SE525050C2

SE525050C2 - Turbine for aircraft industry, has component placed in housing and partially beside rotor with respect to direction of gas flow to impede any fragments that may come loose from rotor from penetrating housing in radial direction

Info

Publication number: SE525050C2
Application number: SE0201735A
Authority: SE
Inventors: Jan Svensson; Eva Dahl; David Russberg; Roger Sjoeqvist; Jan Nilsson; Sten Johansson
Original assignee: Volvo Aero Corp
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2004-11-16
Also published as: SE0201735L; SE0201735D0

Abstract

The turbine has a rotor (1) driven by gas and a housing (2) enclosing the rotor. A component (6) is suspended from and inside the housing and partially beside the rotor with respect to a direction of the gas flow. The arrangement of the component impedes any fragments, which may come loose from the rotor from penetrating the housing in a radial direction.

Description

20 25 30 35 och att den har en långsammare termisk respons. Detta ger upphov till en kortare livslängd hos konstruktionen i regionen där de erforderliga stagen och/eller ledskenorna är anslutna till ringen. And that it has a slower thermal response. This gives rise to a shorter service life of the structure in the region where the required struts and / or guide rails are connected to the ring.

En känd alternativ lösning är att utforma lågtrycksturbinhuset med en längd så att det sträcker sig utmed hela den region där containment-kravet måste uppfyllas. I detta fall är en nackdel att den yttre ringen hos den främre sektionen hos det bakre turbinstativet blir mycket kort för en given totallängd hos turbinen, och detta i sin tur leder till samma problem som är beskrivet ovan.A known alternative solution is to design the low-pressure turbine housing with a length so that it extends along the entire region where the containment requirement must be met. In this case, a disadvantage is that the outer ring of the front section of the rear turbine frame becomes very short for a given total length of the turbine, and this in turn leads to the same problem as described above.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med uppfinningen är att tillhandahålla en turbin och en komponent använd i en turbin av det slag som hänvisas till inledningsvis, vilken turbin och komponent har möjlighet att uppfylla containment-kravet samtidigt som de diskuterade nackdelarna hos sådana turbiner enligt tidigare känd teknik reducerats väsentligt. Detta syfte uppnås med en turbin i enlighet med krav 1 och en komponent i enlighet med krav 14.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to provide a turbine and a component used in a turbine of the type referred to in the introduction, which turbine and component have the possibility to meet the containment requirement while reducing the discussed disadvantages of such prior art turbines. substantially. This object is achieved with a turbine according to claim 1 and a component according to claim 14.

Genom tillhandhållandet av en komponent som är upphängd i huset hos turbinen vilken komponent är anordnad att hindra eventuella fragment som kan lösgöras från rotorn från att penetrera huset i radiell riktning, d.v.s. att skydda huset i en region vid sidan av rotorn, företrädesvis nedströms rotorn, kan själva huset dimensioneras att inte uppfylla containment-kravet i denna region, utan dimensioneras för att uppfylla andra önskade egenskaper hos huset nedströms rotorn, såsom en låg styvhet och snabb termisk respons, för att öka livslängden hos turbinen, eftersom komponenten i enlighet uppfinningen används för att uppfylla contaiment-kravet i denna region hos turbinen.By providing a component suspended in the housing of the turbine which component is arranged to prevent any fragments which can be detached from the rotor from penetrating the housing in the radial direction, i.e. to protect the housing in a region next to the rotor, preferably downstream of the rotor, the housing itself can be dimensioned not to meet the containment requirement in this region, but dimensioned to meet other desired properties of the housing downstream of the rotor, such as low stiffness and rapid thermal response , to increase the life of the turbine, since the component according to the invention is used to meet the contaiment requirement in this region of the turbine.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen har komponenten första medel samverkande med andra medel hos huset för upphängning av komponenten i huset under det att radiell termisk expansion hos komponenten i förhållande till huset möjliggörs. Företrädesvis är komponenten en ring anordnad väsentligen koncentriskt i förhållande till rotorn. På detta sätt är komponenten upphängd i huset ”fritt expanderbar" i radiell riktning mot huset och det är möjligt att uppnå ett gott skydd utmed periferin hos huset samtidigt som huset inte påverkas av komponenten även om komponenten förflyttar sig i radiell riktning mot huset beroende på termisk expension vid drift av turbinen.According to a preferred embodiment of the invention, the component has first means cooperating with second means of the housing for suspending the component in the housing while allowing radial thermal expansion of the component relative to the housing. Preferably, the component is a ring arranged substantially concentrically with respect to the rotor. In this way the component is suspended in the housing "freely expandable" in radial direction towards the housing and it is possible to achieve good protection along the periphery of the housing while the housing is not affected by the component even if the component moves in radial direction towards the housing due to thermal expansion during operation of the turbine.

I enlighet med en ytterligare föredragen utföringsform av uppﬁnningen innefattar huset en första del omslutande rotorn och en andra del anordnad nedströms den första delen med avseende på gasflödesriktningen, varvid den första och den andra delen är -naon u-nøq 10 15 20 25 30 35 få E. ' n. šuø.a. .o 'qu- var: .,,. .,, y! ___ i .. .,° °..' g ; - . ... z 0 u «o o on :'° 'I n ' ' " n nn ,." ,' förbundna med varandra. Komponenten är anordnad att skydda den andra delen mot eventuella fragment som kan Iösgöras från rotorn. uppfinningen har stora fördelar i detta särskilda fall eftersom det har visat sig att de problem hos den tidigare kända tekniken diskuterade i denna ansökning vad det avser turbinhuset är särskilt svåra att undvika i regioner där två delar är förbundna för att bilda ett sammanhängande hus omslutande de invändiga delarna hos turbinen.According to a further preferred embodiment of the invention, the housing comprises a first part enclosing the rotor and a second part arranged downstream of the first part with respect to the gas flow direction, the first and the second part being -aon u-nøq E. 'n. Šuø.a. .o 'qu- var:. ,,. . ,, y! ___ i ..., ° ° .. 'g; -. ... z 0 u «o o on: '°' I n ''" n nn,. " , 'connected to each other. The component is arranged to protect the second part against any fragments which can be detached from the rotor. The invention has great advantages in this particular case because it has been found that the problems of the prior art discussed in this application with respect to the turbine housing are particularly difficult to avoid in regions where two parts are connected to form a continuous housing enclosing the interior. the parts of the turbine.

I enlighet med en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen är komponenten utformad att styra gasen att flöda utmed en särskild flödesväg. Härigenom kan en ytterligare komponent, såsom en konventionell styrplåt, för skapande av den önskade flödesvägen för gasen utelämnas.In accordance with a further preferred embodiment of the invention, the component is designed to control the gas to flow along a particular flow path. As a result, an additional component, such as a conventional guide plate, for creating the desired flow path for the gas can be omitted.

Ytterligare fördelar och fördelaktigt särdrag hos turbinen och komponenten i enlighet med uppfinningen beskrivs i den följande beskrivningen och återstående beroendekrav. uppfinningen avser också en flygplansmotor innefattande en turbin eller en komponent i enlighet med uppfinningen.Additional advantages and advantageous features of the turbine and component in accordance with the invention are described in the following description and remaining dependent claims. the invention also relates to an aircraft engine comprising a turbine or a component in accordance with the invention.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Med hänvisning till bifogade ritningar följer nedan en närmare beskrivning av utföranden av uppfinningen anförda som exempel.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS With reference to the accompanying drawings, the following is a more detailed description of embodiments of the invention given by way of example.

På ritningarna är: Fig. 1 en tvärsnittsvy av en del av en turbin innefattande en containment-komponent i enlighet med uppfinningen, Fig. 2 är en förstorad vy av en del av vyn i ﬁg. 1, och Fig. 3 är en perspektivvy av containment-komponenten i figurer 1 och 2.In the drawings: Fig. 1 is a cross-sectional view of a part of a turbine comprising a containment component in accordance with the invention, Fig. 2 is an enlarged view of a part of the view in ﬁ g. 1, and Fig. 3 is a perspective view of the containment component of Figures 1 and 2.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRANDE AV UPPFINNINGEN I fig. 1 och 2 illustreras en turbin innefattande en rotor 1, driven med gas, och ett hus 2 omslutande rotorn 1. Fig. 1 illustrerar en sektion av turbinen där två delar 3, 4 hos huset är förbundna med varandra för att skapa ett sammanhängande hus. En första del 3, såsom ett lågtrycksturbinhus, omsluter rotorn 1 och nedströms rotorn med avseende på gasﬂödesriktningen 5 är en andra del 4, såsom ett bakre turbinstativ, anordnad. ~nuo .n u a coca u 10 15 20 25 30 35 ÛÛÛ. 4 Dessa två delar 3, 4 är mekaniskt förbundna för att bilda huset 2. Inuti huset 2 är en komponent 6 anordnad upphängd i huset. Komponenten 6 ska anordnas åtminstone delvis bredvid rotorn 1, och företrädesvis åtminstone delvis nedströms rotorn 1, för att hindra eventuella fragment som kan lösgöras från rotorn från att penetrera huset i radiell riktning, eller i en riktning som har åtminstone en komponent i den radiella riktningen, d.v.s. för att skydda huset 2, primärt den främre sektionen 16 hos den andra delen 4, mot eventuella fragment som kan lösgöras från rotorn 1.DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION Figures 1 and 2 illustrate a turbine comprising a rotor 1, driven by gas, and a housing 2 enclosing the rotor 1. Fig. 1 illustrates a section of the turbine where two parts 3, 4 of the housing are connected to each other to create a cohesive house. A first part 3, such as a low-pressure turbine housing, encloses the rotor 1 and downstream of the rotor with respect to the gas direction 5, a second part 4, such as a rear turbine stand, is arranged. ~ nuo .n u a coca u 10 15 20 25 30 35 ÛÛÛ. These two parts 3, 4 are mechanically connected to form the housing 2. Inside the housing 2 a component 6 is arranged suspended in the housing. The component 6 should be arranged at least partially next to the rotor 1, and preferably at least partially downstream of the rotor 1, in order to prevent any fragments which can be detached from the rotor from penetrating the housing in radial direction, or in a direction having at least one component in the radial direction. ie to protect the housing 2, primarily the front section 16 of the second part 4, against any fragments which can be detached from the rotor 1.

I det illustrerade utförandet är komponenten 6 anordnad nedströms rotorn 1 och utformad som ett rörformat stycke, eller uttryckt med andra ord är komponenten en ring 6 som sträcker sig periferiskt utmed den cirkulära omkretsen hos huset 2. Ringen 6 är anordnad väsentligen koncentriskt i förhållande till rotorn 1 och har ett första parti 7 som bildar den cirkulära ringformen vilket parti 7 har en längsgående utsträckning i den axiella riktningen med avseende på rotationsaxeln 15 hos rotorn 1, d.v.s. i huvudriktningen 5 för gasflödet, för att täcka och skydda den invändiga ytan 8 hos den andra delen 4 hos turbinhuset 2 l det önskade området. Det första partiet 7 sträcker sig väsentligen koncentriskt i förhållande till och utmed den längsgående utsträckningen hos den yttre ringen 16 hos den främre sektionen hos den andra delen 4 hos huset 2.In the illustrated embodiment, the component 6 is arranged downstream of the rotor 1 and formed as a tubular piece, or in other words, the component is a ring 6 extending circumferentially along the circular circumference of the housing 2. The ring 6 is arranged substantially concentrically relative to the rotor 1 and has a first portion 7 which forms the circular annular shape which portion 7 has a longitudinal extension in the axial direction with respect to the axis of rotation 15 of the rotor 1, i.e. in the main direction 5 of the gas flow, to cover and protect the inner surface 8 of the second part 4 of the turbine housing 2 in the desired area. The first portion 7 extends substantially concentrically with respect to and along the longitudinal extent of the outer ring 16 of the front section of the second part 4 of the housing 2.

Ringen 6, eller snarare det första partiet 7 hos denna, kan vara cylindrisk, en stympad kon eller liknande. Längden hos det första partiet 7 är av storleksordningen flera gånger tjockleken hos materialet i det första partiet, och företrädesvis är längden av det första partiet 7 av samma storleksordning som längden hos den yttre ringen 16 hos den främre sektionen hos det bakre turbinstativet 4.The ring 6, or rather the first portion 7 thereof, may be cylindrical, a truncated cone or the like. The length of the first portion 7 is of the order of several times the thickness of the material of the first portion, and preferably the length of the first portion 7 is of the same order of magnitude as the length of the outer ring 16 of the front section of the rear turbine frame 4.

Vidare har ringen 6 ett andra parti 9, såsom en fläns 9, som är utformad med en huvudutsträckning i den radiella riktningen och väsentligen vinkelrätt mot det första partiet 7. Det andra partiet 9 är försett med första medel 10 samverkande med andra medel 11 hos huset 2 för att tillhandahålla upphängningen under möjliggörande av radiell expansion hos komponenten 6 i förhållande till huset 2. Som ett exempel består de första medlen av slitsar 10 som sträcker sig i radiell riktning för mottagande av motsvarande andra medel bestående av pinnar 11 anordnade i huset 2 för upphängning och styrning av ringen 6. Istället för slitsar som sträcker sig genom flänsen 9 skulle emellertid grundare spår kunna användas tillsammans med pinnarna eller tillsammans med åsar eller liknande som skjuter ut från huset.Furthermore, the ring 6 has a second portion 9, such as a flange 9, which is formed with a main extension in the radial direction and substantially perpendicular to the first portion 7. The second portion 9 is provided with first means 10 cooperating with second means 11 of the housing 2 to provide the suspension while allowing radial expansion of the component 6 relative to the housing 2. As an example, the first means consist of slits 10 extending in radial direction to receive corresponding second means consisting of pins 11 arranged in the housing 2 for suspension and guide of the ring 6. However, instead of slits extending through the flange 9, shallower grooves could be used together with the pins or together with ridges or the like projecting from the housing.

Ytterdiametern hos det andra partiet 9 hos ringen 6 är mindre än innerdiametern hos den motsvarande delen hos huset 2, och också det första partiet 7 hos ringen 6 är anordnat på avstånd från den invändiga ytan 8 hos huset 2. Det betyder att ringen 6 har möjlighet att expandera i radiell riktning mot huset utan att belasta huset. Genom "f - Our) z: : E -' t ::.. - ;' " ' v nu» a. "' v , , ' I u , 0,0. ' a ma; a 10 15 20 25 30 35 -., > | n ; - n. tillhandahållandet av en komponent 6 i enlighet med uppfinningen som är upphängd "fritt expanderbar" i den radiella riktningen har komponenten möjlighet att expandera i radiell riktning till följd av uppvärmning av komponenten i drift utan att påverka huset i någon större utsträckning.The outer diameter of the second portion 9 of the ring 6 is smaller than the inner diameter of the corresponding part of the housing 2, and also the first portion 7 of the ring 6 is arranged at a distance from the inner surface 8 of the housing 2. This means that the ring 6 has the possibility to expand in radial direction towards the house without loading the house. Genom "f - Our) z:: E - 't :: .. -;' "'v nu» a. "' v,, 'I u, 0,0.' a ma; a 10 15 20 25 30 35 -.,> | n; - n. the provision of a component 6 in accordance with the invention which is suspended "freely expandable" in the radial direction, the component has the possibility to expand in the radial direction as a result of heating the component in operation without affecting the housing to any great extent.

I fig. 3 illustreras ett utförande av komponenten i enlighet med uppfinningen i en perspektivvy. Ringen 6, d.v.s. ﬂänspartiet 9 hos denna, är försedd med tre slitsar 10 anordnade vinkelmässigt förskjutna 120° i förhållande till varandra utmed periferin hos flänsen 9. Styrpinnarna 11 som är anbringade i huset 2 och placerade i slitsarna 10 för upphängning och styrning av komponenten 6 illustreras med punktstreckande linjer.Fig. 3 illustrates an embodiment of the component in accordance with the invention in a perspective view. Rings 6, i.e. The end portion 9 thereof is provided with three slits 10 arranged at an angularly offset 120 ° relative to each other along the periphery of the flange 9. The guide pins 11 which are arranged in the housing 2 and placed in the slits 10 for hanging and guiding the component 6 are illustrated by dotted lines. .

Företrädesvis kan flänsen 9 hos ringen 6 vara utformad med en tunnare materialtjocklek än det första partiet 7.Preferably, the flange 9 of the ring 6 can be formed with a thinner material thickness than the first portion 7.

Fastän slitsarna är anordnade i ringen och styrpinnarna är anordnade i huset i det illustrerade utförandet skulle styrpinnarna lika gärna kunna vara anordnade i ringen och slitsarna i huset. Antalet styrpinnar/slitsar och placeringen av dessa kan varieras på många sätt inom ramen för uppfinningstanken. Vidare kan styrpinnarna eller slitsarna då dessa är anordnade i huset vara anordnade i varierande delar hos huset, t.ex. i lågtrycksturbinhuset eller det bakre turbinstativet.Although the slots are arranged in the ring and the guide pins are arranged in the housing in the illustrated embodiment, the guide pins could just as easily be arranged in the ring and the slots in the housing. The number of guide pins / slots and their placement can be varied in many ways within the scope of the inventive concept. Furthermore, the guide pins or slots when these are arranged in the housing can be arranged in varying parts of the housing, e.g. in the low pressure turbine housing or the rear turbine stand.

I det illustrerade utförandet är komponenten 6 utformad att styra gasflödet utmed en särskild ﬂödesväg. Innerytan 12 hos ringen 6 utgör en begränsningsyta för gasen i regionen där gasen lämnar den första delen 3 hos huset 2. Denna inneryta 12 sträcker sig väsentligen parallellt med huvudriktningen 5 hos gasflödet, och utmed den längsgående utsträckningen hos ytterringen hos den främre sektionen av den andra delen hos huset, för att säkerställa att gasen tenderar att följa den avsedda flödesvägen och flöda i axiell riktning med avseende på rotationsaxeln 15 hos rotorn 1. Det är viktigt för att undvika energiförluster beroende på turbulens. Härigenom används komponenten 6 för två huvudändamål samtidigt, d.v.s. containment-kravet och styrning av gasen, och således kan en ytterligare konventionell komponent, såsom en styrplåt, för styrning av gasen i detta område utelämnas.In the illustrated embodiment, the component 6 is designed to control the gas flow along a special path of fate. The inner surface 12 of the ring 6 constitutes a limiting surface for the gas in the region where the gas leaves the first part 3 of the housing 2. This inner surface 12 extends substantially parallel to the main direction 5 of the gas flow, and along the longitudinal extent of the outer ring of the second section of the second section. part of the housing, to ensure that the gas tends to follow the intended flow path and flow in the axial direction with respect to the axis of rotation 15 of the rotor 1. It is important to avoid energy losses due to turbulence. Hereby the component 6 is used for two main purposes simultaneously, i.e. the containment requirement and control of the gas, and thus an additional conventional component, such as a guide plate, for controlling the gas in this area can be omitted.

Det inses att den föreliggande uppfinningen inte är begränsad till de utföranden som är beskrivna ovan och illustrerade på ritningarna; snarare kommer fackmannen att upptäcka att många ändringar och modifieringar kan utföras inom ramen för skyddsomfånget hos bifogade patentkrav. Exempelvis kan dimensionerna och materialet hos komponenten i enlighet med uppfinningen varieras på många sätt.It will be appreciated that the present invention is not limited to the embodiments described above and illustrated in the drawings; rather, those skilled in the art will find that many changes and modifications may be made within the scope of the appended claims. For example, the dimensions and material of the component in accordance with the invention can be varied in many ways.

Claims

10 15 20 25 30 35 ø. o Q ,, n tr-i i 3 (n CD 0 "; C) | | ø c» - n PATENTKRAV

A turbine comprising a rotor (1) driven by gas and a housing (2) enclosing the rotor (1), the turbine comprising a component (6) suspended in the housing (2), the component (6) being arranged inside the housing and at least partially next to the rotor (1) with respect to the gas flow direction (5) in order to prevent any fragments which can be detached from the rotor from penetrating the housing in radial direction, characterized in that the component (6) has first means (10) cooperating with other means (11) of the housing (2) for suspending the component (6) in the housing while radial thermal expansion of the component relative to the housing is possible.

Turbine according to Claim 1, characterized in that the component (6) is arranged at least partially downstream of the rotor (1).

Turbine according to 1 or 2, characterized in that the component is a ring (6) arranged substantially concentrically in relation to the rotor (1).

Turbine characterized in that the component (6) has a flange (9) by means of which the component is suspended in the housing (2). according to any one of the preceding claims,

Turbine according to claim 4, characterized in that the flange (9) is provided with said first means (10).

Turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that said first means are sleeves (10) arranged in the component (6).

Turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that said second means are pins (11) arranged in the housing (2).

Turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (2) comprises a first part (3) enclosing the rotor (1) and a second part (4) arranged downstream of the first part (3) with respect to the gas flow direction (5). ), the first part (3) and the second part (4) being connected to each other, and that the component (6) is arranged to protect the second part (4) against any fragments which can be detached from the rotor (1).

Turbine according to Claim 8, characterized in that the first part forms a low-pressure turbine housing (3). 10 15 20 25 30 35 (p: i.) (_31 CD CD 7

Turbine according to Claim 8, characterized in that the second part forms a rear turbine frame (4).

Turbine characterized in that the component (6) is designed to control the gas flow along a particular flow path. according to any one of the preceding claims,

Turbine according to claims 8 and 11, characterized in that the component (6) is designed to control the gas in the region where the gas leaves the first part (3) of the housing and passes into the second part (4) of the housing (2). .

A component (6) for protecting a housing (2) enclosing a turbine having a rotor (1) driven by gas, the component (6) being designed to be arranged suspended in and inside the housing (2) and at least partially at side of the rotor (1) with respect to the gas flow direction (5) in order to prevent any fragments which can be detached from the rotor from penetrating the housing in the radial direction, characterized in that the component (6) has first means (10) intended to cooperate with other means of the housing for suspending the component (6) in the housing while radial thermal expansion of the component relative to the housing is possible.

Component according to Claim 13, characterized in that the component (6) is designed to be arranged at least partially downstream of the rotor (1).

Component according to Claim 13 or 14, characterized in that the component (6) is provided with a flange (9), the component (6) being designed to be arranged suspended in the housing (2) by means of the shaft (9). 14 or 15, the component is a ring (6) designed to be arranged substantially concentrically with respect to the rotor (1).

Component according to claim 13, characterized in that

Component according to one of Claims 13 to 16, characterized in that the component (6) is designed to control the gas flow along a special flow path in the turbine.

An ﬂ plane plane engine comprising a turbine according to any one of claims 1-12.

An ﬂ plane plane engine comprising a component according to any one of claims 13-17. In n us: u