DE1286333B - Ringfoermige Leitvorrichtung fuer Gasturbinentriebwerke mit axialer Stroemung - Google Patents

Description

mungsquerschnitten durchgeführt und die Entstehung von Anregungskräften in Kauf genommen, wobei versucht wurde, diese Anregungskräfte innerhalb annehmbarer Grenzen zu halten. So wurde beispiels-5 weise die Leitvorrichtung als einteiliger Ring mit gleichen Strömungsquerschnitten zwischen benachbarten Schaufeln gefertigt. Dieser Ring wurde dann in Segmente unterteilt, die im Triebwerk mit gegenseitigem Abstand eingebaut wurden. Diese Segmente

benachbarter Segmente kleiner als die Querschnitte zwischen den anderen Schaufeln. Diese Differenz wird durch die Stärke des Schlitzes bestimmt, der beim Schneiden des Rings in Segmente entsteht.

Es gibt jedoch zahlreiche Fälle, in denen die Entstehung der Erregungskräfte durch ungleiche Strömungsquerschnitte nicht zugelassen werden kann. Es müssen deshalb Leitvorrichtungen vorgesehen werden, die bei der normalen Betriebstemperatur zwi-

Derartige Leitvorrichtungen können sowohl bei io dehnen sich bei der Betriebstemperatur derart aus, Turbinen wie bei Verdichtern vorgesehen sein. Vor- daß sie aneinander anliegen. Dieses Aneinanderwiegend wird die erfindungsgemäße Leitvorrichtung anliegen ist deshalb wünschenswert, um Leckverluste zwischen den Brennkammern und dem Turbinenrad zu vermindern. Wenn eine derartige Leitvorrichtung eines Gasturbinentriebwerks angeordnet, um die hei- die normale Betriebstemperatur angenommen hat, ßen Verbrennungsprodukte dem Turbinenrad zuzu- 15 sind die Querschnitte zwischen den Endschaufeln führen. Die Leitvorrichtung wandelt den Strom der
heißen Verbrennungsprodukte, der hohen Druck
aufweist, in einen Strom mit hoher Geschwindigkeit
um; dieser wird unter der erforderlichen Winkelrichtung gegen das Turbinenrad geführt. Die Kraft, 20
die der heiße Gasstrom am Turbinenrad ausübt,
hängt sowohl von der Geschwindigkeit als auch von
der Strömungsrichtung ab; sie sind deshalb um den
Umfang des Turbinenrades herum lediglich dann

gleich, wenn der Strom gleichförmig durch die Leit- 35 sehen benachbarten Schaufeln gleich Querschnitte Vorrichtung zugeleitet wird. aufweisen. Hierzu wurde bereits ein einteiliger Ring-

Wenn aber an einem Turbinenrad um dessen Um- aufbau hergestellt, dem jedoch die Schaufeln unfang herum ungleiche Kräfte auftreten, so können gleiche Abstände haben, also ungleiche Querschnitte schädliche Schwingungen auftreten. Wenn sich näm- zwischen benachbarten Schaufeln bestehen. Diese lieh das Turbinenlaufrad dreht, so sind die einzelnen 30 Leitvorrichtung wird dann wiederum in Segmente Schaufeln pulsierenden Kräften ausgesetzt, welche unterteilt, die im Triebwerk eingebaut werden. Die unerwünschte Schwingungen und Belastungen erzeu- ungleichen Abstände zwischen den Schaufeln komgen. Wenn diese Anregungskräfte ausreichend stark pensieren die Breite des herausgeschnittenen Matesind, so können sie das Turbinenlaufrad zerstören. rials derart, daß bei normaler Betriebstemperatur Es ist deshalb von großer Bedeutung, daß der Strom 35 alle Strömungsquerschnitte in der Leitvorrichtung des heißen Gases derart gegen das Turbinenlaufrad ' gleich sind. Derartige Leitvorrichtungen sind jedoch gerichtet wird, daß um den gesamten Umfang des
Laufrads herum gleiche Kräfte ausgeübt werden.
Dies kann in der Weise erfolgen, daß alle Strömungsquerschnitte zwischen benachbarten Schaufeln der 40
Leitvorrichtung bei normaler Betriebstemperatur
gleich sind, da die örtlichen Kräfte der heißen Verbrennungsgase durch diese Strömungsquerschnitte
bestimmt sind.

In der Praxis war es bisher jedoch nicht ohne wei- 45
teres möglich, dies in einfacher Weise zu verwirklichen. Eine Leitvorrichtung, die zwischen benachbarten Schaufeln gleiche Strömungsquerschnitte aufweist, kann als einteiliger Ring ausgebildet sein. Ein
derartiger Aufbau ist jedoch wegen der Temperatu- 50 je einer von der Mitte in gleichen Abständen in ren, denen die Leitvorrichtung im Betrieb ausgesetzt Umfangsrichtung nach beiden Seiten gelegenen Paßist, nicht immer zu verwirklichen. Wegen der auf- bohrung und einer größeren Bohrung oder einem tretenden hohen thermischen Spannungen wird die Längsschlitz am Tragring gleitbar befestigt sind. Leitvorrichtung bekanntlich häufig in Segmente Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine gleichunterteilt; diese Segmente weisen in Umfangsrich- 55 förmige und geführte Ausdehnung ermöglicht, tung gegeneinander einen Spalt auf, damit sie sich In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der

wegen des erforderlichen ungleichen Abstands der Schaufeln außerordentlich schwierig herzustellen und damit sehr teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitvorrichtung zu schaffen, bei der mit einfachsten Mitteln bei jeder Betriebstemperatur gleiche Abstände der Schaufeln voneinander sichergestellt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Ringflansch jedes Segments mittels eines Schraubenbolzens, der in einer in Umfangsrichtung in der Mitte der Segmente gelegenen Paßbohrung angeordnet ist. fest und mittels zweier Schraubbolzen, die in

bei Temperaturänderungen ausdehnen und zusammenziehen können. Beim Ausdehnen benachbarter Segmente bewegen sich die Endschaufeln aufeinander zu. Dadurch vermindert sich aber der Strö- 60 mungsquerschnitt zwischen diesen Schaufeln, während sich die benachbarten Schaufeln innerhalb der einzelnen Segmente voneinander fort bewegen, so daß sich der Strömungsquerschnitt zwischen diesen

Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Leitvorrichtung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch F i g. 1 längs der Linie 2-2,

Fig. 3 eine Ansicht eines Segments aus der Ebene 3-3 der F i g. 1 und

F i g. 4 einen abgewinkelten Umfangsschnitt längs

Schaufeln vergrößert. Es tritt also hierbei die ge- 65 der Linie 4-4 der F i g. 1.

fürchtete ungleichförmige Beaufschlagung des Tür- Ein Teil eines Gasturbinentriebwerks ist in Fig. 1

binenlaufrads ein. dargestellt, welches ein Gehäuse 10 aufweist, das aus

Man hat bisher einen Betrieb mit ungleichen Strö- Ringabschnitten 11 und 12 besteht, die an den Flan-

sehen 13 und 14 mittels Schraubenbolzen 15 aneinander befestigt sind. Ein Ringraum 16 wird zwischen dem Gehäuse 10 und einem inneren tragenden Bauteil 17 gebildet. Eine ringförmige Brennkammer 18 mit Tnnenraum 19 liegt innerhalb des Ringraumes 16.

Eine ringförmige Leitvorrichtung 20 ist am hinteren Ende der Brennkammer 18 angeordnet, um die heißen Verbrennungsprodukte den Turbinenlaufschaufeln 21 mit der entsprechenden Geschwindigkeit und unter dem richtigen Winkel zuzuleiten.

Die Leitvorrichtung 20 ist aus Segmenten 25 zusammengesetzt. Jedes Segment 25 weist einen äußeren Ring 26, einen inneren Ring 27 und eine Anzahl von Schaufeln 28 auf, die radial zwischen den Ringen 26 und 27 angeordnet und an diesen befestigt sind. *5 Ein Flansch 31 erstreckt sich vom äußeren Ring 26 nahe den Hinterkanten 30 der Schaufeln 28 radial nach außen. Ein Flansch 32 erstreckt sich vom inneren Ring 27 radial nach innen. Eine Bohrung 33 ist im Flansch 32 in Umfangsrichtung in der Mitte jedes ao Segments 25 angeordnet; ferner sind Bohrungen 34 und 35 in Umfangsrichtung im gleichen Abstand voneinander zu beiden Seiten der Bohrung 33 vorgesehen. Die Bohrungen 34 und 35 können größere Durchmesser haben als die Bohrung 33, wie es dargestellt ist. Ansätze 36 und 37 sind an einem Ende des äußeren Rings 26 und des inneren Rings 27 vorgesehen. Die Ansätze 36 und 37 erstrecken sich in Umfangsrichtung über das Ende der Ringe hinaus und überlappen die Ringenden des benachbarten Segments 25 im zusammengebauten Zustand, um die Leckströmung zu vermindern.

Jedes Segment 25 der Leitvorrichtung 20 kann sich über 60° erstrecken, was sich als günstig erwiesen hat, und wird entsprechend der üblichen Fertigungstechnik hergestellt. Die Teile der Segmente 25 können beispielsweise aus Metallblech gefertigt sein und miteinander verschweißt sein. Die Segmente 25 können aber auch als einheitlicher Bauteil gegossen und dann bearbeitet werden. Die Leitvorrichtung 20 kann auch aus zwölf 30°-Segmenten bestehen. Im allgemeinen kann jede Anzahl von Segmenten verwendet werden, durch die die Gesamtzahl der Schaufeln teilbar ist. Dadurch wird sichergestellt, daß alle Segmente gleichviel Schaufeln haben.

Die Bohrungen 33, 34 und 35 sind im Flansch auf einem bestimmten Radius R₁ angeordnet, der vom Krümmungsmittelpunkt der Segmente ausgeht. Wie in F i g. 4 gezeigt, sind die Schaufeln 28 jedes Segments 25 am äußeren Ring 26 und am inneren Ring 27 derart befestigt, daß die Strömungsquerschnitte, die proportional zum Abstand T zwischen benachbarten Schaufeln sind, gleich sind. Da die Umfangsabstände X zwischen benachbarten Schaufeln 28 proportional zum Abstand T sind, können gleiche Strömungsquerschnitte zwischen benachbarten Schaufeln 28 dadurch sichergestellt werden, daß die Umfangsabstände X zwischen benachbarten Schaufeln 28 gleich sind. Der äußere Ring 26 und der innere Ring 27 jedes Segments 25 erstrecken sich in Umfangsrichtung über die Endschaufeln der Segmente um Umfangsstrecken Y und Z an entgegengesetzten Enden der Segmente hinaus. Es besteht keine vorgeschriebene Beziehung zwischen den Größen der Strecken Y und Z mit der Ausnahme, daß deren Summe gleich dem Abstand Z sein muß. Es ist klar, daß die Strömungsquerschnitte zwischen allen Schaufeln 28 der Leitvorrichtung 20 einschließlich der Strömungsquerschnitte zwischen den Endschaufeln benachbarter Segmente 25 gleich sind, wenn alle Segmente 25 gegeneinander anliegen. Nimmt man eine spannungsfreie Ausdehnung und Zusammenziehung an, so gilt dies für jede Temperatur, bei welcher sich die Segmente 25 aneinander anlegen.

Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, ist am Bauteil 17, beispielsweise mittels Schraubenbolzen 41, ein konischer Tragring 40 befestigt. Dieser weist Bohrungen 42 auf, die in einem Abstand R₂ von der Achse des Triebwerks angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Bohrungen 42 in Umfangsrichtung ist der gleiche wie der Abstand zwischen den Bohrungen 33, 34 und 35 der Segmente 25. Diese sind derart im Gasturbinenwerk angeordnet, daß die Bohrungen 33, 34 und 35 jeweils mit einer der Bohrungen 42 fluchten. Zuerst wird ein Schraubenbolzen 43 durch jede Bohrung 33 und die zugeordnete Bohrung 42 hindurchgeführt. Der Schraubenbolzen 43 und die Bohrungen 33 und 42 haben Paßsitz, so daß die Mitte des Segments 25 in genauer Lage gehalten wird. Die Schraubenbolzen 44 und 45 werden von den Bohrungen 34 und 35 lose aufgenommen, so daß sich die Enden der Segmente 25 in Umfangsrichtung relativ zu ihren festgelegten Mitteln ausdehnen und zusammenziehen können. Falls es gewünscht wird, die Bohrungen 34 und 35 so groß zu machen wie die Bohrung 33, so müssen die Schraubenbolzen 44 und 45 einen kleineren Durchmesser haben als der Schraubenbolzen 43. Falls die Segmente 25 die Neigung haben, um die Bolzen 43 herum zu kippen, können statt der Bohrungen 33 und 34 in Umfangsrichtung langgestreckte Schlitze ausgebildet werden.

Wenn die Segmente 25 von der Achse des Triebwerks im Abstand R₉ montiert sind, so ist ein Spalt C zwischen benachbarten Segmenten 25 vorhanden, da R₂ größer ist als R₁. Die Radien R₁ und R₂ und der Spalt C sind derart gewählt, daß sich die Segmente bei der normalen Betriebstemperatur der Leitvorrichtung 20 derart ausdehnen, daß sie aneinander anstoßen. Dann sind die Strömungsquerschnitte zwischen allen benachbarten Schaufeln 28 der Leitvorrichtung 20 bei der normalen Betriebstemperatur gleich.

Die besondere Wahl von R₁, R₂ und C hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, die bezüglich des jeweiligen Triebwerks bestimmt werden müssen, in welchem die Leitvorrichtung 20 verwendet werden soll. Beispielsweise muß das besondere Material in Betracht gezogen werden, aus welchem die Segmente 25 hergestellt werden, da verschiedene Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Die normale Betriebstemperatur der Leitvorrichtung und die Temperatur, bei welcher die Segmente 25 zusammengebaut werden, müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Weiterhin muß die Ausdehnung des Rings 40 in Rechnung gesetzt werden. Diese Ausdehung ist im allgemeinen verhältnismäßig klein, da der Ring 40 der verhältnismäßig kühlen, komprimierten Luft im Raum 16 und nicht den heißen Verbrennungsprodukten ausgesetzt ist.

Zur Halterung der Leitvorrichtung 20 erstreckt sich ein Flansch 46 vom Gehäuse 10 radial nach innen, und zwar an der stromab gelegenen Seite des Flansches 31, der sich vom Ring 26 nach außen erstreckt. Die unter einem hohen Druck stehenden Verbrennungsprodukte, die in die Leitvorrichtung 20 eintreten, halten die Flansche 31 in Anlage gegen den Flansch 46.

Ansätze 36 und 37 überlappen die Stoßstellen zwischen den Ringen benachbarter Segmente 25. Die Ansätze verhindern ein Durchlecken von unter hohem Druck stehender Luft aus dem Ringraum 16 durch die Stoßstellen hindurch in die unter verhältnismäßig geringem Druck stehenden Bereiche an den Hinterkanten 30 der Schaufeln 28.

Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäß aufgebaute Leitvorrichtung bei normaler Betriebstemperatur gleiche Strömungsquerschnitte zwischen allen Schaufeln hat. Die Erfindung ist bei jeder Statoranordnung anwendbar, welche erheblichen Temperaturänderungen während des Betriebs ausgesetzt ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch: ¹S

   Ringförmige Leitvorrichtung für Gasturbinentriebwerke mit axialer Strömung, welche mindestens zwei Leitschaufeln tragende Segmente aufweist, die in Umfangsrichtung gegeneinander einen derartigen Spalt und je einen sich radial nach innen erstreckenden an einem Tragring derart befestigten Ringflansch aufweisen, daß die Endteile benachbarter Segmente bei Betriebstemperatur aneinanderanliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringflansch (32) jedes Segments (25) mittels eines Schraubenbolzens (43), der in eine in Umfangsrichtung in der Mitte der Segmente gelegenen Paßbohrung (33,42) angeordnet ist, fest und mittels zweier Schraubenbolzen (44,45), die in je einer von der Mitte in gleichen Abständen in Umfangsrichtung nach beiden Seiten gelegenen Paßbohrung (42) und einer größeren Bohrung oder einem Längsschlitz (34,35) am Tragring (40) gleitbar befestigt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen