DE3003470B1

DE3003470B1 - Turbinenleitschaufelaufhaengung fuer Gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE3003470B1
Application number: DE3003470A
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Ludwig 8052 Moosburg Schweikl; Friedrich Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Sippel; Ing.(grad.) Horst 8031 Seefeld Weiß
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1980-01-31
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1981-06-25
Also published as: US4384822A; SE448486B; SE8008936L; DE3003470C2; JPS6237204B2; FR2475114B1; JPS56151203A; GB2069064A; GB2069064B; FR2475114A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenleitschaufelaufhängung für Gasturbinenstrahltriebwerke, bei der die Leitschaufeln mit ihren äußeren Deckbandsegmenten nahezu starr am äußeren Turbinengehäuse aufgehängt sind, während sie über die Schaufelfußsegmente an einem koaxial zur Turbinenlängsachse angeordneten, ringförmigen Schaufelträger begrenzt radial/axial beweglich sowie in Umfangsrichtung verdrehgesichert aufgehängt sind, der axial beabstandete, radial verlaufende Wandabschnitte aufweist, die mit radial vorstehenden Partien der Schaufelfußsegmente korrespondieren, wobei der — in Richtung der Triebwerkshauptströmung gesehen — vordere Wandabschnitt am ringförmigen Schaufelträger gegen die jeweils eine radial vorstehende Partie der Schaufelfuß-Segmente nach außen auffedernd zur Anlage bringbar ist, um einen zwischen dem vorderen und einem diesem nach geschalteten hinteren Wandabschnitt des Schaufelträgers und den dazwischen liegenden Umfangsflächen des letzteren sowie der betreffenden Schaufelfuß-

K Segmente eingeschlossenen Ringraum abzudichten, der über die im Betrieb gekühlten Leitschaufeln luftbeaufschlagt und dabei ein in dem Ringraum höherer als der in der Umgebung vor dem vorderen Wandabschnitt herrschenden Luftdruck zugrundegelegt ist.

ι·Ί Eine derartige Lösung ist aus der US-PS 38 29 233 bekannt. Hierbei soll der vordere Wandabschnitt mittels der Vorspannkraft mehrerer innerhalb des Ringraums in Umfangsrichtung verteilt sowie jeweils in Achsrichtung verlaufend angeordneter Schraubenfedern am

2(i ringförmigen Schaufelträger einerseits sowie an den jeweils radial vorstehenden Partien der Schaufelfußsegmente abdichtend zur Anlage bringbar sein. Hierfür ist der vordere Wandabschnitt ferner entlang fest eingebauter Bolzen verschiebbar, die ihrerseits die Schrau-

>■> benfedern zwischen dem vorderen Wandabschnitt und einem dem letzteren nachgeordneten, ortsfesten Wandabschnitt des ringförmigen Schaufelträgers tragen.

Diese bekannte Lösung wirft einerseits nicht unerhebliche Abdichtungsprobleme dadurch auf, daß der

in vordere Wandabschnitt am ringförmigen Schaufelträger aus einzelnen in Umfangsrichtung aneinandergereihten Segmenten gebildet ist, wodurch einerseits spezielle Dichtungsvorkehrungen getroffen werden müssen, um den vorderen Wandabschnitt an den betreffenden Stoßstellen der Segmente einwandfrei abdichten zu können. Andererseits ist es bei dieser bekannten Lösung nachteilhaft, daß der vordere Wandabschnitt in eine speziell hierfür vorgesehene, koaxial zur Turbinenachse verlaufende Ausnehmung

4() des ringförmigen Schaufelträgers — unten — eingesetzt werden soll, um ein gewisses Axialspiel im Interesse der gewünschten Dichtung an der oberen Endkante des vorderen Wandabschnitts zu gewährleisten. Aufgrund dieser zuvor erwähnten Ausnehmung ergibt sich somit

4¹) bei der vorliegenden bekannten Lösung zwangsläufig eine weitere sich über den gesamten Umfang des ringförmigen Schaufelträgers erstreckende Dichtstelle, die im Betrieb beherrscht werden muß. Oder — anders ausgedrückt — zu Gunsten einer erforderlichen Flexibilität des vorderen Wandabschnitts dürfte an der betreffenden Ausnehmung eher mit einem noch zusätzlichen verminderten Abdichtungsvermögen zu rechnen sein.

Die erwähnte Segmentbauweise des vorderen Wandabschnitts hat dann bei der bekannten Lösung den weiteren Nachteil, aufgrund auftretendei Fertigungstoleranzunterschiede zu einer über den gesamten Umfang gleichmäßigen Abdichtung des Ringraums zu gelangen, und zwar insbesondere entlang der oberen Berührungsstelle des vorderen Wandabschnitts gegenüber den radial vorspringenden Wandabschnitten an den jeweiligen Schaufelfußsegmenten.

Weiter dürfte die bei der vorliegenden bekannten Lösung vorgesehene verhältnismäßig große Anzahl von Bauteilen, wie Bolzen und Schraubenfedern sowie schließlich die gesamte Gestaltung der trägerseitigen Partien dieser bekannten Lösung zu einer Anordnung mit verhältnismäßig hohem Eigengewicht führen, was

aber im Hinblick auf den angestrebten Leichtbau derartiger Anordnungen, insbesondere für den Einsatz bei Flugtriebwerken, keinesfalls erwünscht ist.

Durch die erwähnte verhältnismäßig große Anzahl von Bauteilen dürfte weiterhin aus dem vorliegenden bekannten Fall eine Anordnung mit verhältnismäßig großer Ausfallwahrscheinlichkeit resultieren, wobei /. IJ. auf die bei langer anhaltendem Betrieb bestehende Möglichkeit der Ermüdung der Schraubenfedern hingewiesen sei; ferner würden sich etwaige Wartungen u. a. deshalb kompliziert gestalten, weil Schraubenfedern entweder ausgetauscht oder gar jeweils für sich speziellen Prüfverfahren hinsichtlich Materialermüdung unterzogen werden müßten.

Neben dem schon erwähnten verhältnismäßig großen Wartungsaufwand bei dieser bekannten Lösung nach der LJS-PS dürfte dann fernerhin durch die gegebene Vielzahl von Bauteilen mit einer vergleichsweise verhältnismäßig teueren Herstellungsweise zu rechnen sein.

Im übrigen kann die vorliegende bekannte Lösung nicht auf Turbinen beliebiger Abmessungen übertragen werden, weil für die zur Anwendung gelangenden Teile wie Bolzen und Schraubenfedern Mindestgrößen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Rahmen des vorstehend behandelten bekannten Standes der Technik auftretenden Nachteile zu beseitigen und eine Turbinenleitschaufelaufhängung nach der eingangs genannten Art gegenüber Bekanntem für die Anwendung bei Gasturbinenstrahltriebwerken hinsichtlich einer verbesserten Abdichtung des Ringraumes baulich vergleichsweise erheblich einfacher zu gestalten. Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1.

Neben dem Vorteil der einwandfreien Abdichtung und der verminderten Bauteilanzahl ist hierdurch eine Lösung geschaffen, die im Betrieb weniger störungsanfällig und vergleichsweise gewichtlich leicht ist und ferner von erheblich geringerem Wartungsaufwand begleitet wird.

Darüber hinaus ermöglicht die in die berührungsseitige Partie des vorderen Wandabschnitts eingelassene Dichtschnur eine flexiblere Anpassung an etwaige Fertigungstoleranz-Unterschiede der betreffenden Gegenflächen an den Schaufelfußsegmenten.

Die einstückige, also die Integralbauteilgestaltung (vorderer Wandabschnitt, ringförmiger Leitschaufelträger) vermindert fernerhin die Anzahl erforderlicher Dichtungsvorkehrungen auf ein Minimum, wobei sich zudem durch diese integrale Ausführung eine vergleichsweise höhere Flexibilität zum Zwecke der Abdichtung beim vorderen Wandabschnitt ergibt, ohne die Abdichtungswirkung zu beeinträchtigen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 und 3.

Die Zeichnung erläutert die Erfindung beispielsweise anhand einer als Axialschnitt dargestellten Turbinenleit-Schaufelaufhängung eines Gasturbinenstrahltriebwerkes. Bei dieser Turbinenleitschaufelaufhängung sind die Leitschaufeln 1 mit ihren äußeren Deckbandsegmenten 2 nahezu starr am äußeren Turbinengehäuse 3 aufgehängt bzw. mit diesem verbunden. Hierzu weisen die Deckbandsegmente 2 an deren vorderer Stirnseite axial vorstehende Stege 4, 5 auf, von denen die mit 4 bezeichneten in eine zugeordnete Gehäusenut 6 eingreifen. Die Stegs 5 untergreifen einen koaxialen Gehäuseabsatz 7 eines zum Turbinengehäuse 3 gehörenden Gehäuseeinsatzbauteils 8. Mit nach oben radial vorstehenden Stegen 9 sind die Deckbandseg-". mente 2 am jeweils hinteren Ende in einer koaxialen Gehäuseumfangsnut des Turbinengehäuses 3 gehaltert. Innen — also auf der der inneren Strömungskanalwand zugekehrten Seite — sind die Leitschaufeln 1 über die Schaufelfußscgmente 10 an einem koaxial zur

ίο Turbinenlängsachse angeordneten, ringförmigen Schaufelträger 11 (Luftgehäusebauteil) begrenzt radial/axial beweglich sowie in Umfangsriehtung verdrehgesichert aufgehängt. Der ringförmige Schaufelträger 11 ist mit zwei axial beabstandeten, radial verlaufenden Wandab-

!·; schnitten 12, 13 versehen, die aufhängungsseitig mit radial vorstehenden Partien 14, 15 der Schaufelfußsegmente 10 unter Verwendung von Nut-Feder-Verbindungen (zwischen 13 und 15) sowie nasenartig ineinandergreifenden Zentrierverbindungen 16 (zwischen 12 und

j» 14) korrespondieren. Diese Verbindung 16 soll neben der Zentrierung und Verdrehsicherung in Umfangsriehtung gleichzeitig eine räumlich begrenzte axial- und radial bewegliche Aufhängung gewährleisten.

Im Interesse einer Funktionstrennung zwischen

r> federnder Dichtung einerseits und Zentrierung sowie Verdrehsicherung andererseits sowie im Interesse einer verhältnismäßig dünnwandigen und dementsprechend gewichtlich leichten Ausführung des vorderen Wandabschnitts besteht die Möglichkeit, die zuvor genannte, die Zentrierung und Verdrehsicherung bewirkende Verbindung in die Aufhängung zwischen den jeweils hinteren radial vorstehenden Partien der Schaufelfußsegmente und den beteiligten Gegenflächen am hinteren Wandteil 13 zu integrieren.

π Der ringförmige Schaufelträger 11 schließt zusammen mit seinen vorderen und hinteren Wandabschnitten 12, 13 sowie :nit den an letztere angrenzenden radial vorstehende« Partien 14, 15 der Schaufelfußsegmente 10 einen Ringraum 17 ein, der mittels aus den

to Leitschaufeln 1 abströmender Kühlluft (Pfeil F) beaufschlagbar ist.

Die Kühlluft kann über im hinteren Wandteil 13 angeordnete Bohrungen 18 aus dem Ringraum 17 herausgeführt und für weitere Turbinenkühlzwecke sowie auch zumindest teilweise als Sperrluft dem Turbinenkanal 19 zugeführt werden.

Der vordere radial verlaufende Wandabschnitt 12 ist ein autark axial auffedernd ausgebildeter, integraler Bestandteil des ringförmigen Schaufelträgers 11. Axial

■>·. vorgespannt, kann so der vordere Wandabschnitt 12 mit einer zumindest teilweise in dessen berührunsseitige Wandabschnittspartie eingelassenen Dichtschnur 20 an den zugeordneten Gegenflächen der radial vorstehenden Partien 14 der Leitschaufelfußsegmente 10 anliegen.

r> Im Interesse optimaler Dichtverhältnisse wirkt es sich hierin weiter vorteilhaft aus, daß der im Ringraum 17 herrschende Druck P, im Betrieb des Gasturbinenstrahltriebwerks stets höher als der in einem turbinenseitigen Gehäuseraum 21, und zwar vor dem vorderen Wandabschnitt 12 des ringförmigen Schaufelträgers 11 herrschende Druck P_d ist.

Im Interesse einer vereinfachten Montage und Demontage kann der axial vorgespannte vordere Wandabschnitt 12 des ringförmigen Schaufelträgers 11 vor dem Aufsetzen der Leitschaufelfußsegmente 10 nebst Leitschaufeln 1 auf den ringförmigen Schaufelträger 11 mittels einer geeigneten Vorrichtung axial zurückgedrückt werden. Infolge axialen Auffederns des

vorderen Wandabschnitts 12 nach dem Aufsetzprozefi wird gleichzeitig die gemäl5 Position 16 angegebene Zentrierung und Umfangssicherung sowie die Abdichtung mittels der Dichtschnur 20 in Betrieb gesetzt.

Wie in der Zeichnung gestrichelt angedeutet, bestünde durchaus die Möglichkeit, eine weitere, gegebenenfalls als Dichtschnur ausgebildete Dichtung 22 zwischen dem hinteren Wandabschnitt 13 des .Schaufelträgers 11, bzw. zwischen einer linken Schulterpartie dieses Wandabschnitts 13 und den jeweils daran angrenzenden Gegenflächen der radial vorstehenden Partien 15 der Leitschaufelfußsegmente 10 vorzusehen.

Für den Fall, daß anstelle der erwähnten Dichtschnüre ausschließlich direkte metallische Berührungsflächen als gleichzeitige Dichtflächen vorgesehen werden sollen, können auf diese Berührungsflächen a, b Verschleißschutzschichten durch thermische Spritzoder galvanische Verfahren aufgebracht werden. Sinngemäß könnten die Berührungsflächen c, f mit derartigen Verschleißschutzschichten versehen werden.

Als thermische Spritzverfahren könnten hierbei das Plasmaspritz- oder das Flammschockspritzverfahren verwendet werden, wobei im Falle des Plasmaspritzens z. B. Chromkarbid-Einbettungspulver (CriC2) — ca. 0,3 mm dick — auf die beteiligten Reib- bzw. Berührungsflächen, hingegen im Falle des Flammschockspritzens z. B. Wolframkarbid-Kobald-Beläge auf die Reib- bzw. Berührungsflächen aufbringbar wären, letztere mit einer Schichtdicke von 0,07 bis 0,1 mm. Die maximalen Einsatztemperaturen würden im letzteren Falle bei ca. 550⁰C liegen. Die zuvor genannte Beschichtung(Cr₃C₂) wäre bis 800⁰C einsetzbar.

Auf genanntem galvanischen Wege wäre beispielsweise Nickel, Chrom oder Silber als Verschleißschutzschichten auf die Reib- bzw. Berührungsflächen aufbringbar.

Unter Bezug auf die genannten Verschleißschutzschichten ließe sich eine optimale Abdichtung im wesentlichen dann erreichen, wenn minimale Fertigungstoleranzsprünge zwischen den zu paarenden Bauteilen zugrunde gelegt werden können. Andernfalls wäre der erwähnten Abdichtung mit Dichtschnur der Vorzug zu geben.

Die zuletzt genannten Grundsätze gelten sinngemäß auch für das Auftragen von Anlaufbelägen auf die

i-, abzudichtenden Berührungsflächen unter Anwendung des Plasmaspritzverfahrens. Diese Anlaufbeläge können vorzugsweise im wesentlichen aus drei Komponenten, nämlich Ni-Cr-Eisen, Bornitrid und Aluminium bestehen (Schichtdicke = etwa 1 mm, Temperatureinsatzbereich

2,-; bis etwa 800° C).

Hierzu wäre z. B. in Verbindung mit der Zeichnung davon auszugehen, daß die Berührungsflächen b und gegebenenfalls auch farn Schaufelträger H sehr exakt herstellbar sind. Größere Fertigungstoleranzen ergeben

·>.-, sich in der Regel an den einzelnen Leitschaufelfußsegmenten. Für den Betrieb erwartet man, daß sich die Berührungsflächen b und f — die ihrerseits koaxial zur Strömungsmaschine verlaufen — von Segment zu Segment verschieden tief in die Anlaufbeläge auf den

jii Berührungsflächen a, c einarbeiten, um so verhältnismäßig geringe Toleranzsprünge auszugleichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Turbinenleitschaufelaufhängung Für Gasturbinenstrahltriebwerke, bei der die Leitschaufel mit ihren äußeren Deckbandsegmenten nahezu starr am äußeren Turbinengehäuse aufgehängt sind, während sie über die Schaufelfußsegmente an einem koaxial zurTurbinenlängsachse angeordneten, ringförmigen Schaufelträger begrenzt radial/axial beweglich sowie in Unifangsrichtung verdrehgesichert aufgehängt sind, der axial beanstandete, radial verlaufende Wandabschnitte aufweist, die mit radial vorstehenden Partien der Schaufelfußsegmente korrespondieren, wobei der — in Richtung der Triebwerkshauptströmung gesehen — vordere Wandabschnitt am ringförmigen Schaufelträger gegen die jeweils eine radial vorstehende Partie der Schaufelfußsegmente nach außen auffedernd zur Anlage bringbar ist, um einen zwischen dem vorderen und einem diesem nachgeschalteten hinteren Wandabschnitt des Schaufelträgers und den dazwischen liegenden Umfangsflächen des letzteren sowie der betreffenden Schaufelfußsegmente eingeschlossenen Ringraum abzudichten, der über die im Betrieb gekühlten Leitschaufeln luftbeaufschlagt und dabei ein in dem Ringraum höherer als der in der Umgebung vor dem vorderen Wandabschnitt herrschende Luftdruck zugrundegelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Wandabschnitt (12) ein autark axial auffedernd ausgebildeter, integraler Bestandteil des ringförmigen Schaufelträgers (11) ist und mit einer zumindest teilweise in dessen berührungsseitige Wandabschnittspartie eingelassenen, koaxial zur Turbinenachse angeordneten Dichtschnur (20) versehen ist.

2. Turbinenleitschaufelaufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung direkter metallischer Berührungsflächen als gleichzeitige Dichtflächen zwischen den radial vorstehenden Partien (14) der Schaufelfußsegmente (10) einerseits und den aufhängungsseitigen Partien am vorderen Wandabschnitt (12) des ringförmigen Schaufelträgers (11) andererseits Verschleißschutzschichten auf diese Berührungsflächen (a, b) durch thermische Spritz- oder galvanische Verfahren aufgebracht sind.

3. Turbinenleitschaufelaufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei unmittelbar miteinander korrespondierenden Berührungsflächen (a, b) diejenigen (a) der radial vorstehenden Partien (14) der Schaufelfußsegmente (10) mit einem durch Plasmaspritzen erzeugten Anlaufbelag versehen sind.