DE69208174T2

DE69208174T2 - Düsenhalterung für Turbinen

Info

Publication number: DE69208174T2
Application number: DE69208174T
Authority: DE
Inventors: Roger William Schonewald; Steven Milo Toborg
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2012-07-18
Also published as: CA2070511A1; EP0526058B1; US5343694A; JPH05187259A; CA2070511C; DE69208174D1; JPH06105049B2; EP0526058A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Befestigungsanordnungen für Hochdruck-Turbinendüsen.
Die Hochdruck-Turbinendüse von einem Gasturbinentriebwerk übt eine aerodynamische Funktion dahingehend aus, daß sie die heiße Gasströmung von der Brennkammer in den Hochdruck-Turbinenrotor beschleunigt und richtet. Als solches erfährt die Turbinendüse große Druckbelastungen aufgrund der verkleinerung in dem statischen Druck zwischen den Eingangs- und Ausgangsebenen. Sie ist auch hohen thermischen Gradienten ausgesetzt, die aus der Aussetzung gegenüber den heißen Gasen der Strömungsbahn des Triebwerkes und der Kühlluft resultieren, die durch Turbinenstrukturen strömt. Es ist deshalb notwendig, eine Befestigugnsstruktur zu schaffen, um Düsenschaufeln in der Gasströmungsbahn in einer Weise zu haltern, daß die Effekte thermischer Gradienten minimiert sind, während die Druckbelastungen aufgenommen werden, die von den Schaufeln erfahren werden.
Eine bekannte Düsenhalterungstechnik verwendet mehrere Hakenbolzen, die um den Umfang einer Düsenhalterungsstruktur herum befestigt sind, die an der Brennkammer befestigt ist. Die Hakenbolzen sorgen sowohl für eine radiale Halterung als auch für einen Umfangsbelastungsstop für Düsensegmente, die durch die entsprechenden Hakenbolzen an der Düsenhalterung befestigt sind. Eine derartige Konfiguration erfordert mehrere Hakenbolzen, die an entsprechenden Segmenten der Düse befestigt sind, was die Präzision der Düsensegmentbefestigung auf die Summe von akkumulierten Toleranzgrenzen für die Bolzen, Flanschen und Halter begrenzt.
US-A-3 363 416 beschreibt eine Gasturbinen-Düsenanordnung, enthaltend mehrere Düsensegmente, die jeweils ein äußeres bogenförmiges Mantelsegment und ein inneres bogenförmiges Mantelsegment aufweisen; wobei das innere bogenförmige Mantelsegment eine im wesentlichen bogenförmige, axial verlaufende Plattform und einen Umfangsbefestigungsflansch aufweist, der von der Plattform radial nach innen vorsteht; mehrere Schaufeln, die sich zwischen den äußeren und inneren Mantelsegmenten erstrecken und mit diesen verbunden sind; einen Düsenhalterungsflansch, der an einer Gasturbinen-Brennkammer um die Achse der Gasturbine herum befestigt ist; und eine ringförmige Düsenhalterungseinrichtung zum Befestigen der mehreren Düsensegmente in einer im wesentlichen ringförmigen Konfiguration und mehrere Befestigungsglieder zum Befestigen der ringförmigen Düsenhalterungseinrichtung an dem Düsenhalterungsflansch.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinen-Düsenanordnung geschaffen enthaltend mehrere Düsensegmente, die jeweils ein äußeres bogenförmiges Mantelsegment und ein inneres bogenförmiges Mantelsegment aufweisen, wobei das innere bogenförmige Mantelsegment eine im allgemeinen bogenförmige, axial verlaufende Plattform und einen Umfangsbefestigungsflansch aufweist, der von der Plattform radial nach innen vorsteht; mehrere Schaufeln, die sich zwischen den inneren und äußeren Mantelsegmenten erstrecken und mit diesen verbunden sind; einen Düsenhalterungsflansch, der an einer Gasturbinen-Brennkammer um die Achse der Gasturbine herum befestigt ist; und eine ringförmige Düsenhalterungseinrichtung zum Befestigen der mehreren Düsensegmente in einer im allgemeinen ringförmigen Konfiguration und mehrere Befestigungsglieder zum Befestigen der ringförmigen Düsenhalterungseinrichtung an dem Düsenhalterungsflansch, gekennzeichnet durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Halterungsnut, die durch den Umfangsbefestigungsflansch führt, und eine radiale Halterungsnut, die in Umfangsrichtung mit der in Umfangsrichtung verlaufenden Halterungsnut im allgemeinen ausgerichtet ist und teilweise durch den Umfangsbefestigungsflansch verläuft.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Merkmale der Erfindung, die für neuartig und nicht naheliegend gegenüber dem Stand der Technik gehalten werden, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Die Erfindung selbst jedoch, wie auch ihr Aufbau, ihr Arbeitsverfahren und ihre Vorteile, können am besten anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen gleiche Bezugszahlen sich auf gleiche Elemente beziehen, und in denen:
Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht von der Gasturbinen-Brennkammer, der Düse und der Rotoranordnung der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein Düsensegment gemäß der Erfindung ist;
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf einen Düsenhalter gemäß der Erfindung ist;
Figur 4 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeigte, perspektivische Ansicht von dem Düsenhalter gemäß der Erfindung ist;
Figur 5 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeigte Endansicht von einem Düsenhalter gemäß der Erfindung entlang den Linien 5-5 in Figur 1 ist;
Figur 6 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht ist, die eine bekannte Befestigungsanordnung zeigt, und
Figur 7 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht entlang der Linie 7-7 in Figur 6 ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es ist für die Leistungsfähigkeit von Gasturbinentriebwerken von kritischer Wichtigkeit, daß der Düsenauslaß zwischen jedem Paar von benachbarten Schaufeln so nahezu identisch wie praktikabel ist, um für Gleichförmigkeit der heißen Gasströmung um die Düse herum zu sorgen, um eine gleichförmige Antriebskraft auf die Hochdruck-Rotorschaufeln zu schaffen. Die Schaufeln sind zu Paaren gefertigt und montiert mit inneren und äußeren Mantelsegmenten, um für die gewünschte Auslaßstruktur für die Düse zu sorgen. Die vorliegende Erfindung schafft eine Befestigungsanordnung, um den gewünschten Auslaß zwischen Schaufeln von benachbarten Düsensegmenten über dem Betriebsbereich des Gasturbinentriebwerkes beizubehalten.
Figur 1 stellt einen Teil von einem Gasturbinen triebwerk dar, das eine Turbinendüse enthält, die zwischen einem äußeren Gehäuse 12 und einer inneren Wand 14 angeordnet ist. Eine Gasturbinen-Brennkammer 16 ist stromaufwärts von den Düsensegmenten angeordnet, und ein Turbinenrotor ist stromabwärts von den Düsensegmenten angeordnet. Eine ringförmige Brennkammerauskleidung 17 umgibt die Brennkammer, um heißes Gas aus der Brennkammer zu den Turbinenschaufeln 18 über die Düse 10 mit einer gewünschten Geschwindigkeit und Winkel zu richten, um den Rotor in Rotation um seine Achse anzutreiben, die mit der Triebwerks- Mittellinie im wesentlichen zusammenfällt, um Leistung an den Gasturbinen-Verdichter (nicht gezeigt) und Zubehöreinrichtungen des Gasturbinentriebwerks zu liefern.
Die Düse 10 enthält mehrere Düsensegmente 20, wie sie in Figur 2 gezeigt sind, mit einem bogenförmigen äußeren Mantelsegment 22, einem bogenformigen inneren Mantelsegment 24 und zwei Düsenschauf eln 26, die zwischen den Mantelsegmenten befestigt sind. Die Düsenschaufeln 26 haben im allgemeinen eine Stromlinienform und erstrecken sich allgemein radial zwischen den inneren und äußeren Mantelsegmenten. Das äußere Mantelsegment 22 enthält eine im allgemeinen axial verlaufende Plattform 23, wobei ein in Umfangsrichtung verlaufendes Dichtungsteil 28 an ihrem stromaufwärtigen Ende befestigt ist, um den Auskleidungsflansch der Brennkammer gegen eine dazwischen auftretende Leckage abzudichten. Ein radial verlaufender Umfangsvorsprung 32 ist an dem stromabwärtigen Ende der Plattform 23 befestigt, um eine Eingriff sfläche 35 für eine W Dichtung 36 auszubilden, um eine Leckage zwischen dem äußeren Rotorgehäuse 38 und dem Mantelsegment 22 zu verhindern. Das innere Mantelsegment 24 enthält eine im allgemeinen axial verlaufende Plattform 25 mit einem bogenförmigen Flanschsegment 34, das ein verriegelndes Ansatzstück 40 an ihrem einen Umfangsende aufweist, und einer komplementär geformten Nut 42 an ihrem gegenüberliegenden Umfangsende. Das Flanschsegment 34 enthält auch eine in Umfangsrichtung verlaufende Halterungsnut 44, die eine Oberfläche 46 aufweist, um der tangentialen Belastung entgegenzuwirken, die auf das Segment durch heißes Gas ausgeübt wird, das durch die Turbinendüse strömt, und eine radiale Halterungsnut 48, die in Umfangsrichtung mit der Nut 44 im wesentlichen ausgerichtet angeordnet ist und sich teilweise durch das Flanschsegment 5 erstreckt, um für eine radiale Halterung des Düsensegmentes 20 zu sorgen. Das innere Mantelsegment 24 enthält auch mehrere Ansatzstücke 50, die entsprechende hindurchführende Löcher 52 für Nieten 54 aufweisen, die ein Dichtungsteil 56 befestigen, um an einem Auskleidungsflansch 58 der Brennkammer anzugreifen, um einen Durchtritt von heißen Gasen aus der Brennkammer auf die radial inneren Oberflächen des inneren Mantelsegments 24 zu verhindern.
Figur 1 stellt den Düsenhalter 60 dar, der ein radiales Halterungsansatzstück 76 aufweist, das in der radialen Halterungsnut 48 in dem Mantelflanschsegment 34 angeordnet ist. Der Halter 60 enthält auch einen Einfangflansch 64, um eine W Dichtung 66 aufzunehmen, die zwischen dem Düsenhalter 60 und dem Flanschsegment 34 angeordnet ist. Der Düsenhalter 60 ist an dem Düsenhalterungsflansch 68 und dem Auskleidungsflansch 70 durch mehrere im wesentlichen axial verlaufende Bolzen 72 befestigt.
Der Düsenhalter 60 ist in einer schematischen Draufsicht in Figur 3 dargestellt. Der Halter ist ein in Umfangsrichtung voller Ring mit mehreren Befestigungsbolzenlöchern 74 zum Befestigen des Halters an dem in Umfangsrichtung verlaufenden Düsenhalterungsflansch 68, der an der Brennkammer befestigt ist. Der Halter 60 enthält mehrere radiale Halterungsansatzstücke 76 und mehrere Umfangs-Halterungsansatzstücke 62. Die in Umfangsrichtung verlaufenden Halterungsansätze 62 und die radialen Halterungsansätze 76 wechseln sich um den Umfang des Halters 60 herum ab. Wie in Figur 4 gezeigt ist, stehen die Ansatzstücke 62 und 76 von der einen axialen Fläche 78 des Halters 60 radial vor. Die entsprechenden Düsensegmente 20 sind Seite-an-Seite in Umfangsrichtung um den Düsenhalter herum angebracht, um eine im allgemeinen ringförmige Turbinendüse 10 zu bilden. Wie in Figur 3 gezeigt ist, bildet die eine Seite von jedem in Umfangsrichtung verlaufenden Halterungsansatz 62 eine in Umfangsrichtung verlaufende Halterungsfläche, die mit der in Umfangsrichtung verlaufenden Halterungsfläche 46 auf dem Flanschsegment 34 von jedem entsprechenden Düsensegment in Eingriff ist. Jeder radiale Halterungsansatz 76 greift in die radiale Halterungsnut 48 in dem Flanschsegment 34 in einer angenäherten Umfangsausrichtung mit dem in Umfangsrichtung verlaufenden Halterungsansatz 62 an einem Radius R von der Turbinen-Mittellinie ein. Durch Verwendung des Umfangshalters 60 ist die Positionierung von benachbarten Düsensegmenten 20 nur Toleranzabweichungen in der Fertigung von Mantelflanschelementen und Halterungsnuten von jedem einzelnen Düsensegment ausgesetzt.
Im Betrieb prallt eine heiße Gasströmung aus der Brennkammer auf die Schaufeln 26 der Düse 10 in der Richtung auf, die durch den Pfeil 90 in Figur 5 gezeigt ist, und bewirkt, daß die Schaufel die Tendenz hat, sich axial nach hinten in Richtung des Pfeiles 90 zu bewegen. Diese Tendenz unterstützt die Abdichtung der W Dichtung 36. Das Drehen der heißen Gasströmung erzeugt eine Reaktion, die die Tendenz hat, die Segmente 20 in Umfangsrichtung zu bewegen, wie es durch einen Pfeil 92 gezeigt ist. Die Düse dreht die heiße Gasströmung in die Richtung des Pfeiles 96, um die Kraft zum Antrieb der Turbine zu liefern. Die Umfangs-Halterungsansätze 62 wirken dieser Kraft an der Oberfläche 46 entgegen, um eine tangentiale Bewegung der Düsensegmente zu verhindern. Die Kraft der Gasströmung hat auch die Tendenz, die Düsensegmente zu kippen, aber dieser Kraft wird durch die Verbindung von benachbarten Segmenten über die verriegelnden Ansatzstücke 40 und Nuten 42 entgegengewirkt, die an den entsprechenden Enden der Flanschsegmente 24 angeordnet sind. Wenn das Triebwerk nicht in Benutzung ist, und infolgedessen die Düsensegmente nicht unter dem Gasdruck der Strömungsbahn sind, der erforderlich ist, um die Düsensegmente in Umfangsausrichtung an dem richtigen Radius R zu halten, sorgen die radialen Halterungsansätze 76 für eine Positionierung der Düsensegmente um den Halterungsring herum.
Der Kammer 80 der entsprechenden inneren Mantelsegmente 24 wird Kühlluft zugeführt, um die thermische Expansion der Mantelsegrnente zu begrenzen und für eine Kühlströmung zu den entsprechenden Schaufeln 24 über Kühlkanäle innerhalb der Schaufeln zu sorgen, um die Erhitzung zu begrenzen, die durch die heißen Gase hervorgerufen wird, die von der Brennkammer auf sie auftreffen. Der Druck der Kühlluft auf die Dichtungen 28 und 56 wird höher gehalten als der Druck der heißen Strömungsgase, um die Dichtungen zu schließen, und er verhindert, daß heiße Strömungsgase in die Schaufelhalterungsbereiche eintreten. Wenn der Befestigungsflansch 34 erwärmt wird, werden in dem Düsenhalterungsflansch 68 thermische Beanspruchungen hervorgerufen. Indem die radile Abmessung H des Düsenhalterungsflansches 68 verkleinert wird, werden die durch Erwärmung hervorgerufenen thermischen Beanspruchungen verkleinert. Weiterhin ermöglicht die kleinere radiale Abmessung des Flansches die Befestigung der Schaufeln innerhalb einer kleineren radialen Gesamtabmessung von einem kleinen Gasturbinentriebwerk.
In den Figuren 6 und 7 ist eine bekannte Düsenbefestigungsanordnung schematisch dargestellt. Es sind zwei Hakenbolzen 100 verwendet, um den Düsenflansch 112 an dem Brennkammer gehäuse zu befestigen. Jeder der Hakenbolzen weist einen Kopf 102 mit einer Anschlagf läche 104, die mit einer Nutfläche 106 in Eingriff ist, um der tangentialen Last entgegenzuwirken, und einen Haken 114 auf, um einen statischen radialen Anschlag zu bilden. Der Bolzen 100 erstreckt sich durch den Düsenhalterungsflansch 116 und ist durch eine Scheibe 118 und eine Mutter 120 befestigt. Es wird deutlich, daß der Halterungshaken 114 erfordert, daß der Düsenhalterungsflansch 116 eine wesentlich größere radiale Höhe hat als derjenige gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in Figur 3 dargestellt ist. In Anordnungen, wie den in Figur 6 gezeigten, die einzeln mit Bolzen versehen sind, können Toleranzabweichungen akkumulieren, so daß die Präzision der Anordnung von einzelnen Düsenschaufeln durch die akkumulierten Toleranzen eingeschränkt ist.

Claims

1. Gasturbinen-Düsenanordnung (10) enthaltend mehrere Düsensegmente (20), die jeweils ein äußeres bogenförmiges Mantelsegment (22) und ein inneres bogenförmiges Mantelsegment (24) aufweisen,

wobei das innere bogenförmige Mantelsegment eine im allgemeinen bogenförmige, axial verlaufende Plattform (25) und einen Umfangsbefestigungsflansch (34) aufweist, der von der Plattform (25) radial nach innen vorsteht,

mehrere Schaufeln (26), die sich zwischen den inneren und äußeren Mantelsegmenten erstrecken und mit diesen verbunden sind,

einen Düsenhalterungsflansch (68), der an einer Gasturbinen-Brennkammer um die Achse der Gasturbine herum befestigt ist, und

eine ringförmige Düsenhalterungseinrichtung (60) zum Befestigen der mehreren Düsensegmente in einer im allgemeinen ringförmigen Konfiguration und mehrere Befestigungsglieder (72) zum Befestigen der ringförmigen Düsenhalterungseinrichtung an dem Düsenhalterungsflansch, gekennzeichnet durch

eine in Umfangsrichtung verlaufende Halterungsnut (44), die durch den Umfangsbefestigungsflansch führt, und eine radiale Halterungsnut (48), die in Umfangsrichtung mit der in Umfangsrichtung verlaufenden Halterungsnut im allgemeinen ausgerichtet ist und teilweise durch den Umfangsbefestigungsflansch verläuft.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Düsenhalterungseinrichtung gekennzeichnet ist durch:

einen im allgemeinen kreisförmigen Düsenhalterungsring mit mehreren in Umfangsrichtung verlaufenden Halterungsansätzen (62), die sich im wesentlichen in axialer Richtung von dem Ring erstrecken, und mit mehreren radialen Halterungsansätzen (76), die sich im allgemeinen in axialer Richtung von dem Ring erstrecken, so daß abwechselnde Ansätze radiale Halterungsansätze sind, die durch entsprechende in Umfangsrichtung verlaufende Halterungsansätze getrennt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, wobei jedes der entsprechenden Düsensegmente weiterhin gekennzeichnet ist durch ein verriegelndes Ansatzstück (40), das von einem ersten Ende der Düsensegmente vorsteht, und eine komplementäre Verriegelungsnut (42), die in dem gegenüberliegenden Ende des Düsensegmentes angeordnet ist für einen Eingriff mit einem Verriegelungsansatz von einem in Umfangsrichtung benachbarten Düsensegment.