DE3446389C2

DE3446389C2 - Statoraufbau für eine Axial-Gasturbine

Info

Publication number: DE3446389C2
Application number: DE3446389A
Authority: DE
Inventors: Vincent Paul Laurello
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1983-12-21
Filing date: 1984-12-19
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2004-12-20
Also published as: DE3446389A1; FR2557212B1; JPH0654081B2; US4553901A; GB2151710A; GB2151710B; FR2557212A1; JPS60153406A; GB8431265D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Axial-Gasturbine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, insbesondere den Statoraufbau zum Abstützen eines Paares äußerer Luftdichtungen und einer Anordnung von Statorschaufeln in einem solchen Trieb werk. Das Konzept der vorliegenden Erfindung wurde auf dem Gebiet der Axialverdichter-Gasturbinen-Triebwerke entwickelt und findet auch Verwendung bei Statoraufbauten auf anderen Ge bieten.

Axialströmungs-Gasturbinen-Triebwerke weisen allgemein einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt und einen Tur binenabschnitt auf. Durch die Abschnitte des Triebwerks hin durch erstreckt sich axial ein Rotor, während ein Stator in axialer Richtung sich erstreckend um den Rotor herum ange ordnet ist. Ein ringförmiger Strömungsweg für die heißen Ar beitsgasmedien führt durch das Triebwerk zwischen dem Rotor und dem Stator hindurch. Wenn die Gase das Triebwerk durch strömen werden sie in dem Verdichterabschnitt komprimiert, mit Treibstoff in dem Brennkammerabschnitt verbrannt und während des Durchgangs durch den Turbinenabschnitt entspannt, um Nutz arbeit zu liefern.

Der Rotor des Turbinenabschnitts besteht aus einer Rotor anordnung, um Nutzarbeit aus den heißen,unter Druck stehenden Gasen zu ziehen. Diese Rotoranordnung umfaßt eine erste Rotorscheiben-Schaufelanordnung und eine zweite Rotorscheiben-Schaufelanordnung, welche zweite in axialem Abstand zur ersten angeordnet ist. Die Rotor schaufeln erstrecken sich von den Scheiben radial durch den ringförmigen Strömungsweg für das Arbeitsmedium nach außen bis in die Nähe des Stators. Zwischen zwei solcher Anordnungen erstreckt sich in axialer Richtung ein Rotor aufbau, um den inneren Durchmesser des ringförmigen Strömungswegs zu begrenzen.

Der Stator umfaßt Dichtungselemente zum Verhindern einer Leckage des Arbeitsmediums aus dem ringförmigen Strömungsweg. Ein äußeres Gehäuse und ein Statoraufbau zum Abstützen und in Lage halten der Dichtungselemente erstreckt sich in axialer Richtung durch das Triebwerk. Die Dichtungselemente umfassen eine erste und eine zweite äußere Luftdichtung. Jede äußere Luftdichtung er streckt sich in Umfangsrichtung über eine zugeordnete Rotorschaufel-Anordnung, um eine Leckage des Arbeits mediums über den Spitzen der Blätter zu blockieren. Durch den Strömungsweg des Arbeitsmediums hindurch erstreckt sich zwischen den äußeren Luftdichtungen bis in die Nähe des Rotoraufbaus eine Statorschaufelanordnung. Diese Statorschaufelanordnung hat einen Dichtungssteg an dem inneren Durchmesser des Strömungswegs des Arbeitsmediums, um eine Leckage des Arbeitsmediums über die Spitzen der Statorschaufeln hinweg zu Verhindern. Die äußere Luft dichtung und der Dichtungssteg der Statorschaufelan ordnung weisen zu dem Rotoraufbau einen radialen Ab stand auf und belassen einen Ausdehungsspalt dazwischen. Dieser Ausdehnungsspalt ist deshalb vorgesehen, um eine zu Zerstörungen führende Überlagerung zwischen den Rotor schaufeln und den äußeren Luftdichtungen zu verhindern.

In modernen Triebwerken wird der Ausdehnungsspalt zwischen den Rotorschaufeln und der äußeren Luftdichtung moduliert, um das Spiel während unterschiedlicher Betriebszustände des Triebwerks zu minimieren. Beispiele von Triebwerken, die ein kühlbares äußeres Gehäuse verwenden, um den Spitzenspalt zu verändern, sind in dem US-PS 4 019 320 von Redinger et al mit dem Titel "External gas turbine engine cooling for clearance control" und in US-PS 4247248 von chaplin et al mit dem Titel "Outer air seal support structure for a gas turbine engine" beschrieben, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Wie in diesen Patent schriften gezeigt, ist das äußere Gehäuse an den äußeren Luftdichtungen und dem Dichtungssteg der Statorschaufeln befestigt, so daß ein ausgewähltes Kühlen des äußeren Gehäuses den Durchmesser des äußeren Gehäuses verändert und eine ähnliche Änderung in dem Durchmesser der Dich tungen bewirkt. Die Dichtungen sind in Segmente aufge teilt, um es der Dichtung zu ermöglichen, sich der Ver änderung des Durchmessers anzupassen. Wenn der Durch messer der äußeren Luftdichtung kleiner wird, dann wird auch der Ausdehnungsspalt kleiner; wenn der Durchmesser größer wird, so wird auch der Ausdehnungsspalt größer.

Wie in Redinger und Chaplin dargestellt, weist jede äußere Luftdichtung einen Statorabstützaufbau auf, der einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen, jeweils in Segmente geteilten Abstützring umfaßt. Das Triebwerks gehäuse hat benachbart dem stromaufwärtigen Abstützring der ersten äußeren Luftdichtung eine erste sich in Um fangsrichtung erstreckende Flanschverbindung und benach bart dem stromabwärtigen Abstützring eine zweite solche sich in Umfangsrichtung erstreckende Flanschverbindung. An der zweiten äußeren Luftdichtung ist eine dritte sich in Umfangsrichtung erstreckende Flanschverbindung dem stromaufwärtigen Abstützring benachbart und eine vierte sich in Umfangsrichtung erstreckende Flanschver bindung dem stromabwärtigen Abstützring benachbart vor gesehen.

Während des Betriebs wird Kühlluft auf die äußeren Flanschverbindungen geblasen. Wenn die Kühlluft die Hitze von den äußeren Flanschverbindungen abführt, ziehen sich diese äußeren Flanschverbindungen zusammen und zwingen den inneren Abstützaufbau zu einem kleineren Durchmesser. Der innere Abstützaufbau kann sich bezüglich des äußeren Gehäuses und der äußeren Luftdichtungssegmente in Umfangs richtung gleitend verschieben, um sich den großen Ände rungen im Durchmesser anzupassen. Das Abstellen der Kühl luft ermöglicht es den Flanschverbindungen, sich mit einem auftretenden Zuwachs des Durchmessers des inneren Ab stützaufbaus auszudehnen; die äußere Luftdichtung vergrößert dabei den radialen Ausdehnungsspalt zwischen den Dichtungselementen und dem Rotoraufbau.

Die auf die kühlbaren Flanschverbindungen geblasene Kühlluft steht derart unter Druck, daß sie in der Lage ist, von Blaskanälen zu den Flanschverbindungen zu strömen. Eine Quelle der unter Druck stehenden Luft ist der Verdichterabschnitt des Triebwerks. Wenn die Arbeitsgasmedien durch den Fanabschnitt hindurchtreten, kann ein Teil des unter Druck stehenden Gases (Luft) aus dem Strömungsweg des Arbeitsmediums abgezweigt und den Blaskanälen zugeführt werden. Da die Kühlluft von dem Strömungsweg des Arbeitsmediums abgezweigt wird, nachdem durch das Triebwerk Energie auf sie aufgewendet wurde, ist es wünschenswert, die Menge der für die Spaltkontrolle er forderlichen Kühlluft zu reduzieren. Hinzu kommt, daß die vielen Teile, die erforderlich sind zum Abstützen der äußeren Luftdichtungen und der Statorschaufelanordnung, die Kosten des Triebwerks erhöhen, obwohl die Kosten in etwas aufgewogen werden durch den Leistungsgewinn und die Kraftstoffersparnis, die durch die Spaltkontrolle erzielt wird.

In der US Patentschrift 3 972 181 (SWAYNE) wird eine Vorrichtung zur Regulierung der Turbinen-Kühlluft beschrieben, bei der die Kühlluft durch Ventilmittel durch die Turbine gesteuert wird. Die beschriebene Vorrichtung zeigt insbesondere einen stromaufwärtigen Tragring, der von einer Flanschverbindung nach innen ragt, und einen stromabwärtigen Tragring der an einer anderen Stelle ebenfalls nach innen ragt, wobei die beiden Tragringe von der Flanschverbindung axial beabstandet sind.

In der Offenlegungsschrift DE-OS 26 54 300 wird ein Turbinentriebwerk beschrieben, wobei das Triebwerk eine Rotoranordnung mit zwei Rotorscheiben, eine Statoranordnung mit zwei äußeren Luftdichtungen, Statorschaufeln sowie einer Einrichtung zum Abstützen der beiden äußeren Luftdichtungen und der Statorschaufeln aufweist. Die Einrichtung besitzt ein äußeres, kühlbares Gehäuse, erste und zweite Tragvorrichtungen sowie erste und zweite Kühlzuführeinrichtungen zum Zuführen von Kühlluft zu dem äußeren Gehäuse.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Turbine bereitzustellen, die den Bedarf an unter Druck stehender Kühlluft reduziert und die Konstruktion des Statoraufbaus zum Abstützen der äußeren Luftdichtungen und der Statorschaufel vereinfacht, um den Wirkungsgrad des Triebwerks zu erhöhen und die Kosten der Herstellung zu senken.

Das Problem wird durch die in dem Patentanspruch 1 offenbarte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Gemäß der Erfindung weist eine Statoranordnung für den Turbinenabschnitt eines Gasturbinen-Triebwerks mit zwei in Segmente aufgeteilten Luftdichtungen und einer sich dazwischen erstreckenden Anordnung von Stator schaufeln eine erste und eine zweite Abstützung auf, die jeweils an dem äußeren Gehäuse an einer ersten bzw. einer zweiten axialen Stelle befestigt sind, um die äußeren Luftdichtungen und die Schaufeln über dem Rotor aufbau in radialer Richtung abzustützen und in Lage zu halten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt das äußere-Gehäuse eine erste kühlbare Flansch verbindung für das radiale in Lage halten der ersten axialen Stelle und eine zweite kühlbare Flanschverbindung für das radiale in Lage halten der zweiten axialen Stelle.

Ein Hauptmerkmal der erfindungsgemäßen Gasturbine besteht darin, daß diese zwei in Segmente aufgeteilte äußere Luftdichtungen und eine Statorschaufelanordnung aufweist, die sich zwischen diesen beiden Dichtungen erstreckt. Die äußeren Luftdichtungen und die Statorschaufelanord nung weisen zu der Rotoranordnung einen radialen Abstand auf und belassen einen Ausdehnungsspalt dazwischen. Ein weiteres Merkmal ist ein kühlbares äußeres Gehäuse mit einer ersten und einer zweiten axialen Stelle. Ein Sta toraufbau ist an diesen beiden Stellen an dem äußeren Gehäuse befestigt und besteht aus einem ersten Abstütz mittel zum Abstützen des stromaufwärtigen Endes der Schaufeln und eine der in Segmente aufgeteilten äußeren Luftdichtungen, und einem zweiten Abstützmittel zum Ab stützen des stromabwärtigen Endes der Schaufeln und der anderen in Segmente aufgeteilten Luftdichtung. Beide Ab stützelemente greifen in Umfangsrichtung verschiebbar an den Segmenten der äußeren Luftdichtung an und schließen diese Segmente in axialer und radialer Richtung ab.

In einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich eine erste und eine zweite kühlbare Flanschverbindung jeweils in Um fangsrichtung um das Gehäuse herum, um dieses an der ersten bzw. an der zweiten Stelle radial in Lage zu halten. In einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich ein erster Flansch von dem äußeren Gehäuse nach innen und ist an dem äußeren Gehäuse an der ersten Stelle befestigt, um das erste Abstützmittel an dem äußeren Gehäuse festzu legen. An dem äußeren Gehäuse ist an der zweiten Stelle ein zweiter Flansch befestigt, der sich nach innen er streckt und das zweite Abstützmittel an dem äußeren Ge häuse festlegt.

Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist der Wir kungsgrad eines Gasturbinen-Triebwerks, das ein kühlbares äußeres Gehäuse mit zwei Abstützpunkten für die Spaltkon trolle aufweist, die von der Menge der Kühlluft abhängt, die erforderlich ist, beide äußeren Luftdichtungen und die Statorschaufelanordnung zu positionieren. Weitere wesentliche Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Kosten und des Gewichts des Triebwerks im Vergleich mit Trieb werken, die jeweils zwei einzelne Abstützpunkte bei jeder äußeren Luftdichtung verwenden; der Vorteil resultiert aus dem Vermeiden von zwei separaten Bauteilgruppen und Befestigungspunkten für jede der äußeren Luftdichtungen.

Ein weiterer Vorteil ist der Triebwerkwirkungsgrad, der sich aus der Befestigung der stromaufwärtigen und strom abwärtigen Abstützungen einer äußeren Luftdichtung an dem äußeren Gehäuse an der selben axialen Stelle ergibt, wodurch die Abstützungen dazu gebracht werden, sich mit dem gleichen Betrag zu bewegen, um ein Kippen der Seg mente von vorne nach rückwärts zu verhindern. Bei einem Ausführungsbeispiel ergeben sich die reduzierten Kosten aus der Herstellung eines äußeren Gehäuses mit zwei inneren Flanschen zum Abstützen der beiden äußeren Luftdichtungen und der Statorschaufelanordnungen, verglichen mit einem äußeren Gehäuse, bei dem vier Flansche zum Abstützen sowohl der äußeren Luftdichtungen als auch der Stator schaufeln verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel liegt der Vorteil in der zur Positionierung der beiden äußeren Flanschverbindungen erforderlichen Kühlluft menge im Vergleich zu Konstruktionen, bei denen vier Flanschverbindungen verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Turbofan-Triebwerks mit einem an dem Fangehäuse herausgebrochenen Be reich, um eine Kühlluftleitung zu zeigen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Turbinen abschnitts dieses Triebwerks,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Teils der Sta toranordnung aus Fig. 2, und

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform des in Fig. 2 dar gestellten Teils des Turbinenabschnitts.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Bypaß-Turboluftstrahl-Trieb werk dargestellt. Das Triebwerk weist einen Fanab schnitt 10, einen Verdichterabschnitt 12, einen Brenn kammerabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16 auf, des weiteren eine Drehachse 1 und einen ringförmigen Strömungsweg 18 für die Gase des Arbeitsmediums, das axial durch die bezeichneten Abschnitte des Triebwerks hinduchrtritt. Kreisförmig um den Strömungsweg des Ar beitsmediums herum erstreckt sich ein kühlbares äußeres Gehäuse 20. Im Turbinenabschnitt des Gehäuses besitzt das Triebwerk eine erste, mit dem äußeren Gehäuse verbundene kühlbare schienenartige Flanschverbindung 22, die sich in Umfangsrichtung außen um das Triebwerk herum erstreckt. Ebenfalls sich außen um das Gehäuse herum erstreckend sind erste Mittel zum Zuführen von Kühlluft zum kühlbaren äußeren Gehäuse hin, z. B. ein Blaskanal 24, vorgesehen.

Der Mittenbereich des Blaskanals ist weggelassen, um die erste kühlbare Flanschverbindung zu zeigen. Eine Vielzahl von Kühlluft-Löchern 26 stellt eine Strömungsverbindung des inneren des Sprühkanals mit der ersten Flanschver bindung her. In einem axialen Abstand von der ersten kühl baren Flanschverbindung 22 ist eine integral mit dem äußeren Gehäuse verbundene zweite kühlbare Flanschverbindung 28 vorgesehen. Die zweite Flanschverbindung erstreckt sich eben falls in Umfangsrichtung außen um das Triebwerk herum. Ein zweites Mittel zum Zuführen von Kühlluft zum kühl baren äußeren Gehäuse erstreckt sich außen in Umfangs richtung um das Triebwerk herum; dies kann beispielsweise ein Blaskanal 32 sein. Der Mittenbereich des Blaskanals ist weggelassen, um die zweite Flanschverbindung zu zei gen. Um eine Strömungsverbindung zwischen dem Inneren jedes Kanals und der zweiten Flanschverbindung herzustellen, sind eine Vielzahl von Kühlluft-Löchern 34 vorgesehen. Von dem Fanabschnitt des Triebwerks erstreckt sich eine Leitung 35 für Kühlluft nach rückwärts. Die Leitung steht in Strömungsverbindung mit den Blas kanälen, um eine Kühlluft-Quelle für die kühlbaren Flanschverbindung zu bilden.

In Fig. 2 ist die Ansicht eines Längsschnitts durch einen Bereich des Turbinenabschnitts 16 des Triebwerks darge stellt, wobei ein Teil des kühlbaren äußeren Gehäuses 20 und des ringförmigen Strömungswegs 18 für die heißen Arbeitsgase gezeigt ist. Die Turbine weist eine Rotor anordnung 36 auf, die um die Drehachse A dreht. Die Rotoranordnung umfaßt eine erste Rotorscheibe 38 und eine erste Rotorschaufelanordnung, die durch die einzelne Rotorschaufel 42 repräsentiert wird, und welche sich von der Rotorscheibe quer durch den Strömungsweg des Arbeits mediums nach außen erstreckt. In einem axialen Abstand zur ersten Rotorscheibe 38 ist eine zweite Rotorscheibe 44 vorgesehen. Eine zweite Anordnung von Rotorschaufeln, die durch die einzelne Rotorschaufel 46 dargestellt ist, erstreckt sich von der zweiten Rotorscheibe durch den Strömungsweg des Arbeitsmediums nach außen. Zwischen den Scheiben erstreckt sich in axialer Richtung eine innere Luftdichtung 48, die radial von den Scheiben eingeschlossen ist.

Die Turbine umfaßt des weiteren eine Statoranordnung 52. Die Statoranordnung weist ein sich um die Achse in Umfangs richtung erstreckendes inneres Gehäuse 54 und das kühlbare äußere Gehäuse 20 auf, das sich in Umfangsrichtung um den Triebwerksteil um die Achse A herumerstreckt, um das Äußere des Triebwerks zu bilden. Zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse erstreckt sich radial eine An ordnung von Statorschaufeln, die von einer einzelnen Statorschaufel 56 dargestellt ist. Eine Vielzahl von Bolzen, dar gestellt durch einen einzelnen Bolzen 58, ist in die Statoranordnung eingesetzt, um sie gegen eine radiale Bewegung zu sichern. Jede Statorschaufel steht über eine Keilnutenverbindung 60 mit dem äußeren Gehäuse in Wirk verbindung, um eine gleitende Bewegung in radialer Richtung zu ermöglichen.

Eine erste äußere Luftdichtung 62 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die erste Rotorschaufelanordnung 42 herum und weist in radialer Richtung von den Rotor schau feln einen Abstand auf, um dazwischen einen radialen Spalt für ein Ausdehnungsspiel G₁ zu belassen. Die äußere Luftdichtung wird durch eine Anordnung von bogenförmigen Dichtsegmenten gebildet, die durch ein einzelnes Dicht segment 64 in der Zeichnung dargestellt sind. Jedes Dichtsegment besitzt ein stromaufwärtiges Ende 66 und ein stromabwärtiges Ende 68.

In einem axialen Abstand von der ersten äußeren Luft dichtung 62 ist eine zweite äußere Luftdichtung 72 vor gesehen. Die zweite äußere Luftdichtung erstreckt sich in Umfangsrichtung um die zweite Anordnung der Rotor schaufelnund ist von der zweiten Rotorschaufelanordnung radial beabstandet, um dazwischen einen radialen Spalt für ein Ausdehnungsspiel G₂ zu belassen. Die zweite äußere Luftdichtung wird von einer Anordnung aus bogenförmigen Dichtungssegmenten gebildet, die in der Zeichnung durch das einzelne Dichtungssegment 74 dargestellt sind. Jedes Dichtungssegment hat ein stromaufwärtiges Ende 76 und ein stromabwärtiges Ende 78.

Zwischen der ersten und der zweiten äußeren Luftdichtung erstreckt sich in axialer Richtung eine zweite Anordnung von Statorschaufeln, die in der Zeichnung durch die einzelne Statorschaufel 82 repräsentiert ist. Die zweite Stator schaufel erstreckt sich durch den Strömungsweg des Ar beitsmediums hindurch zwischen der ersten Rotorschaufel 42 und der zweiten Rotorschaufel 46 radial nach innen. Jede Schaufel erstreckt sich in die Nähe der inneren Luft dichtung 48 und beläßt einen radialen Spalt G₃ dazwischen. Jede Schaufel hat ein stromaufwärtiges Ende 84 und ein stromabwärtiges Ende 86.

Der Statoraufbau 88 sieht Mittel vor zum Abstützen und In Lage halten der äußeren Luftdichtungen 62, 72 und der Statorschaufelanordnung 82, um die Spalte G₁, G₂ und G₃ für ein Ausdehungsspiel einzustellen. Der Statoraufbau umfaßt das kühlbare äußere Gehäuse 20, das sich in Um fangsrichtung um das Triebwerk erstreckt. Das kühlbare äußere Gehäuse ist radial von den äußeren Luftdichtungen beabstandet, und Rippen lassen einen Strömungsweg 90 für Kühlluft dazwischen frei. Von dem äußeren Gehäuse er streckt sich ein erstes Mittel 92 zum Abstützen des strom aufwärtigen Endes 84 der Statorschaufel 82 und der ersten Anordnung des Luftdichtungssegments 64 durch den Strömungs weg der Kühlluft nach innen. Das erste Abstützmittel ist an einer ersten axialen Stelle A₁ an dem äußeren Gehäuse befestigt. Zum Abstützen des stromabwärtigen Endes 86 der Statorschaufelanordnung und der zweiten Anordnung der äußeren Luftdichtungssegemente erstreckt sich ein zweites Mittel 94 von dem äußeren Gehäuse durch den Strömungsweg der Kühlluft hindurch nach innen. Das zweite Abstützmittel ist an einer zweiten axialen Stelle A₂ an dem äußeren Gehäuse befestigt.

Das erste Abstützmittel 92 umfaßt einen stromaufwärtigen, eine Vielzahl von bogenförmigen Segmenten 98 aufweisenden Trägerring 96. Ein stromabwärtiger Trägerring 100 besitzt aus Steifigkeitsgründen eine kegelstumpfförmige Gestalt und ist aus einer Vielzahl von stromabwärtigen Abstütz segmenten gebildet, die durch das einzelne stromab wärtige Abstützsegement 102 in der Zeichnung repräsentiert werden. Jedes stromabwärtige Abstützsegment ist integral mit mindestens einem der Statorschaufeln 56 ausgebildet. Jedes stromabwärtige Abstützsegment greift in das strom abwärtige Ende 68 eines Segments 64 der ersten äußeren Luftdichtung 62 und kann sich bezüglich der Segmente der äußeren Luftdichtung in Umfangsrichtung gleitend bewegen. Jedes stromabwärtige Trägersegment umschließt das zugeordnete Dichtungssegment und hält das stromab wärtige Ende der äußeren Luftdichtung radial in Lage. Da bei erstreckt sich jedes stromabwärtige Element von der äußeren Luftdichtung zum äußeren Gehäuse 20 und ist in das äußere Gehäuse eingesetzt und kann sich dabei in Umfangs richtung gleitend verschieben.

Der stromaufwärtige Abstützring 96 weist aus Steifigkeits gründen eine kegelstumpfförmige Form auf. Jedes strom aufwärtige Abstützsegement 98 ist von dem äußeren Ge häuse 20 und einem zugeordneten stromabwärtigen Ab stützsegment 102 umschlossen. Es ist gleitend in das äußere Gehäuse eingesetzt und erstreckt sich von dem äußeren Gehäuse zu der äußeren Luftdichtung, um an dieser anzugreifen. Jedes stromaufwärtige Abstützsegment kann sich in Umfangsrichtung bezüglich der äußeren Luft dichtung gleitend verschieben. Es umschließt das strom aufwärtige Ende 66 eines zugeordneten bogenförmigen Dichtungselements der äußeren Luftdichtung in axialer Richtung und hält das Ende des Dichtungssegments radial in Lage.

An dem äußeren Gehäuse 20 ist an der ersten Stelle A₁ ein erster Flansch 104 vorgesehen. Er erstreckt sich von dem äußeren Gehäuse nach innen, um die Segmente von zu mindest einem der Abstützringe radial zu befestigen, wobei er in Umfangsrichtung gleitend mit diesem zusammen wirkt, um die Segmente beider Abstützringe an das äußere Gehäuse zu befestigen. In dem dargestellten Ausführungs beispiel besitzt der erste Flansch eine erste und eine zweite Nut 106 bzw. 108. Eine auf dem stromabwärtigen Abstützsegement 105 vorgesehene erste Rippe 110 greift in die erste Nut 106 ein. Eine zweite Rippe 112 auf dem stromaufwärtigen Abstützsegement greift in die zweite Nut 108 ein.

Die erste kühlbare Flanschverbindung 22 zur radialen Lagehaltung des äußeren Gehäuses 22 an der ersten axialen Stelle A₁ erstreckt sich in Umfangsrichtung außen um das äußere Gehäuse herum. Das äußere Gehäuse weist an der ersten kühlbaren Flanschverbindung einen stromaufwärtigen Flansch 114 und einen stromabwärtigen Flansch 116 auf. Eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Schrauben mutternanordnungen verbindet die Flansche miteinander, um an der ersten kühlbaren Flanschverbindung eine erste Gehäuseverbindung zu bilden. Wie dargestellt, steht das erste Mittel zum Zuführen von Kühlluft 24 in Strömungs verbindung mit der Flanschverbindung und kann mittels der Bohrungen 26 die kühlbare Flanschverbindung mit Kühlluft beaufschlagen.

Das zweite Abstützmittel 84 umfaßt einen stromabwärtigen Abstützring 122 und einen stromaufwärtigen Abstützring 124. Der stromaufwärtige Abstützring wird von einer Viel zahl von stromaufwärtigen Abstützsegementen gebildet, die in der Zeichnung durch das einzelne stromaufwärtige Ab stützsegment 126 repräsentiert sind.

Jedes stromaufwärtige Abstützelement ist integral mit mindestens einem stromabwärtigen Element 86 der Stator schaufel in der Anordnung der Statorschaufeln 82 ausge bildet. Es greift in ein zugeordnetes Element 74 der zweiten äußeren Luftdichtung 82 ein und ist bezüglich der äußeren Luftdichtung in Umfangsrichtung gleitend ver schiebbar, schließt das Dichtungssegement in axialer Richtung ab und hält die Dichtungssegmente hinsichtlich der Rotorschaufeln axial in Lage.

Jedes stromaufwärtige Abstützelement erstreckt sich von der äußeren Luftdichtung zum äußeren Gehäuse 22 hin und greift in das äußere Gehäuse ein, wobei es in Umfangs richtung gleitend verschiebbar ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine Schrauben-Muttern anordnung 128 durch das stromabwärtige Abstützsegement, um dieses an das äußere Gehäuse zu befestigen. Das strom aufwärtige Abstützelement weist zur Aufnahme der Schrau ben-Mutternanordnung eine Bohrung 132 auf. Der Bolzen hindert das stromaufwärtige Abstützelement daran, bezüg lich des Gehäuses in Umfangsrichtung abzudriften. Trotz dem ist der verbleibende Bereich des Segments frei, sich bezüglich des Gehäuses zu bewegen. Auf diese Weise ist das Abstützsegement bezüglich der äußeren Luftdichtung und des äußeren Gehäuses in Umfangsrichtung verschieb bar.

Der stromabwärtige Abstützring 122 ist aus einer Vielzahl von stromabwärtigen Abstützsegmenten 134 gebildet, die in die Segmente der äußeren Luftdichtung eingreifen, um die zweiten Dichtungssegmente in axialer Richtung ab zu schließen und die äußeren Luftdichtungssegmente in radialer Lage zu halten. Mittels einer Bohrung 36 kann jedes stromabwärtige Abstützsegment die Schrauben-Muttern anordnung 128 aufnehmen, mittels welcher das stromab wärtige Abstützsegment gegen das stromaufwärtige Ab stützelement gedrückt wird. Mit dem stromaufwärtigen Ab stützelement kann sich das stromabwärtige Abstützele ment in Umfangsrichtung bezüglich des äußeren Gehäuses verschieben, obwohl ein Abschnitt des Segments in Umfangs richtung bezüglich des Gehäuses an einer Verschiebung ge hindert ist. Trotzdem ist zumindest ein Ende jedes Seg ments frei, sich in Umfangsrichtung zu bewegen. Auf diese Weise ist das Abstützelement bezüglich der äußeren Luft dichtung und des äußeren Gehäuses in Umfangsrichtung verschiebbar.

Von dem äußeren Gehäuse 20 erstreckt sich ein zweiter Flansch 138 nach innen, um die Segmente 126 des strom aufwärtigen Abstützrings 124 in radialer Richtung zu befestigen und in Umfangsrichtung verschiebbar mit ihnen zusammenzuwirken. Das stromabwärtige Abstützsegment ist mittels der Schrauben-Mutternanordnung 128 an dem Flansch befestigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel be sitzt das stromabwärtige Abstützelement einen Flansch 142, der den zweiten Flansch 138 hintergreift.

Die zweite kühlbare Flanschverbindung 28 zur radialen Lagehaltung des äußeren Gehäuses in der ersten axialen Position erstreckt sich in Umfangsrichtung um das äußere Gehäuse 20. Das Gehäuse weist einen stromaufwärtigen Flansch 144 und einen stromabwärtigen Flansch 146. Der stromaufwärtige und der stromabwärtige Flansch sind mittels einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Schrauben-Mutternanordnungen 148 miteinander verbunden, wodurch bewirkt wird, daß die zweite Flanschverbindung an der zweiten geflanschten Gehäuseverbindung integraler Bestandteil des äußeren Gehäuses ist. Zwischen der ersten und der zweiten Flanschverbindung erstreckt sich ein axiales fortlaufendes Gehäuseteil 150. Der Terminus "axial fortlaufend" bedeutet, daß das Teil 150 nicht von durch sich in Umfangsrichtung erstreckende Flansche gebildete Verbindungsstellen unterbrochen ist.

In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Ab schnitts der Statoranordnung aus Fig. 2 wiedergegeben, in der die radialen Beziehungen der Teile illustriert sind. Fig. 3 zeigt nicht die Beziehungen der Teile in Umfangsrichtung; eine gleitende Bewegung der Teile in Umfangsrichtung ist möglich.

Wie in der Beschreibung der Fig. 2 erläutert, ist in dem Statoraufbau 88 ein Mittel zum Abstützen und zur Lage haltung der äußeren Luftdichtungen 62, 64 und der An ordnung der Statorschaufeln 82 vorgesehen. Der Stator aufbau umfaßt ein kühlbares äußeres Gehäuse 20 mit einer ersten kühlbaren Flanschverbindung 22 zum Fest legen des Durchmessers des äußeren Gehäuses an der ersten axialen Stelle A₁ sowie eine zweite kühlbare Flanschverbindung 28 zum Festlegen des Durchmessers des äußeren Gehäuses an der zweiten axialen Stelle A₂.

Von dem äußeren Gehäuse erstrecken sich ein erstes Ab stützmittel 92 und ein zweites Abstützmittel 94 nach innen, dorthin, wo sich die äußeren Luftdichtungen 62, 72 und die Anordnung der Statorschaufel 82 befinden. An der ersten axialen Stelle weist das erste Abstützmittel einen ersten Flansch 104, einen in Segmente aufgeteilten strom aufwärtigen Abstützring 96 und einen in Segmente aufge teilten stromabwärtigen Abstützring 100 auf. Das zweite Abstützmittel umfaßt an der zweiten axialen Stelle A₂ einen zweiten Flansch 138 und in Segmente aufgeteilt einen stromaufwärtigen Abstützring 124 und einen ebenso aufgeteilten stromabwärtigen Abstützring 122.

Die Spalten G₁, G₂ und G₃ für ein Ausdehnungsspiel zwischen der Statoranordnung und der Rotoranordnung sind gezeigt, um den Einfluß zu illustrieren, den eine Zweipunktbe festigung auf die radiale Positionierung der Stator anordung hinsichtlich der Rotoranordnung aufweist.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform des Turbinenabschnitts 16 aus Fig. 2. Es werden dabei die selben Bezugsziffern ver wendet für die gleichen Teile, die die gleiche Funktion ausüben wie die Teile in Fig. 2. In der alternativen Aus führungsform weisen das erste Abstützmittel 92 und das zweite Abstützmittel 94 jeweils einen in Segmente aufge teilten stromaufwärtigen Abstützring 96, 124 und einen in Segmente aufgeteilten stromabwärtigen Abstützring 100, 122 auf. Jedes Segment von jedem stromaufwärtigen Ab stützring ist integral mit einem zugeordneten Segment des benachbarten stromabwärtigen Abstützrings ausge bildet. Beispielsweise kann ein Segment 98 des stromauf wärtigen Abstützrings 96 und ein zugeordnetes Segment 102 eines stromabwärtigen Abstützrings 100 miteinander ver bolzt sein, zusammengegossen, oder wie dargestellt, mittels eines geeigneten Verfahrens zusammengeklebt. Jedes Segment 102 des stromabwärtigen Abstützrings 100 und jedes Segment 126 des stromaufwärtigen Abstützrings 124 ist jeweils integral mit einer zugeordneten Stator schaufel ausgebildet, so daß jedes stromaufwärtige Ab stützsegment 98 integral mit jedem zugeordneten stromab wärtigen Abstützelement 134 verbunden ist.

Fig. 4 zeigt die Beziehungen der Segmente in Umfangs richtung, was in Fig. 3 nicht dargestellt ist. Jede zu sammengehörige Baugruppe von in Umfangsrichtung gleitend verschiebbaren Abstützsegmenten und jede zugeordnete Baugruppe von in Umfangsrichtung gleitend verschiebbaren Luftdichtungssegmenten ist in axialer Richtung und in Umfangsrichtung von dem benachbarten Aufbau beabstandet, um der Radialbewegung des äußeren Gehäuses, und der axialen wie auch der Bewegung in Umfangsrichtung ent sprechen zu können, die als ein Ergebnis der außer ordentlich hohen Temperaturen in der Umgebung der Tur binen entstehen.

Beispielsweise ist jedes Segment 64 der ersten äußeren Luftdichtung in Umfangsrichtung mittels eines in Umfangs richtung verlaufenden Spalts Fy und in axialer Richtung von dem benachbarten Schaufelsegment durch einen axialen Spalt Fx getrennt. Jedes Segment 64 der zweiten äußeren Luftdichtung 72 weist in Umfangsrichtung zu dem benach barten Segment einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Spalt Gy und in axialer Richtung zu dem benachbarten Schaufelsegment einen axialen Spalt Gx auf. Das stromauf wärtige Abstützmittel 92 und das stromabwärtige Abstütz mittel ist in Umfangsrichtung durch den Spalt Hy getrennt.

Während des Betriebs des Gasturbinentriebwerks strömen heiße Arbeitsgase aus der Brennkammer 14 zu dem Turbinen abschnitt 16. Die heißen, unter Druck stehenden Gase werden in der Turbine entspannt. Wenn die Gase entlang des ring förmig Strömungswegs 18 strömen, wird von den Gasen Hitze auf die Komponenten der Turbine übertragen. Die Anordnung der Rotorschaufeln ist von dem heißen Arbeitsgas umgeben und reagiert schneller als das äußere Gehäuse 20, das von dem Strömungsweg des Arbeitsmediums weiter entfernt ist. Wegen der schnellen Ausdehnung der Schaufeln und der Scheiben bezüglich des Gehäuses und dem Aufbau, der von dem Gehäuse abgestützt wird, wie beispielsweise die äußere Luftdichtung und die Statorschaufeln, ist ein Anfangsspalt vorgesehen. Als Ergebnis davon variieren die radialen Spalten G₁, G₂ und G₃ zwischen der Rotoran ordnung und der Statoranordnung. Im Laufe der Zeit nimmt das äußere Gehäuse die Wärme der Gase auf und dehnt sich aus, wobei es sich von den Rotorschaufeln entfernt, wo durch die Weite der Spalten G₁, G₂ und G₃ zunimmt.

Die Weite dieser Spalten wird durch Beaufschlagung der kühlbaren Flanschverbindungen mit Kühlluft reguliert. Wenn die Flanschverbindungen sich zusammenziehen, zwingen sie die erste axiale Stelle A₁ und die zweite axiale Stelle A₂ des äußeren Gehäuses dazu, sich nach innen zu bewegen, was dazu führt, daß die Abstützringe des ersten und des zweiten Abstützmittels im Durchmesser abnimmt und die bogenförmigen Dichtungssegmente und die Enden der Statorschaufeln auf einen kleineren Durchmesser bewegen. Diese Bewegung reduziert die Größe der Spalten G₁, G₂ und G₃.

Die Verwendung von nur zwei Abstützpunkten, der eine an der axialen Stelle A₁ und der andere an der axialen Stelle A₂, gestattet eine Reduzierung der Anzahl der Teile zum Abstützen der äußeren Luftdichtungen und der Schaufeln im Vergleich zu den Konstruktionen, die einen separaten Aufbau erfordern, der sich an jedem Ende der äußeren Luft dichtung zu einer kühlbaren Flanschverbindung des äußeren Gehäuses erstreckt. Die Reduzierung der Anzahl der Teile für die Abstützstruktur vermindert die ther mische Kapazität des Abstützaufbaus, die Fähigkeit des Abstützaufbaus durch Reibung einer Bewegung in Umfangs richtung und in radialer Richtung des Gehäuses zu wider stehen, wenn der Durchmesser an den axialen Stellen sich ändert, und reduziert die Anzahl der Leckwege der inneren Kühlluft, welche entlang des Strömungswegs 90 zwischen der äußeren Luftdichtung und dem kühlbaren Gehäuse fließt. Als ein Ergebnis reduziert die Einrichtung zweier Abstützpunkte zur Lagehaltung der Anordnung der äußeren Luftdichtung und der Schaufel den Bedarf an Kühlluft, was sich durch einen Wirkungsgradgewinn des Triebwerks wider spiegelt. In dem dargestellten Aufbau werden lediglich zwei Flanschverbindungen gebraucht, um das äußere Ge häuse an der ersten und der zweiten axialen Stelle in Lage zu halten. Die Reduzierung der Anzahl der Flansch verbindungen vermindert im Vergleich mit Konstruktionen, bei denen separate Flanschverbindungen verwendet werden, um jedes Ende einer Anordnung von äußeren Luftdichtungen zu positionieren, die thermische Kapazität der Gesamt struktur und vermindert darüber hinaus den Bedarf an Kühlluft. Weitere Vorteile der vorliegenden Konstruktion liegen in den Kosten und in dem Gewicht des Triebwerks im Vergleich zu solchen Triebwerken, die einzelne Ab stützpunkte an den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden jeder äußeren Luftdichtung aufweisen. Die Ver minderung der Anzahl der Teile reduziert die Gesamt kosten des Aufbaus. Zusätzlich ist das äußere Gehäuse, das lediglich zwei Flansche zum Abstützen der Anordnung der äußeren Luftdichtungen erfordert, sehr viel leichter herzustellen als vergleichsweise Konstruktionen, die vier innere Flansche zum Abstützen der äußeren Luft dichtungen und der Schaufeln erfordern.

Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit detaillierten Ausführungsbeispielen beschrieben und dargestellt wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann verständlich, mannigfaltige Änderungen in Form und Details durchgeführt werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzbereich der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Axial-Gasturbine mit einem Turbinenabschnitt (16), durch den ein ringförmiger Strömungsweg (18) für das gasförmige Arbeitsmedium führt und der aufweist:
eine Rotoranordnung (36) mit
einer ersten Rotorscheibe (38),
einer sich von dieser nach außen durch den Strömungsweg (18) erstreckenden ersten Rotor schaufelanordnung (42)
einer zweiten Rotorscheibe (44) und
einer sich von dieser nach außen durch den Strömungsweg (18) erstreckenden zweiten Rotor schaufelanordnung (46),
eine sich zwischen den Rotorscheiben (38, 44) erstreckenden inneren Luftdichtung (48) und
eine Statoranordnung (88) mit
einer ersten äußeren Luftdichtung (62), die sich aus einer Anordnung bogenförmiger, in Umfangsrichtung über die erste Rotorschaufelanordnung (42) unter Bildung eines Spaltes (G₁) erstreckender Segmente (64) zusammensetzt,
einer zweiten äußeren Luftdichtung (72), die sich aus einer Anordnung bogenförmiger, in Umfangs richtung über die zweite Rotorschaufelanordnung (46) unter Bildung eines radialen Spaltes (G₂) er streckender Segmente (74) zusammensetzt,
einer Anordnung von Statorschaufeln (82), die sich axial zwischen den beiden äußeren Luft dichtungen (62, 72) erstrecken und radial durch den Strömungsweg (18) zwischen den beiden Rotor schaufelanordnungen (42, 46) nach innen in die Nähe der inneren Luftdichtung (48) ragen und dabei zwischen sich und der inneren Luftdichtung (48) einen radialen Spalt (G₃) belassen, und
einer Einrichtung zum Abstützen der beiden äußeren Luftdichtungen (62, 72) und der Stator schaufeln (82)
wobei die Einrichtung aufweist:
ein äußeres, kühlbares Gehäuse (20),
eine erste Tragvorrichtung (92) zum Abstützen des stromaufwärtigen Endes (84) der Stator schaufeln (82) und der Segmente (64) der ersten äußeren Luftdichtung (62),
wobei die erste Tragvorrichtung (92) aufweist:
einen stromaufwärtigen Tragring (96), der in Umfangsrichtung gleitbar in das strom aufwärtige Ende jedes Segmentes (64) der ersten äußeren Luftdichtung (62) ein greift, und
einen stromabwärtigen Tragring (100), der in Umfangsrichtung gleitbar in das strom abwärtige Ende jedes Segmentes (64) der ersten äußeren Luftdichtung (62) ein greift,
eine zweite Tragvorrichtung (94) zum Abstützen des stromabwärtigen Endes (86) der Stator schaufeln (82) und der Segmente (74) der zweiten äußeren Luftdichtung (72),
wobei die zweite Tragvorrichtung (94) aufweist:
einen stromaufwärtigen Tragring (124), der in Umfangsrichtung gleitbar in das strom aufwärtige Ende jedes Segmentes (74) der zweiten äußeren Luftdichtung (72) ein greift, und
einen stromabwärtigen Tragring (122), der in Umfangsrichtung gleitbar in das stromabwärtige Ende jedes Segmentes (74) der zweiten äußeren Luftdichtung (72) ein greift,
eine erste Kühlluftzufuhreinrichtung (24) zum Zuführen von Kühlluft zu dem äußeren Gehäuse (20), und
eine zweite Kühlluftzufuhreinrichtung (32) zum Zuführen von Kühlluft zu dem äußeren Gehäuse (20), dadurch gekennzeichnet, daß
der stromaufwärtige Tragring (96) und der stromabwärtige Tragring (100) der ersten Tragvorrichtung (92) an einer gemeinsamen ersten axialen Stelle (A₁) am äußeren Gehäuse (20) befestigt sind,
die erste Kühlluftzufuhreinrichtung (24) Kühlluft an die erste axiale Stelle (A₁) zuführt,
der stromaufwärtige Tragring (124) und der stromabwärtige Tragring (122) der zweiten Tragvorrichtung (94) an einer gemeinsamen zweiten axialen Stelle (A₂) am äußeren Gehäuse (20) befestigt sind, und
die zweite Kühlluftzufuhreinrichtung (32) Kühlluft an die zweite axiale Stelle (A₂) zuführt.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoranordnung (88) des weiteren aufweist:
eine erste kühlbare Flanschverbindung (22), die sich in Umfangsrichtung um das Äußere des äußeren Gehäuses (20) herumerstreckt, zur radialen Lagehaltung des äußeren Gehäuses (20) an der ersten axialen Stelle (A₁), wobei
die erste Kühlluftzufuhreinrichtung (24) zum Zuführen von Kühlluft in Strömungsverbindung mit der ersten kühlbaren Flanschverbindung (22) steht, und
eine zweite kühlbare Flanschverbindung (28), die sich in Umfangsrichtung um das Äußere des äußeren Gehäuses (20) herumerstreckt, zur radialen Lagehaltung des äußeren Gehäuses (20) an der zweiten axialen Stelle (A₂), wobei
die zweite Kühlluftzufuhreinrichtung (32) zum Zuführen von Kühlluft in Strömungsverbindung mit der zweiten kühlbaren Flanschverbindung (28) steht.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß
die erste Tragvorrichtung (92) einen ersten Flansch (104) umfaßt, der sich von dem äußeren Gehäuse (20) nach innen erstreckt und an dem äußeren Gehäuse (20) an der ersten axialen Stelle (A₁) befestigt ist, und
die zweite Tragvorrichtung (94) einen zweiten Flansch (138) umfaßt, der sich von dem äußeren Gehäuse (20) nach innen erstreckt und an dem äußeren Gehäuse (20) an der zweiten axialen Stelle (A₂) befestigt ist.

4. Gasturbine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
jede äußere Luftdichtung (62, 72) ein erstes und ein zweites Ende (66, 68; 76, 78) besitzt, und
eine der Tragvorrichtungen (92, 94)
einen ersten Tragring (96) aus einer Vielzahl von stromaufwärtigen Tragsegmenten (98) umfaßt, der das erste Ende (66) der äußeren Luftdichtung (62) radial in Lage hält und daran in Umfangsrichtung gleitend angreift, und
einen zweiten Tragring (100) umfaßt, der das zweite Ende (68) der äußeren Luftdichtung (62) radial in Lage hält und daran in Umfangsrichtung gleitend angreift.

5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Tragring (96) bezüglich des zweiten Trag ringes (100) sich in Umfangsrichtung gleitend verschieben kann.

6. Gasturbine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß jedes Segment (98) des ersten Tragringes (96) integral mit einem zugeordneten Segment (102) des zweiten Trag ringes (100) ausgebildet ist.