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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung ist auf eine neue Dichtungsvorrichtung
zum Abdichten von Verbindungsstellen unter Verwendung eines zylinderförmigen Zapfens gerichtet,
der in halb-zylinderförmigen
Nuten in den Verbindungsoberflächen
angeordnet ist, und insbesondere angewandt auf das Abdichten eines
T. O. B. I. (tangential on-board injection – tangentialer On-Board-Injektor)-Zufuhrsammelraums,
der mit einem inneren Kranz definiert ist, der in Kranzsegmente
mit sich radial erstreckenden Verbindungsstellen getrennt ist, wobei
die Verbindungsstellen mit sich axial erstreckenden Zapfen und Befestigungselementen
abgedichtet sind.
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Technischer
Hintergrund
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Gasturbinenmaschinen weisen mehrere Sammelräume für verdichtete
Luft und Kanäle
zum Leiten von druckbeaufschlagter Luft zur Kühlung über verschiedene Maschinenbauteile
auf. Die Komplexität
der Herstellung und des Zusammenbaus von zahlreichen Bauteilen stellt
einen signifikanten Kostenfaktor bei der Produktion und Wartung
von Flugzeugtriebwerken dar. Generell ist es bevorzugt, mehrere
Teile durch einzelne Gussteile oder maschinell bearbeitete Teile
zu ersetzen, um die Komplexität
der Herstellung zu verringern.
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Die vorliegende Erfindung ist auf
die Herstellung und den Zusammenbau einer umfangsmäßigen Reihe
von Statorlaufschaufeln mit einem äußeren Kranz und einem inneren
Kranz gerichtet. Die Statorreihe ist zwischen der Hochdruckverdichterturbine und
der Niederdruckverdichter-Turbine unmittelbar strömungsabwärts von
der Brennkammer positioniert. Zwischen diesen beiden Turbinen ist
die umfangsmäßige Reihe
von Statorlaufschaufeln, die eine radial nach innen gerichtete Leitung
zum Leiten von Kühlluft
aus einem die Brennkammer umgebenden Sammelraum in das Innere der
Maschine zum An sammeln in einem T. O. B. I.-Zuführsammelraum aufweist. Aus
dem T. O. B. I.-Sammelraum
wird Kühlluft in
Richtung auf die Abdeckplatte und den Körper der Niederdruckverdichter-Turbine
gelenkt. Der T. O. B. I.-Sammelraum weist in Richtung auf die Abdeckplatte
und die Turbine gerichtete Düsen
auf, um Kühlluft auf
und durch die Abdeckplatte und die Turbine zu leiten.
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Konventionelle Konstruktionen von
Statorreihen weisen generell mehrere Bauteile auf, die miteinander
zu einer ringartigen Struktur zusammengebaut werden. Einzelne Statorlaufschaufeln
werden maschinell bearbeitet und zu einer Ringstruktur miteinander
während
der Herstellung zusammengebaut. Generell ergeben sich Kosten- und
Arbeitseinsparungen, wenn irgendein maschinell bearbeitetes Bauteil als
eine einzelne Einheit hergestellt werden kann. Jüngst wurde die Fähigkeit
zum präzisen
maschinellen Bearbeiten großer
Metallteile durch die Verwendung von computerunterstützter Herstellung
und numerisch computergesteuertes maschinelles Bearbeiten erhöht. CAD
und CNC ermöglichen
es Konstrukteuren, extrem komplexe Bauteile miteinander zu einem
einzigen Teil zu kombinieren. Die komplexe Geometrie von Laufschaufelformen
die Geometrie des Heißgaswegs
haben in der Vergangenheit in Herstellungsverfahren resultiert,
die ein individuelles maschinelles Bearbeiten einer jeden Statorlaufschaufel und
dann das Zusammenlöten
der Laufschaufeln mit dem äußeren und
dem inneren Kranz beinhalteten, um den Heißgasweg zu definieren.
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Es ist wünschenswert, eine Statorlaufschaufelanordnung
als eine einzelne ringartige Einheit herzustellen. Zur Einfachheit
der Herstellung und zur Einfachheit der Beibehaltung der strukturellen
Integrität
ist es wünschenswert,
eine einzige ringartige Struktur herzustellen, die den äußeren Kranz
als ein kontinuierliches Element mit geschlossenem Ring nutzt, während die
Laufschaufeln und die daran angeschlossenen inneren Kranzelemente
voneinander getrennt sind. Das Trennen des inneren Kranzes erlaubt
es, die inneren Spannungen aufzuheben, erleichtert die Herstellung
der Ringstruktur, erleichtert die Inspektion und vereinfacht die
Wartung. Die Herstellung kann ein unitäres Gießen des einstückigen äußeren Kranzes
zusammen mit dem geteilten inneren Kranz und den radialen Statorlaufschaufeln
beinhalten, oder sie kann das individuelle maschinelle Bearbeiten
der Statorlaufschaufeln und dann das Löten der individuellen Statorlaufschaufeln
zur Ausbildung eines integralen äußeren Kranzes
und eines geteilten inneren Kranzes beinhalten.
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Die einzelnen Statorlaufschaufeln
mit den daran angeschlossenen inneren Kranzsegmenten müssen miteinander
zu einem inneren ringförmigen Kranz
in einer Weise verbunden werden, welche die Dichtung des inneren
Kranzes beibehält
und ein Entkommen der Luft aus dem T. O. B. I.-Sammelraum in den
Heißgasweg
verhindert. Eine Leckströmung
von Kühlluft
würde zu
einer signifikanten Abnahme bei der Effizienz des Triebwerkkühlsystems
führen.
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Das US-Patent Nr. 3 788 767 an Bednarczyk et
al. beschreibt das Abdichten einer radialen Verbindungsstelle mit
einem sich radial erstreckenden Zapfen in zusammenpassenden halbzylinderförmigen Nuten
in der gegenüber
liegenden Verbindungsoberfläche
zum axialen Abdichten der Verbindungsstelle.
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Deshalb ist es sehr wünschenswert,
einen geteilten inneren Kranz bereitzustellen, der effizient abgedichtet
werden kann, um ein Wandern zwischen dem Heißgasweg und der Kühlluft in
dem Sammelraum zu vermeiden. Es ist auch höchst wünschenswert, einen Sammelraum
aus einfach zusammenzubauen den und einfach zu zerlegenden Bauteilen herzustellen,
der während
routinemäßiger Wartung inspiziert,
ersetzt oder repariert werden kann.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die Erfindung liefert eine neue Sammelraumanordnung,
insbesondere angepasst zum Ausbilden eines Sammelraums innerhalb
einer umfangsmäßigen Statorlaufschaufelreihe
in einer Gasturbinenmaschine. Typischerweise hat eine Gasturbinenmaschine
einen Luftverdichter, eine Brennkammer und einen ringförmigen Heißgasweg,
der heiße
Gase axial an einer umfangsmäßig beabstandeten
Reihe von Statorlaufschaufeln strömungsaufwärts eines Turbinenrotors kanalisiert.
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Jede Statorlaufschaufel hat eine
innere Bohrung zum Kanalisieren von Kühlluft zwischen einem radial äußeren Kranz
und einem T. O. B. I.-Sammelraum (i. e. tangential on-board injection – tangentialer On-Board-Injektor),
der Kühlluft
zum Austreiben durch T. O. B. I.-Düsen sammelt. Der T. O. B. I.-Sammelraum
ist definiert durch eine vordere Platte, eine rückwärtige Platte und einen inneren
Kranz, der zwischen der vorderen und der rückwärtigen Platte angeordnet ist.
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Die erfinderische Verbesserung betrifft
einen neuen inneren Kranz, der eine umfangsmäßige Anordnung von inneren
Kranzsegmenten mit radial verlaufenden Verbindungsstellen zwischen
benachbarten inneren Kranzsegmenten aufweist. Der äußere Kranz
ist ein einstückiger
geschlossener Ring mit Statorlaufschaufeln und unterteiltem inneren
Kranz. Um den inneren Kranz zusammenzubauen, um verdichtete Luft
in dem T. O. B. I.-Sammelraum zu beinhalten, weist der Sammelraumeinschluss
lösbare längliche
Befestigungselemente auf, welche mit der vorderen und der rückwärtigen Platte
zusammenwirken und die inneren Kranzsegmente zwischen den Platten
klemmen. Jedes Befestigungselement ist axial in einer zugehörigen Verbindungsstelle
zwischen benachbarten inneren Kranzsegmenten angeordnet, und jedes
Befestigungselement weist eine um das Befestigungselement angeordnete
Dichthülle
auf, um die zugehörige
Verbindungsstelle abzudichten.
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In breiter Hinsicht liefert die vorliegende
Erfindung eine Dichtvorrichtung zum Abdichten jeglicher Verbindungsstelle
in einer Struktur zwischen zwei benachbarten Verbindungsstellenoberflächen. Die
Abdichtvorrichtung, die ein länglicher
zylinderförmiger
Zapfen ist, ist in Dichtkontakt in zwei gegenüber liegenden im Wesentlichen
halbzylinderförmigen Nuten
in jeder benachbarten Verbindungsoberfläche angeordnet. Vorzugsweise
weist der Zapfen eine äußere ringförmige Hülle und
einen inneren zylinderförmigen
Kern auf. Die Anwendung der Abdichtvorrichtung ist vorteilhaft in
Strukturen, die Wärmeausdehnung
ausgesetzt sind, wo das Bereitstellen von Verbindungsstellen eine
Spannungsentlastung erlaubt. Die zylinderförmigen -Zapfen in halbzylinderförmigen Nuten
erlauben eine thermisch induzierte Bewegung und behalten dabei eine
effektive Abdichtung in den Verbindungsstellen bei. Die zylinderförmige Gestalt kann
einfach während
der Herstellung mit üblichen zur
Verfü gung
stehenden Bearbeitungswerkzeugen gebohrt werden, und während Wartungsvorgängen können, falls
sich Leckstellen entwickeln, wenn erforderlich größer bemessene
Bohrungen und Zapfen eingepasst werden.
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Eine bevorzugte Dichtvorrichtung
weist eine äußere ringförmige Hülle und
ein inneres Kernelement auf. Der Kern kann ein lösbares Befestigungselement
sein, welches in Verbindung mit Platten oder anderen Strukturbauteilen
verwendet wird, um ringförmige
Ringe oder hohle Sammelraumstrukturen zu bilden, falls gewünscht.
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Die Erfindung liefert einen ringförmigen Sammelraumeinschluss,
aufweisend:
eine vordere Platte;
eine rückwärtige Platte;
einen
inneren Kranz, der zwischen der vorderen und der rückwärtigen Platte
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der innere Kranz
eine umfangsmäßige Anordnung von
inneren Kranzsegmenten mit radial axial verlaufenden Verbindungsstellen
zwischen benachbarten inneren Kranzsegmenten aufweist; und
eine
Mehrzahl von lösbaren
länglichen
Befestigungselementen die mit der vorderen und der rückwärtigen Platte
zusammenwirken, wobei jedes Befestigungselement ein Abdichthüllenmittel
aufweist, aufweisend eine ringförmige
Hülle,
die lateral um das Befestigungselement angeordnet ist, zum Zusammenwirken mit
einem gegenüber
liegenden Paar von zur Hülle passenden
Nuten in der zugehörigen
Verbindungsstelle und zum Abdichten der Verbindungsstelle, wobei
das Befestigungselement unter Spannung die inneren Kranzsegmente
zwischen der vorderen und der rückwärtigen Platte
klemmt und die Hülle
in dichtender Zusammenwirkung mit den Nuten der Verbindungsstelle
positioniert.
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Außerdem liefert die Erfindung
eine Gasturbinenmaschine mit einem Luftverdichter, einer Brennkammer
und einem ringförmigen
Heißgasweg, der
axial Heißgas
an einer umfangsmäßig beabstandeten
Reihe von Statorlaufschaufeln strömungsaufwärts eines Turbinenrotors kanalisiert,
wobei jede Statorlaufschaufel eine innere Bohrung zum Kanalisieren
von Kühlluft
zwischen einem radial äußeren Kranz
und einem tangentialen On-Board-Injektor-Sammelraum hat, wobei der
tangentiale On-Board-Injektor-Sammelraum definiert ist durch eine
vordere Platte, eine rückwärtige Platte
und einen inneren Kranz, der zwischen der vorderen und der rückwärtigen Platte
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der innere Kranz
eine umfangsmäßige Anordnung von
inneren Kranzsegmenten mit radial axial verlaufenden Verbindungsstellen
zwischen benachbarten inneren Kranzsegmenten aufweist; und
eine
Mehrzahl von lösbaren
länglichen
Befestigungselementen mit der vorderen und der rückwärtigen Platte zusammenwirkt,
wobei jedes Befestigungselement ein Hüllenabdichtmittel aufweist,
welches eine ringförmige
Hülle,
die lateral um das Befestigungselement angeordnet ist, aufweist
zum Zusammenwirken mit einem gegenüber liegenden Paar von zu der Hülle passenden
Nuten in der zugehörigen
Verbindungsstelle und zum Abdichten der Verbindungsstelle, wobei
das Befestigungselement unter Spannung die inneren Kranzsegmente
zwischen der vorderen und der rückwärtigen Platte
klemmt und die Hülle
in dichtender Zusammenwirkung mit den Nuten der Verbindungsstelle
positioniert.
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Weitere Details der Erfindung und
deren Vorteile werden aus der nachfolgend angefügten detaillierten Beschreibung
und den Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nur
beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
für die
gilt:
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1 ist
eine Axialschnittansicht durch den Turbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine,
die einen Stator und einen T. O. B. I.-Sammelraum mit T. O. B. I.-Düsen zwischen zwei Turbinenrotoren
zeigt; und
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2 ist
eine Teilquerschnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1, welche den unterteilten
inneren Kranz mit radialen Verbindungsstellen zeigt, die durch Schraubenbefestigungen
mit Abdichthüllen
abgedichtet sind.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Die detaillierte Konstruktion einer
Gasturbinenmaschine wird als übliches
Wissen des Fachmanns angesehen. Es ist deshalb nicht erforderlich, hier
die Details einer Gasturbinenmaschine zu erklären, die einen Luftverdichter
(nicht gezeigt), eine Brennkammer 3 und einen ringförmigen Heißgasweg 4 aufweist.
Der Heißgasweg 4 kanalisiert
axial Heißgas
an einer umfangsmäßig beabstandeten
Reihe von Statorlaufschaufeln 5 (von links nach rechts
wie in 1 gezeichnet).
Die Hochdruckverdichterturbine 6 treibt die Hochdruckwelle 8 an,
und die Niederdruckverdichterturbine 7 treibt die Niederdruckwelle 9 an.
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In bekannter Weise wird die kühlende verdichtete
Luft von einem der Brennkammer 3 benachbarten Sammelraum 11 durch
die hohlen Statorlaufschaufeln 5 kanalisiert, wie durch
Pfeile in 1 gezeigt.
Jede Statorlaufschaufel 5 hat eine interne Bohrung 12 zum
Kanalisieren von Luft zwischen einem radial äußeren Kranz 13 und
einem T. O. B. I.-Sammelraum 14 (tangential on-board injection – tangentialer
On-Board-Injektor).
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In der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform
ist der T. O. B. I.-Sammelraum 14 durch eine
vordere Platte 15 und eine rückwärtige Platte 16 definiert.
Die rückwärtige Platte 16 weist
T. O. B. I.-Düsen 17 auf,
um Kühlluft strömung auf
die Abdeckplatte 18 und durch Öffnungen zu der Niederdruckverdichterturbine 7 in
einer bekannten Weise zu lenken.
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Die vorliegende Erfindung kann auf
die Anordnung und die Konstruktion des T. O. B. I.-Sammelraums 14 folgenderweise
angewandt werden. Der innere Kranz 19 weist ein Innensegment 20 auf,
welches man am besten in der 2 erkennt.
Die inneren Kranzsegmente 20 mit der Bohrung 12 leiten
verdichtete Luft direkt in den T. O. B. I.-Sammelraum 14. Segmente 20 des
inneren Kranzes 19 sind zwischen der vorderen Platte 15 und
der rückwärtigen Platte 16 geklemmt.
Verbindungsstellen 22 erstrecken sich radial zwischen angrenzenden
Oberflächen
von benachbarten inneren Kranzsegmenten 20.
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Lösbare
längliche
Befestigungselemente, beispielsweise Schrauben 23, greifen
an der vorderen und der rückwärtigen Platte 15 und 16 an
und klemmen die inneren Kranzsegmente 20 und 21 zwischen
den Platten 15 und 16. Um die zugehörige Verbindungsstelle 22 abzudichten,
weist jedes Schrauben-Befestigungselement 23 eine Dichthülle 24 auf, die
um den Schaft der Schraube 23 angeordnet ist.
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Einige Vorteile ergeben sich aus
der einfachen Konstruktion des gezeigten inneren Kranzes 19.
Das Klemmen der Segmente 20 zwischen den Platten 15 und 16 stellt
sicher, dass ein Klappern der Statorlaufschaufeln 5 und übermäßige Vibrationen nicht
auftreten. Die Schrauben 23 mit den Klemmplatten 15 und 16 stellen
sicher, dass der T. O. B. I.-Sammelraum 14 abgedichtet
bleibt und eine stabile Struktur zum Kanalisieren von Kühlluft durch
die T. O. B. I.-Düsen 17 bildet.
Die Dichthüllen 24 an
dem Schaft der Schrauben 23 bilden luftabgedichtete Verbindungsstellen 22 in
einem segmentierten inneren Kranz. Die Herstellung und die Wartung
der Statorlaufschaufeln 5 und des T. O. B. I.-Sammelraums 14 sind
mit dieser Struktur auf eine simple kosteneffiziente Weise vereinfacht.
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Man wird erkennen, dass die hier
beschriebene Dichtvorrichtung auf das Abdichten einer Verbindungsstelle
in jeglicher Struktur zwischen zwei benachbarten Verbindungsoberflächen angewandt
werden kann. Der längliche
zylin derförmige
Zapfen ist in Dichtkontakt in zwei gegenüber liegenden generell halbzylinderförmigen Nuten
in jeder der benachbarten Verbindungsoberflächen angeordnet. Ein geteilter
Ring oder eine segmentierte ringförmige Struktur kann mit abgedichteten
Verbindungsstellen hergestellt werden, um Wärmeausdehnung zuzulassen und
dabei ihre Abdichtung beizubehalten. Vorzugsweise hat der Zapfen
eine äußere ringförmige Hülle und
einen inneren zylinderförmigen
Kern, um die Verwendung von geeigneten Materialien für das äußere Abdichten
und für
die Kernfestigkeit zuzulassen. Beispielsweise kann der Kern ein
Befestigungselement sein, um Platten oder andere Bauteil an die Ringstruktur
zu nieten oder zu schrauben, falls das erwünscht ist.
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Obwohl die vorangegangene Beschreibung und
die begleitenden Zeichnungen eine spezielle bevorzugte Ausführungsform
zeigen, wie sie momentan von dem Erfinder angedacht ist, wird man
verstehen, dass die Erfindung in breiter Hinsicht mechanische und
funktionale Äquivalente
der gezeigten und beschriebenen Elemente einschließt.