EP0937864B1 - Leitschaufelanordnung für eine axiale Strömungsmaschine - Google Patents

Leitschaufelanordnung für eine axiale Strömungsmaschine Download PDF

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EP0937864B1
EP0937864B1 EP99103156A EP99103156A EP0937864B1 EP 0937864 B1 EP0937864 B1 EP 0937864B1 EP 99103156 A EP99103156 A EP 99103156A EP 99103156 A EP99103156 A EP 99103156A EP 0937864 B1 EP0937864 B1 EP 0937864B1
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EP
European Patent Office
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housing
guide vane
vane ring
shroud
guide
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP99103156A
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EP0937864A2 (de
EP0937864A3 (de
Inventor
Hermann Klingels
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Publication of EP0937864A3 publication Critical patent/EP0937864A3/de
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Publication of EP0937864B1 publication Critical patent/EP0937864B1/de
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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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • 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
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • 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
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • F05B2230/60—Assembly methods
    • F05B2230/604—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centering, e.g. pins
    • F05B2230/606—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centering, e.g. pins using maintaining alignment while permitting differential dilatation
    • 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
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
    • F05D2230/64—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins
    • F05D2230/642—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins using maintaining alignment while permitting differential dilatation

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine with rotor and stator in fluidic one or more stages, according to the preamble of the patent award 1.
  • Such a turbomachine is known, for example from DE-PS 27 45 130 b e-know this writing is specific to axial turbines with labyrinth seals refers.
  • the flow channel of the working medium leads alternately by Leit- and Blade rims wherein the static components are radially from the outside, the rotating ones protrude radially from the inside into this.
  • Figure 1 clearly shows this document gives there are both radially inwardly disposed seals between the rotor and the vane rings ("Inner Airseal") as well as radially outwardly disposed seals between the blades and the stator (“Outer Airseal").
  • the sealing fins (Pos.8) of the "Inner Airseal” attached to the rotor (Pos.4) so that their dimensions or deviations from the Ve r-ratios depend on the rotor (temperature, speed).
  • the associated seal s-lining (Pos.7) is in contrast to the inner shroud (Pos. 20) of the vane segments (Pos.1,5) attached.
  • the vane segments are on the housing (pos. 13,14), so that the dimensions or deviations of the sealing coating Ultimately be determined by the conditions outside the housing significantly.
  • each vane segment there is a longitudinally angled abutment with a radially outwardly facing abutment surface which, in operation, is forced against the corresponding hook-shaped housing member around the upstream "claw bearing" as a result of a flow-induced overturning moment (see Fig.1).
  • DE-PS 35 40 943 describes such a gap control system especially for a Turbofan engine.
  • the secondary air duct extends at least until to the end of the turbine area and has openings (Pos.11) in its inner wall on, by the secondary air from the outside targeted to areas of the turbine housing can be blown.
  • This simplified ACC system may have the problem of that the low pressure of the secondary air flow is not sufficient to Locally confined housing zones by correspondingly small flow cross sections To generate cooling air flows with sufficient mass flow rate.
  • Compressor air is discharged from the booster or low-pressure compressor branched off as a coolant, guided in separate channels and valves blown targeted.
  • vane rings In smaller gas turbine engines, it is known to use vane rings as self-supporting, to perform integral components with closed shrouds and centered in the housing.From manufacturing and strength engineering Reasons (thermal stresses) is this "monolithic" solution on blade rings limited to relatively small dimensions.
  • DE-OS 33 36 420 describes a mechanism for protection against over-rotation a gas turbine rotor at break.
  • the mechanism works in the Way that the vane segments of at least one vane ring axially pivoted and brought into contact / engagement with adjacent blades become.
  • the reciprocal mechanical vane friction and destruction brakes the rotor quickly and effectively.
  • the vane segments associated with the mechanism each have a pivot bearing on the outer shroud segment and are on their inner circumference by means of a positive, annular reinforcing element connected so that the segments together a stiff, self-supporting Forming the vane ring.
  • U.S. Patent 3,588,267 protects a plastic diaphragm vane construction, in which the blades are attached to a closed, inner torus are and form a self-supporting wreath with this.
  • the outer blade tips are deckbandless and directly in recesses of a metallic Glued housing, the elasticity of the bond small relative displacements compensates / receives. It is obvious that this construction is for higher temperatures is completely unusable and at best in fan or Niederbuchverêtr Schl.
  • a turbomachine with rotor and stator and with at least e-stens a, each having an outer and an inner shroud having vane ring which, in all operating states, can be achieved by an optimum gap attitude, i.e. by particularly low, little varying and mathematically well detectable Leakage losses, thus a high efficiency, as well as by a relative simple, cost-effective and low-weight, durable and easy to maintain design without the requirement of an active gap control system (ACC's) and also with great performances and dimensions executable and functional is.
  • ACC's active gap control system
  • the invention is thus in the thermal decoupling of housing and vanes by means of a special design and storage / centering at least a Leitschaufelkranzes and by air cooling of the housing.
  • the - at least e-stens one - vane ring is a self-supporting component with a reinforcement executed on the inner shroud, which stiffens him against everting axial deformation. Starting from an approximately flat, radial alignment of the blade axes in the unloaded state these are due to the static pressure difference before / behind the guide vane ring at deflection "zero" on the housing towards the Kranzmitte z u-taking axially deflected and u.U. also curved.
  • the vane ring mechanically comparable to a disc spring, its inner edge (Hole edge) the inner shroud, and the outer edge of the outer shroud forms.
  • the inner shroud is displaced both axially and through the Shovel-induced moments twisted / staggered. That is, in radial-axial sections visible material cross-sections of the shroud are gedac h-te, perpendicular to the cutting surface, depending on the stiffness / reinforcement more or less twisted.
  • the inventive reinforcement of the inner shroud against said buckling also reduces the axial deflection of the blade axes and thus the gesa m te Deformation of the vane ring under load. This improves the dimensional stability the static component of "Inner Airseal".
  • This shows a partial longitudinal section through the low-pressure turbine of a turbojet engine.
  • the present invention is generally applicable to turbomachinery with rotor and stator, i.e. for compressors and turbines, suitable, which at least partially in Axial design, i. with predominantly axial flow, are executed.
  • thermodynamic and dimensionally likely low pressure turbines medium to large Gas turbine engines represent preferred use cases, which is why the figure Example from this area shows.
  • the low-pressure turbine 1 From the low-pressure turbine 1 are the first two stages and this in turn The relevant elements of the upper half are shown, with the turbines / engine axis would be horizontally below the representation.
  • the flow direction of the working gas runs from left to right, i. first through the vane ring 14, then through the area of the blades 3, anschli- Hd through the vane ring 15 and through the region of the rotor blades 4, where still further stages (guidance, running) can follow.
  • the outer engine shell forms the housing 13 in which the vane rings 14,15 radially centered and are mounted axially fixed. Both the blades 3,4 and the vane rings 14,15 are executed with inner and outer shrouds 5 to 8 and 16 to 19, the inner and outer blade shrouds each between the blades have parting lines, u.a. damaged blades can be individually replaced are.
  • the vane rings 14,15 are designed as self-supporting components, wherein their mechanical stability predominantly in the area of the inner shrouds 16,17 is achieved. There are circumferentially closed, i. "Encircling” Reinforcements 20,21 arranged, which also the thermal behavior (dimensional and Shape changes) of the Leitschaufelkränze 14,15 decisively influence.
  • the Gas forces during operation cause u.a. an everting axial deformation of the vane rings, i.e. a from the outer to the inner shroud increasing axial deflection with a certain twist of the shrouds in itself.
  • This "plate spring-like" deformation can be about the reinforcements on the inner Reduce shrouds considerably.
  • reinforcements are the illustrated toroidal hollow body, axially spaced rings, combinations of Hollow and solid profiles, etc. suitable, whereby the space is a role play.
  • the reinforcements should in any case - in axial / radial section - a possible large area moment of inertia about a radial axis, e.g. through the centroid have, what by sufficient, axially spaced surface portions is reachable.
  • the surface portions of the shroud are to be considered here.
  • a reinforcing material with a high modulus of elasticity is advantageous.
  • Overall should be at As small as possible increase in mass an optimum increase in stiffness can be achieved. The determination of the stresses and deformations in the "everting" is more than appropriate Calculation method possible.
  • the reinforcement 20 is positively connected to the shroud 16, wherein the Leitschaufelkranz 14 may consist of several segments, which on the Ve r-strengthening held together.
  • the gain 21, however, is in the Dec k band 17 integrated, i. cohesively joined with this. Again, here you can Leitschaufelsegmente be the output parts, which by welding or Soldering in the area of the inner Deckba / the reinforcement are connected.
  • outer shrouds 18,19 are still segmented in the installed state be, i. have several joints on the circumference to thermoelectric voltages too minimize.
  • the "Inner Airseal” is here - at least predominantly - executed with brush seals, wherein in the region of the vane ring reinforcements fixed brushes 22,23 run against connected to the rotor 2 rings 11,12, which axial stops for form the blades 3,4.
  • the "Outer Airseal" is realized here with labyrinth seals, ring-like Dense tips run 9,10 against honeycomb structures, which on honeycomb carrier 28,29 are applied.
  • the honeycomb carriers 28,29 are in turn on the vane rings 14,15 stored and thereby aligned in the deformation behavior of these.
  • the Leitschaufelkränze provided which constructively but not so much consuming, like an ACC system.
  • the Leitschaufelkränze provided which constructively but not so much consuming, like an ACC system.
  • the entrance The generally branched off from the compressor cooling air via bores 35 in a first chamber 33.
  • Wall elements 36, 38 are arranged, which working gas secondary flows, i. -losses, to prevent these passages. For cooling reasons, these are also Wall elements 36,38 deliberately carried something gas permeable or fixed.

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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit Rotor und Stator in strömungstechnisch ein- oder mehrstufiger Ausführung, gemäß dem Oberbegriff des Patenta n-spruches 1.
Eine derartige Strömungsmaschine ist beispielsweise aus der DE-PS 27 45 130 b e-kannt, wobei diese Schrift sich speziell auf Axialturbinen mit Labyrinthdichtungen bezieht. Der Strömungskanal des Arbeitsmediums führt abwechselnd durch Leit- und Laufschaufelkränze wobei die statischen Bauteile radial von außen, die rotierenden radial von innen in diesen hineinragen. Wie Figur 1 dieser Schrift deutlich zeigt, gibt es sowohl radial innen angeordnete Dichtungen zwischen dem Rotor und den Leitschaufelkränzen ("Inner Airseal") als auch radial außen angeordnete Dichtungen zwischen den Laufschaufeln und dem Stator ("Outer Airseal").
Bei der Axialturbine gemäß der DE-PS sind die Dichtfins (Pos.8) der "Inner Airseal" am Rotor (Pos.4) befestigt, so daß deren Maße bzw. Maßabweichungen von den Ve r-hältnissen am Rotor (Temperatur, Drehzahl) abhängen. Der zugehörige Dichtung s-belag (Pos.7) ist demgegenüber am inneren Deckband (Pos. 20) der Leitschaufelsegmente (Pos.1,5) befestigt. Die Leitschaufelsegmente sind am Gehäuse (Pos. 13,14) gelagert, so daß die Maße bzw. Maßabweichungen des Dichtungsbelages letztlich von den Verhältnissen außen am Gehäuse wesentlich mitbestimmt werden. Die Verhältnisse am Rotor einerseits und am Gehäuse andererseits ändern sich oft weder konform nach zeitgleich, so daß sich spaltverändernde Relativbewegungen zwischen den Dichtungselementen (Pos.7,8) ergeben. Das Gleiche gilt für die "Outer Airseal" (Pos. 11,12). Die spezielle Art der Leitschaufelbefestigung am Gehäuse wird so bzw. in vergleichbarer Ausführung bei größeren Triebwerken häufig verwendet. Jedes Segment eines Leitschaufelkranzes ist als mechanische Einheit an - im Längsschnitt- hakenförmigen Gehäuseelementen (Pos.14) gelagert, welche in Umfang s-richtung ringförmig geschlossen sind. Am stromaufwärtigen Ende des äußeren Deckbandes weist jedes Leitschaufelsegment einen Randwulst mit Nut auf, welcher das hakenförmige Gehäuseelement (Pos. 14,22) klauenartig umgreift (siehe Fig. 3).
Am stromabwärtigen Ende des äußeren Deckbandes jedes Leitschaufelsegmentes ist eine -im Längsschnitt- abgewinkelteAnlagestufe mit einer radial nach außen weisenden Anlagefläche vorhanden, welche im Betrieb infolge eines strömungsinduzierten Kippmomentes um das stromaufwärtige "Klauenlager" gegen das korrespondierende hakenförmige Gehäuseelement gedrückt wird (siehe Fig.1). Durch die hake n-förmigen Gehäuseelemente - auch als "Hakenringe" bezeichenbar -fließen Wärmeströme hoher Dichte zum kälteren Gehäuse, wobei die "Hakenringe" speziell im Bereich der Klauenlager" durch Kriechen zunehmend plastisch verformt werden können. Abhilfe schafft hier meist nur eine permanente Kühlung der "Hakenringe". Falls vorhanden, kann hierzu ein aktives Spaltkontrollsystem ("Aktive Clearence Control"= ACC) mit herangezogen werden, welches dann allerdings permanent in Betrieb sein muß.
Die DE-PS 35 40 943 beschreibt ein solches Spaltkontrollsystem speziell für ein Zweistromtriebwerk. Bei diesem erstreckt sich der Sekundärluftkanal zumindest bis zum Ende des Turbinenbereiches und weist Öffnungen (Pos.11) in seiner Innenwand auf, durch die Sekundärluft von außen gezielt auf Bereiche des Turbinengehäuses geblasen werden kann. Bei diesem vereinfachten ACC-System besteht ggf. das Problem, daß der geringe Überdruck des Sekundärluftstromes nicht ausreicht, um in örtlich eng begrenzten Gehäusezonen durch entsprechend kleine Strömungsque r-schnitte Kühlluftströme mit ausreichendem Massendurchsatz zu erzeugen. Üblicherweise wird bei einem ACC Verdichterluft aus dem Booster bzw. Niederdruckverdichter als Kühlmittel abgezweigt, in separaten Kanälen geführt und über Ventile gezielt ausgeblasen.
Bei kleineren Gasturbinentriebwerken ist es bekannt, Leitschaufelkränze als selbsttragende, integrale Bauelemente mit geschlossenen Deckbändern auszuführen und im Gehäuse zu zentrieren.Aus fertigungstechnischen sowie festigkeitstechnischen Gründen (Thermospannungen) ist diese "monolithische" Lösung auf Schaufelkränze mit relativ kleinen Abmessungen beschränkt.
Die DE-OS 33 36 420 beschreibt einen Mechanismus zum Schutz gegen ein Übe r-drehen eines Gasturbinenrotors bei Wellenbruch. Der Mechanismus wirkt in der Weise daß die Leitschaufelsegmente mindestens eines Leitschaufelkranzes axial verschwenkt und in Berührung/Eingriff mit benachbarten Laufschaufeln gebracht werden. Die wechselseitige mechanische Schaufelreibung und -zerstörung bremst den Rotor schnell und effektiv ab. Die zu dem Mechanismus gehörenden Leitschaufelsegmente weisen je ein Schwenklager am äußeren Deckbandsegment auf und sind an ihrem Innenumfang mittels eines formschlüssigen, ringartigen Verstärkungs-elementes verbunden, so daß die Segmente zusammen einen steifen, selbsttragenden Leitschaufelkranz bilden. Bei der Ausführung gemäß Figur 2 und 3 bilden die Schwenklager (Positionen 36,56,58 und 64) eine Speichenzentrierung für den eigenstabilen Leitschaufelkranz, was eine genaue Positionierung/Zentrierung bei reduzierten Thermospannungen ermöglicht. Nachteilig ist der Wärmeübergang vom Heißgasbereich zum Gehäuse (Pos. 34), von dem auch die Lagerelemente betroffen sind. Die resultierenden hohen Temperaturen und Temperaturgradienten in den Bauteilen dieses Bereiches können die Standzeit/Lebensdauer erheblich reduzieren.
Die US-PS 3,588,267 schützt eine Leitschaufelkranzkonstruktion in Kunststoffbauweise, bei welcher die Schaufeln an einem geschlossenen, inneren Torus befestigt sind und mit diesem einen selbsttragenden Kranz bilden. Die äußeren Schaufelspitzen sind deckbandlos ausgeführt und direkt in Aussparungen eines metallischen Gehäuses eingeklebt, wobei die Elastizität der Klebung kleine Relativverschiebungen ausgleicht/aufnimmt. Es ist offensichtlich, daß diese Konstruktion für höhere Te m-peraturen völlig unbrauchbar ist und bestenfalls im Fan- bzw. Niederdruckverdichterbereich Verwendung finden kann.
Angesichts dieser bekannten Lösungen und ihrer Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Strömungsmaschine mit Rotor und Stator sowie mit mind e-stens einem, je ein äußeres und ein inneres Deckband aufweisenden Leitschaufelkranz zu schaffen, welche sich in allen Betriebszuständen durch eine optimale Spal t-haltung, d.h. durch besonders niedrige, wenig variierende und rechnerisch gut erfaßbare Leckageverluste, somit einen hohen Wirkungsgrad, sowie durch eine relativ einfache, kosten- und gewichtsgünstige, langlebige und wartungsfreundliche Konstruktion ohne die Erfordernis eines aktiven Spaltkontrollsystems (ACC's) auszeichnet und auch mit großen Leistungen und Abmessungen ausführbar sowie funktio n-stüchtig ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Kombination der Merkmale A bis D gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Die Erfindung liegt somit in der thermischen Entkoppelung von Gehäuse und Leitschaufeln mittels einer speziellen Ausführung und Lagerung/Zentrierung mindestens eines Leitschaufelkranzes sowie mittels Luftkühlung des Gehäuses. Der - mind e-stens eine - Leitschaufelkranz ist als selbsttragendes Bauteil mit einer Verstärkung am inneren Deckband ausgeführt, welche ihn gegen stülpende Axialverformung versteift. Ausgehend von einer etwa ebenen, radialen Ausrichtung der Schaufelachsen im unbelasteten Zustand werden diese durch die statische Druckdifferenz vor/hinter dem Leitschaufelkranz bei Auslenkung "Null" am Gehäuse zur Kranzmitte hin z u-nehmend axial ausgelenkt und dabei u.U. auch gekrümmt. Somit ist der Leitschaufelkranz mechanisch mit einer Tellerfeder vergleichbar, deren inneren Rand (Lochrand) das innere Deckband, und deren äußeren Rand das äußere Deckband bildet. Das innere Deckband wird dabei sowohl axial verschoben als auch durch die schaufelinduzierten Momente in sich verdreht/verstülpt. Das heißt, die in Radial-Axialschnitten sichtbaren Materialquerschnitte des Deckbandes werden um gedac h-te, zur Schnittfläche jeweils senkrechte Achsen je nach Steifigkeit/Verstärkung mehr oder weniger verdreht.
Die erfindungsgemäße Verstärkung des inneren Deckbandes gegen besagte Verstülpung reduziert auch die axiale Auslenkung der Schaufelachsen und somit die gesa m-te Verformung des Leitschaufelkranzes unter Last. Dies verbessert die Maßhaltigkeit der statischen Komponente der "Inner Airseal".
Durch die wenigen, kleinen Wärmebrücken/Lagereinheiten zwischen äußerem Deckband und Gehäuse sowie durch die Kühlluftführung in diesem Bereich wird ein Wärmetransport vom Gaskanal in das Gehäuse weitestgehend vermieden, wodurch sich u. a. geringe Temperaturgradienten im äußeren Deckband einstellen, was in Kombination mit der Segmentierung des äußeren Deckbandes die Thermospannungen im Leitkranz verringert. Das luftgekühlte Gehäuse bleibt auf einem niedrigen Temperaturniveau, wogegen der Leitkranz insgesamt etwa die Heißgastemperatur annimmt.
Die mindestens dreifache, jeweils radiale Bewegungen zulassende Lagerung ("Speichenzentrierung") der Deckbandsegmente behindert die thermische De h-nung/Kontraktion praktisch nicht und trägt somit auch zu einer Spannungsminimierung bei. Außerdem wird eine exakte Zentrierung im Gehäuse erreicht.
Die erfindungsgemäße Kombination aus Leitschaufelkranzkonstruktion und -lagerung sowie Kühlluftführung hat zur Folge, daß das Verformungsverhalten des Kranzes überwiegend durch die Verhältnisse/Temperaturen im Heißgas, welche auch für das Rotorverhalten maßgeblich sind, bestimmt wird. Da die statischen Komponenten der "Inner"- und "Outer Airseal" von den Leitschaufelkränzen getragen werden und sich zu diesen konform verhalten, wird eine bestmögliche Angleichung der Verformungen der statischen und rotatorischen Dichtungskomponenten hinsichtlich Zeitverlauf, Größe und Richtung bei wechselnden Betriebsverhältnissen (instationärer Betrieb) erreicht. Somit kann die Maschine durchgehend mit etwa gleichbleibenden, min i-malen Spalten bzw. Leckageverlusten und damit hohem Wirkungsgrad gefahren werden, wobei speziell im Leitschaufelbereich keine vorzeitige Bauteilermüdung zu befürchten ist. Die Anwendung von Bürstendichtungen wird durch das konforme Verhalten der Dichtungsträger (geringe Spaltänderung, geringe Exzentrizität etc.) begünstigt bzw. sogar erst ermöglicht.
In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Figur noch näher erläutert. Diese zeigt einen Teillängsschnitt durch die Niederdruckturbine eines Turboluftstrahltriebwerkes.
Die vorliegende Erfindung ist generell für Strömungsmaschinen mit Rotor und Stator, d.h. für Verdichter und Turbinen, geeignet, welche zumindest abschnittsweise in Axialbauart, d.h. mit vorwiegend axialer Durchströmung, ausgeführt sind. Thermodynamisch und abmessungsbedingt dürften Niederdruckturbinen mittlerer bis großer Gasturbinentriebwerke bevorzugte Anwendungsfälle darstellen, weshalb die Figur ein Beispiel aus diesem Bereich zeigt.
Von der Niederdruckturbine 1 sind die ersten beiden Stufen und hiervon wiederum die relevanten Elemente der oberen Hälfte dargestellt, wobei die Turbinen/Triebwerksachse horizontal unterhalb der Darstellung verlaufen würde. Die Strömungsrichtung des Arbeitsgases verläuft von links nach rechts, d.h. zunächst durch den Leitschaufelkranz 14, dann durch den Bereich der Laufschaufeln 3, anschli e-ßend durch den Leitschaufelkranz 15 und durch den Bereich der Laufschaufeln 4, wobei noch weitere Stufen (Leit-, Lauf-) folgen können. Die äußere Triebwerkshülle bildet das Gehäuse 13, in welchem die Leitschaufelkränze 14,15 radial zentriert und axial fixiert gelagert sind. Sowohl die Laufschaufeln 3,4 als auch die Leitschaufelkränze 14,15 sind mit inneren und äußeren Deckbändern 5 bis 8 und 16 bis 19 ausgeführt, wobei die inneren und äußeren Laufschaufeldeckbänder jeweils zwischen den Schaufeln Trennfugen aufweisen, u.a. damit beschädigte Schaufeln einzeln au s-wechselbar sind.
Die Leitschaufelkränze 14,15 sind als selbsttragende Bauelemente ausgeführt, wobei ihre mechanische Stabilität überwiegend im Bereich der inneren Deckbänder 16,17 erzielt wird. Dort sind in Umfangsrichtung geschlossene, d.h. "umlaufende", Verstärkungen 20,21 angeordnet, welche auch das thermische Verhalten (Maß- und Formänderungen) der Leitschaufelkränze 14,15 entscheidend beeinflussen. Die Gaskräfte im Betrieb bewirken u.a. eine stülpende Axialverformung der Leitschaufelkränze, d.h. eine vom äußeren zum inneren Deckband zunehmende axiale Auslenkung mit einer gewissen Verdrehung der Deckbänder in sich. Diese "tellerfederartige" Verformung läßt sich über die Verstärkungen an den inneren Deckbändern erheblich reduzieren. Als Verstärkungen sind beispielsweise die darg e-stellten, torusartigen Hohlkörper, axial beabstandete Ringe, Kombinationen von Hohl- und Vollprofilen usw. geeignet, wobei auch die Platzverhältnisse eine Rolle spielen. Die Verstärkungen sollten jedenfalls - im Axial-/Radialschnitt - ein möglichst großes Flächenträgheitsmoment um eine radiale Achse z.B. durch den Flächenschwerpunkt aufweisen, was durch ausreichende, axial beabstandete Flächenanteile erreichbar ist. Die Flächenanteile des Deckbandes sind hier mit zu berücksichtigen. Vorteilhaft ist ein Verstärkungswerkstoff mit hohem E-Modul. Insgesamt sollte bei möglichst kleiner Massenerhöhung ein Optimum an Steifigkeitserhöhung erzielt werden. Die Ermittlung der Spannungen und Verformungen beim "Stülpen" ist über ei n-schlägige Berechnungsverfahren möglich.
Die Verstärkung 20 ist mit dem Deckband 16 formschlüssig verbunden, wobei der Leitschaufelkranz 14 aus mehreren Segmenten bestehen kann, welche über die Ve r-stärkung zusammengehalten werden. Die Verstärkung 21 ist hingegen in das Dec k-band 17 integriert, d.h. stoffschlüssig mit diesem zusammengefügt. Auch hier kö n-nen Leitschaufelsegmente die Ausgangsteile sein, welche durch Schweißen oder Löten im Bereich des inneren Deckba ndes/ der Verstärkung verbunden werden.
Die äußeren Deckbänder 18,19 sollen jedoch im Einbauzustand noch segmentiert sein, d.h. mehrere Trennfugen am Umfang aufweisen, um Thermospannungen zu minimieren.
Die Zentrierung und Fixierung der Leitschaufelkränze 14,15 im Gehäuse 13 erfolgt über
  • jeweils mindestens drei Lagereinheiten mit je einem gehäusefesten Lagerzapfen 26,27 und
  • je einer deckbandfesten Lagerbuchse 24,25. Die Kontaktflächen der Zapfen sind ballig, die
  • der Buchsen zylindrisch ausgeführt, so daß über eine freie radiale Beweglichkeit hinaus
  • auch kleine allseitige Schwenkbewegungen nach Art eines Kugelgelenkes möglich sind. All
  • dies minimiert Zwangskräfte und somit Bauteilspannungen, was wiederum die Lebensdauer erhöht.
    • Die "Inner Airseal" ist hier - zumindest überwiegend - mit Bürstendichtungen ausgeführt, wobei im Bereich der Leitschaufelkranzverstärkungen befestigte Bürsten 22,23 gegen mit dem Rotor 2 verbundene Ringe 11,12 laufen, welche axiale Anschläge für die Laufschaufeln 3,4 bilden.
    Die "Outer Airseal" ist hier mit Labyrinthdichtungen verwirklicht, wobei ringschneidenartige Dichtspitzen 9,10 gegen Wabenstrukturen laufen, welche auf Wabenträger 28,29 aufgebracht sind. Die Wabenträger 28,29 sind ihrerseits an den Leitschaufelkränzen 14,15 gelagert und dadurch im Verformungsverhalten an diese angeglichen.
    Im Sinne der Erfindung ist eine Luftkühlung für das Gehäuse und die Lagereinheiten der Leitschaufelkränze vorgesehen, welche konstruktiv jedoch bei weitem nicht so aufwendig ist, wie ein ACC-System. Zu diesem Zweck ist auf der Innenseite des G e-häuses 13 in radialem Abstand eine Luftleitschale 30 angeordnet, so daß zwischen dieser und dem Gehäuse Kühlluft in Triebwerkslängsrichtung strömen kann. Der Zutritt der in der Regel vom Verdichter abgezweigten Kühlluft erfolgt über Bohrungen 35 in eine erste Kammer 33. Im Bereich der Lagerzapfen 26 und 27 besitzt die Luftleitschale 30 bewußt gasdurchlässige Öffnungen 31,32, so daß ein Teil der Kühlluft längs der Lagerzapfen 26,27 in den Bereich der äußeren Deckbänder 18,19 der Leitschaufelkränze 14,15 strömen kann, ein entsprechendes Druckgefälle (Kühlluftüberdruck) vorausgesetzt. Dadurch werden die Lagerstellen gekühlt und Wärmeströme von den Leitschaufelkränzen zum Gehäuse minimiert. Das Wandel e-ment 37 weist - nicht dargestellte - Restriktoren auf oder bildet selbst mit entsprechenden Drosselspalten einen Restriktor für die Kühlluft, so daß diese in die nachfolgende Kammer 34 mit reduziertem Druck eintritt. Es reicht aus, wenn die Kühlluft jeweils nur einen mäßigen Überdruck gegenüber dem Arbeitsgas im angrenzenden Strömungskanal aufweist. Da der Druck des Arbeitsgases axial abnimmt, ist es sinnvoll, auch den Kühlluftdruck zumindest in wenigen Stufen zu reduzieren, was hier durch die genannte Kammerbauweise mit Restriktoren erreicht wird. Hohe Überdrücke der Kühlluft würden auch eine hohe Druckfestigkeit der Luftleitschale 30 erfordern, d.h. größere Wanddicken und mehr Gewicht.
    Zwischen dem Strömungskanal des Arbeitsgases und dem Kühlluftkanal sind weitere Wandelemente 36, 38 angeordnet, welche Arbeitsgasnebenströme, d.h. -verluste, durch diese Passagen verhindern sollen. Aus Kühlungsgründen sind auch diese Wandelemente 36,38 bewußt etwas gasdurchlässig ausgeführt bzw. befestigt.

    Claims (6)

    1. Strömungsmaschine mit Rotor und Stator in strömungstechnisch zumindest a b-schnittsweise axialer Bauart, deren Rotor Laufschaufeln, und deren Stator ein G e-häuse mit Leitschaufeln aufweist, wobei die Leitschaufeln als mindestens ein Leitschaufelkranz mit einem radial inneren und einem radial äußeren Deckband angeordnet, sind, insbesondere axiale Niederdruckturbine, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
      (A) Mindestens ein Leitschaufelkranz (14,15) ist als selbsttragendes Bauteil mit einer in Umfangsrichtung geschlossenen, zumindest weitgehend rotationssymmetrischen, das Bauteil gegen stülpende Axialverformung versteifenden Verstärkung (20,21) am inneren Deckband (16,17) ausgeführt,
      (B) der mindestens eine Leitschaufelkranz (14,15) weist ein segmentiertes äußeres Deckband (18,19) mit mehreren über seinen Umfang verteilten Trennfugen auf und
      (C) er ist über mindestens drei Segmente des äußeren Deckbandes (18,19) mittels jeweils einer örtlich radiale Relativbewegungen zulassenden Lagereinheit (24,25,26,27), d.h. insgesamt über eine sog. Speichenzentrierung mit mindestens drei Speichen, im Gehäuse (13) positioniert, und
      (D) zwischen dem Gehäuse (13) und dem äußeren Deckband (18,19) des mindestens einen Leitschaufelkranzes (14,15) ist eine Luftleitschale (30) angeordnet, welche einen Kühlluftstrom längs der Gehäuseinnenseite führt und mit Öffnungen (31,32) für die gehäusefesten Lagerelemente (26,27) des mindestens eine Leitschaufe l-kranzes (14,15) versehen ist, wobei die Öffnungen (31,32) einen Teil des Kühlluftstromes zum Deckband (18,19) hin durchtreten lassen.
    2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstä r-kung (20,21) des mindestens einen Leitschaufelkranzes (14,15) als torusförmiger Hohlkörper oder in Form mindestens zweier axial beabstandeter Ringe ausgeführt und stoffschlüssig in das innere Deckband (17) integriert oder formschlüssig mit diesem (16) verbunden ist.
    3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 mit formschlüssiger Verbindung zwischen der Verstärkung und dem inneren Deckband des mindestens einen Leitschaufe I-kranzes, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Leitschaufelkranz (14) aus mehreren Leitschaufelsegmenten besteht, welche mittels der Verstä r-kung (20) zu einem selbsttragenden Bauteil zusammengefügt sind.
    4. Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung (20,21) des mindestens einen Leitschaufe l-kranzes (14,15) das statische Element einer Wellendichtung trägt, insbesondere die Bürste (22,23) einer Bürstendichtung oder den Einlaufbelag bzw. die Wabenstruktur einer Labyrinthdichtung.
    5. Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lagereinheit des mindestens einen Leitschaufelkranzes (14,15) aus einem gehäusefesten Lagerzapfen (26,27) mit balliger Kontaktfläche und einer deckbandfesten Lagerbuchse (24,25) mit zylindrischer Kontaktfläche besteht.
    6. Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal des Kühlluftstromes zwischen Gehäuse (13) und Luftleitschale (30) in mehrere, nacheinander durchströmte Kammern (33,34) mit von Kammer zu Kammer abnehmendem Innendruck aufgeteilt ist, w o-bei jede Kammer (33,34) für einen Betriebsdruck ausgelegt ist, welcher zumi n-dest geringfügig höher ist als der Druck im jeweils benachbarten Strömungskanalbereich des Arbeitsmediums.
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