DE102006060438A1

DE102006060438A1 - Turbinenscheibe

Info

Publication number: DE102006060438A1
Application number: DE102006060438A
Authority: DE
Inventors: Matthew Lee Cincinnati Krumanaker; Craig William Liberty Township Higgens
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2007-07-12
Also published as: GB0625292D0; GB2433550A; US20070140855A1; GB2433550B; US7331763B2

Abstract

Gasturbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit einer Erststufen-Turbinenlaufscheibe (114), einer von der Turbinenlaufscheibe (114) getragenen vorderen Außendichtung (170) und eine vordere Welle (130), die mit der Erststufen-Turbinenlaufscheibe (114) zusammenwirkt, um das von dem Turbinenabschnitt generierte Drehmoment auf einen Verdichterabschnitt des Triebwerks zu übertragen. Die vordere Welle (130) schneidet die Erststufen-Turbinenlaufscheibe (114) im Bereich der Laufscheibennabe (120) in einem anderen als im rechten Winkel, damit genügend heiße Luft gegen die Laufscheibennabe (120) geleitet wird, um die Temperaturanstiegsrate der Laufscheibennabe (120) auf die Wärmeausdehnung der vorderen Außendichtung (170) abzustimmen.

Description

TECHNISCHES GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Gasturbinentriebwerke und insbesondere die Reduzierung der thermischen Belastung an der vorderen Außendichtung und Turbinenlaufscheibe von Flugzeug-Turbinentriebwerken. Die Erfindung wird in dieser Anmeldung unter besonderer Bezugnahme auf eine Laufscheibe einer Hoch druckturbine (HPT-Turbine) der ersten Stufe in Flugzeug-Gasturbinentriebwerken dargelegt und erläutert. Die standardmäßige HPT-Rotorarchitektur einiger Gasturbinentriebwerke enthält eine vordere Außendichtung, die vollständig von der HPT-Laufscheibe der ersten Stufe getragen wird. Diese Architektur bietet Vorteile, aber ein Nachteil besteht darin, dass die Laufscheibe und die vordere Außendichtung zwar mechanisch eng aneinander gekoppelt sind, aber unterschiedliche Temperaturanstiegsraten aufweisen. Die vordere Außendichtung, die sehr dünn ist und eine geringe Masse aufweist, reagiert beim Start sehr schnell auf einen Anstieg der Lufttemperatur, während die erheblich massivere Erststufen-Laufscheibe sehr langsam darauf reagiert. Folglich versucht die vordere Außendichtung, sich in relativ hohem Tempo in Korrelation zum Temperaturanstieg auszudehnen, während sich die Erststufen-Laufscheibe erheblich langsamer ausdehnt. Die vordere Außendichtung wird daher davon abgehalten, sich in einem mit ihrem Temperaturanstieg korrelierenden Tempo auszudehnen, was zu einem thermischen Missverhältnis und zu großen, durch Wärme hervorgerufenen Belastungen an der vorderen Außendichtung und der Laufscheibe führt. Hieraus lassen sich Kurzzeitermüdungsprognosen für die vordere Außendichtung ableiten.
Aktuelle Praktiken zur Reduzierung oder Kompensierung des thermischen Missverhältnisses schließen das Anpassen der Berührungsflächenspalte zwischen der vorderen Außendichtung und der Erststufen-Laufscheibe sowie andernfalls das Optimieren mechanischer Merkmale der vorderen Außendichtung ein, um eine akzeptable LCF-Lebensdauer zu erzielen. Allerdings haben diese Praktiken die Grenzen ihrer Praktikabilität ganz oder fast erreicht, so dass weitere Verbesserungen mit Hilfe dieser Techniken nicht mehr wahrscheinlich erscheinen. Einen Weg zur Reduzierung der grundlegenden thermischen Belastung an der vorderen Außendichtung und der Erststufen-Laufscheibe legt diese Anmeldung in Form von Mitteln zur Verlängerung der LCF-Lebensdauer in einem akzeptablen Umfang dar.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Position, an der die vordere Welle der ersten Stufe die HPT-Laufscheibe der ersten Stufe schneidet, geändert, um die Temperaturanstiegsrate der HPT-Laufscheibe der ersten Stufe zu variieren.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird die vordere Welle der ersten Stufe geschwenkt, um die HPT-Laufscheibe der ersten Stufe heißerer Luft auszusetzen, wodurch das thermische Missverhältnis zwischen der Erststufen-Laufscheibe und der vorderen Außendichtung reduziert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein entlang einer Längsachse erzeugter Teilquerschnitt des HPT-Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks, der eine Konfiguration der vorderen Welle gemäß dem Stand der Technik zeigt.
2 ist eine vergrößerte, vertikale Teilquerschnittansicht einer Baugruppe aus HPT-Laufscheibe und vorderer Außendichtung gemäß 1.
3 ist eine vertikale Teilquerschnittansicht einer HPT-Laufscheibe und einer Dichtung an der vorderen Welle gemäß einem Aspekt der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die 1 und 2 zeigen eine Gesamtansicht eines Bereichs eines HPT-Abschnitts 10 eines Flugzeug-Gasturbinentriebwerks mit großem Nebenstromverhältnis. Der HPT-Abschnitt 10 enthält Erstufen- und Zweitstufen-Laufscheiben 14, 16 mit entsprechenden Stegen 18, 20, die sich von entsprechenden Naben 21, 24 nach außen erstrecken. Die Nabe 21 der Erststufen-Laufscheibe weist eine Nabenfläche und eine Fase 23 auf, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. An den Außenenden der Stege 18 bzw. 20 sind Schwalbenschwanznuten 26, 28 ausgebildet.
Die Erststufen-Laufscheibe 14 weist eine dem Stand der Technik entsprechende vordere Welle 30 auf, die mit dem Steg 18 integral ausgeformt ist. Es gilt zu beachten, dass die vordere Welle 30 die Erststufen-Laufscheibe 14 im rechten Winkel zur Radialachse der Erststufen-Laufscheibe 14 schneidet. Die Nabe 21 der Erststufen-Laufscheibe 14 weist eine sich nach hinten erstreckende hintere Welle 42 auf, die geschraubt mit einem Lager 44 in Eingriff gebracht ist. Die Welle weist eine Anzahl von Öffnungen 46 auf, die es Kühlluft ermöglichen, in den Zwischenstufenraum 48 zu strömen.
Eine Zwischenstufendichtung 50 ist zwischen der Erststufen-Laufscheibe 14 und der Zweitstufen-Laufscheibe 16 ange ordnet und weist eine Außenschale 52 und eine zentrale Scheibe 54 mit einer Nabe 56 auf. Die Schale 52 ist im Allgemeinen zylindrisch mit sich nach vorn und nach hinten erstreckenden gekrümmten Armen 58 und 60, die von einem mittigen Bereich 62 abgehen, der Dichtungszähne 64 trägt, und an den entsprechenden Laufscheiben 14, 16 befestigt sind.
Der Turbinenabschnitt 10 enthält außerdem eine vordere Außendichtungsbaugruppe 70 mit einer Stirnplatte 72, die durch eine Bajonettverbindung 74 an einer radialen äußeren Peripherie und durch eine Bajonettverbindung 76 an einer radialen inneren Peripherie an die Erststufen-Laufscheibe 14 montiert ist. Die Stirnplatte 72 weist einen äußeren Rand 78 zur Schaufelsicherung auf, der an einem die Schaufel 82 der ersten Stufe berührenden axialen Flansch 80 endet.
In 3 ist eine Teilansicht des HPT-Abschnitts 100 eines Gasturbinentriebwerks gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der HPT-Abschnitt 100 enthält Erststufen- und Zweitstufen-Laufscheiben 114, 116. Die Erststufen-Laufscheibe 114 weist einen radial nach außen hervorstehenden Steg 118 und eine Laufscheibennabe 120 auf. Die Nabe 120 der Erststufen-Laufscheibe weist die Nabenflächen 122, 123 und 124 auf. Eine Schwalbenschwanznut 126 ist an den äußeren Enden der Stege 118 ausgebildet.
Die Erststufen-Laufscheibe 114 weist eine vordere Welle 130 auf, die integral mit der Laufscheibennabe 120 ausgeformt ist. Es gilt zu beachten, dass die vordere Welle 130 die Laufscheibennabe 120 der Erststufen-Laufscheibe 114 in einem anderen als im rechten Winkel schneidet und eine gewölbte, nicht ebene, sich radial nach innen erstreckende Fläche definiert, die gleichmäßig in die radiale Achse der Erststufen-Laufscheibe 114 übergeht. Die Laufscheibennabe 120 der Laufscheibe 114 der ersten Stufe weist eine sich nach hinten erstreckende hintere Welle 140 auf, die geschraubt mit einem Lager (nicht dargestellt) in Eingriff gebracht ist. Eine Zwischenstufendichtung 150 ist zwischen der Erststufen-Laufscheibe 114 und der Zweitstufen-Laufscheibe 116 angeordnet und weist eine Außenschale 152 und eine zentrale Scheibe 154 mit einer Nabe 156 auf. Die Schale 152 ist im Allgemeinen zylindrisch mit sich nach vorn und nach hinten erstreckenden gekrümmten Armen 158 und 160, die von einem mittigen Bereich 162 abgehen, der Dichtungszähne 164 trägt, und an den entsprechenden Laufscheiben 114, 116 befestigt sind.
Der Turbinenabschnitt 100 enthält außerdem eine vordere Außendichtung 170 mit einer Stirnplatte 172, die durch eine Bajonettverbindung 174 an einer radialen äußeren Peripherie und durch eine Bajonettverbindung 176 an einer radialen inneren Peripherie an die Erststufen-Laufscheibe 114 montiert ist. Die Stirnplatte 172 weist einen äußeren Rand 178 zur Schaufelsicherung auf, der an einem die Schaufel 182 der ersten Stufe berührenden axialen Flansch 180 endet.
Wie oben erwähnt, ist die vordere Welle 130 nicht im rechten Winkel an dem Laufscheibensteg 118, sondern nach innen zu der Laufscheibennabe 120 integral mit der Erststufen-Laufscheibe 114 ausgeformt. Die Bajonettverbindung 176 wird daher von einem sich nach vorn erstreckenden Flansch 186 getragen, der mit der Vorderseite des Stegs 118 integral ausgeformt ist.
Vorzugsweise definiert die vordere Welle 130 einen gleichmäßig gekrümmten Übergang in die Erststufen-Laufscheibe 114, und fördert dadurch eine Verwirbelungszunahme, die den Wärmeübergang in die Nabenflächen 122, 123 und 124 der Erststufen-Laufscheibe 114 verbessert. Dieses Merkmal ist in 3 dargestellt.
Die oben beschriebene Struktur gestattet es, die Temperaturanstiegsrate der Erststufen-Laufscheibe 114 in Relation zu der Temperaturanstiegsrate der vorderen Außendichtung 170 zu optimieren und zu erhöhen, sodass sie nahezu der Wärmeausdehnung der vorderen Außendichtung 170 entspricht. Das Absenken der Position, an der die vordere Welle 130 die Erststufen-Laufscheibe 114 schneidet, gestattet es, dass erheblich heißere Luft direkt mit der Erststufen-Laufscheibe, insbesondere mit der Laufscheibennabe 120 in Berührung kommen kann, und bringt die obere Nabenfläche in die Nähe von Luft, die sowohl vom Rotor als auch vom Stator begrenzt wird, wodurch die Lufttemperatur und die lokale Strömungsgeschwindigkeit an der oberen Nabenfläche erhöht werden. Diese Wirkungen sorgen für eine Wärmeausdehnung der Erststufen-Laufscheibe 114, die nahezu der Wärmeausdehnung der vorderen Außendichtung 170 entspricht.
Daraus folgt, dass die Position, an der die vordere Welle 130 die Erststufen-Laufscheibe 114 schneidet, nach Bedarf geändert werden kann, um die vordere Außendichtung 170 und die Randlebensdauer, Nabenlebensdauer und Berstfähigkeit der Erststufen-Laufscheibe aufeinander abzustimmen.
Ein Gasturbinentriebwerk mit reduzierter thermischer Belastung an der vorderen Außendichtung und der Turbinenlaufscheibe sowie das zugehörige Verfahren sind im Vorangegangenen beschrieben. Verschiedene Details der Erfindung können geändert werden, ohne dass von ihrem Geltungsbereich abgewichen wird. Darüber hinaus werden die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und die beste Vorgehensweise zur Umsetzung der Erfindung nur zum Zweck der Veranschaulichung und nicht zum Zweck der Einschränkung bereitgestellt, wobei die Erfindung durch die Ansprüche definiert wird.
Teileliste

Claims

Gasturbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks, der Folgendes umfasst: (a) eine Erststufen-Turbinelaufscheibe (114) mit einer äußeren Peripherie zur Montage einer Anzahl von Schaufeln und eine innere Peripherie, die eine Laufscheibennabe (120) definiert; (b) eine von der Turbinenlaufscheibe (114) getragene vordere Außendichtung; und (c) eine mit der Erststufen-Turbinenlaufscheibe (114) zusammenwirkende vordere Welle (130) zum Übertragen des von dem Turbinenabschnitt generierten Drehmoments auf einen Verdichterabschnitt des Triebwerks, wobei die vordere Welle (130) die Erststufen-Turbinenlaufscheibe (114) im Bereich der Laufscheibennabe (120) in einem anderen als im rechten Winkel schneidet, damit genügend heiße Luft gegen die Laufscheibennabe (120) geleitet wird, um die Temperaturanstiegsrate der Laufscheibennabe (120) auf die Wärmeausdehnung der vorderen Außendichtung abzustimmen.
Gasturbinenabschnitt nach Anspruch 1, wobei die vordere Welle (130) mit der Erststufen-Laufscheibe (114) integral ausgeformt ist.
Gasturbinenabschnitt nach Anspruch 1, wobei die vordere Welle (130) sich von einer in Axialrichtung vor der Erststufen-Laufscheibe (114) befindlichen Position radial nach innen zur Laufscheibennabe (120) erstreckt.
Gasturbinenabschnitt nach Anspruch 1, wobei die Erststufen-Laufscheibe (114) einen sich nach vorn erstreckenden Flansch (186) aufweist, der von der vorderen Welle (130) radial nach außen und von den Schaufeln radial nach innen angeordnet ist, um ein inneres Peripherieende der vorderen Außendichtung zu stützen.
Gasturbinenabschnitt nach Anspruch 1, wobei die vordere Welle (130) eine sich radial nach innen erstreckende gewölbte Fläche definiert.
Gasturbinenabschnitt nach Anspruch 5, wobei die vordere Welle (130) mit der Erststufen-Laufscheibe (114) integral ausgeformt ist.
Gasturbinenabschnitt nach Anspruch 5, wobei die vordere Welle (130) sich von einer in Axialrichtung vor der Erststufen-Laufscheibe (114) befindlichen Position radial nach innen zur Laufscheibennabe (120) erstreckt.
Gasturbinenabschnitt nach Anspruch 7, wobei die Erststufen-Laufscheibe (114) einen sich nach vorn erstreckenden Flansch (186) aufweist, der von der vorderen Welle (130) radial nach außen und von den Schaufeln radial nach innen angeordnet ist, um ein inneres Peripherieende der vorderen Außendichtung zu stützen.
Verfahren, um die Temperaturanstiegsrate einer Turbinenlaufscheibe (114), die eine vordere Welle (130), eine äußere Peripherie zur Montage einer Anzahl von Schaufeln und eine innere, eine Laufscheibennabe (120) definierende Peripherie aufweist, auf die Temperaturanstiegsrate einer vorderen Außendichtung (170) abzustimmen, die an die äußere Peri pherie der Turbinenlaufscheibe (14) montiert ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellen der vorderen Welle (130) mit einem ersten vorbestimmten Durchmesser vor der Turbinenlaufscheibe (114); (b) Bereitstellen der vorderen Welle (130) mit einem zweiten vorbestimmten Durchmesser an einem Schnittpunkt mit der Turbinenlaufscheibe (114), wobei der zweite vorbestimmte Durchmesser kleiner als der erste vorbestimmte Durchmesser ist, sodass genügend heiße Luft radial nach innen und axial nach hinten zu der Laufscheibennabe (120) geleitet wird, um die Wärmeausdehnung der Turbinenlaufscheibe (114) in Relation zu der Wärmeausdehnung der vorderen Außendichtung (170) anzupassen, damit die durch Wärme hervorgerufenen Spannungsbelastungen an der Turbinenlaufscheibe (114) und der vorderen Außendichtung (170) zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vordere Welle (130) eine sich nach innen erstreckende gewölbte Fläche definiert.