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BEREICH DER ERFINDUNG UND
STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbine mit einem durch
Gas angetriebenen Rotor und einem den Rotor einschließenden Gehäuse sowie
auf ein Bauelement zum Schutz des Gehäuses, das eine Turbine umschließt, die
einen durch Gas angetriebenen Rotor hat. Ein solches Bauelement
ist in dem Dokument US-A-4534698 offenbart.
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Auf
dem Gebiet der Gasturbinen, insbesondere in der Luftfahrtindustrie,
gibt es viele Sicherheitsvorschriften, die erfüllt werden müssen. Eine von
ihnen ist die sogenannte Sicherheitsbehälter- bzw. Containment-Forderung,
die bedeutet, dass alle Bruchstücke,
beispielsweise wenn sich aus irgendeinem Grund eine Turbinenschaufel
oder ein Teil von ihr von dem Rotor der Turbine löst, in dem
Gehäuse zurückgehalten
werden müssen,
welches den Rotor umschließt,
um zu verhindern, dass die Bruchstücke andere Teile beschädigen, beispielsweise
das Flugzeug. Dies bedeutet wiederum, dass die Wand des Gehäuses so
bemessen werden muss, dass diese Anforderung erfüllt wird.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezug auf eine Gasturbine eines Flugzeugmotors
und insbesondere in dem Bereich der Turbine beschrieben wird, wo
ein erstes den Rotor einschließendes
Teil, wie ein Niederdruckturbinengehäuse, und ein zweites stromab von
dem ersten Teil bezüglich
des Gasstroms angeordnetes Teil, beispielsweise ein rückseitiger
Turbinenrahmen, miteinander verbunden sind, ist die Erfindung in
keiner Weise auf diese spezielle Ausgestaltung beschränkt, sondern
kann auf viele Weise in Turbinen anderer Bauarten verwendet werden.
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In
einer Niederdruckturbine müssen
nicht nur das Niederdruckturbinengehäuse sondern auch die Bereiche
stromauf und stromab von dem Rotor der Sicherheitsbehälterforderung
genügen.
Das bedeutet, dass der rückseitige
Turbinenrahmen stromab vom Rotor so bemessen werden muss, dass er
der Sicherheitsbehälterforderung
genügt.
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Beim
Stand der Technik wird die Sicherheitsbehälterforderung dadurch erfüllt, dass
die Dicke der Wand des Aufbaus, der den Rotor umschließt oder der
auf andere Weise angrenzend an den Rotor angeordnet ist, so bemessen
ist, dass alle Bruchstücke, die
sich von dem Rotor lösen
können,
von der Wand aufgehalten werden.
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In
den Fällen,
in denen Material mit einer geringen Energieaufnahmefähigkeit
verwendet wird, beispielsweise in einem rückseitigen Turbinenrahmen und/oder
wenn der Rotor von beispielsweise der Niederdruckturbine eine hohe
kinetische Energie hat, könnte
eine dicke Wand jedoch Probleme verursachen. Eine solche dicke Wand
des rückseitigen
Turbinenrahmens oder stattdessen des äußeren Rings des rückseitigen
Turbinenrahmens, wenn der äußere Ring
nahe an dem Rotor angeordnet ist, bedeutet, dass dieser Ring starrer
wird und thermisch langsamer anspricht. Dies führt zu einer kürzeren Betriebslebensdauer
des Aufbaus in dem Bereich, wo die erforderlichen Stützen und/oder
Leitschaufeln mit dem Ring verbunden sind.
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Eine
bekannte alternative Lösung
besteht darin, das Niederdruckgehäuse mit solch einer Länge auszulegen,
dass es sich über
den ganzen Bereich erstreckt, an dem die Sicherheitsbehälterforderung
erfüllt
werden muss. In diesem Fall besteht ein Nachteil darin, dass der äußere Ring
des vorderen Abschnitts des rückseitigen
Turbinenrahmens für eine
gegebene Gesamtlänge
der Turbine sehr kurz wird, was wiederum zu dem gleichen Problem
wie vorstehend erörtert
führt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, eine Turbine und ein in einer
Turbine der eingangs erwähnten
Art verwendetes Bauelement bereitzustellen, wobei die Turbine und
das Bauelement die Möglichkeit
haben, die Sicherheitsbehälterforderung
zu erfüllen,
während
gleichzeitig die erörterten
Nachteile solcher zum Stand der Technik gehörenden Turbinen in einem wesentlichen
Ausmaß verringert
werden. Dieses Ziel wird durch eine Turbine und ein Bauelement nach
Anspruch 1 erreicht. Durch Bereitstellen eines Bauelements, das
in dem Gehäuse
der Turbine aufgehängt
ist, wobei das Bauelement so angeordnet ist, dass es alle Bruchstücke, die
sich von dem Rotor lösen
können,
am Durchdringen des Gehäuses
in Radialrichtung hindert, d.h. das Gehäuse im Bereich neben dem Rotor,
vorzugsweise stromab vom Rotor, schützt, kann in diesem Bereich
das Gehäuse
so bemessen werden, dass es die Sicherheitsbehälteranforderungen nicht erfüllt, jedoch
andere gewünschte Eigenschaften
des Gehäuses
stromab vom Rotor bietet, wie geringe Steifigkeit und schnelle Wärmereaktion, um
die Betriebslebensdauer der Turbine zu steigern, während das
Bauelement nach der Erfindung dazu verwendet wird, in diesem Bereich
der Turbine der Sicherheitsbehälterforderung
zu genügen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat das Bauelement eine
erste Einrichtung, die mit einer zweiten Einrichtung des Gehäuses zum
Aufhängen
des Bauelements an dem Gehäuse zusammenwirkt,
während
eine radiale Wärmeausdehnung
des Bauelements bezüglich
des Gehäuses möglich ist.
Vorzugsweise ist das Bauelement ein Ring, der im Wesentlichen konzentrisch
bezüglich des
Rotors angeordnet ist. Auf diese Weise ist das Bauelement an dem
Gehäuse „frei ausdehnbar" in radialer Richtung
zu dem Gehäuse
hin aufgehängt und
es ist möglich,
einen guten Schutz längs
des Umfangs des Gehäuses
zu erreichen, während
gleichzeitig das Gehäuse
von dem Bauelement nicht beeinflusst wird, auch wenn das Bauelement
sich in Radialrichtung zu dem Gehäuse hin aufgrund der Wärmeausdehnung
während
des Betriebs der Turbine bewegt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat das Gehäuse ein
erstes den Rotor umschließendes
Teil und ein zweites stromab von dem ersten Teil bezüglich der
Richtung des Gasstroms angeordnetes zweites Teil, wobei das erste
Teil und das zweite Teil miteinander verbunden sind. Das Bauelement
ist so angeordnet, dass das zweite Teil gegen alle Bruchstücke geschützt wird, die
sich von dem Rotor lösen
können.
Die Erfindung hat in diesem speziellen Fall große Vorteile, da herausgefunden
wurde, dass die Probleme des Standes der Technik, wie sie hier bezüglich des
Gehäuses
der Turbine erörtert
wurden, besonders schwierig in Bereichen zu vermeiden sind, wo beide
Teile miteinander zur Bildung eines durchgehenden Gehäuses verbunden
sind, das die inneren Teile der Turbine umschließt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Bauelement so ausgelegt, dass es den Gasstrom
längs eines
bestimmten Strömungswegs
führt.
Dadurch kann ein weiteres Bauelement, beispielsweise ein herkömmliches
Führungsblech
zur Erzeugung des gewünschten
Gasströmungswegs
weggelassen werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Merkmale der Turbine und des Bauelements
nach der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung und den beiliegenden
abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf einen Flugzeugmotor mit einer Turbine
oder einem Bauelement nach der Erfindung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Anhand
der beiliegenden Zeichnungen folgt nachstehend eine nähere Beschreibung
der Ausführungsformen
der Erfindung, die als Beispiele angegeben werden. In den Zeichnungen
ist
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1 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer Turbine mit einem Sicherheitsbehälter-Bauelement nach der
Erfindung,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils von 1 und
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3 eine
perspektivische Ansicht des Sicherheitsbehälter-Bauelements von 1 und 2.
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INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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In 1 und 2 ist
eine Turbine mit einem durch Gas angetriebenen Rotor 1 und
einem den Rotor 1 umschließenden Gehäuse 2 gezeigt. 1 zeigt
einen Abschnitt der Turbine, bei welchem zwei Teile 3, 4 des
Gehäuses
miteinander zur Schaffung eines durchgehenden Gehäuses verbunden sind.
Ein erstes Teil 3, beispielsweise ein Niederturbinengehäuse, umschließt den Rotor 1 während stromab
von dem Rotor bezüglich
der Gasströmungsrichtung 5 ein
zweites Teil 4, beispielsweise ein rückseitiger Turbinenrahmen angeordnet
ist. Diese beiden teile 3, 4 sind zur Bildung
des Gehäuses 2 mechanisch
miteinander verbunden. Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein an
dem Gehäuse
aufgehängtes
Bauelement 6 angeordnet. Das Bauelement 6 muss
wenigstens teilweise außerhalb
des Rotors 1 und vorzugsweise wenigstens teilweise stromab
vom Rotor 1 angeordnet werden, um zu verhindern, dass Bruchstücke, die
sich von dem Rotor lösen
können,
das Gehäuse
in Radialrichtung oder in einer Richtung durchdringen, die in Radialrichtung
wenigstens eine geometrische Komponente hat, d.h. es muss das Gehäuse 2,
hauptsächlich
den Frontabschnitt 16 des zweiten Teils 4 vor
Bruchstücken
schützen,
die sich von dem Rotor 1 lösen können.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist das Bauelement 6 stromab vom Rotor 1 angeordnet
und als rohrförmiges
Teil ausgelegt, mit anderen Worten, das Bauelement ist ein Ring 6,
der sich am Umfang längs
des kreisförmigen
Umfangs des Gehäuses 2 erstreckt.
Der Ring 6 ist im Wesentlichen konzentrisch bezüglich des
Rotors 1 angeordnet und hat einen ersten Ab schnitt 7 in
Kreisringform und einer Längserstreckung
bezüglich
der Drehachse 15 des Rotors 1, d.h. in der Hauptrichtung 5 des
Gasstroms, um die Innenfläche
des zweiten Teils 4 des Turbinengehäuses 2 in dem gewünschten
Bereich abzudecken und zu schützen.
Der erste Abschnitt 7 erstreckt sich im Wesentlichen konzentrisch
zu der Längserstreckung
des äußeren Rings 16 des
vorderen Abschnitts des zweiten Teils 4 des Gehäuses 2 und
an diesem entlang. Der Ring 6 oder stattdessen sein erster
Abschnitt 7 können
zylindrisch, kegelstumpfförmig
oder dergleichen ausgebildet sein. Die Länge des ersten Abschnitts 7 hat
eine Größe, die
einem Mehrfachen der Dicke des Materials des ersten Teils entspricht
und vorzugsweise hat die Länge
des ersten Abschnitts 7 die gleiche Größe wie die Länge des äußeren Ring 16 des
Frontabschnitts des rückseitigen
Turbinenrahmens 4.
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Weiterhin
hat der Ring 6 einen zweiten Abschnitt 9, beispielsweise
einen Flansch 9, der so ausgelegt ist, dass er eine Haupterstreckung
in der Radialrichtung und im Wesentlichen senkrecht zum ersten Abschnitt 7 hat.
Der zweite Abschnitt 9 ist mit einer ersten Einrichtung 10 versehen,
die mit einer zweiten Einrichtung 11 des Gehäuses 2 zusammenwirkt,
um für
die Aufhängung
zu sorgen, während noch
eine radiale Ausdehnung des Bauelements bezüglich des Gehäuses 2 möglich ist.
Beispielsweise wird die zweite Einrichtung von Schlitzen 11 gebildet, die
sich in der Radialrichtung für
die Aufnahme der entsprechenden ersten Einrichtung erstrecken, die von
Stiften 10 gebildet wird, die in dem Ring 6 zum Aufhängen und
Führen
des Rings 6 angeordnet sind. Anstelle der Schlitze, die
sich beispielsweise durch einen Flansch 20 des Gehäuses erstrecken,
können jedoch
flachere Nuten darin mit den Stiften oder zusammen mit Wulsten oder
dgl. verwendet werden, die von dem Ring vorstehen.
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Der
Außendurchmesser
des zweiten Abschnitts 9 des Rings 6 ist kleiner
als der Innendurchmesser des entsprechenden Teils des Gehäuses 2. Der
erste Abschnitt 7 des Rings 6 ist ebenfalls im
Abstand von der Innenfläche 8 des
Gehäuses 2 angeordnet.
Das bedeutet, dass der Ring 6 in der Lage ist, sich in
Radialrichtung zu dem Gehäuse
auszudehnen, ohne das Gehäuse
zu belasten. Durch Bereitstellen eines Bauelements 6 gemäß der Erfindung, das
in der Radialrichtung „frei
ausdehnbar" aufgehängt ist,
ist das Bauelement in der Lage, sich in Radialrichtung aufgrund
einer Erhitzung des Bauelements während des Betriebs auszudehnen,
ohne das Gehäuse
in irgendeinem größeren Ausmaß zu beeinträchtigen.
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In 3 ist
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements
perspektivisch gezeigt. Der Ring 6, d.h. ein Flanschabschnitt 9,
ist mit drei Stiften 10 versehen, die in einem Winkelabstand
von 120° bezüglich einander
auf dem Umfang des Flansches 9 angeordnet sind. Die Führungsstifte 10,
die an dem Flansch 9 beispielsweise durch Presssitze festge legt
sind, befinden sich in Schlitzen 11 des Gehäuses zum
Aufhängen
und Führen
des Bauelements 6. Die Schlitze 11 sind schematisch
durch strichpunktierte Linien gezeigt. Der Flansch 9 des Rings 6 kann
vorzugsweise so ausgelegt sein, dass er eine Materialdicke hat,
die kleiner ist als die des ersten Abschnitts 7.
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Obwohl
die Schlitze in dem Gehäuse
und die Führungsstifte
in dem Ring bei der gezeigten Ausführungsform angeordnet sind,
können
die Führungsstifte
auch in dem Gehäuse
und die Schlitze in dem Ring angeordnet werden. Die Anzahl der Führungsstifte/Schlitze
und die Positionierung kann vielfältig innerhalb des Rahmens
der Erfindung variiert werden. Außerdem können die Führungsstifte und Schlitze, wenn
sie in dem Gehäuse
angeordnet sind, in verschiedenen Teilen des Gehäuses vorgesehen sein, beispielsweise
in dem Niederdruckturbinengehäuse oder
dem rückseitigen
Turbinenrahmen.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist das Bauelement so ausgelegt, dass es das Gas so führt, dass
es längs
eines bestimmten Strömungswegs strömt. Die
Innenfläche 12 des
Rings 6 bildet eine das Gas in dem Bereich beschränkende Oberfläche, wo
das Gas aus dem ersten Teil 3 des Gehäuses 2 austritt. Diese
Innenfläche 12 erstreckt
sich im Wesentlichen parallel zur Hauptrichtung 5 des Gasstroms
und auf der Längserstreckung
des äußeren Rings
des Frontabschnitts des zweiten Teils des Gehäuses, um zu gewährleisten,
dass das Gas den vorgesehenen Strömungsweg beibehalten möchte und in
Axialrichtung bezüglich
der Drehachse 15 des Rotors 1 strömt. Dies
ist wichtig, um einen Energieverlust aufgrund von Turbulenzen zu
vermeiden. Dadurch wird das Bauelement 6 für zwei Hauptzwecke zur
gleichen Zeit verwendet, d.h. für
die Sicherheitsbehälterforderung
und zum Führen
des Gases, so dass ein weiteres herkömmliches Bauelement, wie ein
Führungsblech
zum Führen
des Gases in diesem Bereich weggelassen werden kann.
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Natürlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen
und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Stattdessen
erkennt der Fachmann, dass viele Änderungen und Modifizierungen
innerhalb des Rahmens der beiliegenden Ansprüche ausgeführt werden können. Beispielsweise
können
die Abmessungen und das Material des erfindungsgemäßen Bauelements in
vielfältiger
Weise geändert
werden.