung aushält und die Strömungsbahnauskleidungen in einer baulich wirksamen Weise abstützt, um eine gewichtsarme Struktur zu bilden, die für eine Verwendung in Gasturbinentriebwerk erforderlich ist, insbesondere bei denjenigen Triebwerken, die in Flugzeuganwendungen benutzt werden.
Ein lange bestehendes Problem beim Gestalten von Hitzeschilden für Gasturbinentriebwerksrahmen ist die Einschränkung der thermischen Expansion der heißen Strömungsbahn-Hitzeschildoberflächen gewesen, die durch strukturelle Rippen auf einer niedrigen Temperatur hervorgerufen wird, die zum Verstärken der Hitzeschilde benutzt werden. Diese Rippen waren zum Verstärken der Hitzeschilde erforderlich, damit die Hitzeschilde die Kühlluft-Druckbelastungen aushalten konnten. Die Einschränkung der thermischen Expansion der Hitzeschilde, begründet durch die relativ massiven baulichen Rippen, hat zum Wölben und Reißen der Oberflächen der Strömungsbahnauskleidungen geführt und hat der Nutzungsbzw. Lebensdauer von Turbinentriebwerk-Hitzeschildsystemen, die in modernen Hochleistungstrieb-werken eingebaut werden, strenge Grenzen auferlegt.
Wie es oben angedeutet wurde, wirft das Gewicht ein anderes schwieriges Problem bei der Gestaltung von Turbinentriebwerksrahinen-Hitzeschildsystemen auf. Da die Hitzeschilde das gesamte Rahmengebilde einschließen und umgeben, einschließlich der Nabe, der Streben und des Gehäuses, ist eine beträchtliche Hitzeschild-Oberfläche erforderlich, und somit besteht die Tendenz- daß mit der entstehenden Hitzeschildgestaltung ein beträchtliches Gewicht verbunden ist.
Noch ein anderes Problem bei herkömmlichen Turbinentriebwerksrahmen-Hitzeschilden ist ihre tatsächliche Unfähigkeit, für eine gleichförmige Verteilung von Löchern durch die Prallplatten bzw. Prallbleche und eine gleichförmige Verteilung von Luftkühlfilm-Injektionslöchern durch die Strömungsbahnauskleidungen zu sorgen. Deshalb haben her-kömmlich gestaltete Turbinentriebwerksrahmen- Hitzeschilde Schienen- und Spuranordnungen benutzt, um die Strömungsbahnauskleidungen an den Triebwerksrahmen zu befestigen und für eine Freiheit für eine relative thermische Expansion dazwischen zu sorgen. Diese Art der Befestigung verhinderte oft die Verwendung von Prallplatten oder beeinträchtigte deren wirksame Gestaltung und verkomplizierte oder verhinderte die gleichförmige Anordnung von Luftkühlfilm-Injektionslöchern durch die Strömungsbahnauskleidungen. Dieses ergab einen ungleichförmigen oder blockierten Kühlluftstrom durch die Prallplatten und Strömungsbahnauskleidungen, was zum Entstehen von Hitzeflecken an den Strömungsbahnauskleidungen führte.
Die US-A-4071194 offenbart eine Strömungsbahnauskleidung in Form von Tafeln, die jeweils an einem Triebwerksgehäuse von einer an dem Gehäuse befestigten Schiene abgestützt sind. Jede Tafel ist an einer Schiene verschiebbar angebracht und enthält Bänder bzw. Streifen, die einen Schlitz bilden, welcher die Schiene in einem engen Gleitsitz aufnimmt, um eine relative Expansion der Schienen, Bänder und Tafeln aufzunehmen.
Nach der vorliegenden Erfindung ist eine Halterungsstruktur zur Halterung einer Strömungsbahnauskleidung auf einem Turbinentriebwerk-Rahmenteil vorgesehen, wobei die Halterungsstruktur einen Halterungsbügel, der mit dem Turbinentriebwerk-Rahmenteil verbunden ist, und eine Halterungseinrichtung aufweist, die mit der Strömungsbahnauskleidung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterungsbügel mit einem Spielraumloch versehen ist und die Halterungseinrichtung durch das Spielraumloch hindurchragt, um für eine freischwimmende Verbindung zu sorgen für eine freie Aufnahme einer axialen und in Umfangsrichtung erfolgenden thermischen Expansion und Kontraktion der Strömungsbahnauskleidung, und daß die Halterungseinrichtung ferner eine Scheibe auf ihrem Endabschnitt aufweist für einen Eingriff mit dem Halterungsbügel und zum Aufnehmen von Druckbelastungen von der Strömungsbahnauskleidung auf das Turbinentriebwerks-Rahmenteil.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, wie sie hier offenbart sind, befassen sich mit:
einem bestehenden Bedürfnis für eine baulich effiziente und gewichtsleichte Turbinentriebwerks-Hitzeschildbaugruppe, die eine thermische Expansion frei aufnimmt und die ohne weiteres für eine Anwendung mit einem Prallblech anpaßbar ist; einem ebenfalls bestehenden Bedürfnis für eine Turbinentriebwerksrahmen-Hitzeschildbaugruppe, die eine gleichförmige Verteilung von Luftkühlfilm-Injektionslöchern hat, die durch die Strömungsbahnauskleidungen und Auslaßführungsschaufeln ausgebildet sind; und ferner einem bestehenden Bedürfnis für eine Turbinenrahmen-Hitzeschildbaugruppe, die extremen Druckunterschieden zwischen der Kühlluft und den Abgasen widerstehen kann.
Die Ausführungsformen wurden mit Rücksicht auf jene Bedürfnisse entwickelt und erlauben das Vorsehen einer bauliche effizienten und gewichtsleichten Turbinentriebwerks-Hitzeschildbaugruppe, die mit oder ohne ein Prallblech benutzt werden kann. Wenn ein Prallblech benutzt wird, kann die Erfindung das freie Strömen von Kühlluft durch die gesamte Ausdehnung des Prallblechs zulassen. Die Ausführungsformen ersetzen fixierte Versteifungsrippen und schwere Verstärkungsabschnitte durch eine gewichtsleichte Hitzeschild-Halterungsstruktur, die direkt die Strömungsbahnauskleidungen abstützt und ohne weiteres die thermische Expansion aufnimmt, indem ein freies Schwimmen der Strömungsbahnauskleidungen um die Hitzeschild- Stützbaugruppe zugelassen wird. So ist wenigstens eine Strömungsbahnauskleidung-Halterungsstruktur vorgesehen, die praktisch keine fixierte mechanische Beschränkung auf die Strömungsbahnauskleidungen ausübt, wenn sie thermisch expandieren und sich zusammenziehen. Durch Eliminieren praktisch jeder starren Beschränkung der Strömungsbahnauskleidungen während der thermischen Expansion werden die thermischen Beanspruchungen auf ein Minimum reduziert. Die Strömungsbahnauskleidung-Halterungsstruktur enthält Strömungsbahnauskleidung-Halterungsbügel, die sicher an dem Turbinentriebwerksgehäuse und/oder der Nabe angebolzt sind, um Belastungen von den Strömungsbahnauskleidungen auf den Triebwerksrahmen zu übertragen. Die Strömungsbahnauskleidung-Halterungsbügel sind an den Strömungsbahnauskleidungen über Halterungszapfen befestigt, die an den Strömungsbahnauskleidungen in einer weitgehend gleichförmigen Verteilung vorzugsweise angelötet bzw. angeschweißt sind. Spielraumlöcher sind in den Strömungsbahnauskleidungen-Halterungsbügeln zum Aufnehmen der Halterungszapfen ausgebildet. Die Spielraumlöcher bilden ein ausreichendes axiales und in Umfangsrichtung wirkendes Querspiel um die Halterungszapfen, damit sich die Strömungsbahnauskleidungen relativ zu den Halterungsbügeln frei bewegen können. Eine radiale Freiheit ist durch eine Gleitverbindung vorgesehen, die zwischen den Auslaßführungsschaufeln und der inneren Strömungsbahnauskleidung ausgebildet ist.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden detaillierteren und beispielhaften Beschreibung, in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, des Hintergrundes der Erfindung und ihrer Ausführungsformen, wobei eine freischwimmende Strömungsbahnauskleidung und eine Auslaßführüngsschaufel-Halterungsstruktur vorgesehen sind, die dazu geeignet ist, die thermische Expansion der Strömungsbahnauskleidung und Auslaßführungsschaufel ohne Störung von Kühlluftströmungsmustern aufzunehmen.

In den Zeichnungen:

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise geschnitten, eines Segments des ringförmigen Turbinenrahmen-Hitzeschildes gemäß der Erfindung, wobei die Anordnung des Strömungsbahnauskleidungs- Halterungsaufbaues dargestellt ist;
Figur 2 ist eine schematische Seitenansicht, teilweise geschnitten, eines Gasturbinentriebwerks, wobei die allgemeine Konfiguration des Gasturbinentriebwerks und die Lage der Triebwerksrahmen dargestellt sind;
Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen wärmeabgeschirmten Turbinenrahmens, der durch Verformen der Strömungsbahnauskleidungen und Hitzeschildsegmente beschädigt ist;
Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Hitzeschildsegments;
Figur 5 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die die Befestigung der Strömungsbahnauskleidungs- Halterungsbügel an dem äußeren Gehäuse, der Nabe und den Strömungsbahnauskleidungen zeigt;
Figur 6 ist eine Front- bzw. Stirnansicht des ringförmigen Turbinenrahmengebildes, das aus mehreren Segmenten zusammengesetzt ist, die in Figur 1 dargestellt sind;
Figur 7 ist eine vergrößerte Schnittansicht durch den freischwimmenden Strömungsbahnauskleidungs- Halterungsaufbau;
Figur 8 ist eine rückseitige perspektivische Ansicht des Turbinenrahmens und Hitzeschildes, zusammengesetzt aus den Segmenten gemäß Figur 1;
Figur 9 ist eine vergrößerte Teilansicht von Figur 5 und zeigt eine abgedichtete Gleitverbindung, die zwischen der Auslaßführungsschaufel und der inneren Strömungsbahnauskleidung gebildet ist;
Figur 10 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, und zeigt eine alternative Ausführungsform eines Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsaufbaus, der ohne Prallbleche und ohne Filmkühlung der inneren Strömungsbahnauskleidung arbeitet;
Figur 11 ist eine Teildraufsicht von oben auf den freischwimmenden Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsaufbau gemäß Figur 10 und
Figur 12 ist eine Teilschnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines Halterungskissens für den freischwimmenden Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsaufbau.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
Eine kurze Beschreibung der Hauptmerkmale eines Gasturbinentriebwerks wird das Verständnis der vorliegenden Erfindung unterstützen, indem die Lage und die Anordnung der Turbinenrahmenbaugruppen identifiziert wird, an denen die Hitzeschilde angebracht sind. In Figur 2 ist ein Teil eines Gasturbinentriebwerks 10 teilweise geschnitten dargestellt. Das Triebwerk 10 enthält ein äußeres Gehäuse 12, das eine ringförmige Strömungsbahn 14 umgibt, die sich axial zwischen einem Einlaß 16 und einem Abgasauslaß 18 erstreckt, die an den entgegengesetzten Enden des Triebwerks 10 angeordnet sind.
Während des Triebwerksbetriebes wird Umgebungsluft in den Einlaß 16 gesaugt und auf einen höheren Druck in einem Kompressor 20 verdichtet, von dem die komprimierte Luft in eine ringförmige Brennkammer 22 ausgestoßen wird, wo Brennstoff verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsprodukte zu produzieren. Von der Brennkammer 22 wird das Arbeitsmirtel durch eine Turbine 24 geleitet, wo ein Teil seiner Energie zum Antreiben des Kompressors 20 abgezogen wird, und dann wird das Arbeitsmittel als eine hochenergetische-Strömung durch den Abgasauslaß 18 ausgestoßen.
Um die verschiedenen Komponenten des Triebwerks in ihren richtigen Betriebspositionen relativ zueinander zu halten, sind Triebswerksrahmenbaugruppen zum festen Verbinden der stationären Statorkomponenten zum Bilden von Lagerhalterungen für den Rotor vorgesehen. Im einzelnen enthält das Triebwerk 10 eine Frontrahmenbaugruppe 26, die ein Frontlager 28 trägt, eine Mittelrahmenbaugruppe 30, die eine Mittelwellenlager 32 trägt, und einen Turbinenrahmen 34, der ein hinteres Lager 36 trägt. Der Rotor 38 ist in den Lagern 28, 32 und 36 drehbar angebracht.
Jede Rahmenbaugruppe 26, 30 und 34 enthält eine Anzahl von flügelförmigen radialen Haltestreben 40, 42 und 44, die durch die ringförmige Strömungsbahn 14 vorstehen, um die inneren und äußeren Rahmenglieder der Rahmenbaugruppen zu verbinden. Da sich die Temperatur des durch die Strömungsbahn 14 strömenden Arbeitsmittels während eines transienten Triebwerksbetriebes sehr schnell ändert, können in den festen Rahmenbaugruppen beträchtliche thermische Beanspruchungen erzeugt werden, wenn sich die Streben bzw. Versteifungen mit Geschwindigkeiten erhitzen und abkühlen können, die sich beträchtlich von denjenigen der inneren und äußeren Rahmenglieder unterscheiden. Dieses gilt insbesondere in Bezug auf den Turbinenrahmenaufbau 34, da die den Turbinenrahmenaufbau umgebenden Abgase den schnellsten und größten Änderungen der Betriebstemperaturen und daraus resultierenden thermischen Beanspruchungen unterworfen sind.
Aus diesem Grunde ist die vorliegende Erfindung, die destruktive thermische Beanspruchungen verhindert, in Verbindung mit einem Turbinenrahmen analog dem Turbinenrahmen 34 dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch gleichermaßen bei anderen festen Baugruppen anwendbar, wie den Front- und Mittelrahmen-Baugruppen 26 und 30, die ebenfalls einem Arbeitsmittel ausgesetzt sein können, das beträchtliche und schnelle Temperaturänderungen erfährt.
Figur 3 zeigt einen wärmeabgeschirmten Turbinenrahmenaufbau 34, der typisch ist für frühere Rahmengestaltungen für Hochtemperatur-Turbinentriebwerke. Der feste Rahmenaufbau 34 ist von den heißen Turbinenauslaßgasen durch eine Reihe von in Umfangsrichtung angeordneten Auskleidungssegmenten 46 abgeschirmt, von denen eines in Figur 4 dargestellt ist. Jedes Auskleidungssegment ist zusammengesetzt aus einer Auslaßführungsschaufel 48, einer inneren Strömungsbahnauskleidung 50 und einer äußeren Strömungsbahnauskleidung 52.
Die Auslaßführungsschaufel 48 umgibt und schirmt eine sich radial erstreckende Strebe 44 (Figur 2) von der extremen Temperaturumgebung ab, die durch die heißen Triebwerksabgase erzeugt wird. Die Auslaßführungsschaufel 48 ist zum Vermindern aerodynamischer Verluste und zum Entfernen verbliebener bzw. restlicher Turbinenwirbel gestaltet. Die äußere Strömungsbahnauskleidung 52 und die innere Strömungsbahnauskleidung 50 schirmen entsprechend das äußere Rahmenglied, d. h. das äußere Gehäuse 12, und das innere Rahmenglied, d.h.die innere Nabe 54, von den heißen Abgasen ab.
Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, sind die inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 nur an ihren vorderen und hinteren Enden gehalten, und deshalb müssen sie verstärkt sein, um den großen Druckunterschied auszuhalten, der zwischen dem Kühlluftdruck und dem Druck der heißen Gase der Strömungsbahn vorhanden ist. Die erforderliche strukturelle Festigkeit zum Aushalten dieser Druckbelastung wird von den schweren Rippen 56 geliefert. Obwohl diese Rippen baulich angemessen sind, um die Druckbelastung zu tragen, stellen sie ein Wärmebeanspruchungsproblem wie auch ein Gewichtsproblem dar.
Diese Rippen 56 sind direkt der Kühlluft ausgesetzt und arbeiten deshalb bei einer beträchtlich niedrigeren Temperatur als die der Hitze ausgesetzten Strömungsbahnoberflächen 58, 60 der entsprechenden inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52. Die Temperaturdifferenz zwischen den Rippen 56 und den Strömungsbahnauskleidungsoberflächen 58, 60 begründet die Streckgrenze des Auskleidungsmaterials übersteigende thermische Beanspruchungen und führt zur Verformung der Strömungsbahnauskleidungen. Eine typische Verformung dieser Art ist aus Figur 3 als Oberflächenunregelmäßigkeiten 62 ersichtlich.
Diese thermisch veranlaßte Strömungsbahnverformung ist unerwünscht, da sie die Oberflächenkonfiguration der Triebwerksströmungsbahn verändert und deformiert und hierdurch aerodynamische Verluste einführt. Die Verformung der Strömungsbahn kann Hitzeflecken begründen, die zum Ausbrennen der Strömungsbahnauskleidungen 50, 52, zur Ermüdungsrißbildung und mit der Zeit zu einem Verlust der strukturellen Integrität der Strömungsbahnauskleidungen und von Triebwerksrahmenglieder führen und deren Zusammenbruch unter der unterschiedlichen Druckbelastung der Kühlluft und Abgase verursachen. Es ist klar, daß eine bessere bauliche Annäherung bei der Turbinenrahinen-Hitzeschildgestaltung benötigt wird, um eine solche thermische Verformung und ein Ermüdungsriß-Versagen zu vermeiden.
Eine besonders wirksame Lösung des vorgenannten Problems ist in Figur 1 dargestellt, wobei ein Turbinenrahmen- Hitzeschildsegment 46 mit zumindest einer Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsstruktur 64 versehen ist, die dazu geeignet ist, daß sich die Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 in Folge von Temperaturänderungen frei ausdehnen und zusammenziehen können. Tatsächlich wird durch die Halterungsstruktur 64 auf die Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 keine fixierte mechanische Beschränkung ausgeübt. Durch Eliminieren aller starren Beschränkungen der Strömungsbahnauskleldungen während der thermischen Expansion werden thermische Beanspruchungen und eine Ermüdungsrißbildung der Strömungsbahnauskleidungen vermindert und praktisch eliminiert.
Eine Anzahl der Hitzeschildsegmente 46 aus Figur 1 ist in der Turbinenrahmenstruktur angebracht, wie es aus Figur 5 ersichtlich ist, und in Umfangsrichtung angeordnet, wie es aus Figur 6 ersichtlich ist. Die so angeordneten Hitzeschildsegmente isolieren und schützen die Bauelemente des Rahmens bzw. Gestells gegenüber den heißen Gasen, die durch die Triebwerksströmungsbahn 14 strömen.
Wie es am besten aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich ist, enthält das Turbinenrahmenstruktur ein festes zylindrisches äußeres Gehäuse 12 und eine feste zylindrische innere Nabe 54, die durch radiale Halterungsstreben 44 verbunden sind, welche sich durch die Strömungsbahn 14 erstrecken. Die Hitzeabschirmung ist in Segmente 46 unterteilt, die einen abgedichteten Spielraumspalt 66 zwischen angrenzenden Segmenten haben, um eine thermische Expansion in Umfangsrichtung aufzunehmen. Eine Auslaßführungsschaufel 48 ist pro Segment vorgesehen, um die radialen Halterungsstreben 44 zu umgeben und abzuschirmen. Kräfte von Kühlluft-Druckbelastungen auf die inneren Strömungsbahnauskleidungs-Oberflächen 68, 70 werden direkt zu der inneren Nabe 54 und dem äußeren Gehäuse 12 durch die Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsstrukturen 64 übertragen, die an den inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 befestigt und an der Triebwerksrahmenstruktur angeschraubt sind, nämlich an der inneren Nabe 54 und dem äußeren Gehäuse 12.
Als ein Ergebnis der thermisch verursachten Strömungsbahnverformung, die in früheren hitzegeschirmten Turbinenrahmenbaugruppen gefunden wurden, vermeiden die inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52, die den Turbinenrahmen thermisch abschirmen, absichtlich die Verwendung schwerer oder dicker Materialabschnitte oder tiefer Versteifungsrippen. Am wichtigsten ist es, daß die inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 gut verstärkt und dennoch unter den thermisch erzeugten Kräften freischwimmend sind. Kühlluft-Druckbelastungen werden von den Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsbügeln 72 und Halterungszapfen 74 direkt auf das äußere Gehäuse 12 und die innere Nabe 54 übertragen, wie es aus Figur 5 ersichtlich ist. Diese Art einer direkten Halterung eliminiert die Notwendigkeit für die in Figur 4 dargestellten schweren bzw. massiven Rippen 56.
Dementsprechend sind die schweren Rippen, die zum Halten der Strömungsbahnauskleidungen unter der Kühlmitteldruckbelastung in Figur 4 benötigt wurden, nunmehr durch die gleichmäßig verteilte, direkte Halterung der Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsbügel 72 ersetzt worden, wie es in den Figuren 1 und 5 dargestellt ist. Die Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsbügel 72 sind vorzugsweise als dreiseitige Kanalglieder mit C-förmigen Querschnitten geformt, um eine maximale Halterung mit minimalem Material vorzusehen. Wenn mit einem vergleichbar großen hitzegeschirmten Turbinenrahmen der in den Figuren 3 und 4 dargestellten früheren Konstruktion verglichen wird, hat dieser verbesserte Hitzeabschirmungsaufbau aus den Figuren 1, 5 und 6 zu einer Gewichtseinsparung von etwa 20 kg pro Rahmenbaugruppe geführt, wobei das jetzt verbesserte Hitzeabschirmungssystem in der Lage ist, die doppelte Druckbelastung bei höheren Triebwerksbetriebstemperaturen zu bewältigen.
Wie aus den Figuren 4, 5 und 7 ersichtlich ist, sind zumindest ein und vorzugsweise mehrere Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsbügel 72 über sich radial erstreckende Halterungszapfen 74 an den inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 befestigt. Ein detaillierter Schnitt durch einen der Halterungszapfen 74, der die Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 hält, ist in Figur 7 dargestellt. Jeder Halterungszapfen ist mit einem Grundabschnitt oder Halterungskissen 76 ausgebildet, und zumindest ein und vorzugsweise mehrere Halterungszapfen sind an den inneren und äußeren Strömungs-bahnauskleidungen 50, 52 vorgesehen. Die Halterungskissen sind direkt an den inneren Oberflächen 68, 70 der inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 fest angebracht, wie durch Anlöten oder Anschweißen, und sie sind so angeordnet, daß sie für eine gleichförmige Halterung bzw. Abstützung über die inneren druckbelasteten Strömungsbahnauskleidungs-Oberflächen 68, 70 sorgen. Die breiten Füße der Halterungskissen helfen dabei, die Druckbelastungen gleichförmig zu verteilen, während sie für eine große Kontaktoberfläche mit den inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen sorgen.
Die strömungsbahnauskleidungs-Halterungsbügel 72 sind jeweils mit zumindest einem und vorzugsweise mehreren übergroßen Spielraumlöchern 78 versehen, die für ein passendes Querspiel in Bezug auf die Achsen von sich radial erstreckenden Halterungszapfen 74 sorgen, so daß die Halterungszapfen bis zu einem begrenzten Ausmaß frei sind, quer zu schwimmen, d. h. axial und in Umfangsrichtung in den Spielraumlöchern 78. Dieser Spielraumsitz befreit die Strömungsbahnauskleidungen, um sich in Bezug auf die Halterungsbügel 72 frei zu bewegen.
Die freischwimmende Halterung der Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 über die Halterungszapfen 74, wie es durch dieses Querspiel vorgesehen ist, erlaubt es den Strömungsbahnauskleidungen, sich thermisch in jeder Richtung in Bezug auf das auf einer niedrigen Temperatur befindlichen äußere Gehäuse 12 und die innere Nabe 54 auszudehnen. Dieses Merkmal minimiert die thermischen Beanspruchungen in den Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 und eliminiert praktisch jede damit in Beziehung stehende thermisch induzierte Verformung der Strömungsbahnauskleidung.
Die Druckbelastung der Kühlluft auf die inneren Oberflächen 68, 70 der Strömungsbahnauskleidungen in den in Figur 5 gezeigten Ringkammern 80, 82 wird von der inneren Nabe 54 und dem äußeren Gehäuse 12 über eine Anzahl von sich axial und in Umfangsrichtung erstreckenden Eingriffsoberflächen aufgenommen. Vorzugsweise werden die Eingriffsoberflächen von Scheiben 84 gebildet, die permanent, wie durch Löten oder Schweißen, an dem oberen oder äußeren radialen Endabschnitt eines jeden Halterungszapfens 74 befestigt sind. Jede Scheibe 84 hat einen Eingriffsabschnitt, der mit einer inneren Oberfläche eines Halterungsbügels in Eingriff steht und hierdurch die radial nach innen gerichtete Bewegung der Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 zu der Triebwerksströmungsbahn 14 begrenzt. Jeder Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsbügel 72 ist dann wieder fest durch Bolzen an dem entsprechenden Turbinenrahmenglied befestigt, wie der inneren Nabe 54 und dem äußeren Gehäuse 12, um für die erforderliche Festigkeit zur Halterung der Strömungsbahnauskleidungen unter der Druckbelastung des Kühlmittels zu sorgen.
Die Halterungskissen 76 können auch für eine Halterung einer 0,25 mm dicken Prallplatte 86 vorgesehen sein, die etwa 0,35 bar (5 Pfund pro Quadratzoll) Druckbelastung aufnimmt. Diese Prallplatte ist an zumindest einer der Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 angebracht, um Kühlluft gleichmäßig über die Oberflächen der Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 zu verteilen. Es ist erkennbar, daß es dieser Aufbau von Halterungszapfen und Halterungsbügeln ermöglicht, daß die Kühlluft gleichmäßig durch die Prallbleche strömt, ohne daß der Kühlluftstrom gehemmt wird. Wie es ferner In den Figuren 1, 5 und 7 ersichtlich ist, können die Kühlluft-Injektionslöcher 88 gleichförmig über die gesamte Ausdehnung einer jeden Strömungsbahnauskleidung 50, 52 angeordnet sein.
Während des Triebwerksbetriebes werden die Prallbleche 86, die einen Teil des Hitzeabschirmungsgebildes bilden, auf einer niedrigeren Temperatur als die Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 gehalten. Demzufolge findet eine unterschiedliche thermische Expansion zwischen den Prallblechen 86 und den Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 statt. Ein kleines radiales Spiel 90 kann vorgesehen sein, um zwischen dem Halterungsbügel und dem Prallblech eine Berührung oder Abnutzung während einer Relativbewegung dazwischen zu vermeiden, wodurch eine freischwimmende gegenseitige Verbindung zwischen der Strömungsbahnauskleidung und dem Halterungsbügel sichergestellt wird.
Um diese durch unterschiedliche thermische Expansion begründete Bewegung besser aufzunehmen, sind zumindest eine und vorzugsweise mehrere übergroße Löcher 85 in den Prallblechen 86 ausgebildet, um ein axiales und in Umfangsrichtung wirkendes Spiel um die Halterungszapfen 74 vorzusehen. Die an die übergroßen Löcher 85 angrenzenden Abschnitte der Prallbleche 86 sind örtlich verstärkt mit dünnen Scheiben 87, die an den Prallblechen angelötet bzw. angeschweißt sein können, um das oben erwähnte kleine Spiel 90 zu belassen. Die Scheiben 87 schützen das dünne Prallblech vor einer Beschädigung während der relativen Bewegung zwischen den Halterungs-zapfen 74 und dem Halterungsbügel 72.
Die Kühlluft-Injektionslöcher 88 können durch die Halterungskissen 76 wie auch durch die Strömungsbahnauskleidungen ausgebildet sein, so daß die Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsstruktur 64 eine hochwirksame gleichförmige Luftfilmkühlung fördert. Die Strömungsbahnauskleidungs-Halterungsstruktur 64 nimmt ferner auf einfache Weise das Prallblech auf und fördert einen gleichförmigen Luftstrom durch dieses hindurch. Frühere Gestaltungen konnten gleichförmig verteilte Luftinjektionslöcher durch die Strömungsbahnauskleidungs- Halterungsstruktur nicht aufnehmen oder tolerieren.
Die vorderen und hinteren Ränder 92 und 94 der inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 sind für eine Randhalterung und Kühlmittellecksteuerung gestaltet. Um thermische Expansionen besser aufzunehmen, sind diese Ränder 92, 94 mit Kerben bzw. Zacken 96 versehen, um die Belastungsfähigkeit dieser Niedertemperatur-Abschnitte der Strömungsbahnauskleidungen zu vergrößern. Die Kerben bzw. Zacken reduzieren die thermische Einschränkung längs der vorderen und hinteren Ränder 92, 94, und dementsprechend reduzieren oder eliminieren sie die sich ergebende Verformung der Strömungsbahnauskleidungs-Oberflächen, die den heißen Abgasen ausgesetzt sind. Auch sind mit Nuten versehene Zwischensegmentränder 98, die Lecksteuerungsdichtungen enthalten, kompakt und gering in der Schnitttiefe, um die thermische Expansionsbeschränkung zu begrenzen.
Um für eine unabhängige Halterung der inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 durch das äußere Gehäuse 12 und die innere Nabe 54 zu sorgen, ist es notwendig, radiale Freiheit für ein radiales thermisches Ausdehnen der Auslaßführungsschaufel 48 vorzusehen. Dieses ist notwendig, da sich die Auslaßführungsschaufel 48 mehr ausdehnt als die gekühlte Strebe 44. Diese notwendige Freiheit wird durch eine Gleitverbindung 100 (Figur 5) erreicht, die mit einer Lecksteuerungdichtung 102 ausgerüstet ist. Die Einzelheiten der Gleitverbindung und der Lecksteuerungsdichtung sind in den Figuren 1 und 9 dargestellt.
Die Auslaßführungsschaufel 48 ist vorzugsweise dauerhaft fixiert durch Löten bzw. Schweißen an der äußeren Strömungsbahnauskleidung und von der Lecksteuerungsdichtung 102 elastisch und radial beweglich in einer durch die innere Strömungsbahnauskleidung ausgebildeten Öffnung gehalten. Die Lecksteuerungsdichtung 102 kann aus einem dünnen Blech, Band oder Rohr aus Metall gebildet sein, das die Auslaßführungsschaufel umgibt und mit einem elastischen Eingriffpassungssitz erfaßt. Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, erlaubt es die Lecksteuerungsdichtung 102 der Auslaßführungsschaufel, radial durch die Öffnung in der inneren Strömungsbahnauskleidung 50 zu gleiten, wie es durch die radial gerichteten Pfeile dargestellt ist. Dadurch, daß sich die Auslaßführungsschaufeln durch die Gleitverbindung 100 radial und in Umfangsrichtung ausdehnen und zusammenziehen kann, werden thermische Beanspruchungen zwischen den inneren und äußeren Strömungsbahnauskleidungen und den Auslaßführungsschaufeln vermieden.
Ein anderer Vorteil der Gleitverbindung 100 ist die Fähigkeit der federbelasteten Lecksteuerungsdichtung 102 zum axialen und in Umfangsrichtung wirkenden Ausdehnen und Zusammenziehen mit jeder Bewegung der Auslaßführungsschaufel, so daß dazwischen immer eine wirksame Kühlmitteldichtung aufrecht erhalten wird. Ferner erlaubt die axiale und in Umfangsrichtung wirkende Federbelastung der Lecksteuerungsdichtung vergrößerte Montagetoleranzen zwischen den Auslaßführungsschaufeln 48 und der inneren Strömungsbahnauskleidung 50.
Bei früheren Gestaltungen, bei denen die Auslaßführungsschaufel starr an sowohl den inneren als auch äußeren Strömungs-bahnauskleidungen fixiert war, wurde die unterschiedliche Expansion der Auslaßführungsschaufel 48 in Bezug auf die Streben 44 durch Eliminieren jeder Befestigung der inneren Strömungsbahnauskleidung 50 an der Rahmennabe 54 oder irgendeiner Befestigung der äußeren Strömungs-bahnauskleidung 52 an dem Gehäuse 12 aufgenommen. Dadurch wurde zwar die relative Ausdehnung aufgenommen, aber das Fehlen jeglicher Halterung für die Strömungsbahnauskleidung, anders als die Auslaßführungsschaufel selbst, führte zu einem großen Verlaß auf Rippen 56, was wiederum zu einer thermischen Verformung führte, wie es zuvor erwähnt wurde.
Um die Gestaltung und Herstellung des in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Turbinenrahmenaufbaus zu vereinfachen, ist der in den Figuren 10 und 11 dargestellte Turbinentriebwerksrahmenaufbau 104 ohne Prallbleche gestaltet worden. Ferner wurde die Gesamtgestaltung des Turbinentriebwerks- Rahmenaufbaues 104 durch Eliminieren der Halterungsstruktur 64 von der inneren Strömungsbahnauskleidung 50 weiter vereinfacht.
Eine Filmkühlung wird nur auf die äußere Strömungsbahnauskleidung 52 und die Auslaßführungsschaufel 48 angewendet. Die innere Strömungsbahnauskleidung 50, die aus einem hochtemperaturbeständigen Material hergestellt ist, ist konvektionsgekühlt nur durch die Kühlluft, die durch die Auslaßführungsschaufeln strömt und hierdurch die Streben 44 und schließlich die innere Nabe 54 kühlt, bevor sie in die Triebwerksströmungsbahn 14 austritt. Statt einer Ausbildung der inneren Strömungsbahnauskleidung in Segmenten ist sie als ein durchgehendes einstückiges Teil ausgebildet, um eine Zwischensegmentleckage von Kühlmittel und die Notwendigkeit für Zwischensegmentdichtung zu eliminieren. Diese alternative Konstruktion nutzt geringere Kosten für eine etwas reduzierte Kühlwirksamkeit und ist typisch für mögliche Veränderungen der Grundgestaltung. Wie bei der zuvor erörterten Strömungsbahnauskleidungs- Halterungsstruktur 64 aus den Figuren 1 und 5 bis 8 ermöglicht die gleiche Verteilung der in den Figuren 10 und 11 dargestellten Halterungsbügel 72 einen freien und gleichförmigen Luftstrom über die Strömungsbahnauskleidungen, und sie sorgt für eine gleichförmige strukturelle Halterung für die Strömungsbahnauskleidung 52.
Eine andere Gestaltung des Halterungskissens 76 ist in Figur 12 dargestellt, wobei ein Positionierungsvorsprung 106 an dem Boden eines jeden Halterungskissens vorgesehen ist. Die Strömungsbahnauskleidungen 50, 52 sind mit komplementär passenden Positionierungsaussparungen 108 zum Aufnehmen der Vorsprünge ausgebildet. Die Gestaltung sichert das korrekte und genaue Positionieren eines jeden Halterungskissens 76 und Strömungsbahn-Halterungszapfens 74 an den Strömungsbahnauskleidungen 50, 52.
Vorstehend wurde die zur Zeit als am besten erachtete Ausführungsform der Erfindung offenbart. Der offenbarte Turbinentriebwerks-Hitzeschildaufbau eliminiert praktisch frühere thermisch induzierte Verziehungs- und Ermüdungsrißprobleme, indem eine im wesentlichen freie Bewegung der Strömungsbahnauskleidungen während der thermischen Expansion und Kontraktion in allen Richtungen gestattet wird. Ferner vermeidet er die Verwendung von schweren strukturellen Verstärkungsrippen und er kann dennoch größere unterschiedliche Drücke zwischen der Kühlluft und den Abgasen als bekannte Anordnungen aushalten.

Claims

1. Halterungsstruktur (64) zur Halterung einer Strömungsbahn-Auskleidung (52) auf einein Turbinentriebwerk- Rahmenteil (34), wobei die Halterungsstruktur einen Halterungsbügel (72), der mit dem Turbinentriebwerk-Rahmenteil verbunden ist, und eine Halterungseinrichtung (74) aufweist, die mit der Strömungsbahnauskleidung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterungsbügel (72) mit einem Spielraumloch (78) versehen ist und die Halterungseinrichtung (74) durch das Spielraumloch hindurchragt, um für eine freischwimmende Verbindung zu sorgen für eine freie Aufnahme einer axialen und in Umfangsrichtung erfolgenden termischen Expansion und Kontraktion der Strömungsbahnauskleidung, und daß die Halterungseinrichtung ferner eine Scheibe (84) auf ihrem Endabschnitt aufweist für einen Eingriff mit dem Halterungsbügel und zum Aufnehmen von Druckbelastungen vor der Strömungsbahnauskleidung auf das Turbinentriebwerks- Rahmenteil.

2. Halterungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Halterungseinrichtung einen Halterungszapfen (74) aufweist, der von der Strömungbahnauskleidung ausgeht und durch das Spielraumloch (78) in dem Halterungsbügel (72) hindurchragt.

3. Halterungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halterungseinrichtung ferner ein mit der Strömungsbahnauskleidung verbundenes Halterungskissen (76) aufweist, das einen breiten Basisabschnitt aufweist für eine gleichmäßige Verteilung von Belastungen über die Strömungsbahnauskleidung.

4. Halterungsstruktur nach Anspruch 3, wobei das Halterungskissen (76) an der Strömungsbahnauskleidung (52) angelötet bzw. angeschweißt ist.

5. Halterungsstruktur nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Halterungseinrichtung (74) einen Positionierungsvorsprung (106) aufweist und die Strömungsbahnauskleidung (52) eine Positionierungsaussparung (108) aufweist für eine Aufnahme des positionierungsvorsprungs und für ein genaues Positionieren der Halterungseinrichtung auf der Strömungsbahnauskleidung.

6. Halterungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Halterungsstruktur (64) ferner eine prallkühleinrichtung (86) aufweist, die zwischen der Strömungsbahnauskleidung (52) und den Triebwerksrahmenteil (34) angeordnet ist zum Richten von Kühlluft über die Strömungsbahnauskleidung.

7. Halterungsstruktur nach Anspruch 6, wobei die prallkühleinrichtung (86) ein Prallblech aufweist, das durch die Halterungseinrichtung (74) gehalten ist.

8. Halterungsstruktur nach Anspruch 7, wobei das Prallblech mit einer gleichförmigen Verteilung von Löchern (89) versehen ist für ein gleichmäßiges Kühlen der Strömungsbahnauskleidung (52).

9. Halterungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strömungsbahnauskleidung (52) mit mehreren Kühlluft-Injektionslöchern (88) versehen ist für eine Filmkühlung der Strömungsbahnauskleidung (52).

10. Halterungsstruktur nach Anspruch 9, wobei die Kühlluft-Injektionslöcher (88) durch die Halterungseinrichtung (74) hindurch ausgebildet sind, um für eine gleichmäßige Verteilung der Kühlluft- Injektionslöcher (88) über der Strömungsbahnauskleidung (52) zu sorgen.

11. Halterungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Halterungsbügel (72) durch Bolzen an dem Turbinentriebwerk-Rahmenteil (34) befestigt ist.

12. Halterungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Turbinentriebwerks-Rahmenteil (34) ein äußeres Gehäuse (12) aufweist.

13. Halterungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Turbinentriebwerk-Rahmenteil (34) eine innere Nabe (54) aufweist.

14. Halterungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die freischwimmende Verbindung für eine zweidimensionale Bewegung der Strömungsbahnauskleidung (52) in Bezug auf den Halterungsbügel (72) und in Bezug auf das Turbinentriebwerk-Rahmenteil (34) sorgt.

15. Halterungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Gleitverbindung (100) auf der Strömungsbahnauskleidung (52) ausgebildet ist für eine elastische Aufnahme und Halterung einer Auslaßführungsschaufel (48) darin.

16. Halterungsstruktur nach Anspruch 15, wobei die Strömungsbahnauskleidung (52) mit einer hindurchführenden Öffnung versehen ist und wobei die Gleitverbindung (100) eine Lecksteuerungsdichtung (102) aufweist, die um die Öffnung herum ausgebildet ist, um eine axiale, radiale und in Umfangsrichtung erfolgende Bewegung der Auslaßführungsschaufel (48) in Bezug auf die Strömungsbahnauskleidung (52) zu gestatten.