DE3220148C2 - Diffusor mit Leitgitter einer Gasturbine - Google Patents

Abstract

Eine Gasturbine, besonders für Kraftfahrzeuge, weist einen zwischen dem Gaserzeugerturbinenrad und dem Arbeitsturbinenrad angeordneten Diffusor auf, der aus einem von einer Innenwand und einer Außenwand begrenzten Ringkanal besteht. In diesen ragen verstellbare Leitschaufeln eines an der Außenwand angeordneten Leitapparates. Ein am Gasturbinengehäuse angeflanschter ringförmiger Träger umgibt den Diffusor. Einseitig im Träger befestigte Stützrippen durchsetzen die Außenwand und den Ringkanal und sind in Ansätzen an der Innenwand geführt. Die Innenwand des Diffusors ist damit zentriert ohne daß Wärmedehnungen der Innenwand und der Außenwand behindert werden. Der Träger stützt außerdem den Leitapparat so ab, daß axiale Wärmedehnungen des Leitschaufellagers möglich sind. Im Gegensatz zu unmittelbar am Turbinengehäuse befestigten Bauteilen des Diffusors und des Leitapparates, bei denen unterschiedliche Wämedehnungen zu Verspannungen führen können, ermöglicht der Träger voneinander unabhängige Wärmedehnungen der wesentlichen Bauteile. Die Leichtgängigkeit des Leitapparates bleibt bei allen Betriebszuständen erhalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einem zwischen einem Gaserzeugerturbinenrad und einem Arbeitsturbinenrad angeordneten Diffusor, in dem ein Leitgitter angeordnet ist, dessen Leitschaufeln in zylindrischen Ansätzen an der Außenwand des Diffusors drehbar gelagert sind, und mit einem Turbinengehäuse, das einen zur Turbinenachse koaxialen ringförmigen Wandteil aufweist, in dem zum einen die mit der Außenwand des Diffusors verbundenen Ansätze gelagert sind und in dem zum anderen den Leitschaufeln vorgeordnete Stützrippen für die Innenwand des Diffusors einseitig befestigt sind.

Bei einer durch die DE-OS 24 01 437 bekannten Gasturbine ist zwischen einem Gaserzeugerturbinenrad und einem Arbeitsturbinenrad ein Diffusor vorgesehen, in dem ein Leitgitter angeordnet ist, dessen Leitschaufeln in zylindrischen Ansätzen an der Außenwand des Diffusors drehbar gelagert sind, und mit einem Turbinengehäuse, das einen zur Turbinenachse koaxialen ringförmigen Wandteil aufweist, in dem zum einen die mit der Außenwand des Diffusors verbundenen Ansätze gelagert sind und in dem zum anderen den Leitschaufeln vorgeordnete Stützrippen für die Innenwand des Diffusors einseitig befestigt sind. Der ringförmige Wandteil in dem die zylindrischen Ansätze sowie die vorgeordneten Stützrippen zusätzlich gelagert bzw. befestigt bind, ist ein Bestandteil der Ummantelung der Gasturbine. Dieser Wandteil umgibt nicht nur das Leitgitter und die Stützrippen, sondern erstreckt sich auf der einen Seite auch über das Arbeitsturbinenrad und auf der anderen

ίο Seite über das weiter entfernte Gaserzeugerturbinenrad und nocht darüber hinaus. Ein solch langer Bauteil ist im Betrieb der Gasturbine infolge mechanischer und thermischer Belastungen größeren Verformungen ausgesetzt, die sich auf das mit dem Wandteil verbundene Leitgitter übertragen und die dabei die Leichtgängigkeit der verstellbaren Leitschaufeln wesentlich beeinträchtigen können.

Demgegenüber macht es sich die Erfindung zur Aufgabe, das Turbinengehäuse im Bereich des Diffusors und des Leitapparates so zu gestalten, daß Wärmedehnungen einzelner Bauteile möglich sind.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wandteil als selbständiger, im Bereich der Leitschaufeln und der Stützrippen sich erstreckender Träger ausgebildet ist, der an seiner einen Stirnseite mit einem Flansch am Turbinengehäuse befestigt ist und im Bireich seiner anderen Stirnseite mit einer ringförmigen Dichtung am Turbinengehäuse anliegt und in dem die Ansätze mit Gleitsitz gelagert und die Stützrippen in einer Führungshülse befestigt sind.

Der erfindungsgemäße Träger bildet ein selbständiges kompaktes Bauteil, das sich im Betrieb nur wenig verformt.
Längsbewegungen des Trägers können nicht zu Verspannungen führen, da der Träger nur an einer Stirnseite befestigt ist und im Bereich der anderen Stirnseite mit einer Dichtung beweglich am Turbinengehäuse anliegt. Dasselbe gilt für Wärmedehnungen in axialer Richtung, die ohnehin infolge der geringen Längserstreckung des Trägers klein sind. Radiale Wärmedehnungen des Trägers werden auf die Ansätze der Leitschaufeln nicht übertragen, da diese mit Gleitsitz im Träger gelagert sind, so daß Relativbewegungen dieser Bauteile gegeneinander möglich sind.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann jede Leitschaufel mit ihrer Verstellweih in Keramikbuchsen drehbar gelagert sein, die in einer Haltebuchse angeordnet sind, die in den mit der Außenwand des Diffusors verbundenen Ansätze gelagert ist.

Ferner kann die der Innenwand des Diffusors gegenüberliegende Seite einer Leitschaufel in der Achse ihrer Verstellwelle eine geringfügige Erhöhung aufweisen, die die Innenwand berührt Schließlich kann zwischen dem Flaniich des ringförmigen Trägers und dem Turbinengehäuse ein drehbar gelagerter Zahnkranz vorgesehen sein, der mit auf den Verstellwellen der Leitschaufeln angeordneten Zahnsegmenten kämmt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dazu zeigt die Zeichnung einen Längsmittelschnitt durch einen mit einem Leitapparat versehenen Diffusor einer Kraftfahrzeug-Gasturbine.

Der mit 11 bezeichnete Diffusor ist zwischen einem Gaserzeugerturbinenrad 12 und einem Arbeitsturbinenrad 13 angeordnet. Das Gaserzeugerturbinenrad 12 ist mit einer Welle 14 mit dem Verdichter für die Verbrennungsluft und das Arbeitsturbinenrad 13 mit einer Welle 15 mit dem Getriebe des Kraftfahrzeuges drehfest ver-

bunden. Der Verdichter, das Getriebe sowie die Brennkammer der Gasturbine sind in der Zeichnung nicht dargestellt Die Strömungsrichtung der von der Brennkammer kommenden heißen Verbrennungsgase ist durch Pfeile angedeutet

Der Diffusor 11 besteht im wesentlichen aus einer Innenwand 16 und aus einer Außenwand 17, die einen Ringkanal 18 einschließen. Die Innenwand 16 geht in eine dem Gaserzeugerturbinenrad 12 gegenüberliegende Stirnwand 19 über. Stützrippen 20 durchsetzen den Ringkanai 18 und zentrieren die Innenwand 16. In Strömungsrichtung hinter den Stützrippen 20 ragen verstellbare Leitschaufeln 2t eines an der Außenwand 17angeordneten Leitapparates 22 in den Ringkanal 18.

Ein ringförmiger Träger 23 stellt die Verbindung zwisehen dem Gehäuse 24 der Gasturbine und dem Diffusor 11 her und hält diesen mit Hilfe der Stützrippen 20 und Teilen des Leitapparates 22 frei in der Gasströmung zwischen dem Gaserzeugerturbinenrad 12 und dem Arbeitsturbinenrad 13. Zur Befestigung des Trägers 23 mit dem Gehäuse 24 ist an diesem ein Ring 25 angeflanscht An dem Ring 25 ist ein an der einen Stirnseite des ringförmigen Trägers 23 gebildeter Flansch 26 angeschraubt Zwischen dem Ring 25 und dem Flansch 26 sind Innenringe 27 und 28 eines Drahtlagers 29 sowie ein Distanzring 30 eingespannt. Im Eiereich der anderen Stirnseite des Trägers 23 sind in einer Nut 31 Lamellendirchringe 32 gelagert, die am Gehäuse 24 der Gasturbine anliegen.

Eine zwischen dem Träger 23 und dem Innenring 28 eingespannte ringförmige Dichtmembran 33 liegt an einem abgerundeten Bund 34 am Ende der Außenwand 17 an. Dadurch wird der Ringraum 35 zwischen der Außenwand 17 und dem Träger 23 abgedichtet und eine Umgehung des Ringkanals 18 des Diffusors 11 durch die Verbrennungsgase unterbunden.

Mehrere über den Umfang des Diffusors 11 gleichmäßig verteilte radiale Stützrippen 20 sind jeweils mit einem zylindrischen Fuß 36 in einer im Träger 23 befestigten Hülse 37 geführt und an deren äußerem Ende mit einem Stift 38 befestigt. Das an den Fuß 36 jeder Stützrippe 20 anschließende Profilstück 39, dessen Querschnitt eingezeichnet ist, greift durch eint öffnung 40 der Außenwand 17, durchsetzt den Ringkanal 18 des Diffusors 11 und taucht in einen an der Innenseite der Innenwand 16 angeordneten zylindrischen Ansatz 41 ein. Dazu hat der mit der Innenwand 16 strömungsgünstig fluchtende Ansatz 41 eine dem Profilstück 39 entsprechende Öffnung 42, die beispielsweise durch Elektroerosion hergestellt wird. Im übrigen weist jeder Ansatz 41 einen Hohlraum 43 auf, der von einem Mantel 44 und einem Boden 45 begrenzt ist. Die von den im Ringkanal 18 strömenden heißen Verbrennungsgasen erwärmten Stützrippen 20, die nur einseitig in den Hülsen 37 befestigt sind, können sich in die Hohlräume 43 ausdehnen. Dabei werden die Stützrippen 20 mit Gleitsitz in den Öffnungen 42 geführt. Andererseits erlauben die öffnungen 42 auch von den Stützrippen 20 nicht behinderte Wärmedehnungen der Innenwand 16 des Diffusors 11. Da die Öffnungen 40 in der Außenwand 17 so bemessen sind, daß zwischen diesen und den durchgesteckten Profilstücken 39 der Stützrippen 20 jeweils ein Spalt 46 verbleibt, sind auch hier völlig unbehindert Relativbewegungen zwischen diesen Bauteilen möglich. Ein Austreten von Verbrennungsgas.en aus dem Ringkanal 18 durch die Spalte 46 wird durch den außerhalb des Diffusors 11 herrschenden Überdruck verhindert. Die in dieser Weise angeordneten Stützrippen 20 ermöglichen es, daß die auf die Innenwand lfc des Diffusors 11 wirkende Axialkraft, die durch die im Bereich der Leitschaufeln 21 herrschende Druckdifferenz hervorgerufen wird, von dem ringförmigen Träger 23 aufgenommen wird.

Jede der verstellbaren Leitschaufeln 21 des Leitapparates 22 ist mit einer Verstellwelle 47 verbunden, die in zwei Keramikbuchsen 48 gelagert ist Die Keramikbuchsen 48 sind ihrerseits in einer abgestuften Bohrung 49 einer Haltebuchse 50 angeordnet Der Mantel 51 der Haltebuchse 50 ist ebenfalls abgestuft und weist neben einem inneren Abschnitt 52 einen äußeren Abschnitt 53 kleineren Durchmessers auf. Ein an der Außenseite der Außenwand 17 des Diffusors 11 angeschweißter hohlzylindrischer Ansatz 54 umgibt den inneren Abschnitt 52 der Haltebuchse 50 und begrenzt mit einem inneren Bund 55 dessen axiale Auswärtsbewegung. Eine den Ansatz 54 verlängernde Distanzbuchse 56 umgibt den äußeren Abschnitt 53 der Haltebuchse 50. Ein an der Stirnseite der Distanzbuchse 56 anliegender Sicherungsring 57 greift in eine Nut 58 der Haltebuchse 50 und begrenzt deren axiale Einwärtsbewegung. Die damit gebildete Steckverbindung erlaubt die Verwendung einer ungeteilten Innenwand 16 des Diffusors 11 und ermöglicht eine einfachen Einbau und Ausbau der Leitschaufeln 21 und ihrer Lagerteile. Jede Distanzbuchse 56 ist in einer Buchse 59 aus Gleitwerkstoff gelagert, die in eine Bohrung 60 im ringförmigen Träger 23 eingelötet ist.

Drei gleichmäßig über den Umfang des Diffusors 11 verteilte Leitschaufeln 21 weisen auf ihrer der Innenwand 16 des Diffusors 11 gegenüberliegenden Seite 61 eine in der Achse der Verstellwelle 47 liegende geringfügige, gewölbte Erhöhung 62 auf, die die Innenwand 16 berührt. Dadurch werden diese Leitschaufeln 21 zusammen mit der mit diesen zusammenhängenden Außenwand 17 des Diffusors 11 sowie den in dieser gelagerten übrigen Leitschaufeln 21 gegenüber der Innenwand 16 zentriert. Zwischen den Seiten 61 der Leitschaufeln 21 und der Innenwand 16 sowie der Außenwand 17 des Diffusors 11 bleiben auf diese Weise nur sehr kleine Spalte 63, die für die Gasströmung entsprechend geringe Spaltverluste mit sich bringen. Die Erhöhungen 62 an den drei Leitschaufeln 21 können beispielsweise jeweils durch einen gewölbten Schweißpunkt oder durch einen eingesetzten Stift mit abgerundeter Stirnseite gebildet werden.

Am äußeren Ende der Verstellwelle 47 jeder Leitschaufel 21 ist mit einem Stift 64 ein Zahnsegment 65 befestigt, das mit einem Zahnkranz 66 des Leitapparates 22 kämmt. Der Zahnkranz 66 ist mit dem Drahtlager 29 auf dem am Gehäuse 24 befestigten Ring 23 gelagert. Dabei bildet der Zahnkranz 66 den Außenring des Drahtlagers 29. Der Distanzring 30 dient zur Einstellung des Spieles zwischen dem Zahnkranz 66 und dem Zahnsegment 65. Durch Drehen des Zahnkranzes 66 können die Leitschaufeln 21 über die Zahnsegmente 65 und Verstellwellen 47 in die dem Betriebszustand der Gasturbine entsprechende Stellung geschwenkt werden. Die auf die Zahnsegmente 65 wirkenden radialen Zahnkräfte werden jeweils über den äußeren Bereich der Verstellwelle 47, die äußere Keramikbuchse 48, den äußeren Abschnitt der Haltebuchse 50 und die Distanzbuchse 56 auf den ringförmigen Träger 23 übertragen und schließlich vom Gehäuse 24 aufgenommen. Der Träger 23 entlastet dadurch den Übergang von der Außenwand 17 zu den hohlzylindrischen Ansätzen 54, so daß an dieser Stelle keine Biegemomente auftreten, die zum Verklemmen der Lagerung der Leitschaufeln 21 führen würde.

Der Zahnkranz (56 ist so angeordnet, daß die senkrecht zum Verlauf des Ringkanals 18 des Diffusors 11 geneigten Verstellwellen 47 der Leitschaufeln 21 in bezug auf die Ebene des Zahnkranzes 66 von innen nach außen divergieren.

Eine Längendehnung der im Betrieb der Gasturbine verhältnismäßig stark erhitzten Verstellwellen 47 der Leitschaufeln 21 führt bei dieser Ausführung zu einer geringfügigen Vergrößerung des Spieles zwischen dem Zahnsegment 65 und dem Zahnkranz 66 und schließt so ein Verklemmen der Verzahnung aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen·

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gasturbine mit einem zwischen einem Gasetzeugerturbinenrad und einem Arbeitsturbinenrad angeordneten Diffusor, in dem ein Leitgitter angeordnet ist, dessen Leitschaufeln in zylindrischen Ansätzen an der Außenwand des Diffusors drehbar gelagert sind, und mit einem Turbinengehäuse, das einen zur Turbinenachse koaxialen ringförmigen Wandteil aufweist, in dem zum einen die mit der Außenwand des Diffusors verbundenen Ansätze gelagert sind und in dem zum anderen den Leitschaufeln vorgeordnete Stützrippen für die Innenwand des Diffusors einseitig befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandteil als selbständiger, im Bereich der Leitschaufeln (21) und der Stützrippen (20) sich erstreckender Träger (23) ausgebildet ist, der an seiner einen Stirnseite mit einem Flansch (26) am Turbinengehäuse (24) befestigt ist und im Bereich seiner anderen Stirnseite mit einer ringförmigen Dichtung (32) am Turbinengehäuse (24) anliegt und in dem die Ansätze (54,56) mit Gleitsitz gelagert und die Stützrippen (20) in einer Führungshülse (37) befestigt sind.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitschaufel (21) mit ihrer Verstellwelle (47) in Keramikbuchsen (48) drehbar gelagert ist, die in einer Haltebuchse (50) angeordnet sind, die in den mit der Außenwand (17) des Diffusors (11) verbundenen Ansätzen (54,56) gehalten ist.

3. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Innenwand (16) des Diffusors (11) gegenüberliegende Seite (61) einer Leitschaufel (21) in der Achse ihrer Verstellwelle (47) eine geringfügige Erhöhung (62) aufweist, die die Innenwand (16) berührt.

4. Gasturbine nach den Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Flansch (26) des ringförmigen Trägers (23) und dem Turbinengehäuse (24) drehbar gelagerten Zahnkranz (66), der mit auf den Verstell wellen (47) der Leitschaufeln (21) angeordneten Zahnsegmenten (65) kämmt.