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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine
Spiralgehäusebefestigung für ein keramisches Spiralgehäuse an
einem Motorblock aus Metall eines Gasturbinenmotors.
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In heißen Bereichen von Gasturbinenmotoren, in denen die
Temperatur 1370ºC (2500ºF) übersteigen kann, sind
Keramikwerkstoffe legierten Metallen vorzuziehen, da jene
keine Luftkühlung für annehmbare Haltbarkeit benötigen,
während dies bei legierten Metallen der Fall ist. Ein
Spiralgehäuse, das beispielsweise einen Übergang von der
Tangentialablaßstelle eines Combustors zu einer axialen
Ringdüse bildet, ist ein idealer Kandidat für das Ersetzen von
legiertem Metall durch Keramik. Die Montage eines keramischen
Spiralgehäuses auf einem Motorblock aus Metall ist jedoch
aufgrund der verschiedenen physikalischen Eigenschaften der
beiden Werkstoffe, darunter Wärmeausdehnungscharakteristika,
fordernd.
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EP-A-0,487,125 erläutert eine Montage für ein keramisches
Spiralgehäuse auf einem Motorblock aus Metall eines
Gasturbinenmotors.
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Die vorliegende Erfindung will eine verbesserte
Spiralgehäusebefestigung vorsehen.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine
Spiralgehäusebefestigung zum Einsatz in einem
Gasturbinenmotor, wie in Anspruch 1 angegeben, vorgesehen.
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Die vorliegende Erfindung kann eine relativ einfache und
effektive Verbindung zwischen einem keramischen Spiralgehäuse
und einem Motorblock aus Metall in einem Gasturbinenmotor
vorsehen.
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In einer bevorzugten Ausbildungsform hat das
Spiralgehäuse einen keramischen, einen Ausströmraum formenden
Mantel mit einer ringförmigen, zwischen konzentrischen innerem
bzw. äußerem zylindrischen Wandsegmenten des Mantels
definierten Austrittsdüse. Ein erster keramischer Ring der
Befestigung dieser Ausbildungsform ist durch einen ersten Satz
Querkeile mit dem inneren keramischen Wandsegment und durch
einen zweiten Satz Querkeile mit einem am Motorblock
angeschraubten sternförmigen Stahlkörper verbunden. Die
Querkeilverbindungen stützen das Spiralgehäuse auf dem
Motorblock für körperlich verschiebbare Bewegung auf eine
ringförmige Befestigungsschulter am Motorblock zu und nehmen
relatives radiales thermisches Wachstum zwischen dem
Spiralgehäuse und dem Motorblock effektiv auf, um von
thermischem Wachstum induzierte Belastungskonzentrationen
auszuschließen. Das innere zylindrische Wandsegment hat eine
erste ringförmige Schulter, die der Befestigungsschulter am
Motorblock zugewandt ist. Ein zweiter keramischer Ring der
Befestigung dieser Ausbildungsform ist zwischen der ersten
ringförmigen Schulter und der Befestigungsschulter am
Motorblock angeordnet und hat eine zweite ringförmige
Schulter, die der ersten ringförmigen Schulter zugewandt ist.
Eine Halteplatte außerhalb des ersten keramischen Rings spannt
den zweiten keramischen Ring an der Befestigungsschulter am
Motorblock fest, indem die erste ringförmige Schulter am
Spiralgehäuse an der zweiten ringförmigen Schulter am zweiten
keramischen Ring festgespannt wird.
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Eine Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
nur beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
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Figur 1 eine bruchstückartige Vorderansicht eines heißen
Bereichs eines Gasturbinenmotors mit einer Ausbildungsform
einer keramischen Spiralgehäusebefestigung;
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Figur 2 eine Querschnittansicht des Motors von Figur 1
entlang der Linie 2-2 von Figur 1;
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Figur 3 eine Querschnittansicht des Motors von Figur 1
entlang der Linie 3-3 von Figur 2; und
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Figur 4 eine bruchstückartige auseinandergezogene
Perspektivansicht der keramischen Spiralgehäusebefestigung von
Figur 1.
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Unter Bezugnahme auf Figur 1 weist ein teilweise
dargestellter heißer Bereich 10 eines Gasturbinenmotors einen
einstufigen Turbinenläufer 12 des in US-A-4,639,194
erläuterten Typs auf. Der Turbinenläufer 12 weist ein
keramisches Turbinenrad 14 und eine Welle aus legiertem Stahl
16 auf. Ein röhrenförmiges Ende 18 der Welle aus legiertem
Stahl ist am röhrenförmigen Schaft 20 des Turbinenrads
angebracht. Das Turbinenrad 14 hat an seinen Umfang eine
Mehrzahl von Turbinenlaufschaufeln 22.
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Der Motorblock ist aus legiertem Metall und hat eine auf
einer Primärachse 26 des Motorblocks ausgerichtete strukturell
starre zylindrische Wand 24. Die zylindrische Wand endet an
einer ringförmigen Befestigungsschulter 28 in einer zur
Primärachse senkrechten Ebene. In der zylindrischen Wand 24
ist ein allgemein röhrenförmiger, metallischer Dichtungsträger
angeordnet, wobei ein radialer ringförmiger Flansch 32 des
Trägers an der ringförmigen Befestigungsschulter 28 anliegt.
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Nicht abgebildete Lager stützen den Turbinenläufer am
Motorblock zum Drehen um die Primärachse 26. Zwischen dein
Träger 30 und dem röhrenförmigen Ende 18 der Welle aus
legiertem Stahl 16 ist ein Paar Hochtemperatur-Dichtungsringe
34A-B angeordnet, die durch eine Abstandshülse 36 getrennt
werden. Durch einen Kanal 38 in der zylindrischen Wand 24 des
Motorblocks und durch eine Mehrzahl von umfangsmäßig mit
Zwischenraum zueinander angeordneten Löchern 41 im Träger 30
wird Kühlluft zu den Dichtungsringen 34A-B geleitet.
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Ein keramisches Spiralgehäuse 42 des Gasturbinenmotors
hat einen keramischen Mantel 44, der um die Primärachse 26 und
um die zylindrische Wand 24 des Motorblocks herum einen
Ausströmraum 46 formt. Der Mantel 44 hat ein allgemein
zylindrisches äußeres Wandsegment 48 und ein konzentrisches,
allgemein zylindrisches inneres Wandsegment 50. Das äußere
Wandsegment 48 verläuft über die Turbinenlaufschaufeln 22 und
wirkt mit dem inneren Wandsegment 50 zusammen, um zwischen
ihnen eine beschaufelte ringförmige Düse 52 zu formen, durch
die heißes Gas aus dem Ausströmraum 46 in Richtung der Achse
26 auf die Turbinenlaufschaufeln 22 zu abgelassen wird. Eine
Dichtung 54 zwischen dem äußeren Wandsegment 48 und einer Wand
56 des Motorblocks minimiert das Entweichen von heißem Gas.
Das keramische Spiralgehäuse 42 ist durch eine Befestigung 58
mit dem Motorblock verbunden.
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Die Befestigung 58 weist einen ersten axial
außenliegenden keramischen Ring 60, einen zweiten oder axial
innenliegenden keramischen Ring 62 und einen sternförmigen
Stahlkörper 64 auf. Der erste keramische Ring 60 ist durch
einen ersten Querkeilsatz, der eine Mehrzahl von radialen
Ansätzen 66 am ersten keramischen Ring und eine entsprechende
Mehrzahl von Längsschlitzen 68 in einer ringförmigen
Stirnfläche 70 des inneren Wandsegments 50 des Spiralgehäuses
umfaßt, mit dem inneren Wandsegment 50 des Mantels 44
verbunden. Jeder der Schlitze 68 hat eine Bodenwand 72 in
einer gemeinsamen, senkrecht zur Primärachse 26 liegenden
ersten Ebene.
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Der sternförmige Körper 64 ist im ersten keramischen Ring
60 angeordnet und durch einen zweiten Querkeilsatz, der eine
Mehrzahl von radialen Ansätzen 74 an einem Ringteil 76 des
sternförmigen Körpers 64 und eine entsprechende Mehrzahl von
Radialschlitzen 78 im ersten keramischen Ring umfaßt, mit dem
ersten keramischen Ring verbunden. Der sternförmige Körper 64
weist ferner eine Mehrzahl von am Ringteil 76 angeformten
röhrenförmigen Distanzstücken 80 auf. Die Distanzstücke 80
liegen am ringförmigen Flansch 32 des Trägers 30 an und sind
an den entsprechenden einer Mehrzahl von Löchern im Flansch
32 und Gewindelöchern in der zylindrischen Wand 24 des
Motorblocks ausgerichtet, wobei in Figur 3 nur ein
repräsentatives Loch 82 im Flansch und ein repräsentatives
Gewindeloch 84 im Motorblock sichtbar sind.
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Wie in den Figuren 1, 3 und 4 am besten zu sehen ist,
kelcht das zylindrische innere Wandsegment 50 des Mantels 44
neben der Düse 52 radial nach außen. Eine zylindrische Senkung
86 im inneren Wandsegment 50 endet an einer ersten
ununterbrochenen ringförmigen Schulter 88 am inneren
Wandsegment in einer zweiten, senkrecht zur Primärachse 26
liegenden und der Befestigungsschulter 28 am Motorblock
zugewandten Ebene. Die zweite Ebene ist durch einen Wert D1,
Figur 1 und Figur 4, von der oben genannten ersten Ebene
getrennt, in der sich die Böden 72 der Schlitze 68 befinden.
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Der zweite keramische Ring 62 ist in der Senkung 86
angeordnet und hat daran eine zweite ununterbrochene
ringförmige Schulter 90, die der ersten ringförmigen Schulter
88 am inneren Wandsegment zugewandt ist. Die zweite Schulter
90 ist um einen Wert D2, Figur 4, von einer ringförmigen
Fläche 92 des zweiten keramischen Rings zurückversetzt.
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Zwischen einer ringförmigen Fläche 98 des zweiten
keramischen Rings 62 und dem Flansch 32 am Träger 30 sind eine
ringförmige Metallplatte 94 und ein ringförmiges poröses
Element 96 aufeinandergeschicht. Die Metallplatte 94 hat eine
keramische Wärmesperren-Beschichtung 100 und eine
Wärmeschutzkante 102, welche den Außenrand des porösen
Elements 96 verkleidet. Das poröse Element 96 ist aus einem
hochtemperaturfesten Material, zum Beispiel des im Handel von
Union Carbide Corporation unter der Handelsbezeichnung Grafoil
erhältlichen Typs, und ist in der Richtung der Primärachse 26
dauerhaft verformbar oder zusammendrückbar. Die Metallplatte
und das poröse Element sind perforiert, um um die
röhrenförmigen Distanzstücke 80 des sternförmigen Körpers
herum Abstand vorzusehen.
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Wie in den Figuren 2 und 3 am besten zu sehen ist, nehmen
die röhrenförmigen Distanzstücke 80 des sternförmigen Körpers
64 die entsprechenden einer Mehrzahl von Gewindestangen 104
auf, die durch die Distanzstücke und die ausgerichteten Löcher
82 im Flansch 32 am Träger verlaufen und in die Löcher 84 in
der zylindrischen Wand des Motorblocks eingeschraubt sind.
Eine perforierte ringförmige Halteplatte 106 wird auf die
Enden der Stangen 104 innerhalb des inneren zylindrischen
Wandsegments 50 des Spiralgehäuses aufgenommen und liegt an
den axial außenliegenden Enden der Distanzstücke 80 und an
einer axial außenliegenden Fläche 108 des ersten keramischen
Rings 60 an. Die Halteplatte hat auf einer ihrer Seiten eine
keramische Wärmesperren-Beschichtung 110. Auf den Stangen 104
ist axial außenliegend von der Halteplatte 106 eine Mehrzahl
von Muttern 112 befestigt, die von einem an die Halteplatte
heftgeschweißten Hitzeschutzelement 114 verdeckt sind.
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Der erste und zweite Satz von Querkeilverbindungen
stützen das Spiralgehäuse 42 so auf dem Motorblock, daß
relatives radiales thermisches Wachstum zwischen dem
Motorblock und dem Spiralgehäuse von einer radialen
Gleitbewegung zwischen den Ansätzen 66, 74 und ihren
entsprechenden Schlitzen 68, 78 aufgenommen wird. Darüber
hinaus stützen der erste und zweite Querkeilverbindungssätze
das Spiralgehäuse am Motorblock für eine begrenzte
Verschiebungsbewegung in der Richtung der Primärachse 26 auf
die Befestigungsschulter 28 am Motorblock zu zum Abdichten des
Spiralgehäuses gegen den Motorblock.
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Im besonderen setzt die Halteplatte 106 beim Festziehen
der Muttern 112 auf den Stangen 104 die Ansätze 66 am ersten
keramischen Ring an den Böden 72 der Schlitze 68 im inneren
zylindrischen Wandsegment 50 auf. Danach verschiebt
fortgesetztes Anziehen der Muttern 112 das Spiralgehäuse auf
die Befestigungsschulter 28 am Motorblock zu, bis die erste
ringförmige Schulter 88 mit der zweiten ringförmigen Schulter
90 am zweiten keramischen Ring 62 in Eingriff kommt.
Fortgesetztes Anziehen der Muttern 112 spannt den zweiten
keramischen Ring mit dem Flansch 32, dem porösen Element 96
und der Metallplatte 94 dazwischen an der ringförmigen
Befestigungsschulter 28 fest.
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Beim Festziehen der Muttern wird das poröse Element 96
in der Richtung der Primärachse 26 dauerhaft verformt oder
zusammengedrückt, um auf den zweiten keramischen Ring, das
Spiralgehäuse und die Ansätze 66 am ersten keramischen Ring
wirkende Verdichtungskräfte zu begrenzen. Die direkt am
Flansch 32 anliegenden Distanzstücke 80 am sternförmigen
Körper 64 begrenzen die Endverdichtung der keramischen Ringe,
indem sie den nach innen gehenden Weg der Muttern 112 auf den
Stangen 104 begrenzen. Wenn die Muttern 112 vollständig
festgezogen sind, entsteht zwischen der Metallplatte 94 und
der Stirnfläche 98 des zweiten keramischen Rings 62 und
zwischen der ersten und der zweiten ringförmigen Schulter 88,
90 am zweiten keramischen Ring und am inneren Wandsegment des
Spiralgehäuses ein Gasabschluß. Die zurückversetzte Position
D2 der zweiten ringförmigen Schulter 90 von der Stirnfläche
92 des zweiten keramischen Rings 62 übersteigt die Abmessung
D1 etwas, um eine Ablenkung der Ansätze 66 am ersten
keramischen Ring 60 zu verhindern.
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Die Beschreibungen in der US-Patentanmeldung Nr. 854,103,
von der diese Anmeldung Priorität beansprucht, und in der
dieser Anmeldung beigefügten Zusammenfassung sind hierin durch
Bezugnahme eingeschlossen.