EP3587739A1 - Mantelringanordnung für eine strömungsmaschine - Google Patents

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EP3587739A1
EP3587739A1 EP19182756.7A EP19182756A EP3587739A1 EP 3587739 A1 EP3587739 A1 EP 3587739A1 EP 19182756 A EP19182756 A EP 19182756A EP 3587739 A1 EP3587739 A1 EP 3587739A1
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EP
European Patent Office
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ring
segment
segments
arrangement
jacket
Prior art date
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Pending
Application number
EP19182756.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Feldmann
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • the present invention relates to a jacket ring arrangement for a turbomachine.
  • the turbomachine can, for example, be a jet engine, e.g. B. a turbofan engine.
  • the fluid machine is functionally divided into a compressor, combustion chamber and turbine.
  • the air drawn in is compressed by the compressor and burned in the downstream combustion chamber with added kerosene.
  • the resulting hot gas a mixture of combustion gas and air, flows through the downstream turbine and is expanded in the process.
  • the turbine is typically subdivided into several modules, so it can have, for example, a high-pressure and a low-pressure turbine module.
  • Each of the turbine modules then generally comprises a number of stages, each stage being composed of a guide vane ring and a rotor blade ring which follows downstream.
  • the jacket ring arrangement in question comprises a housing part and a jacket ring segment which is mounted radially on the inside of the housing part.
  • the casing ring segment delimits the gas channel radially outward, specifically at the axial height of a rotor blade ring.
  • the jacket ring segment can be equipped, for example, with a sealing system or an inlet lining, along which the rotor blades of the ring graze with their outer cover bands. This should, such as. B. also the reference to a jet engine, illustrate the present subject, but initially not restrict it in its generality.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous casing ring arrangement.
  • the object relates to the attachment or assembly of the jacket ring segment to the housing part, which is done with a segment ring.
  • This segment ring is or is assembled from the radially inside with a positive locking element of the housing part.
  • the segment ring is circumferentially divided into a plurality of segments, which are handled individually and can therefore be assembled one after the other from radially inside to radially outside with the form-locking element of the housing part.
  • the fully assembled segment ring is held on the housing part in an axially positive manner.
  • the segment ring also forms a support on which the jacket ring segment is seated and is thus supported radially inwards.
  • the approach according to the invention can initially be advantageous for thermal reasons.
  • the shielding of the housing can be improved, and the support of the jacket ring segment can also be better sealed off from the gas channel.
  • comparatively high thermal gradients would also occur on this or in the housing, which can limit the service life.
  • the jacket ring segment itself could also bring a suspension element at its front end, which is positively mounted on the housing part instead of the segment ring.
  • the jacket ring segment would have to be provided as a casting with a corresponding thickness in order to create a sufficiently stable suspension element.
  • the jacket ring segment can preferably be designed as a sheet metal part (see below), which offers cost and weight advantages. Due to the greater weight, a casting is also in its extension limited in the direction of circulation, there would be a larger number of impacts over the entire circulation (heating in the narrow gaps).
  • a jacket ring segment with an integral suspension element is also comparatively complex and cost-intensive, which can be disadvantageous with regard to manufacture and also maintenance.
  • An inlet seal can be arranged on the casing ring segment, into which the rotor blades or outer sealing fins of the rotor blades can run.
  • axially generally relates to the longitudinal axis of the turbine module, and thus therefore the longitudinal axis of the turbomachine, which coincides, for example, with an axis of rotation of the rotors.
  • Rotary relates to the radial directions pointing away from it, and a “rotation” or “circumferential” or the “rotation direction” relates to the rotation about the longitudinal axis.
  • Forward and “rear” refer to the axial flow direction component of the hot gas, so this passes “front” parts axially in front of “rear” parts.
  • “one” and “one” are to be read as indefinite articles without expressly stated otherwise and therefore always as “at least one” or "at least one”.
  • the jacket ring segment is supported with its axially front end on the segment ring, with its axially rear end it preferably lies on the outer shroud of the following guide vane ring.
  • a module is usually assembled from axially front to axially rear, in the present case, for example, the segment ring can first be mounted on the housing part and the jacket ring segment can then be inserted.
  • assembly or disassembly from the front axially is also possible with the segmented segment ring. This can be particularly advantageous when overhauling the turbomachine, see below in detail.
  • the segment ring or its segments can be produced from a forged ring, for example, by turning and milling.
  • the segments can also be cast parts (in connection with a reworking of the functional surfaces).
  • additive manufacturing is also possible, ie the segment ring or segments can be built additively layer by layer from a previously formless or neutral material.
  • the segment ring can, for example, form an inverted T-shape at its radially inner end. Its inner circumferential surface can preferably form a seal to an axially upstream gas channel component, for example, represent a piston ring running surface.
  • the assembled segment ring is held on the form-fitting element in an axially positive manner.
  • the positive locking element of the housing part z. B. be a radially inward open groove in which the segment ring engages with a radially protruding web.
  • the arrangement is exactly the reverse, that is to say the form-locking element of the housing part is a web projecting radially inwards and seated in a receptacle of the segment ring which is open radially outwards.
  • the individual segments of the segment ring are or are pushed radially outward onto the web of the housing part.
  • the segments can each be U-shaped in a radially outer section, the U-shape is pushed onto the web.
  • the web of the housing part viewed in an axial section, extends at an angle of at most 30 ° to the radial direction, with at most 20 ° or 10 ° being further preferred.
  • the smaller of two angles is considered here, which includes a straight line in the axial section in the web with the radial direction.
  • the web is preferably perpendicular to the longitudinal axis, so the angle is 0 °. This can be the design and also simplify the assembly, although in general an assembly from the inside is still possible even with an inclined web, as long as the assembly play and the elasticity of the segments can bridge undercuts (which result with increasing angle).
  • a securing ring is provided, on which the segments of the segment ring are supported in a radially inward manner.
  • the locking ring presses the segments radially outward into contact with the form-locking element.
  • the locking ring can extend uninterrupted in the circumferential direction.
  • a radial locking of the segments with or via a housing part is generally also conceivable, for example an axially upstream housing part could provide a corresponding fixation of the segments.
  • the retaining ring which is closed all the way round (continuous without interruption), is pressed axially into a receptacle in the segment ring.
  • the receptacle preferably faces the front axially, that is to say the retaining ring is pressed in axially to the rear.
  • the retaining ring is held in the receptacle by a press fit.
  • the segment ring forms a radially protruding projection on the receptacle, behind which the retaining ring is held in an axially positive manner.
  • This projection is preferably formed on an inner wall surface of the segment ring pointing radially inwards, against which the securing ring used rests with an outer wall surface.
  • the projection is dimensioned such that the locking ring can be pressed in axially, but is then secured axially in the opposite direction. This is preferably supported by an inclined flank (sawtooth profile), along which the locking ring slides when pressed in.
  • the jacket ring segment is a sheet metal part, which can be advantageous, for example, in terms of costs (first production and also maintenance), but also in terms of weight.
  • a seal can be attached radially on the inside of the sheet metal part be (e.g. soldered on), such as a so-called honeycomb seal.
  • a sheet metal part is not mandatory, and many of the advantages mentioned (for example, mountability "from the front") can also be achieved with a jacket ring segment produced as a cast part or generatively.
  • At least one of the segments has abutting edges that are parallel to one another when viewed in the axial direction.
  • the segment with the mutually parallel abutting edges can also be pushed in or pushed on when the all-round neighboring segments are already arranged in their assembly position.
  • the segment can be inserted along an insertion direction parallel to its abutting edges. In the direction of insertion, the segment is brought into its position in the segment ring.
  • the mutually parallel abutting edges are preferably oriented such that they or their extensions towards the opposite side of the segment ring surround the center of the circle of the segment ring in the center.
  • every second segment has mutually parallel abutting edges in the circumferential direction.
  • the segments with the abutting edges parallel to each other are preferably identical to one another and the complementary segments arranged between them are also identical to one another, so that the entire segment ring can be constructed with only two different segment types.
  • the segments are or are set up in such a way that the segment ring can ideally be constructed from only a single segment ring type.
  • This can be achieved with a butt edge, which in Axial direction is oriented obliquely to the radial direction.
  • the oblique butt edge forms an angle ⁇ of at least 85 ° and at most 110 ° with a connecting line that extends diagonally through the segment to the outer corner of the oblique butt edge.
  • Further preferred upper limits are at most 100 ° or 95 °, further preferred lower limits are (irrespective of this) at least 88 ° or 90 ° (in the order in which they are mentioned increasingly preferred).
  • the segment can also be used when the circumferentially next-adjacent segments are already arranged in their assembly position.
  • the segment can first be brought into position with the opposite butt edge and then, as it were, turned into a system with the oblique butt edge, cf. Figure 4 for illustration.
  • all segments are identical to one another, that is to say rotationally symmetrical about the longitudinal axis. Keeping and assembling just one type of segment ring can simplify assembly and warehousing.
  • a sealing insert preferably a sealing plate, is used on a joint where two segments adjoin one another with their abutting edges.
  • a pocket open to the joint is provided in each of these two segments; the sealing insert is held axially therein and extends over the joint. So that these segments can still be assembled from the radially inside, one of the pockets is preferably open radially outwards.
  • the sealing insert is then placed in the other pocket, which is closed radially inwards and outwards, and when the other segment is positioned, it slides into the pocket, which is open radially outwards.
  • the invention also relates to a turbine module with a jacket ring arrangement disclosed herein.
  • a rotor blade ring is arranged radially within the casing ring segment.
  • the turbine module preferably has an axially downstream guide vane ring, on the outer shroud of which the jacket ring segment rests with its axially rear end (supported radially inward).
  • the jacket ring arrangement with the jacket ring segment is preferably part of the axially foremost stage of the module because it is possible to remove it axially from the front.
  • other or all stages of the turbine module can also be equipped with a jacket ring arrangement according to the invention.
  • the invention also relates to a method for overhauling a corresponding turbine module, the jacket ring segment being removed from the front axially by removing the segment ring.
  • the individual modules (low pressure or high pressure etc.) of the turbine can be separated from one another comparatively easily, so that each module is accessible from the axially front and axially rear. Accessibility from the front axially can also be advantageous insofar as axially front components can be subjected to greater loads.
  • the invention also relates to the use of a corresponding turbine module or a jacket ring arrangement disclosed in a turbomachine, in particular in a jet engine, for example a jacket power engine.
  • Fig. 1 shows a turbomachine 1, specifically a turbofan engine, in an axial section.
  • the flow machine 1 is functionally divided into a compressor 1a, a combustion chamber 1b and a turbine 1c.
  • Both the compressor 1a and the turbine 1c are each made up of several stages, each stage being composed of a guide vane ring and a subsequent rotor blade ring.
  • the rotor blades rotate during operation about the longitudinal axis 2 of the turbomachine 1.
  • the air sucked in is compressed in the compressor 1a and then burned in the downstream combustion chamber 1b with added kerosene.
  • the hot gas flows through the hot gas duct 3 and drives the rotor blades, which rotate about the longitudinal axis 2.
  • Fig. 2 shows a jacket ring arrangement 20, which is provided as part of a module of the turbine 1c. It has a housing part 21 and a jacket ring segment 22, on which a seal 23 is arranged radially on the inside, in the present case an inlet coating in the form of a honeycomb seal.
  • the jacket ring segment 22 surrounds the blades 24 radially outward.
  • a segment ring 25 is provided, which is divided into a plurality of segments in the circumferential direction (cf. Fig. 3 and 4 ).
  • the individual segments of the segment ring 25 are assembled from the inside radially with a form-locking element 26 of the housing part 21.
  • the form-locking element 26 is provided in the present case as a radially inwardly projecting housing web onto which the segments of the segment ring 25 are pushed until the housing web finds a radial contact in a receptacle 25a of the segment ring 25.
  • the segments of the segment ring are then also held in an axially positive manner.
  • the segment ring 25 forms a support 27 which supports the jacket ring segment 22 radially inward at its axially front end.
  • a locking ring 28 is used to hold the segments of the segment ring 25 radially in position. This extends circumferentially without interruption and is pressed axially into a receptacle 29 of the segment ring 25. In the receptacle 29, it is held axially positively behind a projection 30.
  • a bore 31 is provided in the form-locking element 26 or the housing web of the housing part 21, which can be used (and is optional) for supplying a cooling fluid.
  • the shielding plates 32 arranged radially between the housing part 21 and the casing ring segment 22 are optional; the approach according to the invention could also be realized with an insulating material or the like between the housing part 21 and the casing ring segment 22.
  • Fig. 3 shows the segment ring 25 in a section perpendicular to the longitudinal axis 2 (for the sake of clarity without hatching), namely a section of the segment ring with some segments 35, 36.
  • the segments 35, 36 each have abutting edges 35a, 36a with which they adjoin one another.
  • the segment ring 25 is constructed from two types of segment rings. On the one hand there are the segments 35, the abutting edges 35a of each segment 35 are parallel to one another. These segments 35 and the complementary segments 36 follow one another alternately. Due to the mutually parallel abutting edges 35a, the segments 35 can each be pushed into their installation position in an insertion direction 37; the next neighboring segments 36 are brought into position beforehand.
  • Fig. 4 points to Fig. 3 alternative segments 40, with which the entire segment ring 25 can be constructed from a single segment ring type.
  • a butt edge 40a is inclined in such a way that it forms an angle ⁇ of around 90 ° with a connecting line 41.
  • the opposite abutting edge 40b is complementarily oblique, it forms an obtuse angle on an inner peripheral surface 42 of the segment ring and an acute angle on the outer peripheral surface 43.
  • a corresponding segment 40 can first be hooked in with the abutting edge 40b if the circumferentially next adjacent segments 40 are already in the assembly position. The segment 40 is then screwed into its assembly position.
  • sealing inserts 46 are provided on the joints 45.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mantelringanordnung (20) für eine Strömungsmaschine (1), mit einem Gehäuseteil (21), einem Mantelringsegment (22), welches, jeweils bezogen auf eine Längsachse (2) der Strömungsmaschine (1), dazu vorgesehen ist, einen Laufschaufelkranz nach radial außen einzufassen und dazu radial innerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist, und mit einem umlaufend in Segmente (35, 36, 40) unterteilten Segmentring (25), mit welchem das Mantelringsegment (22) an dem Gehäuseteil (21) befestigt ist, wobei der Segmentring (25) axial formschlüssig an einem Formschlusselement (26) des Gehäuseteils (21) angeordnet ist, wozu ein jeweiliges Segment (35, 36, 40) des Segmentrings (25) jeweils nach radial außen mit dem Formschlusselement (26) zusammengesetzt ist, und wobei der Segmentring (25) eine Auflage (27) bildet, auf welcher das Mantelringsegment (22) mit einem axial vorderen Ende nach radial innen abgestützt aufsitzt.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mantelringanordnung für eine Strömungsmaschine.
    • Stand der Technik
  • Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Die Turbine ist typischerweise in mehrere Module untergliedert, kann also bspw. ein Hochdruck- und ein Niederdruckturbinenmodul aufweisen. Jedes der Turbinenmodule umfasst dann in der Regel mehrere Stufen, wobei jede Stufe aus einem Leitschaufelkranz und einem stromab darauffolgenden Laufschaufelkranz aufgebaut ist.
  • Die vorliegend in Rede stehende Mantelringanordnung umfasst ein Gehäuseteil und ein Mantelringsegment, das radial innen an dem Gehäuseteil montiert ist. In einem vollständig aufgebauten Modul begrenzt das Mantelringsegment den Gaskanal nach radial außen, und zwar auf axialer Höhe eines Laufschaufelkranzes. Demensprechend kann das Mantelringsegment bspw. mit einem Dichtsystem bzw. einem Einlaufbelag ausgestattet sein, entlang dem die Laufschaufeln des Kranzes mit ihren Außendeckbändem streifen. Dies soll, wie z. B. auch die Bezugnahme auf ein Strahltriebwerk, den vorliegenden Gegenstand illustrieren, ihn aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Mantelringanordnung anzugeben.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit der Mantelringanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Konkret betrifft der Gegenstand die Befestigung bzw. Montage des Mantelringsegments an dem Gehäuseteil, die mit einem Segmentring erfolgt. Dieser Segmentring wird bzw. ist von radial innen mit einem Formschlusselement des Gehäuseteils zusammengesetzt. Hierfür ist der Segmentring umlaufend in eine Mehrzahl Segmente unterteilt, die jeweils für sich gehandhabt und somit nacheinander von radial innen nach radial außen mit dem Formschlusselement des Gehäuseteils zusammengesetzt werden können. Der fertig montierte Segmentring ist axial formschlüssig an dem Gehäuseteil gehalten.
  • Der Segmentring bildet ferner eine Auflage, auf welcher das Mantelringsegment aufsitzt und damit nach radial innen abgestützt ist. Gegenüber einem alternativ denkbaren Lösungsansatz, nämlich einem Mantelringsegment, das direkt auf einem Gehäusehaken des Gehäuseteils selbst auf liegt, kann der erfindungsgemäße Ansatz zunächst aus thermischen Gründen von Vorteil sein. Es kann insbesondere die Abschirmung des Gehäuses verbessert sein, und auch die Auflage des Mantelringsegments kann zum Gaskanal hin besser abgedichtet werden. Ferner würden bei einer Lösung mit "Gehäusehaken" an diesem bzw. im Gehäuse auch vergleichsweise hohe Thermalgradienten anfallen, was die Lebensdauer limitieren kann.
  • Alternativ zum vorliegenden Gegenstand könnte ferner auch das Mantelringsegment selbst an seinem vorderen Ende ein Aufhängungselement mitbringen, das anstelle des Segmentrings formschlüssig am Gehäuseteil montiert wird. Dies kann jedoch bereits insoweit nachteilig sein, als das Mantelringsegment hierfür, um ein hinreichend stabiles Aufhängungselement zu schaffen, als Gussteil mit entsprechender Dicke vorgesehen werden müsste. Vorliegend kann das Mantelringsegment hingegen bevorzugt als Blechteil ausgestaltet sein (siehe unten), was Kosten- und Gewichtsvorteile bietet. Aufgrund des größeren Gewichts ist ein Gussteil auch in seiner Erstreckung in Umlaufrichtung limitiert, gäbe es über den gesamten Umlauf also eine größere Zahl an Stößen (Aufheizung in den engen Spalten). Ferner ist ein Mantelringsegment mit integralen Aufhängungselement auch vergleichsweise komplex und kostenintensiv, was hinsichtlich Herstellung und auch Wartung nachteilig sein kann.
  • Am Mantelringsegment kann eine Einlaufdichtung angeordnet sein, in welche die Laufschaufeln bzw. äußere Dichtfinnen der Laufschaufeln einlaufen können.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Beschreibung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs-, Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Sie betrifft also insbesondere stets sowohl die Mantelringanordnung als auch ein Modul bzw. Turbinenmodul mit einer solchen, sowie auch entsprechende Verwendungen.
  • Generell bezieht sich im Rahmen dieser Offenbarung "axial" auf die Längsachse des Turbinenmoduls, mithin also die Längsachse der Strömungsmaschine, die bspw. mit einer Drehachse der Rotoren zusammenfällt. "Radial" betrifft die dazu senkrechten, davon weg weisenden Radialrichtungen, und ein "Umlauf" bzw. "umlaufend" oder die "Umlaufrichtung" betreffen die Drehung um die Längsachse. "Vorne" und "hinten" beziehen sich auf die axiale Strömungsrichtungskomponente des Heißgases, dieses passiert also "vordere" Teile axial vor "hinteren" Teilen. "Ein" und "eine" sind im Rahmen dieser Offenbarung ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe als unbestimmte Artikel und damit immer auch als "mindestens ein" bzw. "mindestens eine" zu lesen.
  • Das Mantelringsegment stützt sich mit seinem axial vorderen Ende an dem Segmentring ab, mit seinem axial hinteren Ende liegt es bevorzugt am Außendeckband des darauffolgenden Leitschaufelkranzes auf. Im Zuge der Erstherstellung wird ein Modul üblicherweise von axial vorne nach axial hinten aufgebaut, vorliegend kann also bspw. zunächst der Segmentring am Gehäuseteil montiert und kann anschließend das Mantelringsegment eingelegt werden. Ein besonderer Vorteil vorliegend liegt jedoch darin, dass mit dem segmentierten Segmentring auch eine Montage bzw. Demontage von axial vorne möglich ist. Dies kann insbesondere bei einer Überholung der Strömungsmaschine von Vorteil sein, siehe unten im Detail.
  • Der Segmentring bzw. dessen Segmente können bspw. durch Drehen und Fräsen aus einem Schmiedering hergestellt werden. Die Segmente können aber auch Gussteile sein (in Verbindung mit einer Nachbearbeitung der Funktionsflächen). Schließlich ist auch eine generative Herstellung möglich, kann der Segmentring bzw. können die Segmente also additiv Schicht für Schicht aus einem zuvor formlosen bzw. - neutralen Werkstoff aufgebaut werden. Der Segmentring kann in einem Axialschnitt betrachtet an seinem radial inneren Ende bspw. eine umgekehrte T-Form bilden. Seine Innenumfangsfläche kann bevorzugt eine Dichtung zu einem axial vorgelagerten Gaskanalbauteil bilden, bspw. eine Kolbenringlauffläche darstellen.
  • Der montierte Segmentring ist an dem Formschlusselement axial formschlüssig gehalten. Dazu kann das Formschlusselement des Gehäuseteils z. B. eine nach radial innen offene Nut sein, in welche der Segmentring mit einem nach radial außen hervortretenden Steg eingreift.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist die Anordnung genau umgekehrt, ist also das Formschlusselement des Gehäuseteils ein nach radial innen hervortretender Steg, der in einer nach radial außen offenen Aufnahme des Segmentrings sitzt. Die einzelnen Segmente des Segmentrings werden bzw. sind nach radial außen auf den Steg des Gehäuseteils aufgeschoben. In Axialschnitten betrachtet können die Segmente jeweils in einem radial äußeren Abschnitt U-förmig sein, die U-Form wird auf den Steg aufgeschoben.
  • In bevorzugter Ausgestaltung erstreckt sich der Steg des Gehäuseteils in einem Axialschnitt betrachtet unter einem Winkel von höchstens 30° zur radialen Richtung, wobei höchstens 20° bzw. 10° weiter bevorzugt sind. Betrachtet wird hierbei der kleinere von zwei Winkeln, die eine in dem Axialschnitt in den Steg gelegte Gerade mit der radialen Richtung einschließt. Bevorzugt liegt der Steg in dem Axialschnitt betrachtet senkrecht zur Längsachse, beträgt der Winkel also 0°. Dies kann das Design und auch den Zusammenbau vereinfachen, wenngleich im Allgemeinen auch mit einem schrägen Steg noch eine Montage von innen möglich ist, solange das Montagespiel und die Elastizität der Segmente Hinterschnitte überbrücken können (die sich mit zunehmendem Winkel ergeben).
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Sicherungsring vorgesehen, an dem die Segmente des Segmentrings nach radial innen abgestützt aufsitzen. Der Sicherungsring drückt die Segmente nach radial außen in eine Anlage an dem Formschlusselement. Dazu kann sich der Sicherungsring in Umlaufrichtung unterbrechungsfrei erstrecken. Alternativ zu einem Sicherungsring ist im Allgemeinen auch eine Radialsicherung der Segmente mit bzw. über ein Gehäuseteil denkbar, könnte also bspw. ein axial vorgelagertes Gehäuseteil eine entsprechende Fixierung der Segmente schaffen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist der Sicherungsring, der umlaufend in sich geschlossen (unterbrechungsfrei durchgehend) ist, axial in eine Aufnahme in dem Segmentring eingepresst. Mit Blick auf die bevorzugte Montier- bzw. Demontierbarkeit von axial vorne ist die Aufnahme bevorzugt nach axial vorne gewandt, der Sicherungsring also nach axial hinten eingepresst. Der Sicherungsring ist in der Aufnahme durch einen Presssitz gehalten.
  • In bevorzugter Ausgestaltung bildet der Segmentring an der Aufnahme einen radial hervortretenden Vorsprung, hinter dem der Sicherungsring axial formschlüssig gehalten ist. Bevorzugt ist dieser Vorsprung an einer nach radial innen weisenden Innenwandfläche des Segmentrings ausgebildet, an welcher der eingesetzte Sicherungsring mit einer Außenwandfläche anliegt. Der Vorsprung ist derart bemessen, dass der Sicherungsring axial eingepresst werden kann, dann aber axial entgegengesetzt gesichert ist. Bevorzugt wird dies durch eine schräg angestellte Flanke (Sägezahnprofil) unterstützt, entlang welcher der Sicherungsring beim Einpressen rutscht.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Mantelringsegment ein Blechteil, was bspw. in Kostenhinsicht (Erstherstellung und auch Wartung), aber auch das Gewicht betreffend von Vorteil sein kann. Radial innen an dem Blechteil kann eine Dichtung befestigt sein (z. B. angelötet), etwa eine sogenannte Honigwabendichtung. Im Allgemeinen ist ein Blechteil indes nicht zwingend und lassen sich viele der genannten Vorteile (z. B. Montierbarkeit "von vorne") auch mit einem als Gussteil oder generativ hergestellten Mantelringsegment erreichen.
  • Die im Folgenden geschilderten Ausführungsformen betreffen die Orientierung bzw. Erstreckung der Stoßkanten, mit welchen die Segmente des Segmentrings in Umlaufrichtung aneinandergrenzen. Zwei umlaufend nächstbenachbarte Segmente haben an einem jeweiligen Stoß zueinander komplementäre Stoßkanten.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat zumindest eines der Segmente Stoßkanten, die in axialer Richtung gesehen parallel zueinander liegen. Beim Zusammensetzen des Segmentrings, wenn also die einzelnen Segmente nacheinander nach radial außen eingesetzt werden, lässt sich das Segment mit den zueinander parallelen Stoßkanten auch ein- bzw. aufschieben, wenn die umlaufend nächstbenachbarten Segmente bereits in ihrer Montageposition angeordnet sind. Das Segment kann entlang einer zu seinen Stoßkanten parallelen Einsetzrichtung eingeschoben werden. In der Einsetzrichtung wird das Segment in seine Position im Segmentring gebracht. Bezogen auf den Segmentring im Gesamten sind die zueinander parallelen Stoßkanten bevorzugt derart orientiert, dass sie bzw. ihre Verlängerungen zur gegenüberliegenden Seite des Segmentrings hin den Kreismittelpunkt des Segmentrings mittig einfassen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung hat in Umlaufrichtung jedes zweite Segment jeweils für sich zueinander parallele Stoßkanten. Bevorzugt sind die Segmente mit den je Segment zueinander parallelen Stoßkanten untereinander baugleich und sind auch die dazwischen angeordneten, komplementären Segmente untereinander baugleich, sodass der gesamte Segmentring mit nur zwei unterschiedlichen Segmenttypen aufgebaut werden kann.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist bzw. sind die Segmente derart gefasst, dass der Segmentring im Idealfall aus sogar nur einem einzigen Segmentringtyp aufgebaut werden kann. Dies lässt sich mit einer Stoßkante erreichen, die in axialer Richtung gesehen schräg zur Radialrichtung orientiert ist. Konkret schließt die schräge Stoßkante mit einer Verbindungslinie, die sich diagonal durch das Segment zur äußeren Ecke der schrägen Stoßkante erstreckt, einen Winkel α von mindestens 85° und höchstens 110° ein. Weitere bevorzugte Obergrenzen liegen bei höchstens 100° bzw. 95°, weitere bevorzugte Untergrenzen liegen (davon unabhängig) bei mindestens 88° bzw. 90° (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Durch eine entsprechende Begrenzung des Winkels α lässt sich das Segment auch dann einsetzen, wenn die umlaufend nächstbenachbarten Segmente bereits in ihrer Montageposition angeordnet sind. Das Segment kann hierbei zunächst mit der entgegengesetzten Stoßkante in Position gebracht und dann gewissermaßen in eine Anlage mit der schrägen Stoßkante hineingedreht werden, vgl. Figur 4 zur Illustration.
  • In bevorzugter Ausgestaltung sind sämtliche Segmente baugleich zueinander, also drehsymmetrisch um die Längsachse. Das Vorhalten und Montieren von nur einem einzigen Segmentringtyp kann die Montage und die Lagerhaltung vereinfachen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an einem Stoß, an dem zwei Segmente mit ihren Stoßkanten aneinandergrenzen, ein Dichteinsatz eingesetzt, vorzugsweise ein Dichtblech. Dazu ist in jedem dieser beiden Segmente eine zu dem Stoß offene Tasche vorgesehen; der Dichteinsatz ist darin axial gehalten und erstreckt sich über den Stoß hinweg. Damit diese Segmente trotzdem noch von radial innen her zusammengesetzt werden können, ist eine der Taschen bevorzugt nach radial außen offen. Bei der Montage wird der Dichteinsatz dann in der anderen Tasche platziert, die nach radial innen und außen geschlossen ist, beim Positionieren des anderen Segments rutscht er dann in die nach radial außen offene Tasche.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Turbinenmodul mit einer vorliegend offenbarten Mantelringanordnung. Radial innerhalb des Mantelringsegments ist ein Laufschaufelkranz angeordnet. Bevorzugt weist das Turbinenmodul axial nachgelagert einen Leitschaufelkranz auf, auf dessen Außendeckband das Mantelringsegment mit seinem axial hinteren Ende aufsitzt (nach radial innen abgestützt). Bevorzugt ist die Mantelringanordnung mit dem Mantelringsegment Teil der axial vordersten Stufe des Moduls, weil damit ein Ausbau von axial vorne möglich ist. Selbstverständlich können jedoch auch andere bzw. sämtliche Stufen des Turbinenmoduls mit einer erfindungsgemäßen Mantelringanordnung ausgestattet sein.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Überholen eines entsprechenden Turbinenmoduls, wobei das Mantelringsegment durch Demontieren des Segmentrings von axial vorne ausgebaut wird. Die einzelnen Module (Niederdruck bzw. Hochdruck etc.) der Turbine lassen sich vergleichsweise einfach voneinander trennen, womit jedes Modul von axial vorne und axial hinten zugänglich ist. Die Zugänglichkeit von axial vorne kann auch insoweit von Vorteil sein, als axial vordere Bauteile stärker belastet sein können.
  • Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines entsprechenden Turbinenmoduls bzw. einer vorliegend offenbarten Mantelringanordnung in einer Strömungsmaschine, insbesondere in einem Strahltriebwerk, bspw. einem Mantelstromtriebwerk.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
  • Im Einzelnen zeigt
    • Figur 1
    ein Mantelstromtriebwerk in einem Axialschnitt;
    Figur 2
    eine erfindungsgemäße Mantelringanordnung als Teil des Mantelstromtriebwerks gemäß Figur 1 in einem Axialschnitt;
    Figur 3
    einen Ausschnitt eines Segmentrings der Anordnung gemäß Figur 2 in einem Schnitt senkrecht zur axialen Richtung;
    Figur 4
    als Alternative zu Figur 3 eine weitere Möglichkeit zur Orientierung der Stoßkanten der einzelnen Segmente.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt eine Strömungsmaschine 1, konkret ein Mantelstromtriebwerk, in einem Axialschnitt. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich aus einem Leit- und einem darauffolgenden Laufschaufelkranz zusammen. Die Laufschaufelkränze rotieren im Betrieb um die Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1. Im Verdichter 1a wird die angesaugte Luft komprimiert, und dann in der nachgelagerten Brennkammer 1b mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das Heißgas durchströmt den Heißgaskanal 3 und treibt dabei die Laufschaufelkränze an, die um die Längsachse 2 rotieren.
  • Fig. 2 zeigt eine Mantelringanordnung 20, die als Teil eines Moduls der Turbine 1c vorgesehen ist. Sie weist ein Gehäuseteil 21 und ein Mantelringsegment 22 auf, an dem radial innen eine Dichtung 23 angeordnet ist, vorliegend ein Einlaufbelag in Form einer Honigwabendichtung. Das Mantelringsegment 22 fasst die Laufschaufeln 24 nach radial außen ein.
  • Zur Montage des Mantelringsegments 22 an dem Gehäuseteil 21 ist ein Segmentring 25 vorgesehen, der in Umlaufrichtung in eine Mehrzahl Segmente untergliedert ist (vgl. Fig. 3 und 4). Die einzelnen Segmente des Segmentrings 25 werden von radial innen mit einem Formschlusselement 26 des Gehäuseteils 21 zusammengesetzt. Das Formschlusselement 26 ist vorliegend als nach radial innen hervortretender Gehäusesteg vorgesehen, auf den die Segmente des Segmentrings 25 aufgeschoben werden, bis der Gehäusesteg in einer Aufnahme 25a des Segmentrings 25 eine radiale Anlage findet. Die Segmente des Segmentrings sind dann auch axial formschlüssig gehalten. Der Segmentring 25 bildet eine Auflage 27, die das Mantelringsegment 22 an seinem axial vorderen Ende nach radial innen abstützt. Um die Segmente des Segmentrings 25 radial in Position zu halten, ist ein Sicherungsring 28 eingesetzt. Dieser erstreckt sich umlaufend unterbrechungsfrei und wird axial in eine Aufnahme 29 des Segmentrings 25 eingepresst. In der Aufnahme 29 ist er hinter einem Vorsprung 30 axial formschlüssig gehalten.
  • In dem Formschlusselement 26 bzw. dem Gehäusesteg des Gehäuseteils 21 ist eine Bohrung 31 vorgesehen, die zum Zuführen eines Kühlfluids genutzt werden kann (und optional ist). Ferner sind auch die radial zwischen dem Gehäuseteil 21 und dem Mantelringsegment 22 angeordneten Abschirmbleche 32 optional, der erfindungsgemäße Ansatz ließe sich ebenso mit einem Isoliermaterial oder dergleichen zwischen dem Gehäuseteil 21 und dem Mantelringsegment 22 realisieren.
  • Fig. 3 zeigt den Segmentring 25 in einem zur Längsachse 2 senkrechten Schnitt (der Übersichtlichkeit halber ohne Schraffur), und zwar einen Ausschnitt des Segmentrings mit einigen Segmenten 35, 36. Die Segmente 35, 36 haben umlaufseitig jeweils Stoßkanten 35a, 36a, mit denen sie aneinandergrenzen. Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 ist der Segmentring 25 aus zwei Segmentringtypen aufgebaut. Es gibt einerseits die Segmente 35, deren Stoßkanten 35a je Segment 35 parallel zueinander liegen. Diese Segmente 35 und die komplementären Segmente 36 folgen abwechselnd aufeinander. Aufgrund der zueinander parallelen Stoßkanten 35a können die Segmente 35 jeweils in einer Einschieberichtung 37 in ihre Montageposition geschoben werden, zuvor werden die nächstbenachbarten Segmente 36 in Position gebracht.
  • Fig. 4 zeigt zu Fig. 3 alternative Segmente 40, mit denen der gesamte Segmentring 25 aus einem einzigen Segmentringtyp aufgebaut werden kann. Dazu liegt eine Stoßkante 40a derart schräg, dass sie mit einer Verbindungslinie 41 einen Winkel α von rund 90° einschließt. Die entgegengesetzte Stoßkante 40b ist komplementär schräg, sie bildet an einer Innenumfangsfläche 42 des Segmentrings einen stumpfen Winkel und an der Außenumfangsfläche 43 einen spitzen Winkel. Beim Einsetzen kann ein entsprechendes Segment 40, wenn die umlaufend nächstbenachbarten Segmente 40 bereits Montageposition sind, zunächst mit der Stoßkante 40b eingehakt werden. Anschließend wird das Segment 40 seine Montageposition hineingedreht.
  • Unabhängig von der Gestaltung der Segmente 35, 40 im Einzelnen, sind an den Stößen 45 jeweils Dichteinsätze 46 vorgesehen. BEZUGSZEICHENLISTE
    Strömungsmaschine 1
     Verdichter 1a
     Brennkammer 1b
     Turbine 1c
    Längsachse 2
    Heißgaskanal 3
    Mantelringanordnung 20
    Gehäuseteil 21
    Mantelringsegment 22
    Dichtung 23
    Laufschaufel 24
    Segmentring 25
     Aufnahme 25a
    Formschlusselement 26
    Auflage 27
    Sicherungsring 28
    Aufnahme 29
    Vorsprung 30
    Bohrung 31
    Abschirmbleche 32
    Segment 35
     Stoßkante 35a
    Segment 36
     Stoßkante 36a
    Segment 40
     Stoßkanten 40a,b
    Verbindungslinie 41
    Innenumfangsfläche 42
    Außenumfangsfläche 43

Claims (15)

  1. Mantelringanordnung (20) für eine Strömungsmaschine (1), mit
    einem Gehäuseteil (21),
    einem Mantelringsegment (22), welches, jeweils bezogen auf eine Längsachse (2) der Strömungsmaschine (1), dazu vorgesehen ist, einen Laufschaufelkranz nach radial außen einzufassen und dazu radial innerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist, und
    mit einem umlaufend in Segmente (35, 36, 40) unterteilten Segmentring (25), mit welchem das Mantelringsegment (22) an dem Gehäuseteil (21) befestigt ist,
    wobei der Segmentring (25) axial formschlüssig an einem Formschlusselement (26) des Gehäuseteils (21) angeordnet ist, wozu ein jeweiliges Segment (35, 36, 40) des Segmentrings (25) jeweils nach radial außen mit dem Formschlusselement (26) zusammengesetzt ist,
    und wobei der Segmentring (25) eine Auflage (27) bildet, auf welcher das Mantelringsegment (22) mit einem axial vorderen Ende nach radial innen abgestützt aufsitzt.
  2. Mantelringanordnung (20) nach Anspruch 1, bei welcher das Formschlusselement (26) des Gehäuseteils (21) ein nach radial innen hervortretender Steg ist, der in einer nach radial außen offenen Aufnahme (25a) des Segmentrings (25) angeordnet ist.
  3. Mantelringanordnung (20) nach Anspruch 2, bei welcher sich der Steg in einem Axialschnitt betrachtet unter einem Winkel von höchstens 30° zur radialen Richtung erstreckt.
  4. Mantelringanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Sicherungsring (28), von dem die Segmente (35, 36, 40) des Segmentrings (25) nach radial außen in eine Anlage an dem Formschlusselement (26) gedrückt werden.
  5. Mantelringanordnung (20) nach Anspruch 4, bei welcher der Sicherungsring (28), der umlaufend geschlossen vorgesehen ist, axial in eine Aufnahme (29) in dem Segmentring (25) eingepresst ist.
  6. Mantelringanordnung (20) nach Anspruch 5, bei welcher der Sicherungsring (28) in einem Axialschnitt betrachtet in der Aufnahme (29) hinter einem Vorsprung (30) axial formschlüssig gehalten ist.
  7. Mantelringanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Mantelringsegment (22) ein Blechteil ist und/oder bei welcher am Mantelringsegment eine Einlaufdichtung angeordnet ist.
  8. Mantelringanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Segmente (35, 36) des Segmentrings umlaufend mit Stoßkanten (35a, 36a) aneinandergrenzen, wobei zumindest eines (35) der Segmente (35, 36) Stoßkanten (35a) hat, die in axialer Richtung gesehen parallel zueinander liegen.
  9. Mantelringanordnung (20) nach Anspruch 8, bei welcher umlaufend jedes zweite Segment (35) Stoßkanten (35a) hat, die in axialer Richtung gesehen parallel zueinander liegen.
  10. Mantelringanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Segmente (40) des Segmentrings (25) umlaufend mit Stoßkanten (40a,b) aneinandergrenzen, wobei zumindest eines der Segmente (40) eine schräge Stoßkante (40a) hat, die in axialer Richtung gesehen mit einer Verbindungslinie (41), die sich zwischen einem Schnittpunkt der schrägen Stoßkante (40a) mit einer Außenumfangslinie (43) des Segmentrings (25) und einem Schnittpunkt der entgegengesetzten Stoßkante (40b) mit einer Innenumfangslinie (42) des Segmentrings (25) erstreckt, einen Winkel α einschließt, der mindestens 85° und höchstens 110° beträgt.
  11. Mantelringanordnung (20) nach Anspruch 10, bei welcher sämtliche Segmente (40) des Segmentrings zueinander baugleich sind.
  12. Mantelringanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem an einem Stoß (45), an dem zwei Segmente (35, 36, 40) mit ihren Stoßkanten (35a, 36 a, 40 a, 40b) aneinandergrenzen, ein Dichteinsatz (46) angeordnet ist.
  13. Turbinenmodul mit einer Mantelringanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche und mit einem Laufschaufelkranz, den das Mantelringsegment (22) nach radial außen einfasst, wobei die Mantelringanordnung (20) und damit der Segmentring (25) bevorzugt Teil an einer axial vorderen Stufe des Turbinenmoduls sind.
  14. Verfahren zum Überholen eines Turbinenmoduls nach Anspruch 13, bei welchem das Mantelringsegment (22) durch Demontieren des Segmentrings (25) von axial vorne ausgebaut wird.
  15. Verwendung einer Mantelringanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder eines Turbinenmoduls gemäß Anspruch 12 oder 13 in einer Strömungsmaschine (1), insbesondere in einem Strahltriebwerk.
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