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Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinen-Ring
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Turbinen-Ring dieser Art ist in der GB-PS 14 84 288
beschrieben und dargestellt.
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Bei einem Turbinen-Ring dieser Art ist es wichtig,
ein so geringes radiales Spiel wie möglich zwischen
ihm und den Spitzen der Schaufeln vorzusehen, wobei
jedes zu große Spiel nachteilig für den Wirkungsgrad
der Turbine ist. Es ist der Zweck des Abriebteils,
ein sehr kleines Spiel zu ermöglichen, wobei das Abriebteil
durch Reibung mit den Schaufeln verschlissen werden
kann, ohne daß die Schaufeln beschädigt werden. Es
ist bei der bekannten Ausgestaltung deshalb ebenfalls
wichtig, Verformungen des Turbinen-Rings relativ zu
den Schaufeln zu vermeiden. Solche Verformungen können
insbesondere durch ungleichmäßige Erwärmung bzw. Kühlung
des Turbinen-Ringes entstehen. Bei der eingangs
bezeichneten, bekannten Bauart wird zur Vermeidung solcher
Verformungen ein vom Brennkammergehäuse der Turbine zugeführter
Luftstrom durch den ringförmigen ersten Behälter des
Turbinen-Ringes geleitet. Beim Starten erfüllt dieser
Luftstrom die Funktion einer möglichst gleichmäßigen
Erwärmung des Turbinen-Ringes, während im Dauerbetrieb
dem Luftstrom die Funktion einer Kühlung zukommt.
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Die vorbeschriebenen Verformungsprobleme resultieren
auch aus der Forderung nach einer Bauweise mit möglichst
geringem Gewicht, woraus sich zwangsläufig Bauteile
mit verhältnismäßig geringen Widerstandsmomenten ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinen-
Ring der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten,
daß bei Gewährleistung der Zirkulation des einen
Temperaturausgleich am Turbinen-Ring erzeugenden Luftstroms
eine Vergrößerung des Widerstandsmomentes des Turbinen-
Rings erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird der erste
Behälter durch den darin angeordneten zweiten, mit
Druckluft aufblasbaren Behälter wesentlich verstärkt.
Dabei wird die Luftströmung nicht beeinträchtigt, weil
zwischen dem ersten Behälter und dem zweiten Behälter
ein Zwischenraum besteht. Die Abstützung des ersten
Behälters durch den zweiten Behälter kann dabei durch
stellenweise angeordnete, sich zwischen den
gegenüberliegenden Wandungen erstreckende Stützelemente erfolgen.
Aufgrund des Zwischenraums zwischen dem ersten und
dem zweiten Behälter ist auch die gleichzeitige
Temperaturangleichung für den zweiten Behälter gewährleistet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird das
mechanische Widerstandsmoment des Turbinen-Rings erheblich
vergrößert, wobei der zweite Behälter auch Verformungen
zu unrunden Formen wirksam entgegenwirkt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen beschrieben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 im Axialschnitt eine teilweise dargestellte
Turbinenstufe eines
Flugzeug-Turbinenstrahltriebwerks mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten
Turbinenring,
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Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel der Turbinenstufe in einer der
Fig. 1 entsprechenden Ansicht.
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Die Turbinenstufe enthält in an sich bekannter Weise einen Kompressor,
der komprimierte Luft in ein ringförmiges Gehäuse
führt, das eine Brennkammer enthält, in dem ein
Brennstoff brennt zur Erzeugung von heißen Gasen, die in der
Turbine arbeiten, bevor sie über eine Düse zur Erzeugung
eines Antriebstrahls abgegeben werden. Die dargestellte
Turbinenstufe enthält einen Verteiler 1 mit einer Verteilerbeschaufelung,
der mit dem Gehäuse 2 der Turbine durch
einen Flansch 1 a verbunden ist, und eine aus Schaufeln 3 bestehende
Beschaufelung, die drehbar im Turbinen-Ring 4
angeordnet ist.
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Der Turbinen-Ring 4 enthält ein ringförmiges Teil,
das als Abriebteil 5 ausgebildet ist und aus einem
Werkstoff besteht, der durch Reibung verbrauchbar
bzw. verschleißbar ist, wenn die Schaufeln 3 der
Beschaufelung in Anlage daran kommen,
ohne daß diese zerstört oder beschädigt würden.
Das Abriebteil 5 ist an der Innenwand 7 eines ringförmigen
Behälters 6 befestigt, dessen Außenwand 8
stromaufseitig der Turbine um einen ersten Abschnitt 8 a verlängert
ist, der durch eine Schweißnaht 9 an einen zweiten Abschnitt
10 angeschweißt ist, der mit einem Flansch 10 a einstückig
ist. Die Außenwand 8 ist allgemein zylinderförmig und
trägt an ihrem stromabseitigen Ende einen ringförmigen dritten
Abschnitt 8 b, der außen verdickt ist und dessen
Außenfläche eine zylindrische Tragfläche 8 c bildet. Die
Innenwand 7 ist einstückig mit einer stromaufseitigen
Wand 7 a und einer stromabseitigen Wand 7 b, die radial nach
außen gerichtet und dicker bemessen sind. Die
Wand 7 a ist ihrerseits mit einer stromaufseitigen
zylindrischen Wand 7 c einstückig,
die durch eine Schweißnaht 11 mit einer zylindrischen
Wand 12 verschweißt ist, deren stromaufseitiges Ende
auf einer zylindrischen Tragfläche 1 b des ringförmigen
Tragglieds des Verteilers 1 ruht. Die stromabseitige
Wand 7 b ist mit einem zylindrischen Ansatz 7 d
einstückig, der in Anlage an der zylindrischen Tragfläche
8 c des verdickten Teils des Abschnitts 8 b ist,
und der durch radiale Stifte 13 axial
unbeweglich mit dem Abschnitt 8 b verstiftet ist.
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Die Innenfläche der Innenwand 7 trägt mehrere
kreisförmige Rippen 14, an denen das Abriebteil 5 befestigt
ist. Das Abriebteil 5 besteht aus einem porösen
Werkstoff und ist mit durch Elektronenbestrahlung
gebildeten Trennwänden 5 a versehen, um zu verhindern,
daß das Kühlfluid das weiter unten erläutert wird, im Bereich der
Trennwände 5 a auszuströmen vermag. Das
Abriebteil 5 selbst bildet keinen Teil der Erfindung,
weshalb dessen besondere Vorteile hier nicht erläutert
werden.
Zwischen den Rippen 14 ist die Innenwand 7 von schrägen
Kanälen 14 a durchsetzt.
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Im Inneren des ersten ringförmigen Behälters 6 ist ein
zweiter ringförmiger Behälter 15 angeordnet, der aus Blech
gefertigt ist. Der zweite Behälter 15 besteht aus zwei rohrförmigen
Ring-Elementen 15 a, 15 b, die an ihren einander zugewandten
radialen Wänden miteinander verbunden und von mehreren
längs eines Teilkreises angeordneten Öffnungen
16 durchsetzt sind. Die stromaufseitige radiale
Wand des stromaufseitigen Elements 15 a ist ebenfalls
von mehreren Öffnungen 17 durchsetzt, die auf einem
Teilkreis angeordnet sind, und zwar im äußeren Eckbereich.
Der Behälter 15 bildet somit einen
Hohlring, wobei an seinen vier Wänden, nämlich beiden
zylindrischen inneren und äußeren Wänden und der
stromaufseitigen und der stromabseitigen Wand,
Kugeln 18 angeschweißt sind, die in Ruhestellung an den
gegenüberliegenden Innenflächen des
Behälters 6 tragend anliegen.
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Das Gehäuse 2 wird gebildet durch
einen stromaufseitigen Ring 19, der an seinem
stromabseitigen Ende mit einem Flansch 19 a versehen ist,
und einen stromabseitigen Ring 20, der an seinem
stromaufseitigen Ende mit einem Flansch 20 a versehen ist.
Die Flansche 1 a und 10 a sind zwischen diesen Flanschen 19 a
und 20 a mittels Bolzen 21 eingespannt. Der
stromabseitige Ring 20 ist innen der Wand 7 b
des Behälters 6 gegenüberliegend mit einem ringförmigen Innen-
Flansch 20 b mit L-Querschnitt versehen, an dem die
ringförmige Trageinrichtung 22 des Verteilers der folgenden,
teilweise dargestellten Turbinenstufe 23 der Turbine angebracht ist.
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Zwischen dem stromaufseitigen Ring 19 des
Gehäuses 2 und dem Verteiler 1 ist eine ringförmige
Leitung 24 gebildet, die mit dem (nicht dargestellten)
Brennkammergehäuse in Verbindung steht, das mit Luft
eines Drucks von 25 bar versorgt ist. Die ringförmige
Leitung 24 ist über Öffnungen 1 c im Flansch 1 a mit
einer ringförmigen Leitung 25 in Verbindung, die zwischen
den zylindrischen Wänden 8 a, 10 und 7 c, 12 gebildet
ist, und die in den ringförmigen Behälter 6 mündet.
Löcher 26 in den Flanschen 1 a und 10 a, die von den
Bolzen 21 durchsetzt sind, besitzen jeweils einen
Durchmesser, der etwas größer als der der Bolzen 21 ist,
und bilden daher um diese Durchtritte, die mit der
Leitung 24 und mit einem ringförmigen Raum 27 in
Verbindung stehen, der zwischen dem Ring 2 und der Wand
8, 8 a, 9 gebildet ist, und zwar durch Kanäle 19 B und
20 C, die sich radial erstrecken und zwar in der
stromabseitigen Fläche des Flansches 19 a, beziehungsweise der
stromaufseitigen Fläche des Flansches 20 a. Der
Raum 27 ist über einen ringförmigen Durchtritt 28,
der zwischen dem L-Flansch 20 b und dem zylindrischen
Ansatz 7 d gebildet ist, mit einem Raum 29 zwischen
der Wand 7 b und dem Tragglied 22 verbunden,
wobei dieser Raum 29 über eine O-förmige
Ringdichtung 30, die mit kleinen Löchern versehen
ist, getrennt ist vom inneren Heißgasstrom oder dem
"Hauptstrom" 31 der Turbine. Weil der statische
Druck des Hauptstroms am Ausgang der Beschaufelung
3 in der Größenordnung von 5 bar liegt, sind die in
der Ringdichtung 30 vorgesehenen Löcher so bemessen, daß
ein notwendiger Lastverlust entsteht, um jede Störung
des Hauptstroms 31 stromab der Turbine zu vermeiden
und um gleichzeitig im Raum 27 einen Druckpegel
aufrecht zu erhalten, der ausreicht, um zu verhindern,
daß die Ringdichtung konusförmig wird unter der Einwirkung
des Drucks des Hauptstroms 31.
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Im Betrieb strömt Kühlluft, die in dem (nicht
dargestellten) Brennkammergehäuse auftritt, in die
ringförmige Leitung 24 und teilt sich an dessen
stromabseitigen Ende in zwei Teilströme auf.
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Ein erster Teilstrom fließt durch die Kanäle 19 b, die
Löcher 26 und die Kanäle
20 c in den Raum 27, von wo er
über den ringförmigen Durchtritt 28, den Raum 29 und
die Löcher in der Ringdichtung 30 in den Hauptstrom 31 strömt.
Ein zweiter Teilstrom mit deutlich höherem Durchsatz
als der erste Teilstrom tritt durch die Öffnungen 1 c
in die ringförmige Leitung 25 und teilt sich an
deren stromabseitigem Ende in mehrere Teilströme
auf, die durch die Spalte, die aufgrund des Vorhandenseins der
Kugeln 18 zwischen dem ersten Behälter 6 und dem zweiten
Behälter 15 bestehen, außenseitig vom Behälter 15 zum Raum 32
gelangen, der zwischen der Innenwand 7 und dem Behälter 15
vorhanden ist.
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Die so in den Raum 32 gelangende Kühlluft entweicht
aus diesem über die schrägen Kanäle 14 a, um durch
Aufprall das Abriebteil 5 zu kühlen, und sie
dringt durch dessen Poren in den Hauptstrom 31.
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Die am stromabseitigen Ende der ringförmigen
Leitung 25 strömende Kühlluft dringt
durch die Öffnungen 17 auch in den Behälter 15 ein,
wodurch dieser unter Druck gehalten und so
aufgeblasen wird, daß die Kugeln 18 zwangsweise gegen
die Wände des Behälters 6 anliegen. Hierdurch wird
das Widerstandsmoment bzw. die
Festigkeit des Turbinen-Ringes vergrößert, und so wird
verhindert, daß er sich verformt,
beispielsweise oval wird, durch die Wirkung thermischer
Spannungen, die auf ihn ausgeübt werden.
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Die vom Brennkammergehäuse zugeführte Kühlluft weist
eine ziemlich hohe Temperatur auf, so daß
es ausreicht,
den Behälter 6 und die
mit diesem einstückigen Teile, nämlich die Wandabschnitte 8 a
und 7 c, aus einem Werkstoff mit einem niedrigen
Wärmedehnungskoeffizient herzustellen, um
Wärmedehnungen zwischen dem Behälter 6 und den
Schaufeln 3 zu vermeiden.
Die Teile 10 und 12 sind aus dem gleichen
Werkstoff hergestellt, wie das Gehäuse 2.
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Aufgrund der Biegsamkeit der Wandabschnitte 8 a, 10, kann
sich der durch die Kombination der Behälter 6 und 15 gebildete
Abriebteil-Träger oder Turbinen-Ring frei ausdehnen und zusammenziehen,
um thermischen Dehnungen und Zusammenziehungen der
Schaufeln 3 zu folgen. Diese Dehnungen und
Zusammenziehungen bewirken lediglich Biegungen der
Wandabschnitte 8 a, 10 und 7 a, 12.
Um die Biegespannungen an den Schweißnähten 9 und 11
zu verringern, sind diese im mittleren Bereich
zwischen der Wand 7 a des Behälters 6 und dem
Flansch 10 a vorgesehen, d. h., an einer Stelle an der
die Biegespannungen quasi Null sind.
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Durch die kastenförmige Ausbildung des ringförmigen
Behälters 6 wird bei material- und gewichtsparender
Bauweise ein großes Widerstandsmoment erreicht, um
jedes Knicken unter dem Kühlluftdruck zu vermeiden.
Zu diesem Zweck sind, wie sich das aus der Zeichnung
ergibt, die radialen Wände 7 a und 7 b verdickt. Der
innere Behälter 15 trägt aufgrund der durch die Kugeln 18 bedingten
Strömungsspalte zur wirksamen Kühlung dieser
verdickten Wände bei und stellt deren gleichmäßige
Kühlung sicher. Ein weiterer Vorteil des Behälters 15
ist, daß er als Staubfänger dient. Die von dem
Luftstrom in der Leitung 25 mitgenommenen Teilchen
besitzen ein zu großes Trägheitsmoment, als
daß sie die Kurven zwischen dem äußeren Behälter 6
und dem inneren Behälter 15 nehmen könnten. Sie dringen über
die Öffnungen 17 in letzteren ein, wo sie gebremst
und gefangen werden.
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In Fig. 2 sind diejenigen Bauelemente, die die
gleiche Wirkung wie in Fig. 1 besitzen, mit den um
100 erhöhten gleichen Bezugszeichen versehen.
Es ist ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt,
bei dem der äußere Behälter 106 aus zwei
ringförmigen Teilen besteht, nämlich einem ersten Teil
33, das die Wände 107, 107 a und 107 b bildet und dessen
Wand 107 c sich bis zu einem Flansch 107 d verlängert, der
zwischen Flanschen 119 a und 120 a des Gehäuses 102 befestigt
ist, und einem zweiten Teil 34, das den Behälter 106
zwischen den Wänden 107 a und 107 b vervollständigt.
Dieses ringförmige Teil 34 ist von mehreren Löchern
35 durchsetzt, die längs eines Teilkreises angeordnet
sind und zwar jeweils einem Loch 36 des Gehäuses 102
gegenüberliegend. Jedes Loch 35 ist mit dem
gegenüberliegenden Loch 36 über ein Rohrstück 37
verbunden, das an seinen beiden Enden gelenkig befestigt
ist. Der innere Behälter 115 aus Blech ist jedem
Loch 35 gegenüberliegend von einem Loch 38 durchsetzt,
das auf diese Weise über das Rohrstück 37 mit dem
Sekundärluftstrom, der in Fig. 2 durch den Pfeil 39
dargestellt ist, in Verbindung steht, der um das Gehäuse
102 strömt. Der innere Behälter 115 wird daher durch
den Sekundärluftstrom 39 aufgeblasen.
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Diese Sekundärluft entweicht aus dem inneren Behälter
115 über zwei Reihen von Löchern 40, 41 und sie strömt
zwischen den beiden Behältern 106, 115
in den Raum 132, der hier innen durch eine gelochte
zylindrische Blechwand 42 begrenzt ist. Nach dem
Durchströmen der gelochten Blechwand 42 gelangt die Sekundärluft durch
schräge Kanäle 114 a in der Innenwand 107 zum Abriebteil 105,
um dieses durch Aufprall zu kühlen, und dann in den Hauptstrom 131.
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Die dem Brennkammergehäuse
entnommene Luft durchströmt Öffnungen 43 in den
Flanschen 101 a und 107 d, dringt in die Räume 127 und
129 ein und gelangt wieder in den Hauptstrom 131. Da der
Flansch 107 b auf diese Weise von relativ heißer
Luft umströmt wird, muß, um das mechanische Verhalten
der Wand 107 c sicherzustellen, eine
Temperaturänderung zwischen dieser Wand 107 c und dem Turbinen-
Ring 104 sichergestellt werden, die so linear wie möglich ist.
Zu diesem Zweck wird ein
Gegenstrom-Wärmetauscher gebildet mittels eines angesetzten Blech-
Ringes 44 zwischen der Wand 107 c und dem Verteiler
101. Ein Teil der Sekundärluft die zwischen den beiden
Behältern 106, 115 zirkuliert, strömt durch Löcher 45 in
der Wand 107 a in den ringförmigen Hohlraum
46, der sich zwischen der Wand 107 c und dem Ring 44
befindet, durchströmt dann Löcher 47 nahe dem
stromaufseitigen Ende des Ringes 44, um in den Ringraum 48
zwischen diesem und dem Verteiler 101 einzudringen und
ergießt sich dann in den Hauptstrom 131, über den
zwischen dem Verteiler 101 und der Wand 107 a gebildeten
Raum. Auf diese Weise ist die Innenseite der biegsamen
Wand 107 c von relativ frischer Sekundärluft umspült,
während deren Außenseite von relativ warmer Luft des
Brennkammergehäuses umspült ist.
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Der Vorteil dieses Ausführungsbeispieles gemäß Fig.
2 liegt darin, daß die über die Rohre 37 entnommene Sekundärluft
durch eine zusätzliche Einstellung in der
Temperatur und im Durchsatz geführt werden kann. Aus
diesem Grund kann der ringförmige Behälter 106 aus
einem Werkstoff gleicher Art bestehen, wie das
Gehäuse 102. Weiter wird es durch eine geeignete Dosierung des
Durchsatzes an Heißluft von dem Brennkammergehäuse
und an Kühlluft (Sekundärluft) vorteilhaft
ermöglicht, das radiale Spiel zwischen dem Abriebteil
105 und der beweglichen Schaufel 103 zu steuern bzw. zu
führen.