DE69309794T2

DE69309794T2 - Düsenhalterung für Turbinen

Info

Publication number: DE69309794T2
Application number: DE69309794T
Authority: DE
Inventors: Richard William Albrecht; Robert James Corsmeier; Andrew Shepherd
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1993-07-05
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2013-07-06
Also published as: JPH0666104A; EP0578461B1; US5271714A; JPH079166B2; EP0578461A1; DE69309794D1

Description

Querbezug auf verwandte Anmeldungen

Es wird hiermit Bezug genommen auf die folgenden, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldungen:
1. GB-A-2260789 (unser Zeichen 13DV-10823)
2. Europäische Patentanmeldung EP-A-578460, die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde und auf der US-Anmeldenummer 911237, eingereicht am 9. Juli 1992, basiert und die Bezeichnung "Turbine Nozzle Seal Arrangement" hat (unser Zeichen: 13DV- 11415).

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf eine Turbinendüsen- Halterungsanordnung.

Beschreibung des Standes der Technik

Gasturbinentriebwerke enthalten üblicherweise ein Kerntriebwerk mit einem Verdichter zum Verdichten von in das Kerntriebwerk eintretender Luft, eine Brennkammer, wo der Brennstoff mit der verdichteten Luft gemischt und dann verbrannt wird, um eine hochenergetische Gasströmung zu erzeugen, und eine erste oder Hochdruckturbine, die der Gasströmung Energie entzieht, um den Verdichter anzutreiben. In Flugzeug-Turbofan-Triebwerken entzieht eine zweite Turbine oder Niederdruckturbine, die stromabwärts von dem Kerntriebwerk angeordnet ist, der Gasströmung mehr Energie, um einen Bläser bzw. Fan anzutreiben. Der Fan liefert den Hauptantriebsschub, der von dem Triebwerk erzeugt wird.
Eine ringförmige Hochdruckdüse ist zwischen der Brennkammer und der Hochdruckturbine und zwischen den Stufen der Turbine angeordnet. Die ringförmige Düse enthält zwei radial im Abstand angeordnete innere und äußere ringförmige Bänder, die konzentrisch um eine Längsachse von dem Kerntriebwerk angeordnet sind, und mehrere Schaufeln, die zwischen den inneren und äußeren ringförmigen Bändern gehaltert sind. Die Schaufeln sind in einer in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Relation zueinander angeordnet und erstrecken sich in radialer Relation zu der Kerntriebwerksachse. Entweder das innere Band oder das äußere Band können eine gewisse Form von einem Flansch aufweisen zum Verbinden der Düse mit einer stationären Triebwerkshalterungsstruktur. Die ringförmige Düse ist durch mehrere Bogensegmente gebildet, die Ende-zu-Ende zusammenpassen, um die sich über 360º in Umfangsrichtung erstreckende Düse zu bilden. Jedes Düsensegment enthält bogenförmige Segmente von den inneren und äußeren Bändern und zwei Schaufeln, die Seite-an-Seite zwischen den inneren und äußeren Bandsegmenten angebracht sind.
Die ringförmige Hochdruckdüse hat die Funktion, eine heiße Gasströmung aus der Brennkammer in eine effizientere Richtung zu richten und/oder neu zu richten, um auf die Rotorstufen der Hochdruckturbine aufzuprallen und eine Rotation zu bewirken. Der durch die Düse ausgeführte Richtungsprozess beschleunigt auch die Gasströmung, was eine Verkleinerung des statischen Druckes zwischen den Einlass- und Auslassebenen und eine hohe Druckbelastung der Düse zur Folge hat. Weiterhin erfährt die Ringdüse hohe thermische Gradienten von den heißen Verbrennungsgasen und der Kühlluft an den radialen Stützflächen.
In üblichen Düsenhalterungssegmenten sind die Düsensegmente durch verschraubte Verbindungen oder eine Kombination von Schraubbolzen und einer gewissen Form einer Klemmanordnung an einer Triebwerkshalterungsstruktur befestigt. In einigen Stufen, wie beispielsweise der Düse der ersten Stufe, sind die Düsensegmente durch verschraubte Verbindungen mit der stationären Triebwerkshalterungsstruktur über eine radial innere Befestigung oder Flanschstruktur befestigt, die mit den inneren Bandsegmenten verbunden ist. Die radial äußeren Bandsegmente sind mechanisch nicht gehaltert, aber gegen axiale Kräfte durch einen in Umfangsrichtung verlaufenden Triebwerksflansch gehaltert. In anderen Stufen, wie beispielsweise der Stufe 2 von einem Triebwerk, können die Düsensegmente an ihren radial äußeren Bandsegmenten befestigt sein, aber an ihren radial inneren Bandsegmenten frei sein.
In jeder Konstruktion wirkt die Verwendung von geschraubten Verbindungen und Klemmstellen an in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Stellen um die Segmente von einem Düsenband herum als Einschränkungen gegenüber einer freien thermischen Expansion des Bandes. Da das Band heißer ist als die Halterungsstruktur, an der es befestigt ist, oder aufgrund der thermischen Gradienten innerhalb der Bänder tritt eine radiale oder axiale Biegung der Bandsegmente der Düse auf, die ihrerseits ein Lecken der Gasströmung aus der Strömungsbahn oder ein Lecken der Kühlluft in die Strömungsbahn und eine Beanspruchung der Schraubbolzen, Halterungsflansche und der an dem Band befestigten Schaufeln erzeugt, was zu einer Rißbildung führt.
Es sind alternative Befestigungsanordnungen vorgeschlagen worden, um die Verwendung von Schraubbolzen und Klemmen zu eliminieren.
Eine alternative Befestigungsanordnung ist in US-A-4883405 gezeigt. In dieser Anordnung ist der Sitzflansch der Düsenhalterung neben einem Düsenbefestigungsflansch angeordnet, und es werden Stifte verwendet, um die Turbinendüse an der Düsenhalterung zu befestigen.
In einer weiteren alternativen Düsenbefestigungsanordnung sind die Segmente der Düsen auf zwei Stiften pro Segment angebracht. Die Stifte sind in Blindlöchern in der Triebwerkshalterungsstruktur gehaltert. Diese Konstruktion gestattet, daß sich das Düsensegment in axialer Richtung auf der Halterungsstruktur über ein Sehnengelenk hin- und herbewegt, das in dem Flansch des Düsensegmentes gebildet ist. Einer der zwei Befestigungsstifte pro Segment macht eine dichte Passung in dem Düsenflansch, um das Düsensegment in den tangentialen und radialen Richtungen genau anzuordnen.
Der andere der zwei Befestigungsstifte macht eine lose Passung in dem Düsenflansch. Jedoch bewirkt die axiale Hin- und Herbewegung des Düsensegmentes eine Biegebeanspruchung in dem eine dichte Passung bildenden Stift in der gleichen Weise wie eine verschraubte Verbindung, wie sie oben beschrieben wurde. Eine Stiftabnutzung ist ebenfalls ein Problem bei dieser Konstruktion.
In einer anderen alternativen Düsenbestigungsanordnung kann sich das Düsensegment ebenfalls in axialer Richtung auf einem Sehnengelenk hin- und herbewegen. Das Düsensegment ist in axialer und tangentialer Richtung durch radial verlaufende Schraubbolzen durch die Düsenhalterungsstruktur gehaltert. Diese radialen Schraubbolzen befestigen nicht das Düsensegment, sondern sind nur Halterungsmaßnahmen. Das Düsensegment wird in dem Triebwerk durch die Gasbelastungen positioniert, die die Düsensegmente in axialer Richtung sicher gegen den Düsenhalterungsflansch und in tangentialer Richtung gegen die radialen Schraubbolzen anordnen. Diese Anordnung gestattet zwar, daß sich das Düsensegment in axialer Richtung hin- und her bewegen kann, ohne Biegebelastung auf die Schraubbolzen oder die Düsenhalterungsstruktur zu übertragen, aber ihr Hauptnachteil ist, daß durch die axiale Biegung der Düsensegmente aufgrund thermischer Gradienten Leckbereiche hervorgerufen werden.
In einer noch weiteren alternativen Düsenbefestigungsanordnung, die durch die oben angegebene Patentanmeldung vorgeschlagen wird, sind zusammenpassende Haken und Zapfen und darüber liegende Vorsprünge und Stege auf den äußerem Bandsegmenten von benachbarten Düsensegmenten und auf benachbarten Abschnitten der Halterungsstruktur vorgesehen. Diese Befestigungsmaßnahmen überwinden im wesentlichen die Nachteile von verschraubten oder geklemmten Düsen, indem eine sichere Befestigung zwischen der Düse und einer benachbarten Triebwerkshalterungsstruktur gebildet wird. Es bleibt jedoch ein Bedarf für die Entwicklung von alternativen Konstruktionen, die für weitere Verbesserungen in der Befestigung der Düsensegmente an der Triebwerkshalterungsstruktur sorgen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk geschaffen mit einer longitudinalen Mittelachse, einem ringförmigen Gehäuse, das um die Mittelachse herum angeordnet ist, einer ringförmigen, stationären Halterungsstruktur, einer ringförmigen Brennkammer zum Erzeugen von verdichteten Verbrennungsgasen, einer Hochdruckturbine, die stromabwärts von der Brennkammer angeordnet ist, zum Empfangen der verdichteten Verbrennungsgase und zum Entziehen von Energie aus den Gasen, und einer ringförmigen Turbinendüse mit wenigstens einer Stufe, die in dem ringförmigen Gehäuse zwischen der Brennkammer und der Hochdruckturbine angeordnet ist, wobei die ringförmige Düsenstufe mehrere Düsensegmente, die in einer Ende-zu-Ende-Umfangsrelation um die Mittelachse angeordnet sind, wobei jedes Düsensegment ein Paar innerer und äußerer Bänder, die im Abstand voneinander in radialer Relation zur Mittelachse angeordnet sind, und wenigstens einen stromlinienförmigen Abschnitt aufweist, der zwischen den inneren und äußeren Bändern angebracht ist und sich in radialer Richtung zu der Mittelachse erstreckt, eine Düsenhalterungsanordnung zum Befestigen der Stufe der ringförmigen Düse an der stationären Halterungsstruktur, wobei die Düsenhalterungsstruktur enthält: (a) einen ringförmigen Düsenhalterungsflansch, der entlang der stationären Halterungsstruktur neben der Düse verläuft und daran befestigt ist; und (b) einen Band-Flansch, der entlang dem inneren Band von jedem Düsensegment verläuft und daran befestigt ist und benachbart zu dem Halterungsflansch angeordnet ist; gekennzeichnet durch: (c) einen einzelnen Befestigungsstift, der von dem Düsenhalterungsflansch benachbart zu dem einen Endabschnitt von dem inneren Band-Flansch nach außen vorsteht und darauf befestigt ist; und (d) eine Einrichtung, die ein Loch in einer ovalen Form in dem einen Endabschnitt von dem inneren Band-Flansch bildet zum Aufnehmen eines äußeren vorstehenden Abschnittes von dem Befestigungsstift in einer Paßsitz-Relation, wobei das ovalförmige Loch eine größere Höhe als Breite hat derart, daß die Höhe in Bezug auf die Mittelachse radial orientiert ist und eine feste tangentiale Passung des Stiftes mit dem Loch entlang der Breite des Loches ausgebildet ist und eine lose Passung des Stiftes mit dem Loch entlang der Höhe des Loches ausgebildet ist, um so eine vernachlässigbare Änderung in der tangentialen Lage der Düsensegmente relativ zueinander und zu der Halterungsstruktur sicherzustellen, während eine freie axiale Hin- und Herbewegung des Düsensegmentes auf dem inneren Band ohne Biegung weder des Stiftes noch des Halterungsflansches gestattet wird.
Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk geschaffen mit einer longitudinalen Mittelachse, einem ringförmigen Gehäuse, das um die Mittelachse herum angeordnet ist, einer ringförmigen, stationären Halterungsstruktur, einer ringförmigen Brennkammer zum Erzeugen von verdichteten Verbrennungsgasen, einer Hochdruckturbine, die stromabwärts von der Brenukammer angeordnet ist, zum Empfangen der verdichteteten Verbrennungsgase und zum Entziehen von Energie aus den Gasen, und einer ringförmigen Turbinendüse mit wenigstens einer Stufe, die in dem ringförmigen Gehäuse zwischen der Brennkammer und der Hochdruckturbine angeordnet ist, wobei die ringförmige Düsenstufe mehrerer Düsensegmente, die in einer Ende-zu-Ende-Umfangsrelation um die Mittelachse angeordnet sind, wobei jedes Düsensegment ein Paar innerer und äußerer Bänder, die im Abstand voneinander in radialer Relation zur Mittelachse angeordnet sind, und wenigstens einen stromlinienförmigen Abschnitt aufweist, der zwischen den inneren und äußeren Bändern angebracht ist und sich in radialer Richtung zu der Mittelachse erstreckt, eine Düsenhalterungsanordnung zum Befestigen der Stufe der ringförmigen Düse an der stationären Halterungsstruktur, wobei die Düsenhalterungsanordnung enthält: (a) einen ringförmigen Düsenhalterungsflansch, der entlang der stationären Halterungsstruktur neben der Düse verläuft und daran befestigt ist; gekennzeichnet durch: (b) einen Band-Flansch, der entlang dem inneren Band von jedem Düsensegment verläuft und daran befestigt ist und benachbart zu dem Halterungsflansch angeordnet ist, wobei der innere Bandflansch ein Sehnengelenk aufweist, das auf eine rückwärtige Fläche davon geschnitten ist und das gestattet, daß das Düsensegment an dem äußeren Band des Düsensegmentes in Richtung auf die Brennkammer geneigt ist, ohne daß sich ein Leckpfad zwischen dem inneren Bandflansch und einer ebenen Fläche des Düsenhalterungsflansches öffnen kann.
Die hier offenbarten Turbinendüsenhalterungs- und Dichtungsanordnungen sind so ausgelegt, daß sie die oben genannten Bedürfnisse erfüllen. Die Düsenhalterungsanordnung bildet den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Düsendichtungsanordnung bildet den Gegenstand der Erfindung der zweiten Anmeldung, die eingangs genannt wurde. Beide Anordnungen werden hier in Anbetracht dessen offenbart, daß ihre entsprechenden Vorteile komplementär sind und verstärkt werden, wenn beide Anordnungen in der gleichen Düse verwendet werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Düsendichtungsanordnung gemäß der zweiten genannten Anmeldung unabhängig von der Düsenhalterungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung auf eine Düsenhalterungsanordnung gerichtet, die in einem Gasturbinentriebwerk enthalten ist. Das Gasturbinentriebwerk hat eine longitudinale Mittelachse, ein ringförmiges Gehäuse, das um die Mittelachse herum angeordnet ist, und es hat eine ringförmige, stationäre Haltungsstruktur, eine ringförmige Brennkammer zum Erzeugen von verdichteten Verbrennungsgasen, eine Hochdruckturbine, die stromabwärts von der Brennkammer angeordnet ist, um die verdichteten Verbrennungsgase zu empfangen und den Gasen Energie zu entziehen, und eine ringförmige Turbinendüse mit wenigstens einer Stufe, die in dem ringförmigen Gehäuse zwischen der Brennkammer und der Hochdruckturbine angeordnet ist. Die ringförmige Düsenstufe enthält mehrere Düsensegmente, die in einer Ende-zu-Ende-Umfangsrelation um die Mittelachse herum angeordnet sind. Jedes Düsensegment hat ein Paar innerer und äußerer Bänder, die in radialer Relation zur Mittelachse im Abstand voneinander angeordnet sind, und wenigstens eine Schaufel, die zwischen den inneren und äußeren Bändern angebracht ist und sich in radialer Relation zur Mittelachse erstreckt.
Die Düsenhalterungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Befestigen der Stufe von der ringförmigen Düse an der stationären Halterungsstruktur enthält: (a) einen ringförmigen Düsenhalterungsflansch, der entlang der stationären Halterungsstruktur neben der Düse verläuft und daran befestigt ist; (b) einen Band-Flansch, der entlang dem inneren Band von jedem Düsensegment verläuft und daran befestigt ist und benachbart zu dem Halterungsflansch angeordnet ist; (c) einen einzelnen Befestigungsstift, der von dem Düsenhalterungsflansch benachbart zu dem einen Endabschnitt von dem inneren Band-Flansch nach außen vorsteht und darauf befestigt ist; und (d) eine Einrichtung, die ein Loch in einer ovalen Form in dem einen Endabschnitt von dem inneren Band-Flansch bildet zum Aufnehmen eines äußeren vorstehenden Abschnittes von dem Befestigungsstift in einer Paßsitz-Relation, wobei das ovalförmige Loch eine größere Höhe als Breite hat derart, daß die Höhe in Bezug auf die Mittelachse radial orientiert ist und eine feste tangentiale Passung des Stiftes mit dem Loch entlang der Breite des Loches ausgebildet ist und eine lose Passung des Stiftes mit dem Loch entlang der Höhe des Loches ausgebildet ist, um so eine vernachlässigbare Änderung in der tangentialen Lage der Düsensegmente relativ zueinander und zu der Halterungsstruktur sicherzustellen, während eine freie axiale Hin- und Herbewegung des Düsensegementes auf dem inneren Band ohne Biegung weder des Stiftes noch des Halterungsflansches gestattet wird. Vorzugsweise hat der Befestigungsstift eine im allgemeinen zylindrische Form. Weiterhin hat der innere Bandflansch ein Sehnengelenk, das auf eine rückwärtige Fläche davon geschnitten ist, was gestattet, daß das Bandsegment an dem äußeren Rand des Düsensegmentes in Richtung auf die Brennkammer geneigt ist, ohne daß sich ein Leckagepfad zwischen dem inneren Bandflansch und einer ebenen Fläche des Düsenhalterungsflansches öffnen kann.
Diese und andere Merkmale und Vorteile und Gewinne der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann deutlich beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt und beschrieben ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im Laufe der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung von einem Gasturbinentriebwerk ist, auf das eine Turbinendüsen-Halterungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Turbinendüsen-Dichtungsanordnung gemäß der im Querbezug genannten Erfindung angewendet werden kann;
Figur 2 eine vergrößerte Vorderansicht von einem Segment von einer Turbinendüse ist, die in dem Triebwerk gemäß Figur 1 verwendet ist;
Figur 3 ein tangentiales Schnittbild von dem Düsensegment ist, wobei der Schnitt entlang der Linie 3 - 3 in Figur 2 gelegt ist;
Figur 4 eine vergrößerte Ansicht von einer Fläche A in Figur 3 ist, die die Düsenhalterungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung und die Düsendichtungsanordnung gemäß der im Querbezug genannten Erfindung zeigt;
Figur 5 eine schematische tangentiale Schnittansicht von der Düsenhalterungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist und die Lage von einem Stift relativ zu einem ovalförmigen Loch ist, wenn das Triebwerk in einem Zustand mit kleiner Leistung ist;
Figur 6 eine vergrößerte Ansicht von der Fläche B in Figur 5 ist;
Figur 7 eine vergrößerte Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 7-7 in Figur 5 ist;
Figur 8 eine schematische tangentiale Schnittansicht von der Düsenhalterungsanordnung der vorliegenden Erfindung ist und die Lage des Stiftes relativ zu dem ovalförmigen Loch zeigt, wenn das Triebwerk in einem Zustand mit hoher Leistung ist;
Figur 9 eine vergrößerte Ansicht von der Fläche C in Figur 8 ist;
Figur 10 eine vergrößerte Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 10 - 10 in Figur 9 ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten. Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß in der folgenden Beschreibung Begriffe wie "vorne", "hinten", "links", "rechts", "nach oben", "nach unten" u.ä. nach Zweckmäßigkeit ausgewählte Wörter sind und nicht als einschränkende Begriffe zu verstehen sind.

Gasturbinentriebwerk

In den Zeichnungen und insbesondere in Figur 1 ist schematisch ein Gasturbinentriebwerk dargestellt, das allgemein mit 10 bezeichnet ist und auf das eine Turbinendüsen-Halterungsanordnung 12 gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Turbinendüsen-Dichtungsanordnung 14 gemäß der im Querbezug genannten Erfindung angewendet werden können. Das Triebwerk 10 hat eine longitudinale Mittelachse 16 und ein äußeres, stationäres, ringförmiges Gehäuse 18 und eine Gondel 20, die koaxial und konzentrisch um die Achse 16 herum angeordnet sind. Die Gondel wird um das Vorderende des Gehäuses 18 durch mehrere Streben 22 gehaltert, von denen in Figur 1 nur eine gezeigt ist. Das Gasturbinentriebwerk 10 enthält einen vorderen Fan 24, der in der Gondel 20 angeordnet ist, und ein Kerngasgenerator- Triebwerk 26, das hinter bzw. stromabwärts von dem Fan 24 und in dem stationären Gehäuse 18 angeordnet ist. Das Kerntriebwerk 26 enthält einen vielstufigen Verdichter 28, eine Brennkammer 30 und eine Hochdruckturbine 32, entweder mit einer einzelnen Stufe oder zahlreichen Stufen, die alle koaxial um die longitudinale Mittelachse 16 des Gasturbinentriebwerks 10 in einer seriellen, axialen Strömungsrelation angeordnet sind. Eine ringförmige äußere Antriebswelle 34 verbindet den Verdichter 28 und die Hochdruckturbine 32 fest miteinander.
Das Gasturbinentriebwerk 10 enthält ferner eine Niederdruckturbine 36, die hinter bzw. stromabwärts von der Hochdruckturbine 32 angeordnet ist. Die Niederdruckturbine 36 ist mit einer inneren Antriebswelle 38 fest verbunden, die ihrerseits mit dem vorderen Fan 24 verbunden ist. Übliche Lager und ähnliches sind aus Gründen der Klarheit in Figur 1 weggelassen.
Im Betrieb tritt Luft in das Gasturbinentriebwerk 10 durch eine Lufteinströmung der Gondel 20 ein, die den vorderen Fan 24 umgibt. Die Luft wird durch Rotation des Fans 24 verdichtet und anschließend zwischen einem äußeren ringförmigen Kanal 40, der zwischen der Gondel 20 und dem Triebwerksgehäuse 18 gebildet ist, und einem Kerntriebwerkskanal 42 geteilt, dessen äußere Begrenzung durch das Triebwerksgehäuse 18 gebildet wird. Die in den Kerntriebswerkkanal 42 eintretende, verdichtete Luft wird durch den Verdichter 28 weiter verdichtet. Verdichtete Luft aus dem Verdichter 28 wird in der Brennkammer 30 mit Brennstoff gemischt und gezündet, wodurch Verbrennungsgase erzeugt werden. Eine gewisse Arbeit wird diesen Gasen durch die Hochdruckturbine 32 entzogen, die den Verdichter 24 antreibt. Der Rest der Verbrennungsgase wird aus dem Kerntriebwerk 26 in die Niederdruckturbine 36 ausgestoßen, um den vorderen Fan 24 anzutreiben. Ein Teil der Luftströmung, die von dem Fan 24 durch den äußeren Kanal 40 geliefert wird, erzeugt den Hauptantriebsschub, der von dem Gasturbinentriebwerk 10 erzeugt wird.

Ringförmige Turbinendüse

Gemäß den Figuren 1 - 3 enthält das Gasturbinentriebwerk 10 auch eine oder mehrere ringformige Hochdruck-Turbinendüsen 44, die zwischen der Brennkammer 30 und der Hochdruckturbine 32 und zwischen Stufen der Hochdruckturbine 32 angeordnet sind. Jede Ringdüse 44 wird durch mehrere bogenförmige Segmente 46 gebildet, die Ende-zu-Ende zusammenpassen, um die sich über in Umfangsrichtung erstreckende Düse zu bilden, die konzentrisch um die longitudinale Mittelachse 16 des Gasturbinentriebwerks 10 angeordnet ist. Jedes Düsensegment 46 enthält zwei bogenförmige Abschnitte von inneren und äußeren Bändern 48, 50 in der Düse 44 und zwei Schaufeln 52 von der Anzahl in der Düse 44. Die Schaufeln 52 sind Seite-an-Seite zwischen den inneren und äußeren Bändern 48, 50 angebracht und sind in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet und verlaufen in radialer Relation zu der Mittelachse 16 von dem Gasturbinentriebwerk 10. Die Düsensegmente 46 sind an entweder dem Innenband 48 oder dem Außenband 50 mit einer stationären Halterungsstruktur 54 verbunden, die auf dem ringförmigen Gehäuse 18 des Gasturbinentriebwerks 10 angebracht ist. Die ringförmige Turbinendüse 44 hat die Funktion, eine heiße Gasströmung aus der Brennkammer 30 in einer effizienteren Richtung zu richten und/oder neu zu richten, um auf die Rotorstufen der Hochdruckturbine 32 aufzutreffen und ihre Rotation zu bewirken. Der von der Düse 44 ausgeübte Richtungsprozeß beschleunigt auch die Gasströmung, was eine Verkleinerung des statischen Druckes zwischen den Einlaß- und Auslaßebenen und eine Hochdruck-Gasbelastung der Schaufeln 52 der Düse 44 zur Folge hat.

Turbinendüsen-Halterungsanordnung

Es wird nun auf die Figuren 2 - 4 Bezug genommen; die Düsensegmente 46 der ersten Stufe der Düse 44, die zwischen der Brennkammer 30 und der Hochdruckturbine 32 angeordnet ist, sind an der stationären Halterungsstruktur 54 durch die Düsenhalterungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung angebracht, die allgemein mit 56 bezeichnet ist. Die Düsenhalterungsanordnung 56, die jedem Düsensegment 46 zugeordnet ist, enthält einen Bandflansch 58, der an dem Innenband 48 befestigt ist und an diesem entlang verläuft, und einen Düsenhalterungsflansch 60, der an der stationären Halterungsstruktur 54 befestigt ist und sich an diesem entlang erstreckt. Der innere Bandflansch 58 hat ein Sehnengelenk 62, das auf seine hintere Fläche geschnitten ist und gestattet, daß sich das Düsensegment 46 an dem Außenband 50 nach vorne neigt, ohne daß sich ein Leckagepfad zwischen dem Innenbandflansch 48 und der ebenen Fläche des Düsenhalterungsflansches 60 öffnen kann. Das Sehnengelenk 62 stellt sicher, daß die Kontaktfläche zwischen dem heißeren Düsensegment 46 und dem kälteren Düsenhalterungsflansch 60 minimiert wird.
Die Düsenhalterungsanordnung 56, die jedem Düsensegment 46 zugeordnet ist, enthält auch einen einzelnen Befestigungsstift 64, der eine im allgemeine zylindrische Konfiguration hat und auf dem Düsenhalterungsflansch 60 benachbart zu dem einen Endabschnit von dem inneren Bandflansch 58 angebracht ist und davon im allgemeinen senkrecht nach außen vorsteht, und ein Loch 66, das in dem einen Endabschnitt von dem inneren Bandflansch 58 ausgebildet ist, um den äußeren vorstehenden Abschnitt des Befestigungsstiftes 64 in einer eng passenden Relation aufzunehmen. Das Loch 66 hat eine ovale oder rennstreckenartige Form. Das ovalförmige Loch 66 hat eine größere Höhe H als Breite B, so daß die Höhe H in Bezug auf die Mittelachse 16 radial orientiert ist und eine enge tangentiale Passung des Stiftes 64 mit dem Loch 66 entlang der Breite W des Loches 66 ausgebildet ist und eine lose Passung des Stiftes 64 mit dem Loch 66 entlang der Höhe H des Loches 66 ausgebildet ist, um so eine vernachlässigbare Änderung in der tangentialen Lage der Düsensegmente 46 relativ zueinander und zu der Halterungsstruktur 54 sicherzustellen, während eine freie axiale Hin- und Herbewegung des Düsensegmentes 46 auf dem Sehnengelenk 62 des Innenbandes ohne Biegung des Stiftes 64 oder des Halterungsflansches 60 gestattet wird. Beispielsweise zeigen Figuren 5-7 eine erste Lage des Befestigungsstiftes 64 relativ zu dem ovalförmigen Loch 66, wenn das Triebwerk in einem Zustand mit niedriger Leistung ist, während Figuren 8-10 eine zweite Lage des Befestigungsstiftes 64 relativ zu dem ovalförmigen Loch 66 darstellen, wenn das Triebwerk 10 in einem Zustand mit hoher Leistung ist.
Somit wird die tangentiale Gasbelastung auf jedes Düsensegment 46 durch den einzelnen Befestigungsstift 64 geführt, der in dem ovalförmigen Loch 66 in dem inneren Bandflansch 58 angeordnet ist. Die axiale Gasbelastung auf jedes Düsensegment 46 wird durch das Sehnengelenk 62 auf dem inneren Bandflansch 58 und durch die Kissen 68 an jedem Ende von einer hinteren Fläche des Außenbandes 50 geführt. Da die Belastung überwiegend an den Enden des Flansches 58 geführt werden, kann der mittlere Abschnitt des Flansches 58 dünner gemacht werden, wodurch Gewicht gespart wird. Weiterhin hilft der dünne Mittelabschnitt des Flansches, die Wirkung der thermischen Biegung zu verringern, da die Düsenhalterung diesen dünnen Bereich abflacht. Dem tangentialen Moment aufgrund der Gasbelastung wird durch überlappende Abschnitte 70 auf den gegenüberliegenden Enden der Innenbänder 48 von benachbarten Düsensegmenten 46 und durch die Reaktion an dem radialen Belastungsstop 72 entgegengewirkt.
Zusammenfassend führen die Düsenhalterungsanordnung 56 gemäß der vorliegenden Erfindung und auch die anderen, oben beschriebenen Halterungsmerkmale in vorteilhafter Weise die folgenden Funktionen aus: (1) Sie trägt die axiale und tangentiale Gasbelastung; (2) sie wirkt dem tangentialen Moment aufgrund der Gasbelastung entgegen; (3) sie minimiert eine Biegung der inneren Düsenhalterungsstruktur, während der Düse gestattet wird, axial zwischen den inneren und äußeren Bandern zu kippen bzw. zu schwenken; (4) sie minimiert Toleranzadditionen, um die Düse axial und tangential genau zu positionieren, wodurch die Düsenhalsfläche und somit die Triebwerksleistung direkt beeinflußt werden; (5) sie minimiert die thermische Kontaktfläche zwischen der Düse und der inneren Düsenhalterungsstruktur, um die Halterungsflanschtemperatur niedrig zu halten; und (6) sie minimiert das Gewicht.

Turbinendüsen-Dichtungsanordnung

Gemäß den Figuren 3 und 4 ist eine Düsendichtungsanordnung, die allgemein mit 74 bezeichnet ist, gemäß der im Querbezug genannten Erfindung zwischen den inneren Bandflanschen 58 vorgesehen zur Ausbildung einer Dichtung zwischen den Düsensegmenten 46 und zwischen dem Düsenhalterungsflansch 60 und den inneren Bandflanschen 58 der Düsensegmente 46. Die Düsendichtungsanordnung 74 enthält ein durchgehendes Dichtungsteil 76 mit einer umgekehrten W-förmigen Konfiguration im Querschnitt, das sich in Umfangsrichtung um die Mittelachse 16 herum erstreckt. Die Düsendichtungsanordnung 74 enthält auch eine ringförmige Aussparung 78, die in der Vorderfläche des Düsenhalterungsflansches 60 gebildet ist und die sich in Umfangsrichtung um die Mittelachse 16 herum erstreckt und das Dichtungsteil 76 an seiner rückwärtigen Seite aufnimmt und einen Sitz dafür bildet. Die Vorderseite des Dichtungsteils 76 erstreckt sich über die Vorderfläche des Düsenhalterungsflansches 60 hinaus und greift an der Rückfläche des Innenbandflansches 58 an. Das Dichtungsteil 76 ist flexibel genug, um jede Biegung des Düsenhalterungsflansches 60 aufzunehmen, die durch einen thermischen Gradienten von den hinteren zu den vorderen Enden des Düseninnenbandes hervorgerufen wird. Dieses W-förmige Dichtungsteil 76 bildet auch eine zweite Dichtung in Reihe mit der Dichtung, die durch das Sehnengelenk 62 gebildet wird, wodurch eine Leckage vermindert wird, selbst wenn keine Biegung auftritt.
Die Düsendichtungsanordnung 74 enthält auch mehrere L-formige Feder- oder Keildichtungsteile 80, die zwischen den Endflächen der Düsensegmente 46 angeordnet sind. Diese Dichtungsteile 80 blockieren den Leckagepfad zwischen den vertikalen und hinteren horizontalen Keildichtungsteilen, die auch zwischen den Endflächen der Düsensegmente 46 verwendet werden.

Claims

1. Gasturbinentriebwerk (10) mit einer longitudinalen Mittelachse (16), einem ringförmigen Gehäuse (18), das um die Mittelachse (16) herum angeordnet ist, einer ringförmigen, stationären Halterungsstruktur (54), einer ringförmigen Brennkammer (30) zum Erzeugen von Durckverbrennungsgasen, einer Hochdruckturbine (32), die stromabwärts von der Brennkammer (30) angeordnet ist zum Empfangen der Druckverbrennungsgase und zum Entziehen von Energie aus den Gasen, und einer ringförmigen Turbinendüse (44) mit wenigstens einer Stufe, die in dem ringförmigen Gehäuse (18) zwischen der Brennkammer (30) und der Hochdruckturbine (32) angeordnet ist, wobei die ringförmige Düsenstufe mehrere Düsensegmente (46), die in einer Ende-zu-Ende-Umfangsrelation um die Mittelachse (16) herum angeordnet sind, wobei jedes Düsensegment (46) ein Paar innerer und äußerer Bänder (48, 50), die im Abstand voneinander in radialer Relation zur Mittelachse (16) angeordnet sind, und wenigstens einen stromlinienförmigen Abschnitt (52) aufweist, der zwischen den inneren und äußeren Bändern (48, 50) angebracht ist und sich in radialer Relation zu der Mittelachse (16) erstreckt, eine Düsenhalterungsanordnung (56) zum Befestigen der Stufe der ringförmigen Düse (44) an der stationären Halterungsstruktur (54), wobei die Düsenhalterungsanordnung (56) enthält:

a) einen ringförmigen Düsenhalterungsflansch (60), der entlang der stationären Halterungsstruktur (54) neben der Düse (44) verläuft und daran befestigt ist; und

b) einen Band-Flansch (58), der entlang dem inneren Band (48) von jedem Düsensegment (46) verläuft und daran befestigt ist und benachbart zu dem Halterungsflansch (60) angeordnet ist;

gekennzeichnet durch

c) einen einzelnen Befestigungsstift (64), der von dem Düsenhalterungsflansch (60) benachbart zu dem einen Endabschnitt von dem inneren Band-Flansch (58) nach außen vorsteht und darauf befestigt ist; und

d) eine Einrichtung, die ein Loch (66) in einer ovalen Form in dem einen Endabschnitt von dem inneren Band-Flansch (58) bildet zum Aufnehmen eines äußeren vorstehenden Abschnittes von dem Befestigungsstift (64) in einer Paßsitz-Relation, wobei das ovalförmige Loch (66) eine größere Höhe als Breite hat derart, daß die Höhe in bezug auf die Mittelachse (16) radial orientiert ist und eine feste tangentiale Passung des Stiftes (64) mit dem Loch (66) entlang der Breite des Loches (66) ausgebildet ist und eine lose Passung des Stiftes (64) mit dem Loch (66) entlang der Höhe des Loches (66) ausgebildet ist, um so eine vernachlässigbare Änderung in der tangentialen Lage der Düsensegmente (46) relativ zueinander und zu der Halterungsstruktur (54) sicherzustellen, während eine freie axiale Hin- und Herbewegung des Düsensegmentes (46) auf dem inneren Band (48) ohne Biegung weder des Stiftes (64) noch des Halterungsflansches (60) gestattet wird.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, wobei der Befestigungsstift (64) eine im wesentlichen zylindrische Form hat.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, ferner enthaltend:

ein Paar Kissen (68) auf gegenüberliegenden Enden von einer Rückfläche des äußeren Bandes (50) von jedem Düsensegment (46) zum Übertragen einer axialen Gasbelastung auf jedes Düsensegment (46).

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 3, ferner enthaltend:

ein Paar überlappender Abschnitte (70) auf gegenüberliegenden Enden der inneren Bänder (48) von benachbarten Düsensegmenten (46) zum Reagieren auf ein tangentiales Moment aufgrund der Gasbelastung auf die Düsensegmente (46).

5. Gasturbinentriebwerk (10) mit einer longitudinalen Mittelachse (16), einem ringförmigen Gehäuse (18), das um die Mittelachse (16) herum angeordnet ist, einer ringförmigem, stationären Halterungsstruktur (54), einer ringförmigen Brennkammer (30) zum Erzeugen vom Durckverbrennungsgasen, einer Hochdruckturbine (32), die stromabwärts von der Brennkammer (30) angeordnet ist zum Empfangen der Druckverbrennungsgase und zum Entziehen von Energie aus den Gasen, und einer ringförmigen Turbinendüse (44) mit wenigstens einer Stufe, die in dem ringförmigen Gehäuse (18) zwischen der Brennkammer (30) und der Hochdruckturbine (32) angeordnet ist, wobei die ringformige Düsenstufe mehrere Düsensegmente (46), die in einer Ende-zu-Ende-Umfangsrelation um die Mittelachse (18) herum angeordnet sind, wobei jedes Düsensegment (46) ein Paar innerer und äußerer Bänder (48, 50), die im Abstand voneinander in radialer Relation zur Mittelachse (16) angeordnet sind, und wenigstens einen stromlinienförmigen Abschnitt (52) aufweist, der zwischen den inneren und äußeren Bändern (48, 50) angebracht ist und sich in radialer Relation zu der Mittelachse (16) erstreckt, eine Düsenhalterungsanordnung (56) zum Befestigen der Stufe der ringförmigen Düse (44) an der stationären Halterungsstruktur (54), wobei die Düsenhalterungsanordnung (56) enthält:

a) einem ringförmigen Düsenhalterungsflansch (60), der entlang der stationären Halterungsstruktur (54) neben der Düse (44) verläuft und daran befestigt ist;

b) einen Band-Flansch (58), der entlang dem inneren Band (48) von jedem Düsensegment (46) verläuft und daran befestigt ist und benachbart zu dem Halterungsflansch (60) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß

der innere Bandflansch (58) ein Sehnengelenk (62) aufweist, das auf eine rückwärtige Fläche davon geschnitten ist und das gestattet, daß das Düsensegment (46) an dem äusseren Band (50) des Düsensegmentes (46) in Richtung auf die Brennkammer (30) geneigt ist, ohne daß sich ein Lekkagepfad zwischen dem inneren Bandflansch (58) und einer ebenen Fläche des Düsenhalterungsflansches (60) öffnen kann.

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, ferner enthaltend:

ein Paar Kissen (68) an gegenüberliegenden Enden von einer rückwärtigen Fläche des äußeren Bandes (50) von jedem Düsensegment (46), um entlang dem Sehnengelenk (62) eine axiale Gasbelastung auf jedes Düsensegment (46) zu übertragen.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, ferner enthaltend:

ein Paar überlappender Abschnitte (70) auf gegenüberliegenden Enden von den inneren Bändern (48) von benachbarten Düsensegmenten (46) zum Reagieren auf ein tangentiales Moment aufgrund der Gasbelastung auf die Düsensegmente (46).

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, ferner enthaltend:

einen einzelnen Befestigungsstift (64), der von dem Düsenhalterungsflansch (60) benachbart zu dem einen Endabschnitt von dem inneren Band-Flansch (58) nach außen vorsteht und darauf befestigt ist; und

eine Einrichtung, die ein Loch (66) in einer ovalen Form in dem einen Endabschnitt von dem inneren Band-Flansch (68) bildet zum Aufnehmen eines äußeren vorstehenden Abschnittes von dem Befestigungsstift (64) in einer Paßsitz- Relation, wobei das ovalförmige Loch (66) eine größere Höhe als Breite hat derart, daß die Höhe in bezug auf die Mitte lachse (16) radial orientiert ist und eine feste tangentiale Passung des Stiftes (64) mit dem Loch (66) entlang der Breite des Loches (66) ausgebildet ist und eine lose Passung des Stiftes (64) mit dem Loch (66) entlang der Höhe des Loches (66) ausgebildet ist, um so eine vernachlässigbare Änderung in der tangentialen Lage der Düsensegmente (46) relativ zueinander und zu der Halterungsstruktur (54) sicherzustellen, während eine freie axiale Hin- und Herbewegung des Düsensegmentes (46) auf dem inneren Band (48) ohne Biegung weder des Stiftes (64) noch des Halterungsflansches (60) gestattet wird.

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, wobei der Befestigungsstift (64) eine im wesentlichen zylindrische Form hat.

10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, wobei ferner eine ringförmige Aussparung (78), die in der Vorderfläche des Düsenhalterungsflansches (60) ausgebildet ist, und eine durchgehende Dichtung (76) vorgesehen sind, die eine umgekehrte W-förmige Konfiguration hat und in die Vorderfläche der ringförmigen Vertiefung (78) eingesetzt ist und mit der Rückfläche des inneren Bandflansches (58) in Eingriff ist, während sie sich in der Umfangsrichtung in bezug auf die Triebwerksachse erstreckt und eine zweite Dichtung in Reihe mit einer Dichtung bildet, die durch das Sehnengelenk (62) gebildet ist.

11. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, wobei ferner mehrere L-formige Keildichtungsteile (80) vorgesehen sind, die zwischen Endflächen der Düsensegmente (46) angeordnet sind.