EP2719867A1 - Gehäusestruktur mit verbesserter Abdichtung und Kühlung - Google Patents

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EP2719867A1 EP12188313.6A EP12188313A EP2719867A1 EP 2719867 A1 EP2719867 A1 EP 2719867A1 EP 12188313 A EP12188313 A EP 12188313A EP 2719867 A1 EP2719867 A1 EP 2719867A1
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Sebastian Kaltenbach
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    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/15—Heat shield

Definitions

  • the present invention relates to a housing structure for a turbomachine, in particular for a gas turbine or an aircraft engine.
  • turbomachines such as gas turbines or aircraft engines
  • air is drawn along a flow channel, compressed, and combusted in a combustion chamber along with fuel, and then the combustion gases are discharged through the flow channel, thereby driving in a turbine rotors.
  • the flow channel is circumferentially surrounded by a housing structure, wherein in the region of the combustion chamber and the following turbine, by the combustion gases very high temperatures prevail in the flow channel, so that surrounding the flow channel housing structure must be efficiently cooled in order to achieve that the lowest possible operating temperatures are present in order to use materials with lower requirements for high-temperature properties.
  • cooling air is passed into the area of the outer housing structure in order to bring about heat dissipation.
  • insulators and heat shields are used in such housing structures to protect the outer components from excessive temperatures.
  • the invention is based on the recognition that the existing in the prior art recesses in the field of heat shields or generally the presence of openings in the region of bushings in the radial direction causes inadmissible amount of hot gas can flow into the outer region of the housing structure.
  • the invention therefore provides for placing a seal in the region in which the heat shield is interrupted, so that hot gas is prevented from flowing in the direction of the outer housing structure.
  • it is proposed to be provided on webs or brackets which are arranged on an inner housing wall and at least partially in the radial direction outwardly, such as. to guide vane webs or Leitschaufelhalterept to provide broadening and form at these widening sealing surfaces against which heat shields sealingly so as to achieve a seal.
  • Broadening is here understood to mean an enlargement of the cross section of a web or a holder in at least one direction, which extends in particular in a direction transverse to the radial direction, whereby a new cross-sectional reduction is preferably provided in addition to the cross-sectional enlargement, so that the broadening only in a certain Section of the web or the bracket is present.
  • the broadening on a web or a holder of the inner housing wall may in particular be made in one piece, so that additional mounting components and additional assembly costs can be saved.
  • the broadening can be cast on a corresponding web or a holder.
  • At least one widening may be provided on a web circulating circumferentially about the flow channel or a corresponding support of the inner housing wall on opposite sides facing away from each other, on each of which a heat shield sealingly abuts, so that both in the axial direction as well as in the circumferential direction as closed as possible barrier wall of heat shields for the separation of an outer part of the housing structure is formed with outer cavities of an inner part of the housing structure with internal cavities.
  • the inner and outer cavities may have corresponding cooling air inlet openings to allow for inflow of cooling air.
  • the attached figure shows in a purely schematic way a partial sectional view of a housing structure according to the invention.
  • the attached figure shows a section of a housing structure according to the invention with an outer housing wall 1, which can be designed segmented both in the axial direction and circulate around the limited of its flow channel.
  • a guide blade 3 is arranged, which forms a part of the inner housing wall 2 in the form of a shroud.
  • a guide blade web 4 is arranged projecting obliquely outwards, which can serve for example for fixing the guide vane 3 to the outer housing wall 1.
  • heat shields are provided 6.7, which are also at least partially formed circumferentially around the flow channel and to shield the outer housing wall 1 from the temperatures in the flow channel.
  • the heat shields 6 and 7 limit in the embodiment shown both inner cavities 9, as well as outer cavities 10th
  • the outer cavities 10 are limited not only by the heat shields 6,7, but also by the outer housing wall 1 and the Leitschaufelsteg 4.
  • cooling air openings 11 are partially provided, which allow to direct air from the environment into the outer cavities 10 in order to provide a cooling effect for the housing with respect to the high temperatures in the flow channel.
  • the heat shields 6.7 continue to limit internal cavities 9, which are largely separated from the outer cavities 10 and sealed.
  • a sealing surface 8 is provided, which is in contact with the heat shield 7 and 6, respectively, to seal the inner cavities 8 and outer cavities 10.
  • the inner cavities 9 are spaced from the outer housing wall 1 and the outer cavities 10 are spaced from the inner housing wall 2, so that the inner cavities 9 serve as a temperature buffer, while the outer cavities 10 can be used to guide cooling air.
  • the outer housing wall 1 and the components in the region of the outer housing wall 1 can be effectively cooled and the temperature load can be lowered, so that materials can be used with lower requirements for temperature resistance.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gehäusestruktur für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine oder ein Flugtriebwerk, mit einer äußeren Gehäusewand (1) und einer inneren Gehäusewand (2), wobei innere und äußere Gehäusewand einen Strömungskanal der Strömungsmaschine ringförmig umschließen und in radialer Richtung bezogen auf den Strömungskanal beabstandet sind, wobei zwischen innerer und äußerer Gehäusewand mindestens ein Hitzeschild (6,7) angeordnet ist, und wobei an der inneren Gehäusewand ein zumindest teilweise in radialer Richtung vorstehender Steg (4) oder eine zumindest teilweise in radialer Richtung vorstehende Halterung angeordnet sind, wobei der Steg oder die Halterung zumindest einseitig eine Verbreiterung (5) aufweist, die eine Dichtfläche umfasst, an der das Hitzeschild dichtend anliegt.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gehäusestruktur für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine oder ein Flugtriebwerk.
    • STAND DER TECHNIK
  • Bei Strömungsmaschinen, wie Gasturbinen oder Flugtriebwerken, wird Luft entlang eines Strömungskanals angesaugt, verdichtet, und in einer Brennkammer zusammen mit Brennstoff verbrannt, wobei anschließend die Verbrennungsgase über den Strömungskanal ausgegeben werden, um dabei in einer Turbine Rotoren anzutreiben.
  • Der Strömungskanal wird umlaufend von einer Gehäusestruktur umgeben, wobei insbesondere im Bereich der Brennkammer und der nachfolgenden Turbine, durch die Verbrennungsgase sehr hohe Temperaturen herrschen im Strömungskanal, sodass die den Strömungskanal umgebende Gehäusestruktur effizient gekühlt werden müssen, um zu erreichen, dass möglichst niedrige Betriebstemperaturen vorliegen, um so Werkstoffe mit geringeren Anforderungen an die Hochtemperatureigenschaften einsetzen zu können.
  • Hierzu wird Kühlluft in den Bereich der äußeren Gehäusestruktur geleitet, um eine Wärmeableitung zu bewirken. Zudem werden in derartigen Gehäusestrukturen Isolierungen und Hitzeschilde eingesetzt, die die äußeren Komponenten vor zu hohen Temperaturen schützen sollen.
  • Allerdings gibt es bei bekannten Gehäusestrukturen oft die Notwendigkeit Aussparungen in den den Strömungskanal umgebenden Hitzeschilden vorzusehen, um beispielsweise Leitkranzstege bzw. Statoraufhängungen oder Umfangssicherungen in radialer Richtung durchzuführen. Durch die Aussparungen ist es jedoch möglich, dass Heißgas aus dem Strömungskanal nach außen gelangt, sodass die Temperaturbelastung der Komponenten in den äußeren Gehäusestrukturen ansteigt.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gehäusestruktur bereitzustellen, die eine verbesserte Kühlung der äußeren Gehäusekomponenten ermöglicht und somit deren Temperaturbelastung senkt.
    • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gehäusestruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die im Stand der Technik vorhandenen Aussparungen im Bereich der Hitzeschilde bzw. allgemein das Vorhandensein von Öffnungen im Bereich von Durchführungen in radialer Richtung dazu führt, dass unzulässig viel Heißgas in den äußeren Bereich der Gehäusestruktur strömen kann. Die Erfindung sieht deshalb vor, in dem Bereich, in dem das Hitzeschild unterbrochen ist, eine Abdichtung anzuordnen, sodass Heißgas am Strömen in Richtung der äußeren Gehäusestruktur gehindert wird. Hierzu wird vorgeschlagen, an Stegen oder Halterungen, die an einer inneren Gehäusewand angeordnet sind und zumindest teilweise in radialer Richtung nach außen vorstehe, wie z.B. an Leitschaufelstegen oder Leitschaufelhalterungen, Verbreiterungen vorzusehen und an diesen Verbreiterungen Dichtflächen auszubilden, an denen Hitzeschilde dichtend anliegen, um so eine Abdichtung zu erzielen.
  • Unter Verbreiterung wird hierbei ein Erweiterung des Querschnitts eines Stegs oder einer Halterung in zumindest einer Richtung verstanden, die insbesondere in einer Richtung quer zu radialen Richtung verläuft, wobei vorzugsweise neben der Querschnittserweiterung auch eine erneute Querschnittsreduzierung vorgesehen ist, so dass die Verbreiterung nur in einem bestimmten Abschnitt des Stegs oder der Halterung vorliegt.
  • Durch das Vorsehen von Verbreiterungen an notwendigerweise vorhandenen Leitschaufelstegen bzw. Leitschaufelaufhängungen oder -halterungen kann in einfacher Weise eine Verbesserung der Abdichtung erzielt werden, da keine zusätzlich zu montierenden Bauteile vorgesehen werden müssen und auch die notwendigen Abänderungen der übrigen Konstruktion begrenzt bleiben.
  • Durch die Abdichtung mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren Hitzeschilden gegenüber Leitschaufel - oder Leitkranzstegen bzw. Leitschaufel - oder Leitkranzaufhängungen kann ferner bewirkt werden, dass gut voneinander abgetrennte innere und äußere Hohlräume geschaffen werden, wobei die inneren Hohlräume im Bereich der inneren Gehäusewand und vorzugsweise beabstandet zur äußeren Gehäusewand vorliegen, während die äußeren Hohlräume im Bereich der äußeren Gehäusewand und vorzugsweise beabstandet von der inneren Gehäusewand vorliegen. Durch die Trennung von inneren und äußeren Hohlräumen kann eine effizientere Kühlwirkung erzielt werden, da die inneren Hohlräume als Puffer dienen, während in den äußeren Hohlräumen die Kühlluftführung vorgesehen werden kann. Durch den Puffer kann ein direkter Wärmeübergang vom Strömungskanal zur äußeren Gehäusestruktur vermieden oder zumindest eingeschränkt werden.
  • Die Verbreiterung an einem Steg oder einer Halterung der inneren Gehäusewand kann insbesondere einstückig ausgeführt sein, sodass zusätzliche Montagebauteile und zusätzliche Montageaufwand eingespart werden kann. Insbesondere kann die Verbreiterung an einem entsprechenden Steg oder einer Halterung angegossen sein.
  • Vorzugsweise kann an einem in Umfangsrichtung um den Strömungskanal umlaufenden Steg oder einer entsprechenden Halterung der inneren Gehäusewand an gegenüberliegenden und voneinander wegweisenden Seiten jeweils mindestens eine Verbreiterung vorgesehen sein, an der jeweils ein Hitzeschild dichtend anliegt, sodass sowohl in axialer Richtung, als auch in Umfangsrichtung eine möglichst geschlossene Sperrwand aus Hitzeschilden zur Abtrennung eines äußeren Teil der Gehäusestruktur mit äußeren Hohlräumen von einem inneren Teil der Gehäusestruktur mit inneren Hohlräumen ausgebildet wird.
  • Damit lässt sich eine weitgehende Abtrennung der inneren und äußeren Hohlräume voneinander verwirklichen, sodass keine oder zumindest nur geringfügig Heißgase aus dem Strömungskanal oder den inneren Hohlräumen in den Bereich der äußeren Hohlräume gelangen können. Während die inneren Hohlräume weitgehend abgedichtet sind, um als Puffer zu wirken, können die äußeren Hohlräume entsprechende Kühlluftzutritts -öffnungen aufweisen, um einen Zufluss von Kühlluft zu ermöglichen.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR
  • Die beigefügte Figur zeigt in rein schematischer Weise eine teilweise Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Gehäusestruktur.
    • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
  • Die beigefügte Figur zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Gehäusestruktur mit einer äußeren Gehäusewand 1, die sowohl in axialer Richtung als auch umlaufen um den von ihr begrenzten Strömungskanal segmentiert ausgeführt sein kann. Im Bereich des Strömungskanals ist eine Leitschaufel 3 angeordnet, die in Form eines Deckbands einen Teil der inneren Gehäusewand 2 darstellt. Von der Leitschaufel 3 bzw. dem Deckband und somit der inneren Gehäusewand 2 ist ein Leitschaufelsteg 4 schräg nach außen vorstehend angeordnet, der beispielsweise zur Fixierung der Leitschaufel 3 an der äußeren Gehäusewand 1 dienen kann.
  • Zwischen der äußeren Gehäusewand 1 und der inneren Gehäusewand 2 sind Hitzeschilde 6,7 vorgesehen, die ebenfalls zumindest teilweise um den Strömungskanal umlaufend ausgebildet sind und die äußere Gehäusewand 1 vor den Temperaturen im Strömungskanal abschirmen sollen.
  • Die Hitzeschilder 6 und 7 begrenzen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sowohl innere Hohlräume 9, als auch äußere Hohlräume 10.
  • Die äußeren Hohlräume 10 werden nicht nur von den Hitzeschilden 6,7 begrenzt, sondern auch von der äußeren Gehäusewand 1 bzw. dem Leitschaufelsteg 4. In der äußeren Gehäusewand 1 sind teilweise Kühlluftöffnungen 11 vorgesehen, die es ermöglichen, Luft aus der Umgebung in die äußeren Hohlräume 10 zu leiten, um eine Kühlwirkung für das Gehäuse bezüglich der hohen Temperaturen im Strömungskanal bereit zu stellen.
  • Die Hitzeschilde 6,7 begrenzen weiterhin innere Hohlräume 9, die von den äußeren Hohlräumen 10 weitgehend abgetrennt und abgedichtet sind. Zu diesem Zweck weist der Leitschaufelsteg 4 beidseitig Verbreiterungen 5 auf, die einstückig an dem Leitschaufelsteg 4 angeordnet sind und beispielsweise unmittelbar beim Gießen der Leitschaufel 3 erzeugt werden können. An den Verbreiterungen 5 ist jeweils eine Dichtfläche 8 vorgesehen, die in Kontakt mit dem Hitzeschild 7 bzw. 6 ist, um die inneren Hohlräume 8 bzw. äußeren Hohlräume 10 abzudichten. Durch das Vorsehen von Verbreiterungen 5 an dem Leitschaufelsteg 4 ist es in einfacher Weise ohne großen konstruktiven Mehraufwand möglich, Dichtflächen für Hitzeschilde 6,7 bereit zu stellen, sodass gut voneinander getrennte innere Hohlräume 9 und äußere Hohlräume 10 gebildet werden.
  • Die inneren Hohlräume 9 sind beabstandet von der äußeren Gehäusewand 1 und die äußeren Hohlräume 10 sind beabstandet von der inneren Gehäusewand 2, sodass die inneren Hohlräume 9 als Temperaturpuffer dienen, während die äußeren Hohlräume 10 zur Führung von Kühlluft Verwendung finden können.
  • Damit können die äußere Gehäusewand 1 und die Komponenten im Bereich der äußeren Gehäusewand 1 effektiv gekühlt werden und die Temperaturbelastung kann abgesenkt werden, sodass Werkstoffe mit geringeren Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden können.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung umfasst sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale.

Claims (10)

  1. Gehäusestruktur für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine oder ein Flugtriebwerk, mit einer äußeren Gehäusewand (1) und einer inneren Gehäusewand (2), wobei innere und äußere Gehäusewand einen Strömungskanal der Strömungsmaschine ringförmig umschließen und in radialer Richtung bezogen auf den Strömungskanal beabstandet sind, wobei zwischen innerer und äußerer Gehäusewand mindestens ein Hitzeschild (6,7) angeordnet ist, und wobei an der inneren Gehäusewand ein zumindest teilweise in radialer Richtung vorstehender Steg (4) oder eine zumindest teilweise in radialer Richtung vorstehende Halterung angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Steg oder die Halterung zumindest einseitig eine Verbreiterung (5) aufweist, die eine Dichtfläche (8) umfasst, an der das Hitzeschild dichtend anliegt.
  2. Gehäusestruktur nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Steg oder die Halterung an gegenüber liegenden und voneinander weg weisenden Seiten jeweils mindestens eine Verbreiterung (5) aufweist, die jeweils mindestens eine Dichtfläche umfasst, an der jeweils ein Hitzeschild dichtend anliegt.
  3. Gehäusestruktur nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verbreiterung (5) einstückig an dem Steg oder der Halterung angeordnet, insbesondere angegossen ist.
  4. Gehäusestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Hitzeschild (6,7) mit seiner radial äußeren Seite mindestens einen äußeren Hohlraum (10) begrenzt, der beabstandet von der inneren Gehäusewand ist.
  5. Gehäusestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Hitzeschild (6,7) mit seiner radial inneren Seite mindestens einen inneren Hohlraum (9) begrenzt, der beabstandet von der äußeren Gehäusewand ist.
  6. Gehäusestruktur nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Begrenzung des inneren und/oder äußeren Hohlraums die Dichtfläche umfasst.
  7. Gehäusestruktur nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    innerer und äußerer Hohlraum (9,10) voneinander getrennt sind.
  8. Gehäusestruktur nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der äußere Hohlraum mindestens eine Kühlluftzutrittsöffnung (11) aufweist.
  9. Gehäusestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die innere Gehäusewand durch zumindest einen Teil einer Leitschaufel (3) gebildet ist und der Steg ein Leitschaufelsteg oder Leitkranzsteg oder die Halterung eine Statoraufhängung ist.
  10. Strömungsmaschine mit einer Gehäusestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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