DE60201718T2

DE60201718T2 - Befestigung von Statorelementen in einem Turbomaschinengehäuse

Info

Publication number: DE60201718T2
Application number: DE60201718T
Authority: DE
Inventors: François Crozet; Daniel Didier; Christian Ducrocq; Sebastien Imbourg; Laurent Palmisano; Jean-Marc Rongvaux; Andre Verbrugge
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: EP1288444A1; JP4279667B2; CN1325765C; FR2829176B1; ES2229067T3; DE60201718D1; MA26137A1; US20040184912A1; CA2457892C; EP1288444B1; US7070387B2; WO2003018962A1; CN1549887A; UA76185C2; CA2457892A1; FR2829176A1; JP2005501192A; RU2324057C2; RU2004109232A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Statorgehäuse eines Turbotriebwerks.
Abgesehen von einer Außenhaut, die den Mantel des Stators bildet, weist ein solches Teil Haken auf, um Ringe zu halten, die Stufen von Statorschaufeln tragen. Diese Haken verlängern den Aufbau des Gehäuses bis kurz vor die Strömungsbahn der Gase und sind dadurch viel stärkeren Erhitzungen ausgesetzt als der Mantel. Diese ungünstige Position der Haken zwingt dazu, besondere Vorkehrungen zu treffen, um sie vor den Erhitzungen zu schützen, was eine große Verkomplizierung des Aufbaus des Triebwerks an dieser Stelle bedeutet, ohne einen vollständigen Erfolg zu erzielen, da die Haken trotzdem vorzeitige Reparaturen erfordern können.
Aus FR-A-2 683 851, GB-A-2 115 487 oder EP-A-0 651 139 ist ein Statorgehäuse bekannt, das einen Mantel und Statorringhaken an einer Innenseite des Mantels aufweist, wobei die Haken von dem Mantel getrennte Teile sind, die mit dem Mantel durch Verbindungsmittel verbunden sind und sich nur über Kreissektoren erstrecken. Aus dieser Definition geht hervor, das das Gehäuse mit durchgehendem Aufbau aufgegeben wird und dass die Haken Teile werden, die an den Mantel angebaut werden.
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Gehäuse, das kostengünstiger, leichter zu bauen, haltbarer und zugleich im Aufbau vereinfacht ist und weniger Schutz gegen die Wärme erfordert.
Gemäß der Schrift US-A-5 145 316 bestehen die Verbindungsmittel aus einem oder mehreren Zapfen, die ein Bestandteil jedes Hakens sind, und aus Zapfenlöchern, die in dem Mantel ausgeführt sind und in denen die Zapfen sitzen.
Gemäß dieser Erfindung verlaufen die Zapfen durch den Mantel hindurch, und ein Belüftungssystem in Form von kreisförmigen Leitungen umgibt den Mantel, und die Leitungen sind vor den Zapfen mit Löchern versehen.
Mehrere zusätzliche Merkmale der Erfindung, die aus dieser allgemeinen Definition hervorgehen und von großem Interesse sind, werden unten im Einzelnen dargelegt, es muss jedoch bereits hier angemerkt werden, dass bei einer besonders bahnbrechende Ausführung die Haken eine bestimmte Form mit verbreiterten Enden haben; sie halten jeweils einen feststehende Schaufeln tragenden Statorring und sind in kreisförmigen Reihen in der gleichen Anzahl wie die der feststehende Schaufeln tragenden Statorringe verteilt angeordnet; sie können Aufnahmerillen für Enden von Dichtungsringen abwechselnd mit den Statorringen, die feststehende Schaufeln tragen, aufweisen.
Die Erfindung wird näher anhand der folgenden Figuren beschrieben, wobei
1, 2 und 4 ein Konzept des bisherigen Standes der Technik zeigen, und
3 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Der in seiner Art bekannte Stator von 1 weist ein Gehäuse 1 auf, das aus einem Außenmantel 2 und Haken besteht, von denen im Wesentlichen zwei Arten vorhanden sind: flache Haken 3 und Nasenhaken 4, die abwechselnd entlang der Achse des Titebwerks angeordnet sind. Alle Haken 3 und 4 sind kreisförmig und mit dem Mantel 2 ohne Unterbrechung der Konstruktion durch einen Steg 5 verbunden. Sie halten abwechselnd angeordnete Statorringe 6 und Dichtungsringe 7, die zusammen eine Verdopplung des Gehäuses bilden, indem sie es von einer Gasströmungsbahn 8 des Triebwerks isolieren. Diese Ringe 6 und 7 setzen sich aus aneinandergrenzenden Ringsektoren zusammen, die durch Dichtungsfedern, welche in Nuten im Bereich der aneinandergrenzenden Sektoren sitzen, verbunden sind.
Die Statorringe 6 tragen feststehende Schaufeln und weisen eine Basisplatte 10 auf, die vorn und hinten an der Außenseite mit Haken 11 und 12 versehen ist. Die Dichtungsringe 7 tragen Dichtungen 13 aus Abriebwerkstoff, die sich vor den Enden von Rotorschaufeln 14 erstrecken, und weisen eine Basisplatte 15 auf, die vorn in einem Außenhaken 16 und einem Innenhaken 17 endet. Diese Haken 16 und 17 sind dergestalt angeordnet, dass sie die Nase 18 der Haken 4 einrahmen und dabei die nach hinten gerichteten Haken 12 der Statorringe 6 an diesen Haken 4 festhalten. Die Basisplatten 15 der Dichtungsringe 7 liegen hinten an den einfachen Haken 3 an, und diese Gesamtanordnung wird von der Basisplatte 10 und den nach vorn gerichteten Haken 11 der Statorringe 6 eingerahmt.
Die so hergestellte Gesamtanordnung ist steif, aber kompliziert; sie ermöglicht es, die Haken 3 und 4 durch die Enden der Ringe 6 und 7 zu bedecken, ohne sie der hohen Temperatur der Gase in der Strömungsbahn 8 direkt auszusetzen. Doch ist dieser Schutz nicht ausreichend, vor allem, da trotz der Dichtungen, die insbesondere zwischen den winkeligen Sektoren der Ringe 6 und 7 vorgesehen werden können, Lecks von heißen Gasen in Richtung zu dem Gehäuse 1 möglich sind. Das Gehäuse 1 muss in der Praxis durch einen Strom kühler Belüftungsluft, der an einer anderen Stelle des Triebwerks entnommen und in die von dem Mantel 2, den Haken 3 und 4 und den Ringen 6 und 7 umgrenzten Kammern geblasen wird, abgekühlt werden.
Gemäß den bekannten Anordnungen weist das Gehäuse 21 von 2 wie zuvor einen Außenmantel 22 und Haken 23 und 24 von unterschiedlicher Art auf, die sich entlang des Triebwerks abwechseln und desgleichen dazu dienen, ebenfalls sich abwechselnde Statorringe 26 und Dichtungsringe 27 zu halten; die Haken 23 und 24 haben hier jedoch die Besonderheiten (es wird auch auf 4 Bezug genommen), dass sie sich nur über Kreissektoren erstrecken, dabei aber in kreisförmigen Reihen verteilt sind und jeweils Zapfen 28 aufweisen, die durch jeweilige Zapfenlöcher 29 des Mantels 22 hindurch verlaufen. Die Befestigung der Haken 23 und 24 an dem Mantel 22 erfolgt durch Frettieren, Schweißen oder Schrauben.
Da der Mantel 22 und die Haken 23 und 24 voneinander getrennte Teile sind, wird es möglich, sie aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen: so werden die Haken 23 und 24 aus wärmefesten Legierungen (und eventuell aus unterschiedlichen Legierungen, je nach der Stelle des jeweiligen Hakens und der dort herrschenden Temperatur) hergestellt, was vorher ausgeschlossen war; und der Mantel 22 wird aus einer gewöhnlicheren, kostengünstigeren und einfacher zu formenden Legierung hergestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Vereinfachung der Herstellung dadurch, dass der Mantel 22 und die Haken 23 und 24 getrennt gefertigt werden, eine weitere Quelle der Ersparnis darstellt.
Während die Haken 23 einfache Haken analog zu den Haken 3 sind, können die Haken 24 anders als die Nasenhaken 4 ausgeführt sein oder nicht und weisen ein Paar voneinander abgewandte Rillen 30 und 31 auf. Das Konzept der Statorringe 26 entspricht den vorherigen Ringen 6, desgleichen bei den Dichtungsringen 27. Die Haken 24, die an die Stelle der Haken 4 treten, sind nun den Gasen der Strömungsbahn 8 ausgesetzt, doch entsteht dadurch nun kein Schaden mehr, da sie aus einem ausreichend wärmebeständigen Werkstoff gefertigt werden können, wie z. B. der Handelsbezeichnung M509 (KC24NWTZ) bei einer Temperatur von mehr als 900 °C, oder der Handelsbezeichnung RENE77 (NK15CADT) bei einer geringeren Temperatur.
Der Außenmantel 22 kann durch eine Verdopplung geschützt werden, die eine Innenhaut 33 und eine Wärmedämmung 34 zwischen der Innenhaut 33 und dem Mantel 22 umfasst. Die Innenhaut 33 und die Wärmedämmung 34 können leicht angebracht werden, indem an ihnen Aussparungen vorgesehen werden, durch die sich die Haken 23 und 24 erstrecken können. Da die Haken 23 und 24 keine durchgehenden Kreise bilden, bleiben die Innenhaut 33 und die Wärmedämmung 34 in einem Stück und können daher leicht eingesetzt und ohne besondere Vorkehrungen gehalten werden, selbst wenn die Innenhaut 33 eine ziemlich weiche Metallfolie ist: man kann sie beispielsweise auf die Dichtungsringe 27 drücken.
Die Wärmedämmung 34 bietet gegen die Wärme einen passiven Schutz, der im Gegensatz zu einem Belüftungssystem nichts dazu beiträgt, die Haken 23 und 24 zu kühlen. Haken aus hitzebeständigerem Werkstoff müssen aber oft auch gar nicht gekühlt werden, während die Wärmedämmung 34 mühelos eng um die Haken 23 und 24 herum ausgebildet werden kann, so dass sie das Entströmen heißer Gase zu dem Mantel 22 hin verhindert. Außerdem bietet sie den Vorteil, dass sie sich wie die Innenhaut 33 vor den Verbindungsstellen zwischen en Sektoren der Ringe 26 und 27 erstreckt und zur Funktion der dort vorgesehenen Dichtungen beiträgt, auf die man deswegen dann verzichten kann: Die Sektoren der Ringe 26 und 27 grenzen dann mit Spiel aneinander, wobei sie einfache Ränder ohne Rillen oder sonstige Aufnahmemittel für Zwischendichtungen haben, und die Gaslecks aus der Strömungsbahn bis zur Innenhaut 33 toleriert werden.
Daraus versteht sich, dass die Wärmedämmung 34 ein bevorzugtes Schutzmittel für den Mantel 22 ist. Er schließt eine reduzierte Kühlung der Haken 23 und 24 (mittels eines Systems, das später zur Sprache kommt) nicht aus, doch kann man auch wieder auf eine aktive Kühlung zurückgreifen, wenn dies nicht ausreicht: Die Innenhaut 33 bleibt bestehen, um die Lecks heißer Gase zu blockieren und die Kühlungsluft in den dann leeren Zwischenraum zwischen ihr und dem Mantel 22 zu leiten.
Gemäß dieser Erfindung unterscheidet sich das Konzept des Gehäuses 39 von 3 im Wesentlichen darin von dem vorherigen, dass die zweierlei Arten von Haken durch Haken 40 mit einer einzigen bestimmten Form ersetzt werden, die jeweils ein verbreitertes, schwalbenschwanzförmiges oder T-förmiges Ende haben, um jeweils einen Statorring 41 zu tragen, der an seiner Außenseite mit zwei einander zugewandten Haken 42 und 43 versehen ist, die an den Verbreiterungen des Endes der Haken 40 in Eingriff kommen. Das bedeutet, dass die Haken 40 und die Statorringe 41 auf den gleichen Querschnitten des Triebwerks angeordnet sind und dass jeder Statorring 41 von einer einzigen Reihe von Haken 40 gehalten wird. Bei dieser Lösung sind um das Zweifache weniger Haken vorhanden als bei den vorherigen, und die Dichtungsringe 7 und 27 sind durch größere Dichtungsringe 44 mit Basisplatten 45 ohne Haken ersetzt, deren Enden entweder auf den Haken 42 und 43 der Statorringe 41 aufliegen oder in Rillen 46 der Haken 40 eindringen. Wie bei der vorherigen Ausführungsform sind die Haken 40 mit Paaren von Zapfen 47 versehen, die durch entsprechende Zapfenlöcher 48 eines Außenmantels 49 des Gehäuses 39 verlaufen. Man kann auch eine mit einer Wärmedämmung 51 versehene Innenhaut 50 vorsehen, um den Mantel 49 zu isolieren.
Eine Funktion, die bei Turbotriebwerken sehr häufig gefragt ist, ist das Steuern von radialen Spielen zur Verbesserung der Leistung des Triebwerks bei bestimmten Drehzahlen. Man erreicht dies, wie bei den bekannten Konzepten, durch Lufteinblasvorrichtung, die aus perforierten ringförmigen Leitungen 52 bestehen, die das Gehäuse 39 umgeben und am besten vor dessen massivsten Teilen angeordnet sind, die hier von den Reihen von Haken 40 gebildet werden. Die Leitungen 52 werden durch eine Verteilerleitung 53 gespeist, die in sie alle mündet, und die Gebläseluft tritt aus den Leitungen 52 durch Bohrungen 54 aus, die auf die Zapfen 47 der Haken 40 gerichtet sind. Die mehr oder weniger starke Kühlung des Gehäuses 39 ermöglicht es, dessen Temperatur und dementsprechende Wärmedehnung einzustellen, und damit auch die Spiele zwischen den Enden der Schaufeln und den Dichtungseinrichtungen, die insbesondere die Ringe 44 beinhalten. Es kann ein Blech 55 hinzugefügt werden, das das Gehäuse 39 umgibt, um die Gebläseluft zu einer Ableitung zu leiten. Falls es die Leitungen 52 vollständig bedeckt, verbessert das das äußere Erscheinungsbild der Vorrichtung.
Diese Vorrichtung, die vor allem zur Steuerung der Spiele gedacht ist, bietet auch die Möglichkeit, dazu verwendet zu werden, die Haken 40 mittels des Gebläses auf die Zapfen 47 direkt zu belüften, ebenso den Mantel 49, indem sie ihn bestreicht. Bei dieser besonderen Ausführungsform ist dazu auf Grund der Verringerung der Zahl der Hakenreihen nur eine geringe Anzahl von Leitungen 52 erforderlich. Die Ausführungsform von 2 könnte mit einer analogen Vorrichtung ausgerüstet werden.

Claims

Statorgehäuse (21, 39), bestehend aus einem Mantel (22, 49) und Ringhaken (26, 27, 41, 44) an einer Innenseite des Mantels, wobei die Haken (24) von dem Mantel getrennte Teile sind, die mit dem Mantel durch Verbindungsmittel verbunden sind und sich nur über Kreissektoren erstrecken, wobei die Haken auf voneinander abgewandten Seiten mit Rillen (30, 31) für den Halt von mindestens zwei der Ringe versehen sind, wobei es sich bei den Ringe um Dichtungsringe und um Statorringe, welche feststehende Schaufeln tragen, handelt, die miteinander abwechselnd angeordnet sind, wobei die Statorringe durch Abschnitte, die sich an ihrer Außenseite befinden, mit den Haken verbunden sind, wobei die Verbindungsmittel aus einem oder mehreren Zapfen (28, 47), die ein Bestandteil jedes Hakens sind, und aus Zapfenlöchern (29, 48), die in dem Mantel ausgeführt sind und in denen die Zapfen (28, 47) sitzen, bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfen durch den Mantel hindurch verlaufen und dass ein Belüftungssystem in Form von kreisförmigen Leitungen (52) den Mantel umgibt, wobei die Leitungen (52) vor den Zapfen (47) mit Löchern (54) versehen sind.
Statorgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haken (40) eine bestimmte Form mit verbreiterten Enden haben, die jeweils einen feststehende Schaufeln tragenden Statorring (41) halten, und in kreisförmigen Reihen in der gleichen Anzahl wie die der feststehende Schaufeln tragenden Statorringe verteilt angeordnet sind, während die Dichtungsringe Enden aufweisen, die entweder an Abschnitten der von den Haken gehaltenen Statorringen liegen, oder sich in Eingriff in den Rillen der Haken befinden.
Statorgehäuse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haken und der Mantel aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Statorgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Innenhaut des Mantels aufweist, die von diesem durch einen Zwischenraum getrennt ist und aus einer durchgehenden Folie besteht, durch die sich aber die Haken an Stellen, wo sie Löcher aufweist, hindurch erstrecken.
Statorgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum von einem Wärmedämmungskörper ausgefüllt ist.