DE3309812C2 - Äußeres Gehäuse für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents
Äußeres Gehäuse für ein GasturbinentriebwerkInfo
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- F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
- F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein äußeres Gehäuse der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Ein solches Gehäuse ist aus der DE-OS 25 56 519 bekannt,
auf die weiter unten noch näher eingegangen wird.
Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk hat einen Fanabschnitt,
einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt
und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg
für Arbeitsgase erstreckt sich axial durch diese
Abschnitte. Wenn die Arbeitsgase durch den Strömungsweg
strömen, werden sie in dem Fan- und dem Verdichtungsabschnitt
unter Druck gesetzt und in dem Verbrennungsabschnitt
mit Brennstoff verbrannt, wobei sie Energie aufnehmen.
Die heißen, unter hohem Druck stehenden Gase
expandieren in dem Turbinenabschnitt, um nutzbare Arbeit
zum Unter-Druck-setzen der Gase in dem Fan- und dem Ver
dichtungsabschnitt und Schub für den Vortrieb des Gastur
binentriebwerks zu erzeugen.
Der Turbinenabschnitt des Triebwerks hat ein äußeres Gehäuse,
das den Strömungsweg umschließt. Kränze
von Leitschaufeln erstrecken sich von dem äußeren Gehäuse
nach innen über den Strömungsweg zum Leiten
der Arbeitsgase. Kränze von Leitschaufeln, die an
einem Rotor befestigt sind, erstrecken sich nach außen
über den Strömungsweg, um den Arbeitsgasen
Arbeit zu entziehen, wenn diese durch den
Strömungsweg strömen. Eine äußere Gasabdichtung an
jedem Laufschaufelkranz ist an dem äußeren Gehäuse abgestützt
und befestigt. Die äußere Gasabdichtung umschließt
die Spitzen der Laufschaufeln und weist engen Abstand von
diesen auf, um die Arbeitsgase auf den
Strömungsweg zu beschränken, wenn die Gase durch die Lauf
schaufelkränze hindurchgehen.
Im Idealfall würde kein Spalt zwischen den Laufschaufeln
und der äußeren Gasabdichtung vorhanden sein. Die Spitzen
der Laufschaufeln bewegen sich jedoch bei Erwärmung durch
die Arbeitsgase und durch Drehkräfte, wenn sie durch
die heißen, unter hohem Druck stehenden Arbeitsgase
um ihre Drehachse angetrieben werden, nach außen zu der
äußeren Gasabdichtung. Das äußere Gehäuse, das die äußere
Gasabdichtung um den Kranz von Laufschaufeln festhält,
ist keinen Drehkräften ausgesetzt und ist von dem
Strömungsweg weiter entfernt als die Laufschaufeln,
die von den heißen Gasen umströmt sind. Das Ergebnis sind
Differenzen im Wachstum zwischen den Laufschaufeln und dem
äußeren Gehäuse. Ein Spalt muß zwischen der durch das Gehäuse
gehaltenen äußeren Gasabdichtung und den Laufschaufeln
vorhanden sein, damit eine zerstörerische Berührung
zwischen den Laufschaufeln und der Gasabdichtung während
transienten Betriebszuständen vermieden wird. Der Spalt
ist erwünschtermaßen groß genug, um die maximalen Differen
zen im thermischen Wachstum zwischen dem Rotor und der
äußeren Gasabdichtung aufnehmen zu können, und klein genug,
um eine nachteilige Leckage von Arbeitsgasen zwischen
den Spitzen der Laufschaufeln und der äußeren Gasabdichtung
zu minimieren.
In modernen Triebwerken ist das äußere Gehäuse, das die
äußere Gasabdichtung trägt, kühlbar, damit der Durchmesser
des Gehäuses und somit der radiale Spalt zwischen dem Kranz
von Laufschaufeln und der äußeren Gasabdichtung veränderbar
ist. Beispiele solcher Konstruktionen zeigen die US-PS 40 19 320,
42 47 248 und 42 79 123. Bei diesen bekannten Konstruktionen
erstrecken sich kühlbare Rippen in
Umfangsrichtung um die Außenseite des äußeren Gehäuses.
Unter Druck gesetzte Kühlluft wird für diesen Zweck von der
Rückseite des Verdichtungsabschnitts oder des Fanabschnitts
des Triebwerks zu mehreren Sprührohren geleitet. Die unter
Druck stehende Kühlluft tritt aus den Sprührohren aus und
prallt auf das äußere Gehäuse des Triebwerks, um die Temperatur
des Gehäuses zu ändern. Der Durchmesser des äußeren Gehäuses
wird kleiner, so daß auch die durch das äußere Gehäuse
gehaltene äußere Gasabdichtung einen kleineren Durchmesser
erhält. Das Spitzenspiel zwischen dem Kranz von Laufschaufeln
und der äußeren Gasabdichtung wird kleiner, wodurch
der Turbinenwirkungsgrad größer wird.
Eine Vergrößerung des Turbinenwirkungsgrads führt zwar zu
einer größeren Triebwerksleistung, die Leistungszunahme
wird jedoch durch die Verwendung von Kühlluft verringert.
In dem Gasturbinentriebwerk wird Energie benutzt, um die
Kühlluft unter Druck zu setzen, d. h. es wird Energie benutzt,
die sonst zum Vortrieb benutzt werden könnte. Jede
Verringerung der Menge an Kühlluft, die benötigt wird, um
das äußere Gehäuse zu positionieren, verringert die Leistungseinbuße,
die durch die für das Unter-Druck-setzen aufgewendete
Arbeit verursacht wird. Darüber hinaus ist es erwünscht,
die Ansprechzeit der äußeren Gasabdichtung auf das Kühlen
des äußeren Gehäuses zu vergrößern, um der Turbine zu gestatten,
schnell den gewünschten Wert des Turbinenwirkungsgrads
zu erreichen.
Bei dem äußeren Gehäuse, das aus der eingangs bereits erwähnten
DE-OS 25 56 519 bekannt ist, ist ebenso wie bei einem
äußeren Gehäuse, das aus der US-PS 43 63 599 bekannt
ist, das Profilteil, welches die äußere Gasabdichtung umgibt,
unmittelbar über eine Schraubverbindung an einem be
nachbartem Teil des äußeren Gehäuses befestigt. Solche
Schraubverbindungen sprechen sehr schlecht auf die Kühl
luftzufuhr an und verzögern demgemäß das Ansprechen der äußeren
Gasabdichtung an den Laufschaufeln auf die Kühlung
des äußeren Gehäuses. Im übrigen haben bei dem äußeren Gehäuse
nach der US-PS 43 63 599 die Flansche innere Kanäle
für Kühlluft und werden außen überhaupt nicht gekühlt.
Diese bekannte Konstruktion ist daher sehr massiv und
dürfte auch selbst auf die Kühlung sehr träge ansprechen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein äußeres Gehäuse der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden,
daß das Profilteil und deshalb die an diesem angebrachte
äußere Gasabdichtung für die Laufschaufeln rascher
auf die Kühlung des äußeren Gehäuses anspricht.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Pa
tentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Wesentlich ist bei dem äußeren Gehäuse nach der Erfindung,
daß das Profilteil, welches die äußere Gasabdichtung für
die Laufschaufeln umgibt, nicht unmittelbar über eine
Schraubverbindung an benachbarte Teile des äußeren Gehäuses
angeschlossen ist. Vielmehr ist bei dem äußeren Gehäuse
nach der Erfindung das Profilteil axial beidseitig durch
dünnwandige Abschnitte von den benachbarten Gehäuseteilen
und den an letzteren vorgesehenen Schraubverbindungen getrennt.
Das ermöglicht ein rascheres Ansprechen des Profilteils
und demgemäß der äußeren Gasabdichtung auf die Kühlung
des äußeren Gehäuses. Das raschere Ansprechen der äußeren
Gasabdichtung wird bei dem äußeren Gehäuse der Erfindung
ferner dadurch erzielt, daß keine der Rippen des Profilteils
als Flansch ausgebildet oder Teil von Flanschverbindungen
zwischen verschiedenen Gehäuseteilen ist. Zu diesem
Zweck sind bei dem äußeren Gehäuse nach der Erfindung
auf beiden Seiten des Profilteils die dünnwandigen Abschnitte
vorgesehen, welche die stromaufwärtige und
strombwärtige Rippe mit dem stromaufwärtigen bzw. stromab
wärtigen Flansch verbinden. Das Profilteil hat deshalb bei
dem äußeren Gehäuse nach der Erfindung auf beiden Seiten
axialen Abstand von den Flanschverbindungen zwischen be
nachbarten Gehäuseteilen. Die Steifigkeit, die bei dem be
kannten äußeren Gehäuse nach der DE-OS 25 56 519 durch die
direkte Flanschverbindung des Profilteils vorhanden ist und
das Profilteil steif macht, wird bei dem äußeren Gehäuse
nach der Erfindung durch die beidseitige, freitragende elastische
Aufhängung des Profilteils zwischen dem stromaufwärtigen
und stromabwärtigen Flansch vermieden.
Ein Hauptvorteil der Erfindung ist der Triebwerkswirkungsgrad,
der sich aus der Menge an Kühlluft ergibt, die zum
Steuern des Durchmessers des Profilteils erforderlich
ist, und die Ansprechzeit des Profilteils auf
die Kühlluft, die sich daraus ergibt, daß das Profilteil
an den Flanschen abgestützt ist.
Ein besonderer Vorteil ist die Menge an Kühlluft, die für
das Profilteil erforderlich ist, und die Ansprechzeit
des Profilteils, die sich daraus ergibt, daß
das Profilteil die Möglichkeit hat, sich unabhängig
von einem benachbarten Kranz von Leitschaufeln zu bewegen.
Ein weiterer Vorteil ist die Konzentrizität der äußeren
Gasabdichtung in bezug auf die Laufschaufeln, die sich
aufgrund des axialen Teils des Profilteils ergibt,
welcher die Rippen des Profilteils zwingt, sich
in bezug auf die Drehachse konzentrisch zu bewegen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unter
ansprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Turbofan-
Gasturbinentriebwerks,
Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Teils
des Verbrennungsabschnitts und des
Turbinenabschnitts des in Fig. 1 ge
zeigten Triebwerks, und
Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Ver
brennungsabschnitts und des Turbinen
abschnitts, die in Fig. 2 gezeigt
sind.
Fig. 1 zeigt ein
Turbofan-Gasturbinentriebwerk. Das Triebwerk hat
eine Drehachse Ad. Die Hauptabschnitte des Triebwerks sind
ein Fanabschnitt 10, ein Verdichtungsabschnitt 12, ein Ver
brennungsabschnitt 14 und ein Turbinenabschnitt 16. Ein
Stator 18 erstreckt sich axial durch das Triebwerk. Der
Stator hat ein äußeres Gehäuse 20. Ein kühlbares Profilteil
22 erstreckt sich
außen und in Umfangsrichtung um das äußere Gehäuse 20. Eine Leitung
24 für Kühlluft erstreckt sich von der Rückseite des Fan
abschnitts 10 des Triebwerks aus. Mehrere Sprührohre 26, die
an die Leitung 24 angeschlossen sind, erstrecken sich in Um
fangsrichtung um das äußere Gehäuse 20 und weisen Abstand von dem
Profilteil 22 auf. Jedes Sprührohr 26 hat mehrere
Löcher 27, über die Kühlluft zu einem benachbarten Profilteil 22
geleitet wird.
Fig. 2 zeigt eine Längsschnittansicht eines Teils des Ver
brennungsabschnitts 14 und des Turbinenabschnitts 16 des
Triebwerks. Ein Rotor 28 und ein ringförmiger Strömungsweg
30 für Arbeitsgase erstrecken sich axial durch das
Triebwerk. Der Rotor 28 hat Kränze von Laufschaufeln 32.
Jede Laufschaufel hat eine Spitze 34. Jeder Kranz von Lauf
schaufeln 32 erstreckt sich durch den Strömungs
weg 30 nach außen bis in die Nähe des äußeren Gehäuses 20 des
Stators 18. Der Verbrennungsabschnitt 14 hat eine innere
Flammrohrwand 36 und eine äußere Flammrohrwand 38, die stromaufwärts
des Rotors 28 angeordnet sind. Von jeder Flammrohrwand ist nur
ein Teil dargestellt. Die innere und äußere Flammrohrwand 36, 38 er
strecken sich in Umfangsrichtung um die Drehachse Ad und haben
gegenseitigen radialen Abstand, so daß zwischen ihnen eine
ringförmige Brennkammer 40 verbleibt. Die äußere Flammrohrwand
38 ist mit radialem Abstand von einem äußeren Gehäuse 20 an
geordnet, so daß ein ringförmiger Durchlaß 42 für Kühlluft
zwischen ihnen vorhanden ist.
Das äußere Gehäuse 20 hat drei sich axial erstreckende Gehäuseteile:
einen ersten Gehäuseteil 48 (das Hochdruckturbinengehäuse); einen
zweiten Gehäuseteil 46 (das Diffusorgehäuse);
und einen
dritten Gehäuseteil 50 (das Niederdruckturbinengehäuse). Jeder
Gehäuseteil hat einen stromaufwärtigen Flansch 52b und einen
stromabwärtigen Flansch 54b. Jeder Flansch hat mehrere Löcher
56. Benachbarte Flansche, eine Mutter und eine Schraube in
jedem Loch bilden eine
stromaufwärtige Flanschverbindung 58 zwischen dem zweiten
Gehäuseteil 46 und dem ersten Gehäuseteil 48.
Eine
stromabwärtige Flanschverbindung 60 verbindet den ersten
Gehäuseteil 48 und den dritten Gehäuseteil 50.
Ein Kranz von Leitschaufeln 61, bei dem es sich hier um die
Leitschaufeln der ersten Stufe handelt, ist radial einwärts
von dem ersten Gehäuseteil 48 angeordnet und erstreckt
sich nach innen über den Strömungsweg 30. Eine
Vorrichtung ist vorgesehen zum Abstützen des Leitschaufel
kranzes an dem ersten Gehäuseteil 48. Diese Vorrichtung
ist ein ringförmiges Element 62, das sich von dem äußeren
Gehäuse 20 aus axial und radial nach innen erstreckt und
die Leitschaufeln 61 freitragend an dem äußeren Gehäuse ab
stützt. Das ringförmige Element 62 hat einen ringförmigen
Flansch 64, einen zylindrischen Teil 66 und einen kegel
stumpfförmigen Teil 68. Der kegelstumpfförmige Teil 68 erstreckt
sich in Umfangsrichtung um die Drehachse Ad und nimmt
den sich nach außen erstreckenden Teil 70 jeder Leitschaufeln 61
auf. Der zylindrische Teil 66 des ringförmigen Elements 62
ist an dem kegelstumpfförmigen Teil 68 und an dem ringförmigen
Flansch 64 angeformt. Über den ringförmigen Flansch 64 ist
das ringförmige Teil 66 mit dem zweiten Gehäuseteil 46 und dem
ersten Gehäuseteil 48 an der stromaufwärtigen Flanschverbindung
58 verbunden. Eine ringförmige Feder 72 erstreckt sich zwi
schen dem ringförmigen Element 62 und benachbarten Elementen
74, die sich von dem äußeren Gehäuse 20 aus nach innen er
strecken. Die ringförmige Feder 72 liegt an den benachbarten
Elementen 74 verschiebbar an, so daß diese sich gegenüber
der ringförmigen Feder und dem ringförmigen
Element 62 radial bewegen können.
Die benachbarten Elemente 74 sind eine äußere Gasabdichtung
76, das Profilteil 22 des äußeren
Gehäuses 20 und eine Vorrichtung 78 zum Befestigen der
äußeren Gasabdichtung an dem Profilteil 22.
Die äußere Gasabdichtung 76 besteht aus mehreren
sich umfangsmäßig erstreckenden Segmenten 80. Jedes Segment
80 hat ein stromaufwärtiges Ende 82 un ein stromabwärtiges
Ende 84 und ist durch einen radialen Spalt G von dem Lauf
schaufelkranz getrennt. Die Vorrichtung 78 zum Befestigen
der äußeren Gasabdichtung 76 an dem Profilteil 22
umfaßt einen stromaufwärtigen Flansch 86, eine in Segmente
geteilte stromaufwärtige Tagvorrichtung 88, die mit dem
stromaufwärtigen Flansch 86 verbunden ist, einen stromab
wärtigen Flansch 90 und eine in Segmente geteilte strom
abwärtige Tragvorrichtung 92, die mit dem stromabwärtigen
Flansch 90 verbunden ist. Das Profilteil
22 hat eine stromaufwärtige Rippe 94, einen ringförmigen
Steg 96 und eine stromabwärtige Rippe 98 in
axialem Abstand von der stromaufwärtigen Rippe 94. Die stromaufwärtige
Rippe 94 und die stromabwärtige Rippe 98 sind an dem ringförmigen
Element 62 angeformt. Das Profilteil 62 hat eine
axiale Länge Lr.
Eine Vorrichtung 100 zum Abstützen des Profilteils 22
an dem stromaufwärtigen Flansch 52b und den dem stromabwärtigen Flansch 54b
ermöglicht dem Profilteil, sich in bezug auf diese
beiden Flansche radial zu bewegen, wenn sich
die Temperatur des Profilteils ändert. Die Vorrichtung
100 umfaßt zum Abstützen des
Profilteils 22 eine stromaufwärtigen Abschnitt 102 des
äußeren Gehäuses 20 und einen stromabwärtigen
Abschnitt 104
des äußeren Gehäuses 20. Der stromaufwärtige Abschnitt 102 erstreckt sich
zwischen dem Profilteil 22 und dem stromaufwärtigen Flansch
52b. Der stromaufwärtige Abchnitt 102 ist an dem stromaufwärtigen Flansch 52b und
an der stromaufwärtigen Rippe 94 angeformt, d. h. mit diesen integral
verbunden. Der stromaufwärtige Flansch 52b könnte konisch in den stromaufwärtigen
Abschnitt 102 übergehen, wie es durch die gestrichelte Linie
angedeutet ist. Der stromaufwärtige Abschnitt 102 hat eine axiale Länge
L₁, die gleich der Hälfte oder größer als die Hälfte der
axialen Länge Lr des Profilteils 22 ist. Der stromaufwärtige Ab
schnitt 102 hat eine Mindestquerschnittsfläche A₁, die kleiner
ist als die Mindestquerschnittsfläche Ar des ringförmigen Steges 96 des Pro
filteils 22. Der stromabwärtige Abschnitt 104 erstreckt sich zwischen dem Profilteil 22
und dem stromabwärtigen Flansch 54b. Der stromabwärtige Ab
schnitt 104 ist an dem stromabwärtigen Flansch 54b und an der stromabwärtigen
Rippe 98 angeformt. Der stromabwärtige Abschnitt 104 hat eine
axiale Länge L₂, die gleich der Hälfte oder größer als die
Hälfte der axialen Länge Lr des Profilteils 22 ist,
und eine Mindestquerschnittsfläche A₂, die kleiner ist als
die Mindestquerschnittsfläche Ar des Profilteils 22. In
der gezeigten Ausführungsform hat der stromaufwärtige Abschnitt 102
eine Dicke t₁, der stromabwärtige Abschnitt 104 hat eine Dicke t₂,
und das Profilteil 22 hat eine Mindestdicke tr. Die
Dicke t₁ und die Mindestquerschnittsfläche A₁ des stromaufwärtigen Abschnitts
102 und die Dicke t₂ und die Mindestquerschnittsfläche A₂ des stromabwärtigen
Abschnitts 104 sind kleiner als die Hälfte oder gleich
der Hälfte der Dicke tr bzw. der Mindestquerschnittsfläche Ar des
Profilteils 22, d. h. t₁, t₂[tr/2]; A₁, A₂[Ar/2].
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des äußeren Gehäuses
20, das ein erstes kühlbares Profilteil 22 wie
in Fig. 2 hat. Darüber hinaus hat die andere Ausführungsform
des äußeren Gehäuses 20 ein zweites kühlbares Profilteil
222, das an dem stromabwärtigen Flansch 546 angeformt ist.
Der stromabwärtige Abschnitt 104 ist an dem zweiten kühlbaren Profilteil 222
und an dem ersten kühlbaren Profilteil
22 über einen ringförmigen Steg 196 angeformt. Gemäß den Fig. 2 und 3 haben der stromaufwärtige
Abschnitt 102 und der stromabwärtige Abschnitt 104 eine axiale Länge,
die größer als die Hälfte oder gleich der Hälfte der axialen
Länge des ersten kühlbaren Profilteils 22 ist, und eine
Querschnittsfläche, die kleiner als die Querschnittsfläche
sowohl des ersten kühlbaren Profilteils 22 als auch
des zweiten kühlbaren Profilteils 222 ist.
Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks wird in der ringförmigen
Brennkammer 40 des Verbrennungsabschnitts 14 Brennstoff
mit Luft vermischt. Der Brennstoff wird in der Brennkammer
40 verbrannt, um Arbeitsgasen Energie in Form
von Wärme zuzuführen. Die eine hohe Temperatur und einen
hohen Druck ausweisenden Arbeitsgase werden aus dem
Verbrennungsabschnitt 14 abgegeben und in dem Turbinenab
schnitt 16 ausgedehnt, um an den Laufschaufeln 32 Arbeit zu
verrichten. Wenn die Arbeitsgase auf dem ringförmigen
Strömungsweg 30 durch den Turbinenabschnitt 16 hindurchgehen,
umströmen sie die Kränze von Leitschaufeln 61 und die Kränze
von Laufschaufeln 32. Wärme wird von den heißen Arbeitsgasen auf
die Leitschaufeln 61 und Laufschaufeln 32 übertragen. Wenn sich
die Laufschaufeln 32 um die Drehachse Ad drehen und durch die
Arbeitsgase erhitzt werden, bewegen sie sich schnell
nach außen zu dem sie umgebenden Kranz von Segmenten der
äußeren Gasabdichtung 76. Das Profilteil 22 des
äußeren Gehäuses 20, das die äußere Gasabdichtung 76 trägt
und positioniert, ist nicht in unmittelbarer Nähe des
Strömungsweges 30 und ist von den heißen Arbeits
gasen durch Kühlluft getrennt, die durch den
Durchlaß 42 strömt. Das Profilteil 22 spricht langsamer
als die Laufschaufeln 32 auf Temperaturänderungen an und ist
Drehkräften überhaupt nicht ausgesetzt.
Während eines transienten Betriebes, wie beispielsweise
einer plötzlichen Zunahme der Leistung bei einem Start
des Flugzeuges in Meereshöhe, wird der Spalt G kleiner,
da sich die Spitzen der Laufschaufeln 32 schnell nach außen
zu der äußeren Gasabdichtung 76 bewegen. Der Spalt G zwischen
der äußeren Gasabdichtung 76 und den Laufschaufeln
32 ist groß genug, um die Differenz im transienten Wachstum
zwischen diesen, das dazu führt, daß sich die Laufschaufeln 32
in bezug auf die äußere Gasabdichtung nach außen bewegen,
aufzunehmen. Wenn das Triebwerk einen stationären Betriebs
zustand erreicht, beispielsweise den Reiseflugzustand,
steigt die Temperatur des Profilteils 22 an, was
dazu führt, daß sich die Rippen 94, 98 ausdehnen, wodurch der
Spalt G zwischen der äußeren Gasabdichtung und den Spitzen 34
der Laufschaufeln 32 größer wird. Kühlluft wird durch die Lei
tung 24 geleitet, tritt aus den Sprührohren 26 aus und
prallt auf das Profilteil 22. Dieses Kühlen bewirkt,
daß sich das Profilteil 22 zusammenzieht und
die äußere Gasabdichtung 76 in bezug auf die Laufschaufeln 32
nach innen bewegt, wodurch der Spalt G und die Menge an
Arbeitsgasen, die zwischen den Spitzen 34 der Laufschaufeln
32 und der äußeren Gasabdichtung 76 hindurchströmt, kleiner
werden.
Die Steigerung des Wirkungsgrades, die sich, wie weiter oben
erläutert, aus der Verringerung der Leckage zwischen den
Spitzen 34 der Laufschaufeln 32 und der äußeren Gasabdichtung
76 ergibt, wird in gewissem Ausmaß durch die Arbeit
aufgewogen, die erforderlich ist, um die Kühlluft zum Kühlen
des Profilteils 22 unter Druck zu setzen. Die Menge
an Kühlluft, die erforderlich ist, um das Profilteil 22
zu kühlen, und das Ausmaß an Zeit, das erforderlich ist, um
das Profilteil 22 bei einer gegebenen Kühlluftströmung
zu kühlen (Ansprechzeit), ist proportional zu der Wärmemenge,
die während des Kühlens durch die Kühlluft aus dem Strömungsweg
30 in das Profilteil 22 geleitet wird, und zu der
Masse sowie der spezifischen Wärme (Wärmekapazität) des Profil
teils 22.
Die Masse des Profilteils 22 wird so gewählt, daß eine
ausreichende Druckkraft ausgeübt wird, um den Widerstand
der Flansche 52b, 54b, der in Segmente geteilten Tragvorrichtungen 88, 92, der benach
barten Teile des äußeren Gehäuses 20 und der in Segmente geteilten
äußeren Gasdichtung 76 zu überwinden und die äußere Gasdichtung
zu den Laufschaufeln 32 zu bewegen, ohne die zulässige
Beanspruchung in dem Profilteil zu überschreiten.
Das Vermeiden einer geschraubten Verbindung an dem Profilteil
22 vermeidet die Spannungskonzentrationen, die
sich aus dem Vorhandensein von Durchgangslöchern in den
Flanschen 52b, 54b und der Masse der Schrauben ergeben würden. Die
Masse des Profilteils 22 ist im Vergleich zu Konstruk
tionen, bei denen eine geschraubte Verbindung an dem Profilteil
vorhanden ist, geringer. Die geringere Masse
verringert die Menge an Kühlluft, die erforderlich ist, um
das Profilteil nach innen zu bewegen, und verkürzt
die Ansprechzeit zum Schließen des Spalts G.
Die Querschnittsfläche und die Länge des stromaufwärtigen Abschnitts
102 und des stromabwärtigen Abschnitts 104 des ersten Gehäuseteils
48 minimieren den Widerstand dieser Abschnitte des äußeren
Gehäuses 20 gegen die Druckkraft, die durch das Profilteil
22 ausgeübt wird, wenn diese sich zusammenzieht.
Weil die Masse des Profilteils 22 proportional zu den
Kräften ist, die das Profilteil 22 ausüben muß, wird
durch das Minimieren des Widerstands dieser Abschnitte gegen
die Bewegung der Rippen 94, 98 die Masse der Rippen minimiert
und die Menge an erforderlicher Kühlluft sowie die Ansprechzeit
zum Schließen des Spalts G verringert.
Das ringförmige Element 62 zum Abstützen des umfangsmäßig
in Segmente geteilten Kranzes von Leitschaufeln 61 ist in
axialem Abstand von den benachbarten Elementen 74 angeordnet,
und die Umfangsfläche für die Befestigung des ringförmigen
Flansches 64 des ringförmigen Elements 62 an dem äußeren
Gehäuse 20 hat axialen Abstand von dem Profilteil 22, so
daß das ringförmige Element 62 von dem Profilteil 22 getrennt
ist. Durch diese Trennung wird vermieden, daß das
Profilteil 22 eine Kraft auf das ringförmige Element
62 zum Abstützen der Leitschaufeln 61 ausüben muß, wenn das
Profilteil 22 den Kranz der äußeren Gasabdichtung 76
nach innen bewegt. Darüber hinaus werden die Leitschaufeln 61
durch die Arbeitsgase erhitzt. Wärme wird von den
Leitschaufeln 61 auf das ringförmige Element 62 übertragen.
Die Trennung des ringförmigen Elements 62 von den benachbarten
Elementen 74 und insbesondere von dem Profilteil 22
blockiert die Wärmeübertragung von den Leitschaufeln 61 auf
das Profilteil 22. Weil die Wärmemenge im Vergleich
zu Konstruktionen, bei denen der Kranz der Leitschaufeln 61
der ersten Stufe an dem stromaufwärtigen Flansch 52b befestigt
ist, geringer ist, ist zum Kühlen des Profilteils 22
weniger Kühlluft erforderlich. Demgemäß wird der Triebwerks
wirkungsgrad nicht nur durch Verringern der Menge an Kühlluft
verringert, die erforderlich ist, um die Rippen 94, 98 zu
veranlassen, die erforderliche Kraft zum Überwinden der
Widerstandskraft gegen das Positionieren der äußeren Gas
abdichtung 76 auszuüben, sondern auch durch das Verlängern
der Ansprechzeit des Profilteils 22 durch Verringern
der Wärmemenge, die aus dem Profilteil 22 entfernt
werden muß, um einen bestimmten Temperaturwert in dem Profilteil
zu erzielen.
Die Konzentrizität der äußeren Gasabdichtung 76 in bezug
auf die Spitzen 34 des Kranzes von Laufschaufeln 32 und
in bezug auf die Drehachse Ad wird durch den stromaufwärtigen und
den stromabwärtigen Abschnitt 102, 104 aufrechterhalten, die das
Profilteil 22 in bezug auf die Drehachse axial
und radial positionieren und dabei relatives radiales Wachstum
in bezug auf die Flanschverbindungen 58, 60 gestatten.
Die Steifigkeit des Profilteils 22, die sich durch die
U-Profilkonfiguration des Profilteils im Vergleich
zu der Biegsamkeit des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Abschnitts 102 bzw. 104
ergibt, ermöglicht den beiden Rippen 94, 98, ihre Wirkung gemeinsam
zu entfalten, und verringert jedwede Neigung zur Un
rundheit, die durch örtliche Veränderungen in der Erwärmung
von benachbarten Teilen des äußeren Gehäuses 20 verur
sacht würde.
Die andere Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, hat
dieselben Merkmale und Vorteile wie die in Fig. 2 gezeigte
Ausführungsform. In der anderen Ausführungsform dient der
stromabwärtige Abschnitt 104 in Zusammenwirkung mit dem stromaufwärtigen Ab
schnitt 102 zum Abstützen und Positionieren des Profilteils 22
durch Übertragung von Kräften auf die Flansch
verbindung 60 über das zweite kühlbare Profilteil 222.
Claims (6)
1. Äußeres Gehäuse für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem
ersten Gehäuseteil (48), mit einer äußeren Gasabdichtung
(76), die die Spitzen (34) eines Kranzes von Laufschaufeln
(32) umgibt, und mit einer Vorrichtung (78) zum Befestigen
der äußeren Gasabdichtung (76) an dem ersten Gehäuseteil
(48), der wenigstens ein kühlbares Profilteil (22) außerhalb
der äußeren Gasabdichtung (76) hat, welches sich in
Umfangsrichtung um diese erstreckt, und einen stromaufwärtigen
und einen stromabwärtigen Flansch (52b, 54b) zum Be
festigen des ersten Gehäuseteils (48) an einem benachbarten
zweiten bzw. dritten Gehäuseteil (46, 50), wobei der
erste Gehäuseteil (48) einen stromaufwärtigen Abschnitt
(102) hat, der mit dem Profilteil (22) einstückig ausgebildet
ist und sich zwischen dem Profilteil (22) und dem
stromaufwärtigen Flansch (52b) erstreckt, und wobei das
Profilteil (22) eine stromaufwärtige Rippe (94), eine
stromabwärtige Rippe (98), wobei letztere in axialem Abstand
von der stromaufwärtigen Rippe (94) angeordnet ist,
und einen ringförmigen Steg (96) aufweist, der sich in
insgesamt axialer Richtung zwischen der stromaufwärtigen
Rippe (94) und der stromabwärtigen Rippe (98) erstreckt,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gehäuseteil (48)
einen stromabwärtigen Abschnitt (104) hat, der mit dem
Profilteil (22) einstückig ausgebildet ist und sich zwischen
dem Bereich des Profilteils (22) und dem stromabwärtigen
Flansch (54b) erstreckt, und daß der stromaufwärtige
Abschnitt (102) und der stromabwärtige Abschnitt (104) des
ersten Gehäuseteils (48) eine Mindestquerschnittsfläche
haben, die kleiner als die Mindestquerschnittsfläche des
ringförmigen Steges (96) des Profilteils (22) ist, wobei
allein der stromaufwärtige und der stromabwärtige Abschnitt
(102, 104) das Profilteil in axialer und radialer
Richtung an dem stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen
Flansch (52b, 54b) abstützen und in radialer Richtung ela
stisch verformbar sind.
2. Äußeres Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die stromaufwärtige Rippe (94) eine größere Quer
schnittsfläche als die stromabwärtige Rippe (98) hat.
3. Äußeres Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der stromabwärtige Abschnitt (104) mit dem
stromabwärtigen Flansch (54b) einstückig ausgebildet ist.
4. Äußeres Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß ein zweites kühlbares Profilteil
(222) vorgesehen ist, das an dem stromabwärtigen Flansch
(54b) angeformt ist, daß der stromabwärtige Abschnitt
(104) mit dem zweiten kühlbaren Profilteil (222) einstückig
ausgebildet ist und daß der stromaufwärtige Abschnitt
(102) und der stromabwärtige Abschnitt (104) eine Mindest
querschnittsfläche haben, die kleiner als die Mindestquer
schnittsfläche eines ringförmigen Steges (196) des zweiten
kühlbaren Profilteils (222) ist.
5. Äußeres Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Länge (L₁) des stromaufwärtigen
Abschnitts (102) und die Länge (L₂) des stromabwärtigen
Abschnitts (104) größer als die Hälfte oder gleich
der Hälfte der Länge (Lr) des wenigstens einen Profilteils
(22) ist, d. h. L₁[Lr/2]; L₂[Lr/2].
6. Äußeres Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Mindestquerschnittsfläche
(A₁) des stromaufwärtigen Abschnitts (102) und die Min
destquerschnittsfläche (A₂) des stromabwärtigen Abschnitts
(104) kleiner als die Hälfte oder gleich der Hälfte der
Mindestquerschnittsfläche (Ar) des ringförmigen Steges
(96) des wenigstens einen Profilteils (22) ist, d. h. A₁
[Ar/2]; A₂[Ar/2].
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