DE69726392T2

DE69726392T2 - Nasenhaube und Reparaturmethode dafür

Info

Publication number: DE69726392T2
Application number: DE69726392T
Authority: DE
Inventors: James R. Middletown Smith
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: EP0850831B1; MY117773A; JPH10196455A; KR19980064500A; US5833435A; DE69726392D1; JP4028924B2; SG54611A1; EP0850831A2; EP0850831A3; KR100569764B1

Description

Die Erfindung betrifft Axialströmungs-Rotationsmaschinen beispielsweise Gasturbinentriebwerke und insbesondere eine Einlassnasenkonus-Anordnung für eine Gasturbinenmaschine, beispielsweise eine Turbobläsermaschine.
Die Turbobläsermaschine ist heutzutage die bei großen Flugzeugen am weitesten verbreitete Antriebsmaschine. Eine typische Turbobläsermaschine hat einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger, primärer Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich axial durch den Verdichterabschnitt, den Verbrennungsabschnitt und den Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger, sekundärer Strömungsweg ist radial außerhalb des primären Strömungswegs angeordnet.
Der Verdichterabschnitt weist einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter auf. Der Niederdruckverdichter hat eine Mehrzahl von Stufen, von denen die erste generell als die Bläserstufe bekannt ist. Ein Bläserkanal erstreckt sich umfangsmäßig um den Niederdruckverdichter, um den sekundären Strömungsweg zu begrenzen.
Arbeitsmediumsgase werden in die Maschine entlang dem primären und sekundären Strömungsweg gezogen. Die Gase werden durch die Bläserstufe und den Niederdruckverdichter geleitet, wo die Gase verdichtet werden, um die Temperatur und den Druck der Arbeitsmediumsgase zu erhöhen. Ein Teil der Gase strömt durch den sekundären Strömungsweg innerhalb der Bläserführung und strömt nicht durch die späteren Stufen des Niederdruckverdichters.
Ein großer Prozentsatz des von einer konventionellen Turbobläsermaschine erzeugten Schubs wird von den durch die Bläserführungen strömenden Gasen erzeugt. Das Verhältnis der durch die Bläserführungen strömenden Gase zu den durch den Maschinenkern strömenden Gase ist als das Bypassverhältnis bekannt. Das Bypassverhältnis kann für jedes individuelle Triebwerkmodell einen unterschiedlichen Wert haben gemäß den Leistungsanforderungen der Antriebsmaschine. Bei einer großen kommerziellen Turbobläsermaschine kann das Bypassverhältnis bis zu 6,5 : 1 betragen.
Damit die Bläserstufe effizient beim Komprimieren der Arbeitsmediumsgase arbeitet, müssen die Gase sanft it einem Minimum an Störungen in die Bläserstufe gelangen. Um diese sanfte Luftströmung zu realisieren, ist ein Einlassnasenkonus an der Bläserstufe angebracht, um die Arbeitsmediumsgase allmählich in die Bläserstufe zu lenken.
Der Einlassnasenkonus ist generell aus einem leichtgewichtigen Verbundmaterial hergestellt, um Gewicht zu reduzieren, eine wichtige Überlegung für Flugzeugantriebsmaschinen. Ein Verbundmaterial-Einlassnasenkonus ist aus dem Dokument EP 294 654 bekannt. Eine Flugzeugantriebsmaschine, beispielsweise eine Turbobläsermaschine, muss ausreichend Leistung erzeugen, um es einem Flugzeug zu ermöglichen, zu fliegen. Je leichter das Flugzeug und seine angeschlossene Maschine sind, desto geringer ist die Menge an Leistung, die erforderlich ist, um das Fliegen dem Flugzeug zu ermöglichen. Somit führt die Verringerung des Gewichts des Einlassnasenkonus zu einer geringeren Leistungsanforderung für den Flug.
Die Verwendung des Einlassnasenkonus für einen längeren Zeitraum kann bewirken, dass der hintere Bereich des Einlassnasenkonus, der auch als die hintere Verkleidung bekannt ist, sich radial verformt. Fortgesetzte Verformungen der hinteren Verkleidung können ein Delaminieren oder ein Separieren von Verbundmaterial von benachbarten Lagen verursachen, insbesondere wenn der Einlassnasenkonus während der Handhabung oder als Folge der Aufnahme von Fremdkörpern in die Maschine beschädigt wurde. Diese Stücke des Einlassnasenkonus können in den primären Strömungsweg der Maschine eingesogen werden und verringern die Gesamtleistung der Maschine. Ein Delaminieren verringert auch die Effizienz des Einlassnasenkonus, indem es Störungen in dem Strömungsweg der Arbeitsmediumsgase erzeugt, die die Leistung der Maschine negativ beeinflussen.
Es wurden verschiedene Ansätze verwendet, um dieses Problem zu lösen. Ein Ansatz ist es, ein Glasfibermaterial um die delaminierte hintere Verkleidung des Einlassnasenkonus zu wickeln. Dieses Verfahren gibt dem Einlassnasenkonus eine erhöhte Toleranz gegen Beschädigung und eine zusätzliche Festigkeit in der Transversalrichtung. Obwohl diese Prozedur die Beschädigung an dem Einlassnasenkonus repariert, verringert sie nicht zukünftiges Auftreten von Delamination. Der reparierte Einlassnasenkonus bleibt anfällig für Delaminationen in der Zukunft.
Ein weiterer Ansatz ist es, Harz zwischen die separierten Verbundmateriallagen zu injizieren, um die Lagen wieder miteinander zu verbinden und die ursprüngliche Konfiguration wiederherzustellen. Dieses Verfahren verzögert ein Fortschreiten des Separierens und verbindet die delaminierten Verbundlagen miteinander. Es kann jedoch in der Zukunft zu Delaminationen kommen.
Ein weiterer Ansatz ist es, das Material in dem Flansch und der hinteren Verkleidung zu ersetzen und mindestens eine Lage aus Kevlar^®-Fasermaterial unter Spannung um die hintere Verkleidung vorzusehen, um die Verkleidung gegen Beschädigung durch Handhabung und Fremdkörper zu schützen. Diese Prozedur repariert die Beschädigung, die aufgetreten ist, und versteift die hintere Verkleidung des Verbundmaterial-Einlassnasenkonus und verringert Spannung. Das Kevlar^®-Fasermaterial übt eine Zugkraft auf das Verbundmaterial der hinteren Verkleidung aus. Die Zugkraft bringt eine Spannung auf die Verbindungen zwischen den Lagen von Verbundmaterial auf und kann zu Delaminationen, dem tatsächlichen zu verhindernden Problem, führen.
Trotz des beschriebenen Stands der Technik hat sich die Anmelderin bemüht, alternative Verfahren zum Verfestigen des Einlassnasenkonus oder zum Reparieren eines Verbundmaterial-Einlassnasenkonus, der eine delaminierte hintere Verkleidung hat, zu entwickeln.
Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass ein Verbundmaterial-Einlassnasenkonus mit einer Verkleidung, die einer Aufprallbeschädigung ausgesetzt ist, der radiale Verformungen in der hinteren Verkleidung folgen, die Spannung in diesem Bereich induzieren, ein Separieren der benachbarten Lagen des Verbundmaterials und einem anschließenden Verlust an Maschineneffizienz erfahren kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Einlassnasenkonus, der aus einem Verbundmaterial gebildet ist, mit einer sich in auskragender Weise von dem Einlassnasenkonus erstreckenden hinteren Verkleidung außerdem einen umfangsmäßigen kontinuierlichen äußeren Ring auf, der die hintere Verkleidung umgibt, der ein höheres Verhältnis von Steifigkeit zu Masse als die hintere Verkleidung hat, um die hintere Verkleidung gegen radiale Verformung festzulegen.
Gemäß einem ersten breiten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Einlassnasenkonus-Anordnung gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem zweiten breiten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung einen Satz zum Reparieren von Delaminationen an einer Einlassnasenkonus-Anordnung gemäß Anspruch 16.
Gemäß einem dritten breiten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reparieren einer Einlassnasenkonus-Anordnung nach Anspruch 17.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein innerer Ring an der Bodenfläche der hinteren Verkleidung des Einlassnasenkonus und der Bodenfläche des äußeren Rings angebracht.
Gemäß einer der detaillierten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der äußere Ring eine einstückige Anordnung, die an der hinteren Verkleidung des Einlassnasenkonus angebracht ist und den Flansch "reitet".
Ein primäres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Einlassnasenkonus-Anordnung mit einer hinteren Verkleidung. Ein weiteres Merkmal ist ein Flansch, der von dem Einlassnasenkonus radial nach innen ragt. Der Flansch ist an der benachbarten Maschinenstruktur angebracht. Ein weiteres Merkmal ist ein äußerer Ring, der die hintere Verkleidung und einen Teil des Einlassnasenkonus umfasst. In einer detaillierten Ausführungsform weist die vorliegende Erfindung auch einen in der Form eines kegelstumpfförmigen Abschnitts mit zwei Oberflächen ausgebildeten Innenring als Merkmal auf. Die erste Oberfläche ist mit der Bodenfläche der hinteren Verkleidung verbunden, und die zweite Oberfläche ist mit der Bodenfläche des äußeren Rings verbunden.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist die erhöhte Maschineneffizienz, die sich aus einem sanften Strömungsweg für die Arbeitsmediumsgase ergibt. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine Verringerung der Unterhaltskosten für die Maschine, die sich aus der erhöhten Haltbarkeit des Verbundmaterial-Einlassnasenkonus ergibt, der einen die hintere Verkleidung umfassenden äußeren Ring hat. Der äußere Ring bringt unter Betriebsbedingungen eine kompressive Kraft auf die hintere Verkleidung auf, welche das Auftreten von Delaminationen verringert und die Haltbarkeit des Einlassnasenkonus-Anordnung erhöht.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine Schnittansicht einer Turbobläsermaschine;
2 ist eine Schnittansicht einer Verbundmaterial-Einlassnasenkonus-Anordnung der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Schnittansicht eines reparierten Verbundmaterial-Einlassnasenkonus;
4 ist eine auseinander gezogene Seitenansicht des in 3 gezeigten reparierten Verbundmaterial-Einlassnasenkonus.
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Turbobläser-Gasturbinenmaschine 10 ist in perspektivischer Ansicht gezeigt. Die Maschine weist einen Niederdruckverdichter 20, einen Hochdruckverdichter 25, eine Brennkammerabschnitt 30, eine Hochdruckturbine 35 und eine Niederdruckturbine 40 auf. Die Maschine hat auch einen primären Strömungsweg 45 und einen sekundären Strömungsweg 50 für Arbeitsmediumsgase.
Der Niederdruckverdichter 20 weist einen Bläserabschnitt 55, ein inneres Bläsergehäuse 60 und ein äußeres Bläsergehäuse 65 auf. Das innere Bläsergehäuse 60 erstreckt sich umfangsmäßig um den primären Strömungsweg 45, um den Strömungsweg an seinem äußersten Bereich zu begrenzen. Der sekundäre Strömungsweg 50 erstreckt sich radial außerhalb von dem primären Strömungsweg 45 durch den Bläserabschnitt 55 und ist an seinem äußersten Bereich von dem äußeren Bläsergehäuse 65 begrenzt.
2 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Einlassnasenkonus-Anordnung 70 der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung weist einen Einlassnasenkonus 15 mit einer ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle 70 und umfangsmäßig angeordnete Ablassöffnungen 85 auf. Die Anordnung weist auch einen äußeren Ring 90, einen Flansch 100 und eine hintere Verkleidung 105 auf. Eine Blasen-Luftdichtung (bubble air seal) 110 erstreckt sich nach hinten. Auch ist in unterbrochenen Linien ein Teil des Bläserabschnitts 55 gezeigt, der eine Bläserlaufschaufel 115 und eine Bläserrotorscheibe 120 aufweist. Der Flansch 100 ragt radial von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle 80 des Einlassnasenkonus 15 nach innen. Der Flansch ist an der Bläserrotorscheibe 120 angebracht.
Die hintere Verkleidung 105 ist mit dem Einlassnasenkonus 15 integral und erstreckt sich in auskragender Weise von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle 80 in enge Nähe zu der Bläserrotorscheibe 120. Der Einlassnasenkonus 15 und die hintere Verkleidung 105 sind aus einem Verbundmaterial mit einem ersten Verhältnis von Steifigkeit zu Masse gebildet. Die Blasenluftdichtung ist unter der hinteren Verkleidung 105 angeordnet und bildet einen angrenzenden Kontakt zu der Bläserlaufschaufel 115.
Der äußere Ring 90 erstreckt sich über eine erste Länge L₁ von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle 80 nach vorne, und eine zweite Länge L₂ von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle 80 nach hinten in enge Nähe zu der Bläserrotorscheibe 120. Der äußere Ring 90 umfasst die hintere Verkleidung 105 und einen Teil des Einlassnasenkonus 15 vollständig. Der äußere Ring 90 ist aus mindestens einer Lage aus Kohlefasermaterial gebildet, die zwischen zwei Lagen aus Glasfasermaterial angeordnet ist, wobei beide Lagen mit einem Epoxyharz miteinander verbunden sind. Der äußere Ring hat ein zweites Verhältnis von Steifigkeit zu Masse, das größer ist als das erste Verhältnis von Steifigkeit zu Masse der hinteren Verkleidung 105 und des Einlassnasenkonus 15. Beispiele von geeigneten Materialien für diese Kombination aus Materialien sind erhältlich von Hexcel Corporation, Livermore, California, als T6C145 Kohlefasermaterial, style 120-38 Glasfasermaterial; und F-263 Epoxyharz.
Es wird nun auf die 3 und 4 Bezug genommen. Eine reparierte Einlassnasenkonus-Anordnung 70 ist gezeigt. Die reparierte Einlassnasenkonus weist eine verkürzte hintere Verkleidung 105 auf, die eine Länge L₃ hat, die kürzer ist als die Länge einer unmodifizierten hinteren Verkleidung 105. Die Länge L₂ des äußeren Rings ist mindestens zweimal größer als die Länge L₃ der hinteren Verkleidung. Der Abstand D₁ ist der Abstand von der modifizierten hinteren Verkleidung von dem Flanschende 100, und der Abstand D₂ ist der Abstand von einer unmodifizierten hinteren Verkleidung.
Die Einlassnasenkonus-Anordnung weist auch einen inneren Ring 125 zusätzlich zu den in 2 beschriebenen Teilen auf. Der innere Ring 125 hat die Gestalt eines kegelstumpfförmigen Abschnitts mit einem ersten Teil, der eine erste Oberfläche 130 hat, und einen zweiten Teil, der eine zweite Oberfläche 135 hat. Der innere Ring hat einen dritten Teil 137, der von dem ersten Teil zu dem zweiten Teil nach außen schräg gestellt ist, so dass die Oberflächen des ersten und des zweiten Teils radial voneinander beabstandet sind und jeweils in einer eng angrenzenden Relation mit der hinteren Verkleidung und dem äußeren Ring 90 sind. Die erste Oberfläche 130 ist an der verkürzten hinteren Verkleidung 105 angebracht, und die zweite Oberfläche 135 ist an dem äußeren Ring 90 angebracht. Der äußere Ring 90 und der innere Ring 125 erstrecken sich in enge Nähe zu der Bläserlaufschaufel 115. Die Blasenluftdichtung 110 ruht unter der ersten Oberfläche 130 des inneren 125. Der innere Ring 125 ist aus Glasfaserlagen mit einer inneren Lage (mit inneren Lagen) aus Kevlar^®-Material gebildet. Der innere Ring hat ein drittes Verhältnis von Steifigkeit zu Masse, das geringer ist als das zweite Verhältnis von Steifigkeit zur Masse des äußeren Rings 90. Beispiele von geeigneten Materialien für diese Kombination aus Materialien sind auch von der Hexcel Corporation, Livermore, California erhältlich als style 120-38 Glasfasermaterial; K285 Kevlar^®-Material; und D126 Epoxyharz.
Während des Betriebs der Maschine werden Arbeitsmediumsgase in die Maschine gesogen. Wenn die Arbeitsmediumsgase sich der Bläserstufe annähern, werden die Gase um die Kontur des Einlassnasenkonus 15 geleitet. Die Gase werden in dem Bläserabschnitt 55 komprimiert. Ein großer Prozentsatz der Arbeitsmediumsgase strömt dann in den sekundären Strömungsweg 50 und wird in die Atmosphäre abgegeben. Der Rest der Arbeitsmediumsgase folgt dem primären Strömungsweg in dem Niederdruckverdichter 20, wo die Gase weiter komprimiert werden.
Die Gase gelangen dann in den Hochdruckverdichter 25, wo die Gase wieder komprimiert werden, und die Temperatur und der Druck der Arbeitsmediumsgase erhöht werden. Die Gase strömen dann in die Brennkammereinrichtung 30, wo sie mit Brennstoff vermischt und verbrannt werden. Die heiße Gasmischung strömt in die Hochdruckturbine 35, wo von der Gasmischung Arbeit entzogen wird. Die Hochdruckturbine 35 überträgt diese Arbeit auf den Hochdruckverdichter 25. Die Gase strömen dann in die Niederdruckturbine 40, wo noch mehr Nutzarbeit den Gasen entzogen wird. Die Niederdruckturbine überträgt Arbeit auf den Niederdruckverdichter 20 und den Bläserabschnitt 55. Schließlich werden die Gase an die Atmosphäre abgegeben.
Die Nasenkonusanordnung 70 rotiert um die Rotationsachse der Maschine mit der Bläserscheibe 120. Die hintere Verkleidung 105 des Einlassnasenkonus 15 kann sich während des Maschinenbetriebs in Reaktion auf Rotationskräfte in den Anordnungen radial verformen, die keinen äußeren Ring haben. Kontinuierliche radiale Verformungen verursachen ein Delaminieren der Verbundmateriallagen der hinteren Verkleidung 105, wenn die Nasenkonusanordnung Handhabungs- oder Fremdkörper-Beschädigung hat.
Das Verfahren zum Reparieren dieser Delamination ist folgendermaßen. Zuerst wird ein Teil der Hinterkante der hinteren Verkleidung 105, eine Länge D₁, welche die axiale Strenge der Delamination überschreitet, entfernt. Als Nächstes werden die Oberflächen der hinteren Verkleidung 105 und des Einlassnasenkonus 15 abradiert. Ein Verbindungsmedium (beispielsweise EA-9394 Epoyharz-Klebemittel, welches von der Dexter Corporation, Hysol Division, Pittsburg, CA 94565 erhältlich ist) wird auf den Einlassnasenkonus 15 und die hintere Verkleidung 105 aufgebracht. Der äußere Ring 90 wird auf den Einlassnasenkonus 15 und die hintere Verkleidung 105 derart aufgebracht, dass der äußere Ring 90 sich von der ersten umfangsmäßig verlaufenden Stelle 80 eine erste Länge L₁ nach vorne erstreckt und sich von der ersten umfangsmäßig verlaufenden Stelle 80 eine zweite Länge L₂ nach hinten in enge Nähe zu der Bläserrotorscheibe erstreckt. Das Verbindungsmedium lässt man eine geeignete Zeitdauer härten. Als Nächstes wird das Verbindungsmedium auf die innere Oberfläche des äußeren Rings 90 und die innere Oberfläche der hinteren Verkleidung 105 aufgebracht. Der innere Ring 125 wird an die hintere Verkleidung 105 und den äußeren Ring 90 angebracht. Man lässt das Verbindungsmedium eine geeignete Zeitdauer härten. Alternativ kann ein Gewebe-abgestütztes (scrim supported) Epoxyharz als Verbindungsmedium verwendet werden.
Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zum Modifizieren einer Nasenkonusanordnung verwendet werden, die keinen äußeren Ring 90 hat, die aber einen brauchbaren Einlassnasenkonus 15 hat. Das Procedere beinhaltet die folgenden Schritte: Zuerst werden die Oberflächen des Einlassnasenkonus 15 und die hintere Verkleidung 105 abgeschliffen. Ein Verbindungsmedium, beispielsweise eines der vorangehend beschriebenen, wird auf die Oberflächen des Einlassnasenkonus 15 und der hinteren Verkleidung 105 aufgebracht. Der äußere Ring 90 wird auf den Einlassnasenkonus 15 und die hintere Verkleidung 105 derart aufgebracht, dass der äußere Ring 90 sich von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle 80 eine erste Länge L₁ nach vorne erstreckt und sich von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle 80 eine zweite Länge L₂ nach hinten in enge Nähe zu der Bläserrotorscheibe 120 erstreckt. Man lässt das Verbindungsmedium eine geeignete Zeitdauer härten.
Eine weitere detaillierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Reparatursatz für einen delaminierten Verbundmaterial-Einlassnasenkonus 15. Der Reparatursatz beinhaltet einen äußeren Ring 90 und einen inneren Ring 125. Der äußere Ring 90 ist aus einer frei stehenden Kohlefaser- und Glasfaser-Materialkombination gebildet, die ein höheres Verhältnis von Steifigkeit zur Masse hat als die hintere Verkleidung 105. Wie erwähnt, ist der innere Ring 125 aus einer Kevlar^®-Faser- und Glasfaser-Materialkombination zusammengesetzt, die ein niedrigeres Verhältnis von Steifigkeit zur Masse als der äußere Ring 90 hat, das aber höher sein kann als das der hinteren Verkleidung 105. Man sollte auch erkennen, dass eine Materialersetzung für den äußeren Ring 80 und den inneren Ring 125 vorgenommen werden könnte, vorausgesetzt, die vorangehend angegebenen Verhältnisse von Steifigkeit zur Masse werden eingehalten. Das höhere Verhältnis von Steifigkeit zur Masse des äußeren Rings 90 gibt der vorliegenden Erfindung einige entscheidende Vorteile.
Zum einen ermöglicht es das höhere Verhältnis von Steifigkeit zur Masse dem äußeren Ring, die radialen Verformungen der hinteren Verkleidung 105 einzuschränken, da der Ring keine signifikanten radialen Verformungen erfährt.
Zum zweiten ermöglicht es die Charakteristik von Steifigkeit zur Masse des äußeren Rings 90 dem äußeren Ring 90, die hintere Verkleidung festzulegen und dabei ein Querschnittsprofil zu haben, das verglichen mit der hinteren Verkleidung 105 oder dem Einlassnasenkonus 15 dünn ist. Es ist besonders für Nasenkonus-Anordnungen wichtig, die modifizierte, brauchbare Nasenkonus-Anordnungen sind. Das dünne Profil ändert den Schwerpunkt der Einlassnasenkonus-Anordnung nicht signifikant und erhöht somit nicht signifikant die Verteilung der auf die Einlassnasenkonus-Anordnung ausgeübten Zentrifugalkräfte. Auch erlaubt das dünne Profil des äußeren Rings 90, verglichen mit dem Einlassnasenkonus 15, einen glatten Strömungsweg um den Einlassnasenkonus 15 und die hintere Verkleidung 105.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Kiebeverbindungen des inneren Rings 125 und des äußeren Rings 90 während des Maschinenbetriebs unter Kompression stehen. Die kompressive Kraft des inneren Rings 125 ergibt sich aus dem geringeren Verhältnis von Steifigkeit zur Masse des inneren Rings 125, verglichen mit dem äußeren Ring. Die von dem äußeren Ring 90 ausgeübte kompressive Kraft ergibt sich aus der Steifigkeit des äußeren Rings 90, verglichen mit dem Einlassnasenkonus 15 und der hinteren Verkleidung 105. Die Klebeverbindungen zeigen die größte Festigkeit unter Kompression, während sie die geringste unter Spannung zeigen. Der äußere Ring und der innere Ring bringen die Verbindungen in einen Zustand, in dem die maximale Festigkeit der Verbindungen genutzt werden kann. Die Massen (oder die Massencharakteristik einer speziellen Ausführungsform) können angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Masse die erforderliche kompressive Kraft liefert.
Der innere Ring kann umfangsmäßig kontinuierlich sein oder auch nicht. Es ist ein Vorteil, einen inneren Ring zu haben, der umfangsmäßig kontinuierlich ist. Die Charakteristik von Steifigkeit zur Masse stellt sicher, dass die Kraft innerhalb akzeptabler Werte über den gesamten Bereich der Drehzahlen bleibt, die unter normalen Betriebsbedingungen erfahren werden.
Man wird erkennen, das unter Betriebsbedingungen der Einlassnasenkonus und die hintere Verkleidung Rotationskräften ausgesetzt sind, und wobei die Bläserrotorscheibe in Reaktion auf Rotationskräfte auf die Bläserrotorscheibe nach außen wächst und eine Radialkraft nach außen auf den Flansch der hinteren Verkleidung ausübt. Der äußere Ring erstreckt sich eine erste Länge L₁ vor die erste sich umfangsmäßig erstreckende Stelle, so dass die Länge L₁ ermöglicht, dass den durch den Flansch übertragenen Radialkräften über einen verteilten Bereich Widerstand geleistet wird. Der äußere Ring erstreckt sich auch von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle eine zweite Länge L₂ nach hin ten in enge Nähe zu der Bläserrotorscheibe, so dass radiale Verformungen der hinteren Verkleidung unter Betriebsbedingungen widerstanden wird. Die äußere Oberfläche des äußeren Rings begrenzt den Arbeitsmediums-Strömungsweg und ermöglicht es den Arbeitsmediumsgasen, sanft in die Bläserlaufschaufeln zu strömen.
Somit ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung die Verteilung der durch den Flansch 100 von der Rotorscheibe 120 übertragenen Radialkraft. Während des Betriebs der Maschine wächst die Bläserrotorscheibe 120 und bringt so eine Kraft auf den Flansch 100 auf. Wie vorangehend ausgeführt, hilft die Anordnung des äußeren Rings 90, diese Kraft zu verteilen. In der bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der äußere Ring 90 eine erste Länge L₁ nach vorne von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle 80, die größer ist als die zweite Länge L₂, die sich von der ersten umfangsmäßig erstreckenden Stelle 80 nach hinten erstreckt. Diese größere Länge trägt dazu bei, die Kräfte zu verteilen, die auf den Einlassnasenkonus 15 durch den Flansch 100 aufgebracht werden, und verringert die Kräfte, die durch die hintere Verkleidung genommen werden, und verringert so die Belastung, die auf die Klebeverbindungen zwischen dem äußeren Ring 90 und dem Einlassnasenkonus 15 aufgebracht werden und insbesondere zwischen der hinteren Verkleidung und dem äußeren Ring. Somit verlängert die Länge L₁ effektiv den äußeren Ring nach vorne, um den Widerstandsbereich des äußeren Rings gegen die Kraft, die von dem Flansch auf den Nasenkonus und auf die hintere Verkleidung aufgebracht wird, zu verlängern, und die auf den äußeren Ring über die Länge L₂ durch die hintere Verkleidung wirkende Kraft zu verringern, und die Dehnung in der hinteren Verkleidung unter Betriebsbedingungen zu verringern.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf die detaillierten Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

Einlassnasenkonus-Anordnung (70) für eine Axialströmungsrotationsmaschine, aufweisend: einen Einlassnasenkonus (15), der aus einem Verbundmaterial gebildet ist mit einem Flansch (100), der sich radial von einer ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle (80) nach innen zur Befestigung an einer Rotorscheibe erstreckt; eine hintere Verkleidung (105), die aus einem Verbundmaterial mit einem ersten Verhältnis von Steifigkeit zur Masse gebildet ist, wobei die hintere Verkleidung (105) mit dem Einlassnasenkonus (15) integral ist und sich in auskragender Weise von der ersten umfangsmäßig erstreckenden Stelle nach hinten erstreckt; einen umfangsmäßig kontinuierlichen äußeren Ring (90), der aus einem Material mit einem zweiten Verhältnis von Steifigkeit zur Masse gebildet ist, das größer ist als das erste Verhältnis von Steifigkeit zur Masse der hinteren Verkleidung (105), wobei der äußere Ring (90) eine innere Oberfläche hat, die an der äußeren Oberfläche der hinteren Verkleidung und der äußeren Oberfläche des Einlassnasenkonus angebracht ist.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Länge L₁ des äußeren Rings (90) nach vorne von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle (80) größer ist als die Länge L₂ des äußeren Rings (90) davon nach hinten.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: einen inneren Ring (125), der aus einem Material mit einer vorgewählten Masse gebildet ist, wobei der innere Ring hat: ein erstes Teil mit einer ersten Oberfläche (130), die nach außen gerichtet ist, die an der inneren Oberfläche der hinteren Verkleidung (105) auf einer Fläche A₁ angebracht ist; ein zweites Teil mit einer zweiten Fläche (135), die nach außen gerichtet ist, die an der inneren Oberfläche des äußeren Rings (80) auf einer Fläche A₂ angebracht ist; wobei die Anordnung derart ist dass unter Betriebsbedingungen der erste Teil in Reaktion auf Rotationskräfte nach außen gedrängt wird, so dass die Befestigungsfläche A₁ zwischen dem inneren Ring (125) und der hinteren Verkleidung (105) unter Druck gehalten ist, und der zweite Teil in Reaktion auf Rotationskräfte nach außen gedrängt wird, so dass die Befestigungsfläche A₂ zwischen dem äußeren Ring (90) und dem inneren Ring (125) unter Druck gehalten ist.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach Anspruch 3, wobei der innere Ring (125) umfangsmäßig kontinuierlich ist und ein drittes Verhältnis von Steifigkeit zur Masse hat, das geringer ist als das zweite Verhältnis von Steifigkeit zur Masse des äußeren Rings (90), und wobei die Massencharakteristik und die Charakteristik von Steifigkeit zur Masse gewählt sind, um zu vermeiden, dass der innere Ring (90) mehr als eine vorgewählte kompressive Kraft durch den ersten und den zweiten Teil des inneren Rings (125) auf die hintere Verkleidung (105) und den äußeren Ring (90) bei Rotationsgeschwindigkeiten, die unter normalen Betriebsbedingungen der Maschine auftreten, aufbringt.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die hintere Verkleidung (105) sich eine Strecke L₃ von der ersten Stelle (80) nach hinten erstreckt und wobei die Strecke L₂, die sich der äußere Ring (90) nach hinten erstreckt, mindestens zweimal der Strecke L₃ ist, und wobei der innere Ring (125) einen dritten Teil (137) hat, der von dem ersten Teil zu dem zweiten Teil des inneren Rings (125) nach außen geneigt ist, so dass der erste und der zweite Teil des inneren Rings (125) Oberflächen (130, 135) haben, die radial voneinander beabstandet sind und jeweils in eng angrenzender Relation mit der hinteren Verkleidung (105) und dem äußeren Ring (90) sind.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der innere Ring (125) aus einem Glasfasermaterial gebildet ist und mindestens eine Lage aus Kevlar^®-Material hat, die um den inneren Durchmesser des Innenrings angeordnet sind und wobei der Innenring (125) ein Epoxyharz aufweist, das um die Glasfaser- und Kevlar^®-Fasermaterialien angeordnet ist.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die erste Oberfläche (130) des inneren Rings (125) an der inneren Oberfläche der hinteren Verkleidung (105) mit einem Verbindungsmedium angebracht ist, und die zweite Oberfläche (135) des inneren Rings (125) an der inneren Oberfläche des äußeren Rings (90) mit einem Verbindungsmedium angebracht ist.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der äußere Ring (90) aus mindestens zwei Lagen aus Glasfasermaterial und einem Kohlefasermaterial, welches zwischen mindestens einem Teil der Lagen von Glasfasermaterial angeordnet ist, gebildet ist, wobei das Kohlefasermaterial Kohlefasern hat, die sich umfangsmäßig erstrecken, und wobei der äußere Ring (90) ein Epoxyharz aufweist, welches um die Glasfaser- und Kohlefaser-Materialien angeordnet ist.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der äußere Ring (90) an dem Einlassnasenkonus (15) und der hinteren Verkleidung (105) mit einem Verbindungsmedium angebracht ist.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach Anspruch 7 oder 9, wobei das Verbindungsmedium für den äußeren Ring (90) und/oder den inneren Ring (125) aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer Epoxy-Kleberpaste oder einem Gewebe-abgestützten (scrim supported) Epoxy-Klebefilm besteht.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einlassnasenkonus (15) eine Mehrzahl von Öffnungen (85) hat, die umfangsmäßig angeordnet sind, so dass die innere Oberfläche des Einlassnasenkonus in Fluidverbindung mit der äußeren Oberfläche des Einlassnasenkonus angeordnet ist.
Einlassnasenkonus-Anordnung nach Anspruch 11, wobei der äußere Ring (90) eine Mehrzahl von umfangsmäßig angeordneten Öffnungen hat, die mit den umfangsmäßigen Öffnungen (85) des Einlassnasenkonus (15) ausgerichtet sind.
Einlassnasenkonus-Anordnung (70) nach Anspruch 1 für eine Axialströmungs-Rotationsmaschine mit einem Arbeitsmedium-Strömungsweg und einer Bläserrotoranordnung, welche eine Bläserrotorscheibe und eine Mehrzahl von Bläserlaufschaufeln hat, die sich radial über den Arbeitsmediums-Gasströmungsweg erstrecken, wobei: der Einlassnasenkonus eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche hat; und eine Mehrzahl von Öffnungen (85), die umfangsmäßig derart angeordnet ist, dass die innere Oberfläche des Einlassnasenkonus in Fluidverbindung mit der äußeren Oberfläche des Einlassnasenkonus gebracht ist; wobei die hintere Verkleidung (105) eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche hat; wobei die hintere Verkleidung (105) in auskragender Weise von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle (80) sich erstreckt, so dass die Arbeitsmediumsgase sanft in die Bläserlaufschaufeln strömen, wobei der kontinuierliche äußere Ring (90) aus einem Kohlefasermaterial mit einem höheren Verhältnis von Steifigkeit zur Masse gebildet ist als die hintere Verkleidung (105), wobei der äußere Ring hat – eine innere Oberfläche; – eine äußere Oberfläche und – umfangsmäßig angeordnete Öffnungen (85), die mit den umfangsmäßigen Öffnungen (85) des Einlassnasenkonus ausgerichtet sind; wobei der äußere Ring (90) sich von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle eine erste Länge L₁ nach vorne und von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle eine zweite Länge L₂ nach hinten an eine Stelle erstreckt, die in Verwendung in enger Nähe zu der Bläserrotorscheibe angeordnet ist, so dass radiale Verformungen der hinteren Verkleidung begrenzt sind, wobei der äußere Ring (90) an dem Einlassnasenkonus (15) und der hinteren Verkleidung (105) durch ein Verbindungsmedium angebracht ist; wobei ein kontinuierlicher innerer Ring (125) aus einem Kevlar^®-Fasermaterial gebildet ist, welches zwischen einem Glasfasermaterial mit einem geringeren Verhältnis von Steifigkeit zur Masse als der äußere Ring angeordnet ist, wobei der innere Ring (125) in der Form eines kegelstumpfförmigen Abschnitts ist und hat: – eine erste Oberfläche (130), – eine zweite Oberfläche (135) und – eine geneigte Oberfläche (137), welche sich winkelmäßig von der ersten Oberfläche (130) zu der zweiten Oberfläche (135) erstreckt; – wobei die erste Oberfläche (130) mit der inneren Oberfläche der hinteren Verkleidung (105) verbunden ist, so dass die Verbindung zwischen der hinteren Verkleidung (105) und dem äußeren Ring (90) in Kompression gehalten ist, und die zweite Oberfläche (135) mit der inneren Oberfläche des äußeren Rings (90) verbunden ist, so dass die Verbindung zwischen der zweiten Oberfläche (135) und dem äußeren Ring (90) unter Betriebsbedingungen unter Kompression gehalten ist.
Gasturbinenmaschine mit einer Rotorbläserscheibe (120) und einer Einlasskonus-Anordnung (70) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die an der Bläserscheibe angebracht ist.
Maschine nach Anspruch 14, wobei der Flansch (100) des Einlassnasenkonus (15) mit der Bläserrotorscheibe (120) verschraubt ist.
Satz zum Reparieren von Delaminationen an einer Einlassnasenkonus-Anordnung, wobei die Einlassnasenkonus-Anordnung einen Einlassnasenkonus (15), der aus einem Verbundmaterial gebildet ist, und eine hintere Verkleidung (105), die aus einem Verbundmaterial mit einem ersten Verhältnis von Steifigkeit zur Masse gebildet ist, wobei die hintere Verkleidung (105) mit dem Einlassnasenkonus (15) integral ist und sich in auskragender Weise von dem Einlassnasenkonus (15) nach hinten erstreckt, eine erste sich umfangsmäßig erstreckende Stelle (80) und einen Flansch (100) hat, der sich von der ersten umfangsmäßig erstreckenden Stelle radial nach innen erstreckt, wobei der Satz aufweist: einen umfangsmäßig kontinuierlichen äußeren Ring (90), der aus einem Material mit einem zweiten Verhältnis von Steifigkeit zur Masse gebildet ist, das größer ist als das erste Verhältnis von Steifigkeit zur Masse der hinteren Verkleidung, wobei der äußere Ring (90) daran angepasst ist, sich von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle eine erste Länge L₁ nach vorne und von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle eine zweite Länge L₂ nach hinten zu erstrecken, und einen umfangsmäßig kontinuierlichen inneren Ring (125), der aus einem Material mit einem dritten Verhältnis von Steifigkeit zur Masse gebildet ist, welches geringer ist als das zweite Verhältnis von Steifigkeit zur Masse des äußeren Rings (90), wobei der innere Ring (125) in der Form eines kegelstumpfförmigen Abschnitts mit einer ersten Oberfläche (130) und einer zweiten Oberfläche (135) und einer geneigten Oberfläche (137), welche die erste Oberfläche mit der zweiten Oberfläche verbindet, ist, wobei der innere Ring daran angepasst ist, dass die erste Oberfläche die hintere Verkleidung entlang einer Fläche A₁ berührt und die zweite Oberfläche den äußeren Ring entlang einer Fläche A₂ berührt, und wobei die Massencharakteristik und die Charakteristik von Steifigkeit zur Masse daran angepasst sind, in dem installierten Zustand zu verhindern, dass der innere Ring mehr als eine vorgewählte kompressive Kraft durch den ersten und den zweiten Teil des inneren Rings auf die hintere Verkleidung und den äußeren Ring bei Drehzahlen aufbringt, die unter normalen Betriebsdrehzahlen der Maschine angetroffen werden.
Verfahren zum Reparieren einer Einlassnasenkonus-Anordnung (70) einer Axialströmungs-Rotationsmaschine, wobei die Einlassnasenkonus-Anordnung einen Einlassnasenkonus (15), eine hintere Verkleidung (105), die ein erstes Verhältnis von Steifigkeit zur Masse hat und die Delaminationen erfahren hat, die eine axiale Länge L_d haben, einen Flansch und eine erste sich umfangsmäßig erstreckende Stelle hat, wobei das Verfahren aufweist: a) Entfernen einer beschädigten Länge von der hinteren Kante der hinteren Verkleidung; b) Befestigen eines äußeren Rings (90), der aus einem Material mit einem zweiten Verhältnis von Steifigkeit zur Masse ist, das größer ist als das erste Verhältnis von Steifigkeit zur Masse der hinteren Verkleidung (105); c) Befestigen der hinteren Verkleidung (105) und des äußeren Rings (90) an einem inneren Ring (125), der aus einem Material mit einem dritten Verhältnis von Steifigkeit zur Masse ist, das geringer ist als das zweite Verhältnis von Steifigkeit zur Masse des äußeren Rings (90), wobei der innere Ring (125) einen ersten Teil (130) mit einer ersten Oberfläche (130) und einen zweiten Teil mit einer zweiten Oberfläche (135) und einen dritten Teil (137) hat, welcher von dem ersten Teil zu dem zweiten Teil nach außen geneigt ist und die erste Oberfläche mit der zweiten Oberfläche verbindet, so dass die erste Oberfläche (130) die hintere Verkleidung (105) berührt und die zweite Oberfläche (135) von der ersten Oberfläche (130) radial beabstandet ist und den äußeren Ring (90) berührt.
Verfahren zum Reparieren einer Einlassnasenkonus-Anordnung (70) einer Axialströmungs-Rotationsmaschine nach Anspruch 17, wobei das Verfahren aufweist: a) Entfernen einer Länge D₁ von der Hinterkante der hinteren Verkleidung (105), wobei D₁ größer ist als die axiale Länge Ld der Delaminationen; b) Abschleifen der Oberfläche des Einlassnasenkonus (15) und der hinteren Verkleidung (105); c) Aufbringen eines Verbindungsmediums auf den Einlassnasenkonus (15) und die hintere Verkleidung (105); d) Bereitstellen des äußeren Rings (90), wobei der äußere Ring daran angepasst ist, sich von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle eine erste Länge L₁ nach vorne und von der ersten sich umfangsmäßig erstreckenden Stelle eine zweite Länge L₂ nach hinten zu erstrecken: e) Anbringen des äußeren Rings (90) an dem Einlassnasenkonus (15) und der hinteren Verkleidung (105); f) das Verbindungsmedium eine Zeidauer härten Lassen; g) Aufbringen des Klebemediums auf die innere Oberfläche der hinteren Verkleidung (105) und auf die innere Oberfläche des äußeren Rings (90); h) Bereitstellen des inneren Rings (125), wobei der innere Ring daran angepasst ist, so dass die erste Oberfläche (130) die hintere Verkleidung (105) entlang einer Fläche A₁ kontaktiert und die zweite Oberfläche (135) radial von der ersten Oberfläche (130) beabstandet ist und den äußeren Ring (90) entlang einer Fläche A₂ kontaktiert; i) Anbringen des inneren Rings (125) an der hinteren Verkleidung (105) und dem äußeren Ring (90); j) die adhäsive Verbindung eine Zeitdauer härten Lassen.