DE60204489T2

DE60204489T2 - Stützträger für den Statorring einer Hochdruckturbine in einer Turbomachine mit Regulierung des Spiels

Info

Publication number: DE60204489T2
Application number: DE60204489T
Authority: DE
Inventors: Jean-Baptiste Arilla; Alain Dominique Gendraud
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-01-04
Filing date: 2002-01-03
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2022-01-04
Also published as: CA2400151A1; US20030031557A1; KR100829154B1; WO2002053876A1; JP4021768B2; KR20020075470A; DE60204489D1; FR2819010A1; UA73345C2; CA2400151C; US6726446B2; EP1225309A1; JP2004517246A; EP1225309B1; RU2289699C2; FR2819010B1

Description

Diese Erfindung betrifft Turbotriebwerke wie die zum Antrieb von Luftfahrzeugen verwendeten Turbotriebwerke und insbesondere den Stützträger des Statorrings der Hochdruckturbine und seinen Einbau mit minimalen Spielen.
Im Folgenden wird Bezug auf 1 genommen. Wie in der Patentschrift EP 0 555 082 beschrieben (siehe auch die Patentschrift FR-A-2 780 443), umfasst das Turbinengehäuse 1 des Stators bei zahlreichen Beispielen von Turbotriebwerken im Bereich des Eingangs der Hochdruckturbine hinter der Brennkammer 5 ringförmige Teile 2, die den Schaufelblättern 3 des Rotors 8 gegenüber liegen. Diese ringförmigen Teile 2 des Turbinengehäuses 1 bilden also mit der Spitze der Schaufelblätter 3 des Rotors 8 ein Spiel, was folglich eine Bedingung für die Leistung des Turbotriebwerks darstellt.
Nun werden diese ringförmigen Teile 2 mit Gas unter Temperaturen versorgt, bei denen sie sich ausdehnen oder sich zusammenziehen können, um das Spiel zwischen diesen Schaufelblättern 3 und diesen ringförmigen Teilen 2 auf einen minimalen Wert zu reduzieren, mit dem Zweck, auf diese Weise die Leistung des Turbotriebwerks zu steigern. Das Gas wird im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Temperatur der Gase oder der Geschwindigkeit des Rotors an einem anderen Teil des Turbotriebwerks entnommen.
2 zeigt im Detail eine Ausführung der Befestigung eines Statorrings 2 um die Enden der Schaufelblätter 3 des Rotors 4 nach dem Stand der Technik. Ein Ring setzt sich nämlich aus einer Vielzahl von Ringsektoren 2 zusammen, die jeweils in Stützträgersektoren 4 positioniert sind, die ihrerseits im Inneren des Hochdruckturbinen-Gehäuses 1 befestigt sind. Zu diesem Zweck besitzt jeder Stützträgersektor 4 einen vorderen, äußeren Fuß 6M und einen hinteren, äußeren Fuß 6V, die dazu vorgesehen sind, jeweils in einen vorderen Haken 7M bzw. einen hinteren Haken 7V des Hochdruckturbinen-Gehäuses 1 eingesetzt zu werden. Es wird festgestellt, dass ein Spiel J zwischen dem Ende der Schaufelblätter 3 und der Wand jedes Ringsektors 2 vorgesehen werden muss. Bei einem solchen Turbotriebwerk sind nämlich im Bereich dieser Elemente die Temperaturunterschiede zwischen Ruhephase und Betrieb beträchtlich. Daraus ergeben sich unterschiedliche Ausdehnungen in drei Dimensionen und in unterschiedlichen Maßstäben, die die Teile betreffen, die einen solchen Aufbau bilden. Wenn nun das Spiel J ständig besteht, insbesondere in den Betriebsphasen des Turbotriebwerks, wird dessen Leistung dadurch stark verringert.
In der Schrift EP 0 555 082 ist ebenfalls ein Verfahren beschrieben, um einen Zusammenbau durch Festklemmen des Stützträgers oder des Aufhängungselements jedes Ringsektors der Hochdruckturbine zu erreichen.
3 zeigt die Anbringung eines Stützträgers 4 mit zwei Enden 4A und 4B und einem Mittelteil 4C, der auf einem Teil des Hochdruckturbinen-Gehäuses 1 und dessen vorderen Haken 7M bzw. hinteren Haken 7V liegend dargestellt ist. Das Hochdruckturbinen-Gehäuse 1 weist einen ersten Radius R1 und eine erste Breite X1 auf. Der Stützträgersektor 4 weist einen zweiten Radius R2 und eine zweite Breite X2 auf. Der zweite Radius R2 ist gegenüber dem ersten Radius R1 dezentriert, so dass der zweite Radius R2 größer ist als der erste Radius R1. Außerdem ist die erste Breite X1 vorzugsweise größer als die zweite Breite X2. Der Stützträgersektor 4 wird unter Kraftaufwendung in den durch die Haken 7M und 7V und das Hochdruckturbinen-Gehäuse 1 gebildeten Schlitz eingesetzt. Dieses Einsetzen unter Kraftaufwendung erzeugt auf Grund der Verformung oder Beugung der Enden 4A und 4B des Stützträgersektors 4 einen Federeffekt in diesem Stützträgersektor 4, wie 4 zeigt.
Auf Grund der in diesem Bereich herrschenden radialen Wärmegefälle unterliegen diese Stützträgersektoren 4 nun Verformungen, die insbesondere ihre leichte Krümmung betreffen. In Anbetracht dessen, dass die warmen Fasern sich zum Inneren des Verdichters hin befinden und die kalten Fasern sich zu dessen Außenseite hin befinden, haben die Stützträgersektoren nämlich die Tendenz, ihren Krümmungswinkel R2 zu vergrößern, was die Biegung verstärkt. Zudem bewirkt die hohe Anzahl von aufeinander folgenden Flugzyklen, denen ein solches Turbotriebwerk unterzogen wird, dass diese Elemente sehr oft hohe Temperaturen erreichen und diese Teile daher nicht ihre ursprüngliche Geometrie beibehalten. Dies beeinträchtigt die Einstellung der Spiele. In der Tat vergrößert sich das Spiel J zwischen den Spitzen der Schaufelblätter und dem Turbinenring und senkt damit die Leistung des Turbotriebwerks ab.
Es ist daher der Zweck dieser Erfindung, eine andere Lösung vorzuschlagen, um die Spiele zwischen der Spitze der Schaufelblätter des Rotors und den Ringsektoren im Bereich der Hochdruckturbine einzustellen, indem versucht wird, Verformungen zu vermeiden, die auf radiale Wärmegefälle zurückgehen.
Zu diesem Zweck ist der Hauptgegenstand dieser Erfindung ein Stützträgersektor eines Rings der Hochdruckturbine eines Turbotriebwerks mit Einstellung der Einbau- und Betriebsspiele der Stützträgersektoren zwischen dem Ring und der Spitze der Schaufelblätter, wobei dieser Sektor

– eine vordere, radial verlaufende Wand mit einem vorderen, äußeren Haken, der dazu vorgesehen ist, in axialer Richtung mit einer entsprechenden vorderen Ausklinkung des Hochdruckgehäuses des Turbotriebwerks in Eingriff zu kommen, und einem vorderen, inneren Haken, der dazu vorgesehen ist, mit einer entsprechenden vorderen Ausklinkung des Rings in Eingriff zu kommen,
– eine hintere, radial verlaufende Wand mit einem hinteren, äußeren Haken, der dazu vorgesehen ist, in axialer Richtung mit einem entsprechenden hinteren Haken des Hochdruckgehäuses des Turbotriebwerks in Eingriff zu kommen, und einem hinteren, inneren Haken, der dazu vorgesehen ist, mit dem entsprechenden Ringsektor in Eingriff zu kommen,
– eine Verbindungswand, die die vordere, radial verlaufende Wand mit der hinteren, radial verlaufenden Wand verbindet, aufweist.

Gemäß dieser Erfindung besitzt jeder Stützträgersektor eine vordere, längliche Leiste, die vorn und außen an der vorderen, radial verlaufenden Wand befestigt ist und an ihrem vorderen Ende eine äußere Anlagefläche aufweist, die nach außen hervorsteht, so dass sie sich in Anlage an der Innenseite des Hochdruckturbinengehäuses des Turbotriebwerks befindet und auf diese einen Schub ausübt, wenn der Stützträgersektor sich an seinem Platz befindet.
Bei der bevorzugten Ausführung des Stützträgersektors ist eine Ausklinkung zum Positionieren an dem vorderen Ende vorgesehen, um einen in Drehbewegung befindlichen Verriegelungsstift aufzunehmen, der in ein Loch des Hochdruckgehäuses des Turbotriebwerks eindringt.
Vorzugsweise sind die äußeren Anlageflächen des vorderen Endes der Leiste nicht kontinuierlich ausgeführt, sondern durch eine Vertiefung unterbrochen.
In diesem Fall, wenn die radiale Ausklinkung für den Verriegelungsstift verwendet wird, ist die Vertiefung weniger tief als die überstehende Länge des Verriegelungsstifts, um für die Montage der Gesamtanordnung ein Winkel-Unverwechselbarkeitsmittel zu bilden.
Die Erfindung und ihre einzelnen technischen Merkmale gehen näher aus der folgenden Beschreibung hervor, die in einigen Figuren bebildert ist, wobei
1 wie bereits beschrieben den Platz des Stützträgers, der Gegenstand der Erfindung ist, in einem Turbotriebwerk zeigt,
2 einen Stützträger eines Turbotriebwerks nach dem Stand der Technik in einem Schnitt zeigt,
3 und 4 zwei Einbauschemata des in dem Turbotriebwerk von 2 verwendeten Stützträgers zeigen,
5 den Stützträgersektor gemäß dieser Erfindung in einem Schnitt zeigt,
6 den gleichen Stützträgersektor gemäß dieser Erfindung in einer Parallelperspektive zeigt, und
7 den Einbau des erfindungsgemäßen Stützträgersektors an dem Gehäuse der Hochdruckturbine eines Turbotriebwerks in einer Parallelperspektive zeigt.
5 zeigt also in einer Schnittansicht die Hauptausführung des erfindungsgemäßen Stützträgersektors 14, der an der Innenwand 1I des Hochdruckturbinengehäuses 1 befestigt ist. Diese Befestigung geschieht mittels eines vorderen, äußeren Hakens 16M, der sich in eine vordere, äußere Ausklinkung 17M des Hochdruckturbinengehäuses 1 einfügt, und mittels eines hinteren, äußeren Hakens 16V, der sich in eine hintere, äußere Ausklinkung 17V des Hochdruckturbinengehäuses 1 einfügt. Dieser Stützträgersektor 14 dient dazu, einen Ringsektor 12 gegenüber der Spitze der Schaufelblätter 3 des Rotors an seinem Platz zu halten. Diese Befestigung geschieht analog mittels eines vorderen, inneren Hakens 18M, der sich in eine entsprechende vordere, innere Ausklinkung 19M des Ringsektors 12 einfügt, und mittels eines hinteren, inneren Hakens 18V, der sich in eine Klemme 20' einfügt, die diesen hinteren, inneren Haken 18V und einen hinteren, inneren Haken 19V des Ringsektors 12 umschließt. Diese Art des Verschlusses ermöglicht es, die Dichtigkeit im Bereich des Ringsektors 12 zu gewährleisten.
Nun weist der Stützträgersektor 14 vorn eine Leiste 20 auf, die an dem äußeren Teil der vorderen Wand 14M befestigt ist und sich konzentrisch zu dem aus allen Stützträgersektoren 14 gebildeten Stützträger erstreckt, d. h. konzentrisch zu dem Hochdruckturbinengehäuse 1. Diese Leiste 20 hat ein Ende 21, das sich nach außen fortsetzt, damit eine radial verlaufende Anlagefläche 22 in Berührung mit der Innenseite 1I des Hochdruckturbinengehäuses 1 kommt. Die durch die unterbrochenen Linien angedeuteten Stellungen zeigen die natürliche Stellung des Hochdruckturbinengehäuses 1 sowie der Leiste 20 in kaltem Zustand. Die dicken Linien stellen die Stellung in Betrieb dar, d. h. in warmem Zustand, wenn die Belastungen dergestalt sind, dass Verformungen auftreten.
In 5 sind mittels Pfeilen auch die unterschiedlichen in diesem Bereich ins Spiel kommenden Kräfte dargestellt. Die einzelnen Pfeile, deren Fuß sich auf einem Teil befindet, stellen die auf letzteres insbesondere durch die Gase im Normalbetrieb des Turbotriebwerks ausgeübten Kräfte dar. Ferner kann man hier feststellen, dass die erzeugte Biegung nicht in einer radialen Ebene, d. h. senkrecht zur Achse des Triebwerks, sondern in einer Längsebene auftritt. In Betrieb wird diese Längsbiegung leichter, denn die Anlageflächen sind funktionelle Flächen. Außerdem dehnt sich das Hochdruckturbinengehäuse 1 stärker aus als die Steuerringe des Gehäuses 5, die durch die Schlagschutzgehäuse gekühlt werden. Diese unterschiedliche Ausdehnung entlastet daher die Leiste 20 in der Biegung.
An der Innenseite des Gehäuses ist ein kleiner geneigter Oberflächenabschnitt 29 zu bemerken, der direkt vor dem Ende 21 der Leiste 20 angeordnet ist. So weist das Gehäuse 1 vorn eine geringere Dicke auf. Dadurch ist es möglich, die äußeren Haken 16M und 16V jedes Stützträgersektors 14 einzusetzen, bevor die radial verlaufende Anlagefläche 22 der Leiste 20 in Berührung mit der Innenseite 1I des Gehäuses 1 kommt. Dies vereinfacht den Einbau jedes Stützträgersektors 14. Es kann nämlich jeder Stützträgersektor 14 winkelmäßig positioniert oder verschoben werden, bevor er in engen Kontakt mit den einzelnen Teilen des Gehäuses 1 kommt.
In dieser 5 verlaufen Pfeile durch Öffnungen des Systems oder Zwischenräume zwischen mehreren Teilen. Sie symbolisieren den Durchlauf der Gase durch die Gesamtanordnung im Bereich der Stützträgersektoren 14. Diesbezüglich ist festzustellen, dass das Ende 21 der Leiste 20, die Außenseite der vorderen Wand 14M und der vordere Haken 16M Aussparungen aufweisen, die den Durchgang dieser Gase ermöglichen. Diese Aussparungen sind in den 6 und 7 besser dargestellt.
Bezugnehmend auf 6 ist nicht nur zu sehen, dass das Ende 21 der Leiste 20 mit einer Reihe von radial wirkenden Anlageflächen 22 versehen ist, sondern auch, dass diese durch Aussparungen 23 für den Durchgang der Gase und durch mindestens eine Positionier-Ausklinkung 25, die tiefer ist als die Aussparungen 23 und deren Funktion später näher erläutert wird, voneinander getrennt sind. Diese Aussparungen 23 ermöglichen es, die Stärke der in die Gesamtanordnung übergehenden Belastungen zu beschränken. Diese radial wirkenden Anlageflächen 22 sind an dem Ende 21 der Leiste 20 angeordnet, um die Belastungen in den Teilen zu verteilen und einen besseren Halt von funktionellen Flächen der Gesamtanordnung in ihrer Stellung zu gewährleisten. Es könnte in Betracht gezogen werden, diese radial wirkenden Anlageflächen 22 näher an dem Körper der Stützträgersektoren 14 anzuordnen. Desgleichen weist auch der äußere Teil der vorderen Wand 14M Aussparungen 24M für den Durchgang der Gase auf, ebenso wie der äußere Teil der hinteren Wand 14V, der zu den Aussparungen 24M der vorderen Wand analoge Aussparungen 24V aufweist. In 6 werden auch Aussparungen 26M ein wenig genauer sichtbar, die an dem vorderen, äußeren Haken 16M ebenfalls für den Durchgang der Gase ausgeführt sind, wie 5 zeigt.
Die Funktion der Positionier-Ausklinkung 25 wird nun anhand von 7 näher erläutert. Hier ist nämlich ein Drehsperrstift 27 dargestellt, der fest in einem Loch 28 des Gehäuses 1 sitzt. Seine Aufgabe ist es, zur Winkelpositionierung eines Stützträgersektors 14 beizutragen, indem er es nur dann gestattet, diesen in die Ausklinkungen 17M und 17V des Gehäuses 1 einzustecken, wenn die Positionier-Ausklinkung 25 sich dem Drehsperrstift 27 gegenüber befindet. Die Länge des überstehenden Teils dieses Drehsperrstifts 27 ist nämlich größer als die Tiefe der Aussparungen 23 zwischen den radial wirkenden Anlageflächen 22 des Endes 21 der Leiste 20. Auf diese Weise kann der Einbau der Stützträgersektoren 14 an ihren Platz nur erfolgen, wenn eine solche unverwechselbare Positionierung gegeben ist. Der Zentrierstift 27 hat einen Absatz, um zu verhindern, dass er aus der Gesamtanordnung gleitet.
In dieser 7 lassen sich deutlich die Aussparungen 26M erkennen, die in den vorderen, äußeren Haken 16M ausgeführt sind. Desgleichen sind die hinteren Aussparungen 24V zu erkennen, die im äußeren Teil der hinteren Wand 14V ausgeführt sind, sowie die vorderen äußeren Aussparungen 24M, die im äußeren Teil der vorderen Wand 14M ausgeführt sind.
Es ist zu bemerken, dass es für den Einbau nicht nötig ist, jeden Stützträgersektor 14 zu wölben oder vorzubereiten, bevor er in die Befestigungselemente des Hochdruckturbinengehäuses 1 eingesetzt wird. Zudem kann die Winkelpositionierung vorgenommen werden, ohne dass jeder Stützträgersektor 14 festgezogen ist.
Es ist zu bemerken, dass die Oberflächen jedes Stützträgersektors 14, die sich in Anlage befinden, funktionelle Flächen sind, nämlich die radial wirkenden Anlageflächen 22 der Leiste 20 und die Innenflächen der äußeren Haken 16M und 16V. Auf Grund dessen, dass der Teil des Hochdruckturbinengehäuses 1, der sich der Leiste 20 gegenüber befindet, sich bei Betrieb stärker ausdehnt als diese letztere, wird der Druck auf das Ende 21 der Leiste 20, der durch die Wand des Hochdruckturbinengehäuses 1 ausgeübt wird, verringert, und die Leiste 20 wird leicht druckentlastet. Die Kräfte der Betriebsgase des Triebwerks tragen jedoch dazu bei, die Positionierung der Gesamtanordnung der Stützträgersektoren 14 zu gewährleisten.
Es ist nachzuvollziehen, dass die Leiste 20 jedes Stützträgersektors 14, indem sie gegen die Innenwand 1I des Hochdruckturbinengehäuses 1 drückt, dazu beiträgt, die anderen funktionellen Flächen jedes Stützträgersektors 14 an den Befestigungselementen des Hochdruckturbinengehäuses 1 zu positionieren. Mit andren Worten, es besteht insbesondere im Bereich der äußeren Haken 16M und 16V ein enger Kontakt zu den gegenüberliegenden Elementen. Zudem hat die Leiste 20 die Tendenz, jeden Stützträgersektor 14 so weit wie möglich von dem Hochdruckturbinengehäuse 1 entfernt zu positionieren, und dadurch das Spiel J zu verringern, das zwischen der Spitze jedes Schaufelblattes 3 und den an den Stützträgersektoren 14 befestigten Ringsektoren 12 verbleibt.

Claims

Stützträgersektor (14) eines Statorrings (12) der Hochdruckturbine eines Turbotriebwerks mit Einstellung der Einbau- und Betriebsspiele (J) der Stützträgersektoren (14) zwischen den Ringsektoren (12) und der Spitze der Schaufelblätter (3) des Rotors, bestehend aus – einer vorderen, radial verlaufenden Wand (14M) mit einem vorderen, äußeren Haken (16M), der dazu vorgesehen ist, in axialer Richtung mit einer entsprechenden vorderen Ausklinkung (17M) eines Hochdruckturbinengehäuses (1) des Turbotriebwerks in Eingriff zu kommen, – einem vorderen, inneren Haken (18M), der dazu vorgesehen ist, in einer entsprechenden vorderen Ausklinkung (19M) eines Ringsektors (12) in Eingriff zu kommen, – einer hinteren, radial verlaufenden Wand (14V) mit einem hinteren, äußeren Haken (16V), der dazu vorgesehen ist, in axialer Richtung mit einer entsprechenden hinteren Ausklinkung (17V) des Hochdruckturbinengehäuses (1) des Turbotriebwerks in Eingriff zu kommen, – einem hinteren, inneren Haken (18V), der dazu vorgesehen ist, an dem entsprechenden Ringsektor (12) befestigt zu werden, und – einer länglichen Leiste (20), die außen an der Wand befestigt ist und an ihrem vorderen, nach außen hervorstehendem Ende (21) eine äußere, radial wirkende Anlagefläche (22) aufweist, die sich in Anlage an der Innenseite (1I) des Hochdruckturbinengehäuses (1) des Turbotriebwerks befindet und auf diese einen Schub ausübt, wenn der Stützträgersektor (14) sich an seinem Platz befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiste (20) vorn an der Seite der vorderen Wand (14M) befestigt ist, die radial wirkende Anlagefläche (22) des Endes (21) der vorderen Leiste (20) nicht kontinuierlich verläuft, sondern durch Aussparungen (23) getrennt ist, so dass die Gase hindurch gelangen können.
Stützträgersektor (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er an dem äußeren Ende der vorderen Wand (14M) eine Positionier-Ausklinkung (25) enthält, um einen Drehsperrstift (27) aufzunehmen, der in ein Loch (28) des Hochdruckturbinengehäuses (1) eindringt.
Stützträgersektor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (23) am äußeren Ende der vorderen Wand (14M) weniger tief sind als die überstehende Länge des Sperrstifts (27), um für den Einbau ein Winkel-Unverwechselbarkeitsmittel zu bilden.