EP0485556B1 - Leitkranz einer turbine eines gasturbinentriebwerks - Google Patents

Leitkranz einer turbine eines gasturbinentriebwerks Download PDF

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EP0485556B1
EP0485556B1 EP91909879A EP91909879A EP0485556B1 EP 0485556 B1 EP0485556 B1 EP 0485556B1 EP 91909879 A EP91909879 A EP 91909879A EP 91909879 A EP91909879 A EP 91909879A EP 0485556 B1 EP0485556 B1 EP 0485556B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ring
guide
elements
vane
vane ring
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP91909879A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0485556A1 (de
Inventor
Oskar Ostermeir
Wolfgang Krüger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH filed Critical MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Publication of EP0485556A1 publication Critical patent/EP0485556A1/de
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Publication of EP0485556B1 publication Critical patent/EP0485556B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/20—Oxide or non-oxide ceramics
    • F05D2300/21—Oxide ceramics

Definitions

  • the invention relates to a guide ring according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a guide ring is known from DE-PS 37 38 439. It is a so-called “semi-integral guide ring", in which either one ring (outer ring) or the other ring (inner ring) is manufactured separately from the blades and is not directly an integral part of the guide grill; this guide ring is preferably used in a gas turbine in the high-pressure turbine. Due to the high temperature differences occurring there, the guide rings expand, which leads to significant shifts in the radial direction. Furthermore, axial displacements occur due to the different thermal expansions between the inner and outer housing, which have to be mastered for a guide ring which is connected to the two housings via the rings in question, in order to prevent tension or even component breaks.
  • the separate or other ring or the ring fixed to the guide vanes should be arranged axially displaceably and pressed against one another by means of a tensioning device.
  • the disadvantage of this arrangement is that in addition to the aforementioned leaks, relatively complex guide devices for the axially movable part are to be provided, with extremely different component temperatures and expansions being problematic for the precise guidance required.
  • the object of the present invention is to provide a generic guide ring which, on the one hand, does not hinder the axial relative displacements and, on the other hand, drastically minimizes leakages between the free blade ends and the separate sealing ring, and can be implemented with the simplest possible design.
  • the main advantages of the invention are that the axial relative displacements between the outer and inner housing or the relevant sections of this housing and the associated one and the other ring (outer and inner ring) can be completely compensated by the free blade tips on the slotted piston ring-like elements can slide. At least two ring elements arranged axially one behind the other form a cylindrical sliding surface for the blade tips, so that thermal displacements in the axial direction are possible without hindrance.
  • axially slotted is understood to mean that a ring element, similar to a piston ring of a reciprocating piston engine, is interrupted at one point, so that certain deformations of the ring element are possible while changing the gap width in the circumferential direction.
  • the gap of a ring element in the cold state is preferably about 1-5 mm, in particular 2-3 mm, the size and shape depending on the individual case from the geometries, materials and temperatures.
  • the slotted ring elements are arranged such that the axial gaps of the rings are offset from one another in the circumferential direction.
  • the design according to the invention is equally applicable to a radially outer or radially inner ring which is held separately from the blades.
  • non-blade-resistant other ring can consist of several, e.g. operate two, three or four piston ring-like elements arranged axially one behind the other. This has the advantage that the gaps are interrupted in the axial direction, and a possibly non-uniform contact pressure of the individual ring elements is divided over several blades.
  • the design according to the invention is particularly suitable for ceramic components, ie the semi-integral guide ring is made of ceramic materials. Ceramics offer many advantages over metallic materials such as less wear due to high hardness and high chemical resistance, great shape retention in a wide temperature range, and any availability of raw materials.
  • the guide ring is preferably made of sintered silicon carbide (SSiC) because it retains its flexural strength up to about 1850 K and is characterized by low thermal expansion, high thermal conductivity and high sensitivity to thermal shock.
  • the guide ring or guide vanes can also be made of metal, however, wear protection layers should be provided on the tips rubbing with the slotted ring elements.
  • the guide vanes can be solid or designed as hollow blades.
  • the slotted ring elements are preferably made of ZrO2, because this material is characterized on the one hand by a low heat conduction, and on the other hand by a low modulus of elasticity, which makes the spring travel longer than, for example, when using SiC.
  • the ring elements are arranged on a support ring, likewise slotted in the axial direction, on which the tensioning device is supported.
  • the tensioning device acts in the radial direction in order to press the slotted ring elements against the free blade tips.
  • the tensioning device is designed as a spring ring corrugated in the circumferential direction.
  • This training is structurally particularly simple.
  • other embodiments of the invention are also conceivable, such as single leaf springs or a metallic and thin-walled ring that is pressurized on the inside.
  • this is preferably arranged between a housing section of the flow channel and the support ring.
  • a ceramic guide ring provides that between the one, for example radially outer ring of the guide ring and associated housing sections, a further spring element is provided.
  • This is designed in particular as a metallic wire mesh.
  • a ceramic guide ring 1 of a turbine stage of a gas turbine engine which essentially ends from the one radially outer ring 2a with integral molded, distributed over the circumference guide vanes 3, and the other, radially inner end of the blade seated ring 4a.
  • the guide ring 1 is arranged in an annular flow channel 5, upstream of the blades 6 of the turbine stage in question.
  • the ring 2a is fixed in a radially thermally compatible manner with a circumferential web 8 in a circumferential groove, which is created between the housing section 7 and a further housing section 10, which is connected to it via rivets 9 and is designed as a support ring 10.
  • the one ring 2a is held over a segmented, ceramic insulating ring 11 and a wire mesh 12 arranged between the insulating ring 11 and the section 10, which is loosened on both elements 10, 11.
  • knobs or the like are provided between the insulating ring 11 and the web 8; e.g.
  • a key-like member could also be provided, engaging in corresponding axial grooves of the ring 11 and the web 8.
  • the insulating ring 11 can be segmented in order to provide elastic support for the one, here e.g. to enable radially outer ring 2a.
  • further housing elements 13a and 13b are provided and a sealing ring downstream of the housing section 10 is designated by 14.
  • the radially inner other ring 4a consists of three ceramic piston-like elements 15a, 15b and 15c arranged axially one behind the other and slotted in the axial direction. These are supported on one side on a support ring 16, which is located between two sections 17a, 17b, which are designed as circumferential guide flanges, of the radially inner side lying housing is fitted.
  • the support ring 16 is made, for example, of a metallic material, a ceramic insulating layer 18 advantageously being applied to its outer circumference.
  • the support ring 16 is also axially slotted to enable radial movements.
  • a clamping device 19 is located between the support ring 16 and the one radially inner section 20 of the housing in order to apply a radially outward clamping force to the support ring 16, so that the slotted piston ring-like elements 15a, 15b, 15c against the outer free ends or Blade tips 21 of the guide vanes 3 are pressed, whereby a low-leakage connection between the tips 21 of the guide vanes 3 and the other ring 4a is made possible over the entire free blade length.
  • the clamping device 19 is e.g. formed as a corrugated spring ring 19 '. Cooling air, e.g. supplied from the compressor in order to keep the metallic spring parts, in particular thus the spring ring 19 'at a low temperature and thus to ensure perfect elasticity over a comparatively long operating time.
  • the guide ring 1 according to the invention is shown in an axial view, the one radially outer ring 2a, the guide vanes 3 and the other ring 4a produced as a separate component of the guide ring 1 being shown.
  • the foremost of the rings 15a slotted in the axial direction can be seen with its axial slot 22a.
  • the axial slots of the other slotted rings 15b and 15c are offset in the circumferential direction with respect to the axial slot 22a.
  • the ring 15a sits on the support ring 16, which also has an axial slot 23.
  • the tensioning device 19 designed as a spring ring 19 'can be clearly seen, the spring ring 19 'runs corrugated in the circumferential direction between the support ring 16 and the section 20 of the radially inner housing.
  • the other ring 4b lying radially on the inside consists of only two slotted rings 15d, 15e arranged axially one behind the other, which e.g. are made of a metallic material.
  • Spring washer, radially inner portion of the housing and support ring are provided according to FIG. 1 and designated 19 ', 20 and 16.
  • the radially outer ring 2a is fixedly connected to the guide vanes 3 and directly fixed to a radially outer wall section 22 of the housing for the flow channel 5.
  • the other radially outer ring 2b has a plurality of ring-shaped elements, while the guide vanes 3 are integrally formed on the radially inner ring 4c.
  • This one ring 4c is directly and firmly connected to a radially inner wall section 22 'of the housing for the flow channel 5.
  • an elastic design similar to the wire mesh 12 shown in FIG. 1 can also be used in this embodiment, on the side facing the one ring 4c.
  • the relevant other ring 2b in FIG. 4 consists of four piston ring-like elements 23a, b, c, d arranged axially one behind the other, all of which are arranged on the support ring 24.
  • the tensioning device acts with the spring ring 19 'between the support ring 24 and the relevant radially outer section 7 of the housing.
  • a number of guide vanes 3 can be seen which are seated on the radially inner other ring 4a consisting of three slotted piston ring-like elements 15a, 15b and 15c.
  • all axial slots 22a, 22b and 22c have been rotated into the area shown, while these slots should in fact preferably be distributed uniformly over the circumference and offset relative to one another.
  • three different embodiments of axial slots 22 are shown, all of which are included in the subject matter of the invention. In practice, the same slot configuration will be expediently chosen for all three ring elements 15a, 15b and 15c for reasons of simplification.
  • the axial slot 22a of the ring element 15a runs exactly in the axial direction.
  • the axial slot 22b of the second ring element 15b is oriented at an angle to the axial direction, an angle which approximately corresponds to the direction of flow of the gas in this section of the guide ring expediently being chosen to minimize flow losses;
  • the slot shape 22c shown in the third ring element 15c has a step-like shoulder 24.

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Abstract

Es liegt ein Leitkranz mit Leitschaufeln (3) an zwei koaxial und radial mit Abstand zueinander angeordneten Ringen (2a, 4a) vor, diese sollen an zugeordneten thermisch unterschiedlichen Dehnungen ausgesetzten Gehäuseabschnitten (10, 7; 20, 17a, 17b) gehalten sein; der eine Ring (2a) soll mit den Leitschaufeln (3) fest, der andere Ring (4a) durch die Anpreßkraft einer Spannvorrichtung (19) mit freien Enden der Leitschaufeln (3) verbunden sein; ferner soll der andere Ring (4a) in mehrere axial aufeinander folgende kolbenringartige Elemente (15a, 15b, 15c) zergliedert sein, die jeweils etwa axial geschlitzt sind und eine zylindrische Gleitfläche für die gesamten freien Enden der Schaufeln (3) ausbilden. Die Spannvorrichtung (19) soll in Ausbildung einer gleichförmig auf die Elemente (15a ... 15c) verteilten radialen Anpreßkraft an den einen zugeordneten Gehäuseabschnitten (20, 17a, 17b) angeordnet sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Leitkranz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiger Leitkranz ist aus der DE-PS 37 38 439 bekannt. Es handelt sich dabei um einen sogenannten "halbintegralen Leitkranz", bei dem entweder der eine Ring (Außenring) oder der andere Ring (Innenring) gegenüber den Schaufeln getrennt gefertigt und nicht unmittelbar fester Bestandteil des Leitgitters ist; dieser Leitkranz wird in einer Gasturbine vorzugsweise in der Hochdruckturbine eingesetzt. Aufgrund der dort vorkommenden hohen Temperaturunterschiede dehnen sich die Leitkränze, was zu signifikanten Verschiebungen in radialer Richtung führt. Ferner treten Axialverschiebungen durch die unterschiedlichen Thermodehnungen zwischen Innen- und Außengehäuse auf, die für einen über die betreffenden Ringe mit beiden Gehäusen in Verbindung stehenden Leitkranz beherrscht werden müssen, um Verspannungen oder gar Bauteilbrüche zu verhindern.
  • Ein integraler, also mit beiden Ringen, bzw. mit Außen- und Innenring fest verbundener Leitkranz würde dabei erheblichen Thermospannungen ausgesetzt, weswegen die "halbintegrale Bauweise" in dieser Hinsicht zu bevorzugen ist. Problematisch bei einem halbintegralen Leitkranz sind die auftretenden Leckagen, die zwischen den freien Schaufelenden und dem separaten Ring auftreten.
  • Im genannten bekannten Fall sollen der separate bzw. andere Ring oder der an den Leitschaufeln feste eine Ring axial verschiebbar angeordnet sein und über eine Spannvorrichtung gegeinander gedrückt werden. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß neben schon genannten Leckagen relativ aufwendige Führungseinrichtungen für das axial bewegliche Teil vorzusehen sind, wobei extrem unterschiedliche Bauteiltemperaturen und -dehnungen für die erforderliche genaue Führung problematisch sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Leitkranz anzugeben, der zum einen die axialen Relativverschiebungen nicht behindert, und zum anderen Leckagen zwischen den freien Schaufelenden und dem separaten Dichtring drastisch minimiert, und mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln realisierbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die axialen Relativverschiebungen zwischen Außen- und Innengehäuse bzw. betreffenden Abschnitten dieser Gehäuse und dem jeweils damit verbundenen einen und anderen Ring (Außen- und Innenring) komplett kompensiert werden können, indem die freien Schaufelspitzen auf den geschlitzten kolbenringartigen Elementen gleiten können. Mindestens zwei axial hintereinander angeordnete Ringelemente bilden dabei eine zylindrische Gleitfläche für die Schaufel spitzen aus, so daß ungehindert in axialer Richtung thermisch bedingte Relativ-Verschiebungen möglich sind.
  • Unter axial geschlitzt wird in diesem Zusammenhang verstanden, daß ein Ringelement, ähnlich einem Kolbenring eines Hubkolbenmotors, an einer Stelle unterbrochen ist, so daß gewisse Verformungen des Ringelements, unter Veränderung der Spaltweite in Umfangsrichtung möglich sind. Vorzugsweise beträgt der Spalt eines Ringelements erfindungsgemäß im kalten Zustand etwa 1-5mm, insbesondere 2-3mm, wobei Größe und Form im Einzelfall von den Geometrien, Werkstoffen und Temperaturen abhängt.
  • Die geschlitzten Ringelemente sind derart angeordnet, daß die Axialspalte der Ringe gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt liegen. Es entstehen vorteilhafterweise nur noch geringe Leckagen zwischen dem Spalt und der oder den in diesem Bereich liegenden Schaufel spitzen. Spaltströmungen von der Druck- zur Saugseite durch einen derartigen Spalt können vermieden werden, wenn der "etwa" axiale Spalt eines Elements nicht rein axial ausgerichtet ist, sondern etwa parallel zur Strömungsrichtung im Leitkranz, d.h. unter einem Winkel zur Achsrichtung, ausgerichtet ist.
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung ist gleichermaßen bei einem gegenüber den Schaufeln separat gehalterten radial äußeren oder radial inneren Ring anwendbar.
  • Der betreffende, jeweils nicht schaufelfeste "andere Ring" kann aus mehreren, also z.B. zwei, drei oder vier axial hintereinander angeordneten kolbenringartigen Elemente betehen. Dies hat den Vorteil, daß die Spalte in Axialrichtung unterbrochen sind, und eine möglicherweise ungleichmäßige Anpreßkraft der einzelner Ringelemente auf mehrere Schaufeln aufgeteilt wird.
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung eignet sich insbesondere für keramische Bauteile, d.h. daß der halbintegrale Leitkranz aus keramischen Werkstoffen gefertigt ist. Keramiken bieten gegenüber metallischen Werkstoffen vielfältige Vorteile wie geringerer Verschleiß infolge hoher Härte und hoher chemischer Beständigkeit, großer Formtreue in einem weiten Temperaturbereich, und beliebiger Verfügbarkeit der Rohstoffe. Vorzugsweise ist der Leitkranz aus gesintertem Siliziumcarbid (SSiC) gefertigt, da es seine Biegefestigkeit bis etwa 1850 K beibehält, und durch geringe Wärmedehnung, hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Thermoschockempfindlichkeit auszeichnet. Der Leitkranz bzw. die Leitschaufeln können aber auch aus Metall bestehen, wobei Verschleißschutzschichten an den mit den geschlitzten Ringelementen reibenden Schaufel spitzen vorgesehen werden sollten. Die Leitschaufeln können massiv oder als Hohlschaufeln ausgebildet sein.
  • Die geschlitzten Ringelemente werden vorzugsweise aus ZrO₂ gefertigt, da dieser Werkstoff sich zum einen durch eine geringe Wärmeleitung, und zum anderen durch einen geringen E-Modul auszeichnet, wodurch die Federwege länger werden als beispielsweise bei Verwendung von SiC.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Ringelemente auf einem ebenfalls in Axialrichtung geschlitzten Stützring angeordnet, an dem sich die Spannvorrichtung abstützt. Dadurch ist eine definierte Lage der benachbarten Ringelemente einhaltbar und Leckagen lassen sich minimieren.
  • Die Spannvorrichtung wirkt in radialer Richtung, um auf diese Weise die geschlitzten Ringelemente gegen die freien Schaufelspitzen zu drücken. Dabei ist insbesondere die Spannvorrichtung als in Umfangsrichtung gewellter Federring ausgebildet. Diese Ausbildung ist konstruktiv besonders einfach. Alternativ sind aber auch andere ausführungen der Erfindung denkbar, wie Einzelblattfedern oder ein innenseitig mit Druck beaufschlagter, metallischer und dünnwandiger Ring. Bei Ausbildung als Federring ist dieser vorzugsweise zwischen einem Gehäuseabschnitt des Strömungskanals und dem Stützring angeordnet.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung für einen keramischen Leitkranz sieht vor, daß zwischen dem einen, z.B. radial äußeren Ring des Leitkranzes und zugeordneten Gehäuseabschnitten ein weiteres Federelement vorgesehen ist. Dies ist insbesondere als metallisches Drahtgeflecht ausgebildet. Hierdurch wird der eine bzw. radial äußere Ring mit den angeformten Leitschaufeln in radialer Richtung thermisch kompatibel zentriert, und die aus Radialverschiebungen zwischen dem einen radial äußeren Ring und Gehäuse entstehenden Kräfte werden stetig über den gesamten Umfang verteilt, wodurch das aus den Gaskräften an den Schaufeln resultierende Umfangsmoment des einen radial äußeren Rings elastisch abgestützt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    einen Mittel-Längsschnitt eines Leitkranzes einer Turbinenstufe mit Leit- und Laufschaufeln,
    Fig. 2
    eine schematische Ansicht des Leitkranzes nach Fig. 1 in axialer Richtung sowie unter Fortlassung radial äußerer Gehäuseabschnitte,
    Fig. 3
    eine von Fig.1 und 2 abweichende Ausführungsform mit nur zwei ringförmigen Elementen des separaten radial inneren Ringes, wobei der eine radial äußere Ring unmittelbar fest mit einem Gehäuseabschnitt verbunden ist,
    Fig. 4
    eine von Fig. 1 bis 3 abweichende Ausführungsform mit separatem Ring aus vier ringförmigen Elementen bestehend und mit dem einen radial innen fest mit den Schaufeln und mit einem Gehäuseabschnitt verbundenen Ring,
    Fig. 5
    eine Draufsicht eines Abschnitts des radial inneren, in Ringelemente zergliederten Ringes am Leitkranz nach Fig.1.
  • In Fig. 1 ist ein keramischer Leitkranz 1 einer Turbinenstufe eines nicht näher gezeigten Gasturbinentriebwerks dargestellt, der im wesentlichen aus dem einen radial äußeren Ring 2a mit fest daran angeformten, über dem Umfang verteilten Leitschaufeln 3, und dem anderen, radial inneren an den Schaufel enden aufsitzenden Ring 4a besteht. Der Leitkranz 1 ist in einem ringförmigen Strömungskanal 5, stromauf der Laufschaufeln 6 der betreffenden Turbinenstufe, angeordnet.
  • Der Ring 2a ist mit einem Umfangssteg 8 in einer Umfangsnut radial thermisch kompatibel fixiert, die zwischen dem Gehäuseabschnitt 7 und einem mit diesem über Niete 9 verbundenen, als Tragring 10 ausgebildeten weiteren Gehäuseabschnitt 10 erstellt ist. In radialer Richtung wird der eine Ring 2a über einen segmentierten, keramischen Isolierring 11 und ein zwischen Isolierring 11 und dem Abschnitt 10 angeordnetes Drahtgeflecht 12 gehalten, das an beiden Elementen 10,11 angelöstet ist. Um die von den Leitschaufeln 3 auf den einen Ring 2a wirkenden Umfangsmomente über den Steg 8 auf den Isolierring 11 zu übertragen, sind nicht weiter dargestellte Noppen oder dergleichen zwischen Isolierring 11 und dem Steg 8 vorgesehen; z.B. könnte auch ein passfederartiges Glied in entsprechende Axialnuten des Ringes 11 und des Steges 8 eingreifend, vorgesehen sein. Der Isolierring 11 kann segmentiert sein, um eine elastische Stützung des einen, hier z.B. radial äußeren Ringes 2a zu ermöglichen. U.a. in Ausbildung einer hakenartigen Verankerung und Ausbildung einer äußeren Ummantelung für die Laufschaufeln 6 sind weitere Gehäuseelemente 13a und 13b vorgesehen und es ist ein Dichtring stromab des Gehäuseabschnitts 10 mit 14 bezeichnet.
  • Der radial innen angeordnete andere Ring 4a gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung besteht aus drei axial hintereinander angeordneten, keramischen sowie in Axialrichtung geschlitzten kolbenringartigen Elementen 15a, 15b und 15c. Diese stützen sich auf einer Seite an einem Stützring 16 ab, der zwischen zwei als Umfangsführungsflansche ausgebildeten Abschnitten 17a,17b des radial innen liegenden Gehäuses eingepaßt ist. Der Stützring 16 ist z.B. aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, wobei vorteilhaft eine keramische Isolierschicht 18 auf dessen Außenumfang aufgebracht ist. Der Stützring 16 ist zur Ermöglichung radialer Bewegungen ebenfalls axial geschlitzt.
  • Eine Spannvorrichtung 19 befindet sich zwischen dem Stützring 16 und dem einen radial innen liegendem Abschnitt 20 des Gehäuses, um eine nach radial außen wirkende Spannkraft auf den Stützring 16 aufzubringen, so daß die geschlitzten kolbenringartigen Elemente 15a, 15b, 15c gegen die äußeren freien Enden bzw. Schaufelspitzen 21 der Leitschaufeln 3 gedrückt werden, wodurch über die gesamte freie Schaufellänge eine leckagearme Verbindung zwischen den Spitzen 21 der Leitschaufeln 3 und dem anderen Ring 4a ermöglicht wird. Die Spannvorrichtung 19 ist im vorliegenden Fall z.B. als gewellter Federring 19' ausgebildet. Über eine Bohrung 25 wird der Spannvorrichtung 19 Kühlluft, z.B. aus dem Verdichter zugeführt, um die metallischen Federteile, insbesondere also den Federring 19' auf niedriger Temperatur zu halten und so eine einwandfreie Elastizität über eine vergleichsweise große Betriebsdauer zu gewährleisten.
  • In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Leitkranz 1 in einer axialen Ansicht dargestellt, wobei der eine radial äußere Ring 2a, die Leitschaufeln 3 und der als separates Bauteil des Leitkranzes 1 gefertigte andere Ring 4a zu sehen sind. Von diesem Ring 4a ist der vorderste der in axialer Richtung geschlitzten Ringe 15a mit seinem Axialschlitz 22a zu sehen. Zur Minimierung der Leckverluste sind die Axialschlitze der anderen geschlitzten Ringe 15b und 15c (Fig. 1) gegenüber dem Axialschlitz 22a in Umfangsrichtung versetzt. Der Ring 15a sitzt auf dem Stützring 16, der ebenfalls einen Axialschlitz 23 aufweist.
  • In der Ansicht nach Fig. 2 ist der Aufbau der als Federring 19' ausgebildeten Spannvorrichtung 19 gut zu erkennen, wobei der Federring 19' in Umfangsrichtung gewellt zwischen dem Stützring 16 und dem Abschnitt 20 des radial innen liegenden Gehäuses verläuft.
  • In Fig. 3 und 4 sind zwei weitere schematisch dargestellte Ausführungsformen der Erfindung zu sehen. Darin besteht gemäß Fig. 3 der radial innen liegende andere Ring 4b aus nur zwei axial hintereinander angeordneten geschlitzten Ringen 15d, 15e, die z.B. aus einem metallischem Werkstoff gefertigt sind. Federring, radial innerer einer Abschnitt des Gehäuses und Stüzring sind gemäß Fig. 1 vorgesehen und mit 19',20 und 16 bezeichnet. Der radial äußere eine Ring 2a ist fest mit den Leitschaufeln 3 sowie unmittelbar fest mit einem radial äußeren Wandabschnitt 22 des Gehäuses für den Strömungskanal 5 verbunden.
  • Beim in Fig. 4 gezeigten Leitkranz weist im Unterschied zu den bisher dargestellten Ausführungen der andere radial äußere Ringe 2b mehrere ringförmige Elemente auf, während die Leitschaufeln 3 am radial inneren einen Ring 4c fest angeformt sind. Dieser eine Ring 4c ist unmittelbar fest mit einem radial inneren Wandabschnitt 22' des Gehäuses für den Strömungskanal 5 verbunden. Es kann aber auch bei dieser Ausführung eine elastische Ausbildung ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten Drahtgeflecht 12, auf der dem einen Ring 4c zugekehrten Seite zur Anwendung kommen.
  • Der betreffende andere Ring 2b besteht in Fig.4 aus vier axial hintereinander angeordneten kolbenringartigen Elementen 23a, b, c, d, die alle auf dem Stützring 24 angeordnet sind. In diesem Fall wirkt die Spannvorrichtung mit dem Federring 19' zwischen Stützring 24 und dem betreffenden radial äußeren Abschnitt 7 des Gehäuses.
  • Z.B. ist es ferner denkbar, den radial äußeren anderen Ring 2b (Fig. 4) mit lediglich zwei geschlitzten Ringen 23a und 23b auszubilden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
  • Gemäß Fig. 5 ist eine Anzahl Leitschaufeln 3 zu erkennen, die auf dem aus drei geschlitzten kolbenringartiegen Elementen 15a, 15b und 15c bestehenden, radial inneren anderen Ring 4a aufsitzen. Es sind zu Demonstrationszwecken zum einen alle Axialschlitze 22a, 22b und 22c in den gezeigten Bereich gedreht worden, während diese Schlitze tatsächlich vorzugsweise gleichmäßig über dem Umfang verteilt und relativ zueinander versetzt angeordnet sein sollten. Und zum zweiten sind drei verschiedene Ausführungsformen von Axialschlitzen 22 dargestellt, die alle vom Erfindungsgegenstand mit umfaßt sind. In der Praxis wird man zweckmäßigerweise aus Vereinfachungsgründen für alle drei Ringelemente 15a, 15b und 15c die gleiche Schlitzkonfiguration wählen.
  • Der Axialschlitz 22a des Ringelements 15a verläuft genau in Axialrichtung. Der Axialschlitz 22b des zweiten Ringelements 15b ist in einem Winkel zur Axialrichtung ausgerichtet, wobei zweckmäßigerweise zur Minimierung von Strömungsverlusten ein Winkel gewählt wird, der etwa der Strömungsrichtung des Gases in diesem Abschnitt des Leitkranzes entspricht; die beim dritten Ringelement 15c gezeigte Schlitzform 22c weist einen stufenartigen Absatz 24 auf.
  • Es ist vorteilhaft, insbesondere den Axialschlitz 22b des mittleren Ringelements 15b so auszubilden und anzuordnen, daß dieser vollständig von einer Endseite oder einer Spitze einer Leitschaufel 3 abgedeckt ist, um Strömungsverluste und Leckagen zu verhindern. Sinngemäß ist dieser Abdeckvorgang auch auf die anderen Schlitze 22a und 22c übertragbar.
  • Sofern nicht schon ausdrücklich beansprucht, sind die beschriebenen und/oder zeichnerisch dargestellten Ausführungsformen für sich oder in Kombination Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Claims (14)

  1. Leitkranz (1) einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks mit Leitschaufeln (3) an zwei koaxial und radial mit Abstand zueinander angeordneten Ringen (2a,4a), die an zugeordneten thermisch unterschiedlichen Dehnungen ausgesetzten Gehäuseabschnitten (10,7;20,17a,17b) gehalten sind, worin der eine Ring (2a) mit den Leitschaufeln (3) fest, der andere Ring (4a) durch die Anpreßkraft einer Spannvorrichtung (19), die an einem der zugeordneten Gehäuseabschnitte (10,7;20,17a,17b) angeordnet ist, mit freien Enden der Leitschaufeln (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet daß
    - der andere Ring (4a) in mehrere axial aufeinander folgende kolbenringartige Elemente (15a,15b,15c) zergliedert ist, die jeweils etwa axial geschlitzt sind und eine zylindrische Gleitfläche ausbilden, an der die Leitschaufeln (3) mit ihrem gesamten freien Enden axial verschiebbar aufsitzen;
    - die Spannvorrichtung (19) so ausgebildet ist, daß sie eine gleichförmig auf die Elemente verteilte radiale Anpreßkraft ausübt.
  2. Leitkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen axiale Schlitze (22a,22b,22c) der kolbenringartigen Elemente (15a,15b,15c) in Umfangsrichtung gleichmäßig zueinander versetzt angeordnet sind.
  3. Leitkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenringartigen Elemente (15a,15b,15c;23a...23d) und die Spannvorrichtung (19) radial innen oder radial außen an den zugeordneten Gehäuseabschnitten (20,17a,17b;7) angeordnet sind.
  4. Leitkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (2a,4a) bzw. die kolbenringartigen Elemente (15a,15b,15c) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind.
  5. Leitkranz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (3) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind.
  6. Leitkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenringartigen Elemente (15a...15c; 23a...23d) auf einem ebenfalls in Axialrichtung geschlitzten Stützring (16, 24) angeordnet sind, an dem sich die Spannvorrichtung (19) gegenüber dem betreffenden Gehäuseabschnitt (20;7) abstützt.
  7. Leitkranz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßkraft der Spannvorrichtung (19) von einem Federelement erzeugt wird.
  8. Leitkranz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement ein in Umfangsrichtung gewellter Federring (19') ist.
  9. Leitkranz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der den kolbenringartigen Elementen (15a,15b,15c) gegenüberliegende, fest mit den Leitschaufeln (3) verbundene eine Ring (2a) über ein weiteres Federlement (12) in Radialrichtung thermisch kompatibel an den einen Gehäuseabschnitten (7,10) angeordnet ist.
  10. Leitkranz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Gehäuseabschnitte (7,10) eine Umfangsnut ausbilden, in der der eine Ring (2a) mit einem Steg (8) gehalten und zentriert ist und an einen keramischen Isolierring (11) kraft- und formschlüssig angreift, der mit dem Federelement (12) in der Umfangsnut verbunden ist.
  11. Leitkranz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Federelement (12) als metallisches Drahtgeflecht ausgebildet ist.
  12. Leitkranz nach einem der oder mehreren vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (12,19') mit Kühlluft beaufschlagt sind.
  13. Leitkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem ringörmigen Strömungskanl (5), stromauf der Laufschaufeln (6) einer Turbinenstufe, angeordnet ist, wobei der eine und der andere Ring (2a,4a) jeweils Fortsetzungen bzw. Bestandteile radial äußerer bzw. radial innerer Wände des Strömungskanals (5) sind.
  14. Leitkranz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der eine fest mit den Leistschaufeln (3) verbundene Ring (2a,4c) unmittelbar fest mit einem radial äußeren oder radial inneren Wandabschnitt (22,22') des Gehäuses für den Strömungskanal (5) verbunden ist.
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