DE3940423A1 - Gasturbinentriebswerksrahmen mit freischwimmendem hitzeschild - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Turbinenrahmen mit einer vereinfachten Struktur und insbesondere auf eine Tur­ binenrahmenanordnung, die eine speichenartige Anordnung von Bolzen und Abstandsstreben aufweist zum festen Verbinden von inneren und äußeren, konzentrisch ausgerichteten Rahmentei­ len, wobei eine thermisch nicht eingeschränkte Hitzeschildan­ ordnung gehaltert wird.

Flugzeugturbinentriebwerke verwenden zwei oder mehr Strukturan­ ordnungen, die als Rahmen bekannt sind, um den Triebwerksrotor innerhalb des Stators zu haltern und genau zu positionieren. Jeder Rahmen enthält ein stationäres inneres Gehäuse, das durch ein stationäres äußeres Gehäuse durch eine Anzahl radialer Streben gehaltert ist, die für eine minimale Störung der Trieb­ werksströmung geformt bzw. konturiert sind. Der Rahmen am hin­ teren Ende des Triebwerks, gewöhnlich hinter der Turbine, ist üblicherweise gegenüber den extremen Turbinenabgastemperaturen durch luftgekühlte Hitzeschilde geschützt, die Strömungsbahn­ auskleidungen und Verkleidungen umfassen.

Die Konstruktion von bekannten Turbinentriebwerksrahmen erfor­ dert die Bildung von zahlreichen Schweißverbindungen zwischen dem äußeren Gehäuse, den Streben, dem inneren Gehäuse und dem Hitzeschild. Obwohl die dabei entstehenden geschweißten Rahmen zufriedenstellend arbeiteten, waren sie dauerhaft befestigte Konfigurationen, die nicht gut für die Auswechselung oder Repera­ tur einzelner Rahmenkomponenten geeignet waren. Darüber hinaus waren solche geschweißten Rahmen häufig schwer und relativ schwierig zu bauen. Weiterhin erforderten die dabei entstehenden Rahmenanordnungen üblicherweise eine Auswechselung oder Repara­ tur nach mittleren Betriebsperioden. Diese Eigenschaften führ­ ten zu signifikanten Betriebs- und Wartungsproblemen bei Flug­ zeuganwendungen, wo eine vereinfachte Reparatur, verkleinertes Gewicht und verlängerte Lebensdauer höchst wünschenswert sind.

Die Hitzeschilde, die die inneren und äußeren Gehäuse schützen, sind als Strömungsbahnauskleidungen bekannt und schirmen zusammen mit den Verkleidungen thermisch den gesamten hinteren Triebwerks­ rahmen ab. Hitzeschilde sind erforderlich, um den Triebwerks­ rahmen zu schützen aufgrund der begrenzten Wärmetoleranz von verfügbaren Rahmenkonstruktionsmaterialien. Hitzeschilde wer­ den auch verwendet, um die thermische Expansion und Verformung der Rahmen einzuschränken. Übermäßige Expansion und Verformung der Rahmen, die durch thermische Gradienten hervorgerufen wer­ den, beeinflussen nachteilig die Ausrichtung des Rotors inner­ halb des Triebwerks, wodurch die Triebwerkleistung nachteilig beeinflußt wird.

Da die heißen Gase, die aus dem Brennkammer- und Turbinenab­ schnitt von einem fortgeschrittenen Gasturbinentriebwerk aus­ treten, oberhalb der Schmelztemperaturen der verfügbaren Ma­ terialien liegen, die bei der Hitzschildkonstruktion verwendet werden, müssen die Hitzeschilde selbst auf wirksame Weise ge­ kühlt werden. Je effizienter das Kühlsystem eines Hitzeschildes ist, desto weniger Kühlluft ist erforderlich, um die Hitze­ schilde zu kühlen, und desto effizienter ist der gesamte Wir­ kungsgrad eines Gasturbinentriebwerks.

Eine der wirksamsten Methoden zum Kühlen der Hitzeschilde kom­ biniert die Prallkühlung mit der Filmkühlung. Bei dieser doppel­ ten Kühlmethode strömt die Kühlluft zunächst durch eine mit Lö­ chern versehene Platte, die als ein Prallblech bekannt ist. Das Prallblech teilt die Kühlluft in eine Vielzahl kleiner Strah­ len mit großer Geschwindigkeit, die auf die Rückfläche der aus Metall bestehenden Hitzeschilde, die die Strömungsbahnauskleidungen bilden, aufprallen und kühlen. Dieser Teil der Kühlmethode wird Prallkühlung genannt.

Die Kühlluft wird dann in die Triebwerksströmungsbahn durch Schlitze oder Löcher eingeleitet, die als Luftkühlfilm-Injek­ tionslöcher bekannt sind, die sich durch die Strömungsbahnausklei­ dungen erstrecken. Dies erzeugt einen thermisch schützenden Film aus kalter Luft auf den Oberflächen der Strömungsbahnaus­ kleidungen, die den heißen Abgasen direkt ausgesetzt sind. Die­ ser Teil der Kühlmethode wird Filmkühlung genannt.

Ein lange bestehendes Problem bei der Gestaltung von Hitze­ schilden für Turbinentriebwerksrahmen ist die Einschränkung der thermischen Expansion der heißen Hitzeschildoberflächen ge­ wesen, die durch verschiedene Strukturteile hervorgerufen wird, die zum Verstärken und Befestigen der Hitzeschilde an den Triebwerksrahmen verwendet werden. Die Einschränkung der ther­ mischen Expansion der Hitzeschilde resultierte in einer Ver­ werfung und Rißbildung der Hitzeschildoberflächen und setzte der nutzbaren Lebensdauer von Turbinenrahmen-Hitzeschildsy­ stemen, die in moderne Hochleistungstriebwerke eingebaut waren, enge Grenzen.

Demzufolge besteht ein Bedarf an einem billigen Turbinentrieb­ werksrahmen mit einem leichten Gewicht, einer verlängerten be­ trieblichen Lebensdauer und einem relativ einfachen Aufbau, der die Verwendung von dauerhaften Schweißverbindungen vermei­ det. Weiterhin besteht ein Bedarf an einer Turbinentriebwerks­ rahmenkonstruktion, die Montage- und Konstruktionsverfahren erleichtert, die Verwendung von speziellem Montagewerkzeug ver­ meidet und die die Auswechselung und Reparatur von Rahmentei­ len erleichtert. Ein weiterer Bedarf besteht an einem Turbinen­ triebwerksrahmen, der einen freischwimmenden Hitzeschild auf­ weist, der thermisch expandieren und kontraktieren kann, prak­ tisch ohne Einschränkung, um thermische Beanspruchungen wäh­ rend des Triebwerksbetriebs auf ein Minimum zu senken.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen billigen und leichten Turbinentriebwerksrahmen mit einem einfachen Auf­ bau zu schaffen, der die extensive Verwendung von Gußstücken enthält, um die Verwendung von teuren Schweißverbindungen zu vermeiden. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel kann mit konven­ tionellen Bearbeitungstechniken gefertigt werden, wobei teure, exotische maschinelle Bearbeitungsverfahren vermieden werden.

Weiterhin soll ein Turbinentriebwerksrahmen geschaffen werden, der Bolzen und Abstandsstreben verwendet, um einen inneren Strukturring des Turbinenrahmens mit dem äußeren Gehäuse zu verbinden. Weiterhin soll ein Turbinentriebwerksrahmen geschaf­ fen werden, der einen praktisch freischwimmenden Hitzeschild ent­ hält, der thermische Beanspruchungen innerhalb des Hitzeschil­ des während des thermischen Zyklus des Triebwerkes auf ein Mini­ mum senkt, um so die Lebensdauer des Hitzeschildes zu verlängern.

Ferner soll ein Turbinentriebwerksrahmen geschaffen werden, der mehrere radial verlaufende Bolzen aufweist, die in Umfangsrich­ tung in einer Speichenanordnung angeordnet sind, um den inneren Ring fest mit dem äußeren Gehäuse zu verbinden. Ein Hitzeschild ist frei um die Bolzen herum in einer Weise angeordnet, die eine freie axiale, radiale und in Umfangsrichtung verlaufende Expan­ sion des Hitzeschildes gestattet, wenn dieser seine thermischen Zyklen durchläuft.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene, schematische Seitenan­ sicht von einem Gasturbinentriebwerk und zeigt den all­ gemeinen Aufbau des Gasturbinentriebwerks und die Lage der Triebwerksrahmen.

Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene, auseinandergezogene, perspektivische Teilansicht von dem Turbinentriebwerks­ rahmen gemäß der Erfindung.

Fig. 3 ist ein Schnitt von dem Turbinentriebwerksrahmen und zeigt die speichenförmige Verbindung des inneren Ringes mit dem äußeren Gehäuse.

Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3.

Fig. 5 ist ein Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4.

Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung der Abstandsstreben- und Bolzenanordnung.

Fig. 7 ist eine teilweise geschnittene, teilweise auseinander­ gezogene, perspektivische Teildarstellung der Verbin­ dung zwischen dem äußeren Gehäuse, den Abstandsstreben, den Bolzen und der Hitzeschildanordnung.

Fig. 8 ist eine perspektivische Teildarstellung des Inneren des Innenringes.

Fig. 9 ist eine perspektivische Teildarstellung von einem Abschnitt der äußeren Strömungsbahnauskleidung.

Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung von unten auf ein inneres Strömungsbahnsegment und zeigt die Stützstrebe und die Bolzen im Schnitt.

Fig. 11 ist eine perspektivische Teildarstellung der Verbindung zwischen den Abstandsstreben, den Bolzen und der Hitze­ schildanordnung.

Fig. 12 ist eine teilweise geschnittene Teilansicht von oben und zeigt die Berührungs- und Halterungspunkte zwi­ schen den Segmenten der inneren Strömungsbahn und den Stützstreben und den Bolzen.

Fig. 13 ist eine perspektivische Darstellung von einem Prall­ blech, das in jedem Abschnitt der äußeren Strömungs­ bahnverkleidung gemäß Fig. 7 liegt und diesen über­ deckt.

Zunächst soll eine kurze Beschreibung der Hauptmerkmale eines Gasturbinentriebwerks die Lage und Anordnung der Turbinenrahmen­ anordnungen erläutern, an denen die freischwimmenden Hitzeschil­ de angebracht sind. In Fig. 1 ist ein Teil eines Gasturbinen­ triebwerks 10 teilweise im Schnitt dargestellt. Das Triebwerk 10 enthält ein äußeres Gehäuse 12, das eine ringförmige Strö­ mungsbahn 14 umgibt, die sich axial zwischen einer Einströmung 16 und einem Abgasauslaß 18 erstreckt, die an gegenüberliegen­ den Enden des Triebwerks 10 angeordnet sind.

Während des Triebwerksbetriebes wird Umgebungsluft in die Ein­ strömung 16 eingezogen und in einem Verdichter 20 auf einen höheren Druck verdichtet, von wo aus die verdichtete Luft in eine ringförmige Brennkammer 22 ausgestoßen wird, wo Brennstoff verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsprodukte zu er­ zeugen. Von der Brennkammer 22 aus wird das Arbeitsmedium einer Turbine 24 zugeführt, wo ein Teil seiner Energie entzogen wird, um den Verdichter 20 anzutreiben, und dann wird das Arbeitsme­ dium als eine hochenergetische Strömung durch den Abgasauslaß 18 ausgestoßen.

Um die verschiedenen Komponenten des Triebwerks in ihren rich­ tigen Betriebspositionen relativ zueinander zu halten, sind Triebwerksrahmenanordnungen vorgesehen, um die stationären Sta­ torkomponenten fest miteinander zu verbinden und um Lagerstützen für den Rotor zu bilden. Insbesondere enthält das Triebwerk 10 eine vordere Rahmenanordnung 26, die ein vorderes Lager 28 trägt, eine mittlere Rahmenanordnung 30, die ein mittleres Wellenlager 32 trägt, und einen Turbinenrahmen 34, der ein hinteres Lager 36 trägt. Der Rotor 38 ist in Lagern 28, 32 und 36 drehbar gehaltert.

Jede Rahmenanordnung 26, 30 und 34 weist auf entsprechende Wei­ se mehrere radiale Stützstreben 40, 42 und 44 auf, die sich durch die ringförmige Strömungsbahn 14 erstrecken, um die inneren und äußeren Rahmenteile der Rahmenanordnungen miteinander zu ver­ binden. Da sich die Temperatur des durch die Strömungsbahn 14 strömenden Arbeitsmediums während des transienten Triebwerks­ betriebs sehr schnell ändert, können wesentliche thermische Beanspruchungen in den starren Rahmenanordnungen hervorgerufen werden, wenn sich die Streben mit Geschwindigkeiten erhitzen und abkühlen können, die sich wesentlich von denjenigen der inneren und äußeren Rahmenteile unterscheiden. Dies gilt ins­ besondere in Bezug auf die Turbinenrahmenanordnung 34, da die Abgase, die die Turbinenrahmenanordnung umgeben, den schnell­ sten und größten Änderungen in den Betriebstemperaturen und den daraus resultierenden thermischen Beanspruchungen ausge­ setzt sind.

Demzufolge ist die Hitzeschildanordnung gemäß der Erfindung, die diese zerstörerischen thermischen Beanspruchungen auf ein Minimum senkt, in Verbindung mit einer modifizierten Turbinen­ rahmenanordnung analog dem Turbinenrahmen 34 dargestellt. Der Hitzeschild und der Triebwerksrahmen gemäß der Erfindung sind jedoch in gleicher Weise auf andere starre Anordnungen anwend­ bar, wie beispielsweise die vorderen und mittleren Rahmenan­ ordnungen 26 und 30, die ebenfalls einem Arbeitsmedium ausge­ setzt sein können, das wesentliche und schnelle Temperaturän­ derungen erfährt.

Wie aus den Fig. 2, 3 und 4 zu ersehen ist, weist der Tur­ binenrahmen 34 ein einheitliches, ringförmiges, in 360° ge­ gossenes äußeres Gehäuse 12 mit einem in Umfangsrichtung ver­ laufenden, zentralen, polygonalen, mit Rippen versehenen Ab­ schnitt 46 auf. Der mit Rippen versehene Abschnitt 46 ist axial zwischen einem kreisförmigen, mit einem Flansch ver­ sehenen, vorderen Rand 48 und einem kreisförmigen hinteren Rand 50 begrenzt. Der polygonale Aufbau des mit Rippen ver­ sehenen Abschnittes 46 vergrößert die Steifigkeit und Festig­ keit des Außengehäuses 12 mit einem minimalen Material und Ge­ wicht. Die Gewichtsminderung in dem äußeren Gehäuse 12 ist be­ sonders wünschenswert, da das äußere Gehäuse eines der schwer­ sten Teile in dem Turbinenrahmen 34 ist.

Das äußere Gehäuse 12 steuert die radiale Federkonstante des Rahmens, die ihrerseits die Dynamik des Triebwerksrotors be­ stimmt. Im Vergleich zu einem üblichen zylindrischen Außenge­ häuse kann eine etwaige Erhöhung um 30% in der radialen Fe­ derkonstante des Außengehäuses mit der polygonalen gerippten Konfiguration erzielt werden.

Anders als eine Feder unter gleichförmig beabstandeten, nach außen gerichteten radialen Belastungen,erfährt ein Polygon un­ ter derartigen radialen Lasten, die nach außen auf jede Innen­ ecke ausgeübt werden, nur Zugbeanspruchungen in jeder ebenen Seite des Polygons. Ein Ring erfährt sowohl Zuglasten als auch Biegelasten in den Bögen, die sich zwischen den Belastpunkten erstrecken. Diese zusätzlich Biegelast, die in einem ringför­ migen Rahmen vorhanden ist, verkleinert die Steifigkeit oder Federkonstante der Struktur. Die Vergrößerung der Rahmenstei­ figkeit, die sich durch einen polygonalen Außenring bietet, ist höchst erstrebenswert, da die feststehenden und umlaufen­ den Triebwerkselemente mit Hilfe des starren Außenringes ge­ nau ausgerichtet und in ihrer Lage gehalten werden können.

Ein innerer Strukturring 52 wird vorzugsweise als ein einstücki­ ger Ring gegossen, der mit integralen vorderen und hinteren strukturellen Flanschen 51, 52 versehen sind. Der innere Ring 52 ist konzentrisch innerhalb des äußeren Gehäuses 12 durch eine Reihe radial verlaufender, gegossener Abstandsstreben 54 gehalten. Die hohlen, ein geringes Gewicht aufweisenden Ab­ standsstreben sind zwischen dem inneren Ring 52 und dem äußeren Gehäuse 12 vorzugsweise durch radial ausgerichtete lösbare, strukturelle Spannteile festgeklemmt, wie beispielsweise Gewinde­ stäbe oder Bolzen 56, 57.

Wie am besten aus den Fig. 2, 4, 5 und 6 zu sehen ist, ist jede Abstandsstrebe 54 axial zwischen zwei vordern und hinteren Bolzen 56, 57 eingeschlossen. Zwar sind zwei Bolzen für jede Abstandsstrebe bevorzugt, aber für gewisse Anwendungsfälle könnte auch ein einzelner Bolzen 56, der innenseitig von einer hohlen Abstandsstrebe 54 angebracht ist, zufriedenstellend funk­ tionieren. Zwei Bolzen sind teilweise verschachtelt in genau dimensionierten, radial verlaufenden Kanälen 58, die in axial vorderen und hinteren Stirnflächen 60, 62 der Abstandsstreben ausgebildet sind. Die Kanäle 58 bilden vorzugsweise ein Komple­ ment des Profils der Bolzen 56, 57, um axiale, radiale und in Umfangsrichtung verlaufende Halterung von dem verschraubten Turbinenrahmen zu erhalten.

Der Triebwerksrahmen kann jede Anzahl von gleichmäßig verteilten Abstandsstreben enthalten, obwohl eine Gesamtzahl von 10 oder 12 Abstandsstreben bevorzugt ist zur Ausbildung einer ange­ messenen Steifigkeit und Festigkeit für den verschraubten Tur­ binenrahmen 34. Wie aus Fig. 2 deutlich hervorgeht, sind die Bolzen 56, 57 in Umfangsrichtung zwischen und durch den Innen­ ring 52 und das Außengehäuse 12 hindurch in dem Muster von Rad­ speichen angeordnet, um die dazwischen auftretenden Klemmkräfte gleichmäßig zu verteilen.

Eine Positioniernut 64, die gemäß Fig. 7 vorzugsweise eine rechteckige Form hat, erstreckt sich axial unter jeder Stoß­ stelle von aneinander angrenzenden polygonalen Seiten oder Seh­ nenflächen 66 des gerippten Bandes 46. Die Nut 64 ist in der Innenfläche 68 des Außengehäuses 12 vorgesehen, um den komple­ mentären rechtwinkligen, äußeren, radialen Endabschnitt 69 von jeder Abstandsstrebe 54 aufzunehmen und die Abstandsstrebe darin zu lokalisieren, zu haltern und zu verankern.

Der axial langgestreckte oder rechteckige Sitz der Abstands­ strebe 54 in dem Außengehäuse 12 verhindert, daß sich die Ab­ standsstrebe um ihre radial verlaufende Längsachse dreht oder verwindet. Die Versteifungsrippen 70 können entlang der Ober­ fläche der Abstandsstreben gegossen sein, um den Streben 54 eine größere Festigkeit und Stabilität zu geben und die Bläser­ luft in die Innenkammer des Hitzeschildes zu kanalisieren für eine Kühlung der Vorderkanten der Auskleidung und zur Kühlung der inneren Strömungsbahn.

Das radiale Innenende der Abstandsstrebe 54 sitzt auf der äuße­ ren Oberfläche 72 des Innenringes 52. Jede Abstandsstrebe kann an dem Innenring während der Montage mit einem kleinen Gewinde­ befestigungsteil 74 befestigt werden. Um dem radial inneren Ende der Abstandsstrebe einen sicheren Sitz zu geben, kann eine pla­ nare Oberfläche oder eine Ebene 76 auf der Oberfläche 72 ausge­ bildet sein.

Vordere und hintere Ansatzstücke 71, 73, die insbesondere in Fig. 8 gezeigt sind, sind auf der Innenseite des Innenringes 52 angegossen und bearbeitet, um orthogonal orientierte Stege 75 zu bilden. Die Stege 75 bilden einen abgestuften Sitz für die passenden Oberflächen 77 (s. Fig. 6) der Bolzen 56, 57. Vorzugs­ weise sind die Bolzen 56, 57 mit "D"-förmigen Köpfen 79 ver­ sehen, um zu verhindern, daß sich die Bolzen während der Mon­ tage drehen.

Wie ferner in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt ist, bildet die ver­ schraubte oder geklemmte Struktur des Turbinenrahmens 34 eine besonders wirksame Befestigungsanordnung zur Aufnahme einer Hitzeschildanordnung 78 mit einer praktisch freischwimmenden Passung. Die Hitzeschildanordnung 78 ist als eine einstückige geschweißte Struktur aus einem durchgehenden einheitlichen 360° Gußstück oder einer gefertigten äußeren Strömungsbahn-Ausklei­ dung 80, von der ein Teil in Fig. 9 gezeigt ist, einer axial segmentierten gegossenen, inneren Strömungsbahn-Auskleidung 82, von der ein Segment in Fig. 10 gezeigt ist, und einer gegosse­ nen Verkleidung 84 gebildet, die sich radial zwischen den Strö­ mungsbahn-Auskleidungen 80, 82 erstreckt und diese verbindet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Durch Gießen oder chemisches Frä­ sen der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung 80 wird eine effi­ ziente Ausnutzung von Metall erzielt und es entsteht eine Struk­ tur mit geringerem Gewicht.

Jede Verkleidung 84 ist an ihrem radial äußeren Ende an der äuße­ ren Strömungsbahn-Auskleidung 80 entlang einer Schweißverbindung 85 (s. Fig. 2, 7 und 11) angeschweißt und weiterhin an ihrem radialen Innenende an der inneren Strömungsbahn-Auskleidung 82 entlang einer Schweißverbindung 87 (s. Fig. 2) angeschweißt, wodurch die einheitliche gegossene und geschweißte Hitzeschild­ anordnung 78 gebildet wird. Es kann ein wirtschaftliches ein­ stufiges Schweiß- bzw. Lötverfahren verwendet werden, um die kostspieligereren vielstufigen Schweiß- bzw. Lötzyklen zu ver­ meiden.

Damit sich die Hitzeschildanordnung 78 während der thermischen Zyklen frei ausdehnen kann in axialer, radialer Richtung und in Umfangsrichtung, ist die Hitzeschildanordnung durch einen einzelnen Bolzen 57 (s. Fig. 11) auf dem Turbinenrahmen 34 po­ sitioniert und geführt. Ein bogenförmiger Bügel 86, der auf der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung 80 ausgeformt ist, ist mit einem genau bearbeiteten Führungsloch 88 versehen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, um eine gehärtete Abnutzungs- bzw. Reib­ hülse 89 aufzunehmen, die ihrerseits den hinteren Bolzen 57 mit einer engen Gleitpassung aufnimmt. Ein genau kontrollierter Spielraum von einigen tausendstel Millimeter wird zwischen dem hinteren Bolzen 57 und der Reibhülse 89 eingehalten, damit sich der Hitzeschild in radialer Richtung ausdehnen und zusammenziehen kann mit einer Gleitbewegung über dem Bolzen. Die hinteren Bol­ zen 57 tragen die Hitzeschildanordnung über einen Gleitkontakt innerhalb der Reibhülse 89 und sorgen dadurch für eine axiale und in Umfangsrichtung erfolgende Halterung in Verbindung mit einer radialen Führung.

Es sei darauf hingewiesen, daß der einzige konstante Kontakt zwischen der Hitzeschildanordnung 78 und dem Turbinenrahmen 34 über den hinteren Bolzen 57 besteht. Die äußere Strömungsbahn- Auskleidung 80 ist mit einem großen, axial langgestreckten Spiel­ raumschlitz 90 (s. Fig. 2 und 9) versehen, und ein ähnlicher Spielraumschlitz 94 (s. Fig. 2 und 10) ist in der inneren Strömungsbahn-Auskleidung ausgebildet, damit die Abstandsstrebe 54, der vordere Bolzen 56 und Schmiermittel-Zuführkanäle 92 frei hindurchführen können. Der Spielraumschlitz 94 sorgt ferner für einen Spielraum für den hinteren Bolzen 57.

Wenn die Hitzeschildanordnung 78 Temperaturänderungen ausge­ setzt ist, ist sie völlig frei, um sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung auszudehnen und zusammenzuziehen ohne Einschränkung durch die Abstandsstrebe 54 oder die Bolzen 56, 57. Die einheitliche Hitzeschildanordnung 78 hebt und senkt sich in radialer Richtung innerhalb des Turbinenrahmens 34, wie es durch die Richtungspfeile in Fig. 3 angegeben ist, während sie über den Bolzen 57 radial geführt wird. Weiterhin können der Innen­ ring 52 und das Außengehäuse 12 in allen Richtungen expandie­ ren und kontraktieren ohne Belastung der Hitzeschildanordnung 78. Auf diese Weise sind thermische Beanspruchungen innerhalb der Hitzeschildanordnung praktisch eliminiert, da ein Widerstand gegenüber thermischer Expansion und Kontraktion durch diesen frei gleitenden oder "frei schwimmenden Aufbau" vermieden ist.

Wie aus den Fig. 2 und 10 hervorgeht, ist die innere Strö­ mungsbahn-Auskleidung 82 als ein ringförmiger 360° Mantel aus einer Reihe einzelner Ringsegmente 96 konstruiert. Ein bogen­ förmiger Bügel 97 ist auf jedem Segment 96 der inneren Strö­ mungsbahn-Auskleidung ausgebildet, und ein sorgfältig dimen­ sioniertes Spielraumloch 99 führt durch den Bügel hindurch, um ein enges Komplement zu den Profilen der Bolzen 56 und der Ab­ standsstrebe 54 zu bilden.

Gemäß Fig. 12 erhalten die Bügelränder 101 neben dem Spielraum­ loch 99 eine lokalisierte Halterung von den Bolzen 56, 57 und der Abstandsstrebe 54 an Halterungspunkten 103. Diese Halte­ rung unterstützt die Widerstandsfähigkeit gegen jede tangentiale Belastung, die auf die Hitzeschildanordnung 78 ausgeübt wird. Die innere Strömungsbahn-Auskleidung erhält jedoch keine axiale Halterung von den Bolzen oder Abstandsstreben. Diese Konstruk­ tion gestattet eine freie radiale Bewegung der inneren Strö­ mungsbahn-Auskleidung 82.

Ein kleiner, axial verlaufender Spielraumschlitz oder Spalt 98 ist zwischen benachbarten Segmenten 96 eingehalten, und eine elastische Dichtung 100 ist innerhalb der mit Nuten versehenen Ränder 102 der Segmente angebracht, um einen geschlossenen Durch­ laß für die Gase beizubehalten, die durch die Strömungsbahn 14 strömen. Jeder Spalt 98 sorgt für den erforderlichen Spielraum, um die in Umfangsrichtung auftretende thermische Expansion zwi­ schen benachbarten Segmenten der inneren Strömungsbahn aufzu­ nehmen und zu gestatten, daß die gesamte Hitzeschildanordnung 78 in radialer Richtung über die Bolzen 57 gleitet.

Der segmentierte Aufbau der inneren Strömungsbahn-Auskleidung erlaubt, daß sich die Hitzeschildanordnung 78 mit unterschied­ lichen Geschwindigkeiten zwischen der inneren Strömungsbahn- Auskleidung 82 und der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung 80 ausdehnen kann. Diese Anordnung vermindert weiterhin das Auf­ treten thermischer Beanspruchungen in der Hitzeschildanordnung 78.

Vorzugsweise wird die äußere Strömungsbahn-Auskleidung 80 als ein massives einheitliches Stück oder Fertigungserzeugnis ge­ bildet anstelle der inneren Strömungsbahn-Auskleidung 82, um das Risiko einer Kühlluftleckage auf ein Minimum zu senken. Das heißt, eine Leckage ist weniger wahrscheinlich entlang den kurzen Spielraumschlitzen 98 als entlang einem entsprechenden länge­ ren Spalt in der äußeren Strömungsbahn. Diese einheitliche Kon­ struktion hat auch eine insgesamt leichtere Rahmenanordnung zur Folge und widersteht einer Verwerfung oder Biegung der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung 80.

Radial vorstehende Stützstifte 104, die in Fig. 9 gezeigt sind, sind in der äußeren Oberfläche 106 der äußeren Strömungsbahn- Auskleidung 80 gegossen, um ein mit vielen Löchern versehenes Prallblech 108, das in Fig. 13 gezeigt ist, auf der Hitze­ schildanordnung 78 radial zu positionieren und frei zu haltern. Die Stützstifte 104 wirken auch als Rippen für eine zusätzliche Konvektionskühlung der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung 80. Das Prallblech 108, das in Fig. 13 im Detail gezeigt ist, ist zum Zerteilen einer Kühlluftströmung in viele Strahlen vorge­ sehen, um die Außenfläche 106 der äußeren Strömungsbahn-Aus­ kleidung 80 zu kühlen.

Wie durch die Richtungspfeile in Fig. 4 gezeigt ist, wird Kühl­ luft in den Turbinenrahmen 34 durch Eingangsöffnungen 110 einge­ führt, die in dem Außengehäuse 12 ausgebildet sind. Die Kühl­ luftströmung strömt über und durch das Prallblech 108, um die Außenfläche 106 der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung 80 zu kühlen. Eine ringförmige 360° Dichtung 115 in der Form einer dünnen Metallplatte hält die Kühlluft zwischen dem Außengehäuse und der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung 80 und dichtet sie ab.

Eine Reihe von Luftinjektionslöchern 112 ist durch die äußere Strömungsbahn-Auskleidung 80 ausgebildet, damit die Kühlluft hindurchströmen kann und über die hintere Innenfläche 114 der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung strömt und in die Strömungsbahn 14 eintritt. Die Kühlluft strömt auch durch den Schlitz 90 in der äußeren Strömungsbahn- Auskleidung und strömt um die Abstandstrebe 54 und die Bolzen 56, 57 herum und durch die Verkleidung 84, um die innere Strömungsbahn-Auskleidung 82 in üblicher Weise zu kühlen.

Die Montage des Turbinenrahmens 34 ist schneller und einfacher als übliche geschweißte Turbinenrahmen. Die Bolzen 56 werden durch die Bolzenlöcher 114 in dem Innenring geführt, wobei die Abstandsstreben mit den Gewinde-Befestigungsgliedern 54 in ihrer Lage gehalten sind. Die Bolzen werden dann durch den Schlitz 94 in der inneren Strömungsbahn-Auskleidung 82 vorgeschoben bis zu der äußeren Strömungsbahn-Auskleidung 80.

Diese Unteranordnung wird dann innerhalb des Außengehäuses 12 ausgerichtet, und die Bolzen 56, 57 werden dann durch die Bolzenlöcher 116 in dem Außengehäuse vorgeschoben und mit einer kleinen Kraft über Gewindemuttern 118 angezogen, um die Bolzen 56, 57 mit etwa 10% ihrer maximal zulässigen Belastung vorzuspannen. Diese gesamte Schraubstruktur kann dann an einem ringförmigen Innengehäuseteil 120 mit Befestigungsgliedern über Befestigungslöcher 122 angebracht werden, wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Ein äußerer Kanal oder eine Abdeckung 124 kann dann an dem Außengehäuse 12 mit Verbindungsgliedern 126 in üblicher Weise befestigt werden.

Die radiale Länge von jeder Abstandsstrebe wird genau ausgearbeitet, wie die Tiefe und die Innenflächen von jedem Positionierschlitz 64 und der Ebene 76. Die Ausübung eines minimalen Drehmoments auf die Muttern 118 bringt die Abstandsstreben 54 in einen Sitz mit ihren passenden Oberflächen in den Schlitzen 64 und auf den Ebenen 76. Eine zusätzliche Bolzenvorspannung verkleinert das maximale Zuglast-Führungsvermögen der Bolzen und des Rahmens für den Fall, daß eine Turbinenschaufel während des Triebwerkbetriebes verloren geht. Ein besonderer Vorteil dieser Konstruktion ist die Eliminierung von speziellem Montagewerkzeug, da während der Rahmenmontage übliches Werkzeug verwendet werden kann.

Es wird auf einfache Weise deutlich, daß diese verschraubte Rahmenstruktur schneller und einfacher zusammenzubauen ist als eine geschweißte Struktur. Zusätzlich sind die Bolzen 56, 57 leichter und billiger als geschweißte Verbindungen von äquivalenter Festigkeit. Für die Praxis wurde gefunden, daß Bolzen 56, 57 mit einem Durchmesser von etwa 12,5 mm (1/2 Zoll) für Flugzeugtriebwerks-Anwendungen in angemessener Weise arbeiten.

Die Bolzen 56, 57 bleiben während des Triebwerkbetriebs und der "Abschaltung" unter Zug, während die Abstandsstreben 54 von der Anfangsbelastung der Bolzen im allgemeinen unter Druck sind. Wenn die Triebwerkstemperatur beim Starten ansteigt, dehnen sich der Innenring 52 und die Abstandsstreben 54 thermisch stärker radial nach außen aus als das Außengehäuse 12, wodurch die Streben durch bzw. gegen das Außengehäuse gedrückt werden. Diese Belastung vergrößert den Druck auf die Abstandsstreben 54 und hält das Außengehäuse unter Zug. Der polygonale, mit Rippen versehene Abschnitt 46 nimmt diesen Zug oder die Ringspannung mit der Unterstützung der unter Zug gehaltenen Bolzen 56, 57 in angemessener Weise auf.

Somit dienen die Bolzen als kritische strukturelle Halterungsteile und auch als Befestigungsglieder, um sowohl die Ringspannung des Turbinenrahmens aufzunehmen als auch den Innenring mit dem Außengehäuse zu verbinden, während für eine Halterung der Hitzeschildanordnung 78 gesorgt wird. Die Bolzen nehmen auch durch Lager hervorgerufene, versetzte Biegelasten auf und verkleinern Biegelasten in der Rahmenstruktur.

Ein weiterer Vorteil dieser geschraubten Turbinenrahmen- Anordnung ist ihre Fähigkeit, eine Beschädigung an dem Triebwerk 10 im Falle des Verlustes einer Turbinenschaufel einzuschließen und zu begrenzen. Das bedeutet, wenn eine Turbinenschaufel verlorengeht, nimmt die Belastung auf den Triebwerksrahmen zu und kann eine sekundäre Beschädigung an anderen Triebwerkskomponenten verursachen. Es wurde gefunden, daß die unter Zug stehende, geschraubte Konfiguration in Verbindung mit den zusammengedrückten Abstandsstreben die Beschädigung eingrenzt und eine sekundäre Beschädigung verhindert, damit das Triebwerk weiter arbeiten kann.

Claims (15)

1. Rahmenanordnung für ein Turbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:
ein äußeres Gehäuse (12), das als ein äußeres strukturelles Halterungsteil dient,
einen inneren Ring (52), der als ein inneres strukturelles Halterungsteil dient,
mehrere Abstandsstreben (54), die sich zwischen dem Innenring (52) und dem Außengehäuse (12) erstrecken, und
Spannmittel (56, 57) zum Zusammendrücken der Abstandsstreben (54) zwischen dem Innenring (52) und dem Außengehäuse (12).

2. Rahmenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (12) ein einstückiges ringförmiges Gußteil aufweist.

3. Rahmenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (52) ein Ringteil aufweist, das aus mehreren axial getrennten Segmenten gebildet ist.

4. Rahmenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (12) einen in Umfangsrichtung verlaufenden Verstärkungsabschnitt mit einem polygonalen Profil aufweist.

5. Rahmenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (12) mit mehreren Schlitzen versehen ist zum Aufnehmen und Lokalisieren der Abstandsstreben (54).

6. Rahmenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmittel (56, 57) mehrere Stäbe aufweisen, die sich radial zwischen dem Innenring und dem Außengehäuse erstrecken und diese miteinander verbinden.

7. Rahmenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe mehrere Gewindebolzen aufweisen, die in Umfangsrichtung in dem Muster einer speichenförmigen Anordnung zwischen dem Innenring und dem Außengehäuse angeordnet sind.

8. Rahmenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hitzeschildanordnung (78) aufweist.

9. Rahmenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeschildanordnung (78) auf den Spannmitteln (56, 57) angebracht ist.

10. Rahmenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmittel mehrere Stäbe aufweisen, die sich radial zwischen dem Innenring und dem Außengehäuse erstrecken, wobei die Hitzeschildanordnung (78) auf den Stäben angebracht ist.

11. Rahmenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeschildanordnung (78) eine äußere Strömungsbahn-Auskleidung (80), eine innere Strömungsbahn-Auskleidung (82) und eine Verkleidung (84) aufweist, die die inneren und äußeren Strömungsbahn- Auskleidungen (80, 82) miteinander verbindet.

12. Rahmenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeschildanordnung (78) eine einstückige, geschweißte bzw. hartgelötete Anordnung aufweist.

13. Rahmenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeschildanordnung (78) weiterhin ein Prallblech aufweist, das auf der äußeren Strömungsbahn- Auskleidung (80) vorgesehen ist.

14. Rahmenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeschildanordnung (78) allein durch die Spannmittel (56, 57) gehaltert ist.

15. Rahmenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeschildanordnung (78) auf den Spannmittel frei angebracht ist derart, daß sie sich ohne Einschränkung thermisch ausdehnen und zusammenziehen kann.