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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere
auf ein Gasturbinentriebwerk und ein Verfahren zur Montage eines
Gasturbinentriebwerks.
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Zumindest
einige bekannte Gasturbinentriebwerke enthalten in serieller Strömungsverbindung
miteinander einen Hochdruckkompressor zum Verdichten von Luft, die
durch eine Turbine strömt, eine
Brennkammer, in der ein Treibstoff mit der verdichteten Luft gemischt
und gezündet
wird, um eine Gasströmung
hoher Temperatur zu erzeugen, und eine Hochdruckturbine. Der Hochdruckkompressor, die
Brennkammer und die Hochdruckturbine werden manchmal gemeinsam als
das Kerntriebwerk gezeichnet. Solche Gasturbinentriebwerke können auch
eine Niederdruckturbine oder Antriebsturbine zur Übertragung
der durch das Kerntriebwerk erzeugten Leistung auf eine angetriebene
Komponente, wie z. B. einen Generator, enthalten.
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Gasturbinentriebwerke
werden in vielen Anwendungen, einschließlich Flugzeug-, Energieerzeugungs-
und Schiffsanwendungen, eingesetzt. Zumindest einige bekannte Gasturbinentriebwerke
enthalten zwei Schubbefestigungen, die zwischen einer äußeren Fläche eines
Gasturbinentriebwerks und einer Tragstruktur eingekoppelt sind.
Im Triebwerksbetrieb können
wenigstens einige bekannte Schubbefestigungen zumindest eine gewisse
strukturelle Verformung oder einen Zustand der „Rundlaufabweichung" des Gehäuses eines
Gasturbinentriebwerks herbeiführen,
was den Schaufelspitzenspalt innerhalb eines Gasturbinentriebwerks
verringern kann. Darüber hinaus
kann, wenn eine Antriebsturbine mit dem Gastur binenkerntriebwerk
gekoppelt wird, die Kombination aus Belastungen und Geometrien auch
zu einer gewissen strukturellen Verformung führen, die den Schaufelspitzenspalt
innerhalb des Gasturbinentriebwerks auch verringern können.
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Beispielsweise
beträgt
die zumindest durch einige bekannte Antriebsturbinenrotoren im Betrieb erzeugte
Schublast ca. 1110 kN oder 250.000 Pfund in einer Richtung, die
zu der Richtung des durch das Gasturbinentriebwerk erzeugten Schubs
entgegengesetzt gerichtet ist. Dementsprechend wird im Betrieb der
durch die Antriebsturbine erzeugte Schub auf die Triebwerksschubbefestigungen übertragen und
erhöht
auf diese Weise die Gefahr, dass das Gasturbinentriebwerk eine strukturelle
Verformung oder einen Zustand der Rundlaufabweichung erfahren kann.
Alternativ kann der durch die Antriebsturbine erzeugte Schub auf
die Schublagerhalterung der Antriebsturbine übertragen werden, was auch
die Gefahr erhöhen
kann, dass das Gasturbinentriebwerk eine strukturelle Verformung
erfahren kann. Um eine die Reduktion einer derartigen strukturellen
Verformung zu fördern,
versuchen zumindest einige bekannte Turbinen die Last zwischen den
Triebwerksschubbefestigungen und der Schublagerhalterung einer Antriebsturbine
auszugleichen. Auch wenn die Schublast der Antriebsturbine zwischen
den Triebwerksschubbefestigungen und der Schublagerhalterung der
Antriebsturbine ausgeglichen ist, können die Antriebsturbinenrotorlast
und die Restlast des Gasturbinentriebwerks in Kombination miteinander
jedoch bewirken, dass sich das Gehäuse des Gasturbinenkerntriebwerks
verformt, was die Schaufelspitzenspalte in dem Gasturbinentriebwerk
reduzieren kann.
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US 2003/0033817 beschreibt
eine Turbogruppe einer Kraftwerksanlage.
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US 4,716,721 beschreibt
ein Gasturbinentriebwerk, das ein inneres und ein äußeres Gehäuse aufweist,
wobei das innere Gehäuse
einen der Triebwerkskompressoren enthält.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist eine Schubanordnung für eine Gasturbinentriebwerksanordnung
gemäß dem beigefügten Anspruch 1
geschaffen. Die Schubanordnung enthält einen ersten ringförmigen Abschnitt
mit einem ersten Radius, der mit der Antriebsturbine gekoppelt ist,
einen zweiten ringförmigen
Abschnitt mit einem zweiten Radius, der mit dem Schublager gekoppelt
ist, wobei sich der erste Radius von dem zweiten Radius unterscheidet, und
mehrere tragende Elemente, die sich zwischen dem ersten und dem
zweiten Abschnitten derart erstrecken, dass die Schubanordnung eine
im Wesentlichen kegelstumpfförmige
Form aufweist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Gasturbinentriebwerksanordnung geschaffen.
Die Gasturbinentriebwerksanordnung enthält ein Gasturbinentriebwerk,
das einen ersten Kompressor, einen zweiten Kompressor stromabwärts von
dem ersten Kompressor, eine Turbine, die in Strömungsverbindung mit dem zweiten
Kompressor gekoppelt ist, eine Antriebsturbine, die mit dem Gasturbinentriebwerk gekoppelt
ist, ein Schublager, das mit der Antriebsturbine gekoppelt ist und
eine Schubanordnung gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung enthält,
die zwischen die Antriebsturbine und das Schublager gekoppelt ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf
beigefügte
Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks;
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2 eine
Seitenansicht des Abschnitts eines in 1 gezeigten
Gasturbinentriebwerks samt einem Stützkäfig;
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3 eine
perspektivische Sicht des in 2 gezeigten
Stützkäfigs;
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4 eine
Endansicht des in 2 gezeigten Stützkäfigs;
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5 eine
Draufsicht eines Abschnitts des in 2 gezeigten
Stützkäfigs;
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6 eine
Seitenansicht eines Abschnitts des in 5 gezeigten
Stützkäfigs; und
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7 eine
Seitenansicht eines Abschnitts des in 5 und 6 gezeigten
Verbindungselements.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Gasturbinentriebwerks 10. Das Gasturbinentriebwerk 10 enthält in serieller
Strömungsverbindungsanordnung einen
Niederdruckverdichter oder Zusatzantrieb (Booster) 14,
einen Hochdruckverdichter 16, eine Brennkammer 18,
eine Hochdruckturbine 20, eine Zwischendruckturbine 22 und
eine Niederdruck- oder Antriebsturbine 24. Der Niederdruckverdichter
oder Boosterantrieb 14 weist einen Einlass 26 und
einen Auslass 28 auf, und der Hochdruckverdichter 16 enthält einen
Einlass 30 und einen Auslass 32. Die Brennkammer 18 weist
einen Einlass 34, der mit dem Auslass 32 des Hochdruckkompressors
im We sentlichen übereinstimmt
und einen Auslass 36 auf. In der beispielhaften Ausführungsform
ist die Gasturbinentriebwerksanordnung 10 eine LMS100,
die von der General Electric Company hergestellt wird.
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Die
Hochdruckturbine 20 ist mittels einer ersten Rotorwelle 40 mit
dem Hochdruckverdichter 16 gekoppelt, während die Zwischendruckturbine 22 mittels
einer zweiten Rotorwelle 42 mit dem Niederdruckverdichter 14 gekoppelt
ist. Die Rotorwellen 40 und 42 sind jeweils im
Wesentlichen koaxial bezüglich
einer Längsmittelachse 43 des
Triebwerks 10 ausgerichtet. Das Triebwerk 10 kann
zum Antrieb einer Last 44, wie z. B. eines Generators,
verwendet werden, die mit einer Antriebsturbinenwelle 46 gekoppelt
ist. Alternativ kann die Last mit einem vorderen Fortsatz (nicht
gezeigt) der Rotorwelle 42 gekoppelt sein.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
enthält
die Gasturbinentriebwerksanordnung 10 ferner einen Zwischenkühlerwärmetauscher 50 enthalten, der
zwischen dem Niederdruckverdichter oder Boosterantrieb und dem Hochdruckverdichter 16 angeordnet
ist, um eine Reduktion der Temperatur der in den Hochdruckverdichter 16 einströmenden Luft
zu erleichtern. Die Verwendung eines Zwischenkühlers unterstützt eine
Erhöhung
der Effizienz des Triebwerks bei gleichzeitiger Reduktion der durch
den Hochdruckverdichter verrichteten Arbeitsmenge. Zumindest ein
bekannter Zwischenkühlerwärmetauscher
verwendet Umgebungsluft oder Wasser als Kühlmedium 52, um die
aus dem Boosterverdichter austretende Luft zu kühlen. In einer alternativen
Ausführungsform
enthält
das Gasturbinentriebwerk 10 keinen Zwischenkühlerwärmetauscher 50.
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Im
Betrieb wird Umgebungsluft, die in den Einlass 26 des Niederdruckverdichters
eingesaugt wird, verdichtet und stromabwärts zu dem Hochdruckverdichter 16 geleitet.
Der Hochdruckverdichter 16 verdichtet die Luft weiter und
liefert Druckluft zu der Brennkammer 18, in der diese mit
einem Treibstoff gemischt wird, wobei das Gemisch gezündet wird,
um Verbrennungsgase hoher Temperatur zu erzeugen. Die Verbrennungsgase
werden von der Brennkammer 18 zu den Antriebsturbinen 20, 22 und 24 geleitet.
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Genauer
gesagt, ist die Antriebsturbine 24 aerodynamisch mit der
Zwischendruckturbine 22 gekoppelt, so dass der durch das
Gasturbinentriebwerk 10 erzeugte Schub zum Antreiben der
Antriebsturbine 24 verwendet wird. Da die Antriebsturbine 24 mit einer
Last 44 gekoppelt ist, treibt die Gasturbinentriebwerksanordnung 10 außerdem auch
die Last 44 an. In der beispielhaften Ausführungsform
ist die Last 44 unter Verwendung eines Schublagers 54 mit
der Antriebsturbine 24 gekoppelt und unter Verwendung z.
B. eines Ständers 58 mit
einer Tragstruktur 56 gekoppelt. Genauer gesagt, sind sowohl
die Antriebsturbine 24 als auch die Tragstruktur 56 entlang
einer Mittelachse 43 so gekoppelt, dass die Gasturbinentriebwerksanordnung 10 axial
mit dem Schublager 54 und somit mit der Last 44 im
Wesentlichen ausgerichtet ist. In der beispielhaften Ausführungsform
ist das Gasturbinenkerntriebwerkgehäuse mit dem Antriebsturbinengehäuse unter
Verwendung von mehreren Schrauben mechanisch gekoppelt, so dass
der Antriebsturbinerotor mit dem Gasturbinenkerntriebwerk aerodynamisch
gekoppelt ist.
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines Abschnitts des in 1 gezeigten
Gasturbinentriebwerks einschließlich
eines Halte- bzw. Stützkäfigs 100. 3 zeigt
eine per spektivische Ansicht des in 2 gezeigten
Stützkäfigs 100. 4 zeigt
eine Endansicht des in 2 gezeigten Stützkäfigs. In
der beispielhaften Ausführungsform
wird der Stützkäfig 100 auch
als „Gorillakäfig" bezeichnet.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
weist der Stützkäfig 100 eine
im Wesentlichen kegelstumpfförmige
Gestalt auf. Alternativ ist der Begriff kegelstumpfförmig, wie
er hierin benutzt wird, als ein abgeschnittener Kegel oder eine
abgeschnittene Pyramide definiert. Entsprechend enthält der Stützkäfig 100 einen
ersten Abschnitt 110, der im Wesentlichen kreisförmig ist
und einen ersten Radius 112 aufweist, und einen zweiten
Abschnitt 114, der im Wesentlichen kreisförmig ist
und einen zweiten Radius 116 aufweist. In der beispielhaften
Ausführungsform
ist der erste Radius 112 größer als der zweite Radius 116.
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Der
Stützkäfig 100 enthält auch
mehrere tragende Elemente 120, die sich zwischen dem ersten und
dem zweiten Abschnitt 100 bzw. 114 erstrecken und
mit diesen gekoppelt sind. In der beispielhaften Ausführungsform
sind der erste und der zweite Abschnitt 110 und 114 im
Wesentlichen kreisförmig.
Jedes tragende Element 120 weist eine Länge 122 auf, die bemessen
ist, um dem Stützkäfig 100 zu
ermöglichen,
sich zwischen einem hinteren Rahmen 124 der Turbine und
einem Schublagergehäuse 126 zu erstrecken.
Darüber
hinaus weist jedes tragende Element in der beispielhaften Ausführungsform
eine im Wesentlichen ähnliche
Länge auf,
so dass der Abschnitt 110 im Wesentlichen parallel zu dem
zweiten Abschnitt 114 verläuft. In der beispielhaften
Ausführungsform
enthält
der Stützkäfig 100 sieben
tragende Elemente 120, die rings um einen Umfang des ersten bzw.
des zweiten Abschnitts 110 bzw. 114 in ungefähr gleichen
Ab ständen
zueinander angeordnet sind. Alternativ enthält der Stützkäfig 100 mehr oder
weniger als sieben tragende Elemente.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
enthält
der Stützkäfig 100 eine
erste Stützkäfigstruktur 115 und
eine zweite Stützkäfigstruktur 117.
Genauer gesagt, ist der Stützkäfig 100 in
Form von zwei Abschnitten 115 bzw. 117 hergestellt,
wobei jede Struktur mehrere Elemente 120 enthält, so dass
der Stützkäfig 100 mit
der Gasturbinenanordnung 10 gekoppelt werden kann. In einer
Ausführungsform
ist die erste Stützkäfigstruktur 115 mit
der zweiten Stützkäfigstruktur 117 z.
B. unter Verwendung eines Schweißverfahrens gekoppelt. In einer
alternativen Ausführungsform
ist die erste Stützkäfigstruktur 115 mit
der zweiten Stützkäfigstruktur 117 unter
Verwendung mehrerer mechanischer Befestigungsmittel gekoppelt. In
der beispielhaften Ausführungsform
erstreckt sich die erste Stützkäfigstruktur 115 zumindest
um 180 Grad um die Antriebsturbinenmittelachse herum, während sich
die zweite Stützkäfigstruktur 117 um
weniger als 180 Grad rings um die Antriebsturbinenmittelachse erstreckt.
In einer alternativen Ausführungsform
erstrecken sich die erste und die zweite Stützkäfigstruktur 115 und 117 jeweils
um 180 Grad um die Antriebsturbinenmittelachse herum.
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5 zeigt
eine Draufsicht eines Abschnitts des in 2 gezeigten
Stützkäfigs. Genauer
gesagt, zeigt 5 eine Draufsicht auf ein tragendes
Element 120. 6 zeigt eine Seitenansicht des
in 5 gezeigten tragenden Elements. 7 zeigt eine
Seitenansicht eines Abschnitts eines in 5 und 6 gezeigten
Verbindungselements 120. Jedes Tragelement 120 enthält einen
ersten Befestigungsfuß 150,
einen zweiten Befestigungsfuß 152 und
ein Verbindungselement 154, das sich zwischen dem ersten
und dem zweiten Verbindungsfuß 150 bzw. 152 erstreckt
und damit gekoppelt ist. Das Verbindungselement 154 weist
eine Breite 160, eine Dicke 162 und eine Länge 164 auf.
Der erste und der zweite Befestigungsfuß 150 und 152 enthalten
jeweils einen ersten Abschnitt 170 und einen zweiten Abschnitt 172,
der mit dem ersten Abschnitt 170 gekoppelt ist. In einer
Ausführungsform
sind der erste und der zweite Abschnitt 170 und 172 in
einem Stück gemeinsam
ausgebildet, um in einem Stück
den ersten und den zweiten Befestigungsfuß 150 und 152 auszubilden.
Die Befestigungsfüße 150 und 152 sind jeweils
mit dem Verbindungselement 154 z. B. durch ein Hartlöt- und/oder
Schweißverfahren
gekoppelt. In einer weiteren Ausführungsform sind der erste und der
zweite Befestigungsfuß 150 und 152 und
das Verbindungselement 154 in einem Stück gemeinsam hergestellt, um
jedes Element 120 zu bilden. In einer alternativen Ausführungsform
ist jedes Element 120 aus mehreren Teilen hergestellt.
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Der
erste Abschnitt 170 des Befestigungsfußes enthält ein erstes Ende 180,
das eine Breite 182, die mit der Breite 160 des
Verbindungselements ungefähr übereinstimmt,
und eine Dicke 184 aufweist, die mit der Dicke 162 des
Verbindungselements ungefähr übereinstimmt.
Der erste Abschnitt 170 des Befestigungsfußes enthält ein zweites
Ende 190, das eine Breite 192, die breiter als
die Breite 182 des ersten Endes ist, und eine Dicke 194 aufweist,
die enger als die Dicke 184 des ersten Endes ist. Entsprechend,
und in der beispielhaften Ausführungsform, weist
der erste Abschnitt 170 eine Breite und eine Dicke 182 und 184 auf,
die mit der Breite und der Dicke 160 und 162 des
Verbindungselements 120 ungefähr übereinstimmen. Darüber hinaus
weist der erste Abschnitt 170 eine Breite, die von dem
ersten Ende 180 zu dem zweiten Ende 190 allmählich zunimmt
und eine Dicke auf, die von dem ersten Ende 180 zu dem zweiten
Ende 190 allmählich
abnimmt.
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Der
zweite Abschnitt 172 des Befestigungsfußes enthält ein erstes Ende 200,
das eine Breite 202, die mit der Breite 192 ersten
Abschnitts ungefähr übereinstimmt,
und eine Dicke 204 aufweist, die mit der Dicke 194 des
ersten Abschnitts ungefähr übereinstimmt.
Der zweite Abschnitt 172 des Befestigungsfußes enthält ein zweites
Ende 210, das eine Breite 212, die mit der Breite 202 ungefähr übereinstimmt,
und eine Dicke 214 aufweist, die mit der Dicke 204 ungefähr übereinstimmt.
Entsprechend, und in der beispielhaften Ausführungsform, weist der zweite
Abschnitt 172 eine Breite und eine Dicke 200 und 204 auf,
die zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 200 bzw. 210 ungefähr gleich
sind.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
ist der Stützkäfig 100 aus
einem Material hergestellt, wie z. B., aber nicht darauf beschränkt, dem
Stahl AISI 4140, der einen relativ hohen Elastizitätsmodul,
gute Biegbarkeit (LCF, Ermüdung
bei niedriger Lastspielzahl), angemessene Festigkeit aufweist und
relativ kostengünstig
ist. In der beispielhaften Ausführungsform
biegen sich die Elemente 120 in eine axiale Richtung und
nehmen folglich die Schubbelastung zwischen dem Gasturbinentriebwerk 10 und
der Antriebsturbine 24 auf. In einer weiteren Ausführungsform
sind die Elemente 120 aus einem metallischen Werkstoff
hergestellt, der sich von dem des ersten und des zweiten Abschnitts 110 bzw. 114 unterscheidet.
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Während der
Montage wird der Stützkäfig 100 zwischen
einem Schubgehäuse 126 eines
Antriebsturbinenschublagers und einer inneren Fläche 252 der Antriebsturbine 24 gekoppelt.
Genauer gesagt, ist der erste Abschnitt 110 mit einem Innenflansch 254 des
hinteren Rahmens der Antriebsturbine gekoppelt, während der
zweite Abschnitt 114 an eine äußere Oberfläche des Schublagergehäuses 126 angekoppelt
ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Stützkäfig 100 an
ein Gasturbinentriebwerk 10 unter Verwendung mehrerer mechanischer
Befestigungselemente, wie z. B. Muttern und Bolzen, gekoppelt. In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Stützkäfig 100 unter
Verwendung von z. B. Schweiß-
und Hartlötverfahren
an ein Gasturbinentriebwerk 10 gekoppelt.
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Im
Gebrauch unterstützt
der Stützkäfig 100 eine
Reduktion der durch die Antriebsturbine erzeugten Schublast. Genauer
gesagt, erleichtert der Stützkäfig 100 einen
Ausgleich der Schubbelastung, die durch die Antriebsturbine erzeugt
wird, indem er einen Teil der Schublast zurück zu dem Gasturbinentriebwerk überträgt. In einer
beispielhaften Ausführungsform
erzeugt die Gasturbinentriebwerksanordnung 10 beispielsweise
einen Schub von etwa 1156 kN oder 260.000 Pfund in axialer Vorwärtsrichtung, während die
Antriebsturbine 24 in axialer Rückwärtsrichtung ungefähr 1067
kN oder 240.000 Pfund erzeugt. Entsprechend unterstützt die
Koppelung der Antriebsturbine 24 mit dem Schublager 54 unter
Verwendung des Stützkäfigs 100 eine
Kompensation des gesamten Schubflusses der Gasturbinenanordnung
zwischen dem Gasturbinentriebwerk 10 und der Antriebsturbine 24 an
der Triebwerksmittellinie, wodurch auf Schublast zurückzuführende Verformungen
reduziert werden, wie sie Gasturbinentriebwerke, die an der Seite
befestigte Schubbefestigungen verwenden, erfahren. Darüber hinaus
ermöglicht der
Stützkä fig 100 eine
Reduktion von strukturellen Verformungen des Gasturbinentriebwerks
und verbessert dadurch die Schaufelspitzenspalte innerhalb des Gasturbinentriebwerks.
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Der
vorstehend beschriebene Stützkäfig schafft
eine kosteneffiziente und hochzuverlässige Schubanordnung, die eine
im Wesentlichen kegelstumpfförmige
Gestalt aufweist, um die Antriebsturbinenschublast von dem Schublager
der Antriebsturbine auf die Schubbefestigungen der Antriebsturbine zu übertragen.
Dementsprechend wird ein Schubpfad zwischen dem Schublager der Antriebsturbine und
dem Gasturbinentriebwerk auf eine kosteneffiziente Weise erzeugt.
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Vorstehend
ist eine beispielhafte Ausführungsform
einer Schubanordnung beschrieben. Die Schubanordnung ist nicht auf
die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt; vielmehr
können
Komponenten der Anordnung unabhängig
und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet
werden. Darüber
hinaus kann die hierin beschriebene Schubanordnung auch in Kombination
mit vielfältigen
Gasturbinentriebwerken eingesetzt werden.