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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Gasturbinentriebwerk, und sie ist insbesondere auf die Art und Weise
gerichtet, wie wenigstens einige der Bestandteile eines Gehäuses eines
solchen Triebwerks miteinander verbunden werden.
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Der Kern eines modernen Axialströmungs-Gasturbinentriebwerks
wird im typischen Fall von einem Gehäuse umschlossen, das aus einer
Anzahl von koaxialen im Querschnitt ringförmigen Abschnitten besteht,
die hintereinanderliegend miteinander verbunden werden. Üblicherweise
ist jeder der Gehäuseteile
mit einem radial nach außen
gerichteten Ringflansch an jedem seiner axialen Endabschnitte versehen.
Die Flansche benachbarter Gehäuseteile
werden durch Bolzen miteinander verbunden, welche sich durch geeignet
angeordnete und aufeinander ausgerichtete Löcher in den Flanschen erstrecken.
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Im Kompressorabschnitt und im Turbinenabschnitt
eines derartigen Triebwerks sind innerhalb des Gehäuses in
ringförmiger
Anordnung Rotorschaufeln enthalten. Im Betrieb des Triebwerks rotieren
die Rotorschaufel-Anordnungen mit sehr hohen Drehzahlen. Wenn irgendeine
der Rotorschaufeln einem strukturellen Bruch unterworfen wird, dann
wandern die Teile mit hoher Geschwindigkeit allgemein radial nach
außen
und treffen auf den benachbart hierzu liegenden Gehäuseteil
auf. Aus Sicherheitsgründen
muss das Gehäuse
genügend
fest ausgebildet sein, um eine solche abgeschleuderte Schaufel auffangen
zu können.
Dies ist jedoch eine sehr schwierige Aufgabe, wenn die defekten
Schaufeln benachbart zu den oben erwähnten Flanschen liegen, die
zwei benachbarte Gehäuseteile
miteinander verbinden. Wenn einer der Gehäuseteile weniger starr ist
als der andere, dann kann eine Tendenz für jenen Gehäuseteil bestehen, so dass er
radial in einem größeren Maße abgelenkt
wird als der andere. Dies ergibt die Aufprägung von Scherbelastungen auf
einige der Bolzen, die die Gehäuseteile
miteinander verbinden und führt
schließlich
zu einem Bruch der Bolzen. Dann suchen die Hochdruckgase, die normalerweise
innerhalb des Gehäuses
vorhanden sind, die Flansche auseinanderzudrücken, so dass weiterhin Zugbelastungen
auf die übrigen
Bolzen ausgeübt
werden, und in gewissen Fällen
wird auch ein Bruch dieser Bolzen veranlasst.
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Wenn benachbarte Gehäuseteilflansche
auf diese Weise auseinandergedrückt
werden, besteht natürlich
eine erhöhte
Gefahr, dass eine abgeschleuderte Rotorschaufel oder Bruchstücke hiervon
vom Gehäuse
nicht aufgenommen werden können.
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Eine Möglichkeit, wie diesem Problem
begegnet werden kann, besteht darin, einen der Gehäuseteile
so zu verstärken,
dass seine Starrheit auf einen Wert erhöht wird, der gleich ist dem
Festigkeitswert des benachbart hierzu liegenden Gehäuseteils. Dies
führt jedoch
zu einer beträchtlichen
Gewichtserhöhung
des Gehäuseteils,
und dies ist bei im Flugzeug montierten Gasturbinentriebwerken höchst unerwünscht.
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Es ist beispielsweise aus der US-A-5
100 291, der US-A-5 899 660, der US-A-4 023 919 und der GB-A-2 062
117 bekannt, eine Gasturbinentriebwerks-Gehäuseanordnung
derart auszubilden, dass benachbarte Gehäuseteile mit aneinanderstoßenden Flanschen
ausgebildet sind. Ein Flansch wird dabei so modifiziert, dass ein
axial verlaufender Abschnitt definiert wird, der über den
radial äußeren Rand
des anderen Flansches greift. Durch eine solche Anordnung wird die
Fähigkeit
der Flansche verbessert, dem Aufprall einer abgeschleuderten Schaufel
zu widerstehen. Jedoch bleibt hierbei immer noch das Problem, dass
dann, wenn einer der Gehäuseteile
eine andere Starrheit als der andere besitzt, die größere Auslenkung
des weniger starren Gehäuseteils
ein Brechen der Bolzen zur Folge haben kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, einen Gehäuseteil für ein Gasturbinentriebwerk
zu schaffen, der eine verbesserte Festigkeit bei einem minimalen
Gewicht besitzt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
betrifft diese ein Gasturbinentriebwerk mit einem Gehäuse, das
eine Laufschaufelstufe umschließt,
wobei das Gehäuse
zwei axial benachbarte im Querschnitt ringförmige Teile aufweist, von denen
der eine Teil mit einem Flansch an einem seiner axialen Enden versehen
ist, der zum Anschluss an einen entsprechenden Flansch dient, der
an dem anderen Gehäuseteil
vorgesehen ist, wobei einer der Flansche eine allgemein L-förmige Querschnittsgestalt
in Umfangsrichtung derart aufweist, dass ein sich radial nach außen erstreckender
Abschnitt und ein axial verlaufender Abschnitt gebildet werden,
während
der andere Flansch allgemein in Radialrichtung nach außen verläuft und die
radial nach außen
verlaufenden Abschnitte der Flansche axial stumpf gegeneinander
stoßen
und der axial verlaufende Abschnitt des L-förmigen Flansches benachbart
und radial außerhalb
der Radialerstreckung des anderen Flansches liegt und wobei die radial
nach außen
verlaufenden axial stumpf gegeneinanderliegenden Flanschabschnitte
radial außerhalb
der Laufschaufelstufe und auf diese ausgerichtet angeordnet sind,
wobei der Flansch mit in Umfangsrichtung allgemein L-förmigem Querschnitt
so angeordnet ist, dass die Starrheit des zugeordneten Gehäuseteils
auf ein Ausmaß erhöht wird,
dass im Bereich der Verbindung der beiden Flansche die Gehäuseteile
eine einander gleiche Starrheit aufweisen.
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Da die Gehäuseteile eine gleiche Starrheit besitzen,
wird ihre Fähigkeit
verbessert, abgeschleuderte Schaufeln im Bereich ihrer Verbindung
aufzufangen.
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Der gesamte im Querschnitt allgemein
L-förmig
gestaltete Flansch kann integral mit dem Gehäuseteil verbunden sein.
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Stattdessen kann der Flansch einen
Teil aufweisen, der integral mit dem Gehäuseteil hergestellt ist und
einen weiteren Teil, der mechanisch an diesem integralen Teil befestigt
wird.
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Dieser mechanisch an dem integralen
Teil festgelegte Teil ist vorzugsweise ein Ring aus im Wesentlichen
L-förmigem
Querschnitt. Der Ring kann in zwei halbkreisförmige Teile unterteilt sein.
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Der Ring und der integrale Teil können miteinander
durch Bolzen verbunden werden, und zu diesem Zweck sind Ring und
integraler Teil mit Löchern
ausgestattet, um diese Bolzen aufzunehmen.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Fan-Gasturbinentriebwerks mit einem Gehäuseteil,
der gemäß der Erfindung
ausgebildet ist;
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2 ist
eine Schnittansicht eines Teils des Gehäuses des Fan-Gasturbinentriebwerks
nach 1, worin ein gemäß der Erfindung
ausgebildeter Gehäuseteil
dargestellt ist;
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3 ist
eine der 2 entsprechende Schnittansicht
eines abgewandelten Ausführungsbeispiels
vorliegender Erfindung;
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4 ist
eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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In 1 ist
ein Fan-Gasturbinentriebwerk allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, und
dieses weist eine übliche
Konstruktion auf mit einem Kerntriebwerk 11, das einen
in einem Gehäuse umlaufenden
Fan 12 antreibt.
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Das Kerntriebwerk 11 weist
axial in Strömungsrichtung
einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14,
eine Verbrennungseinrichtung 15 und eine Hochdruckturbine 16,
eine Zwischendruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 auf.
Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 und
Hochdruckturbine 16, Zwischendruckturbine 17 und
Niederdruckturbine 18 weisen Rotorabschnitte auf, die von
einem Gehäuse 19 umschlossen
sind.
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Im Sinne einer Vereinfachung der
Konstruktion besteht das Gehäuse 19 nicht
aus einer einstückigen
Komponente, sondern es ist stattdessen aus einer Zahl axial aufeinander
ausgerichteter im Querschnitt ringförmiger Teile zusammengesetzt,
die miteinander durch Bolzen verbunden sind. Zwei dieser Gehäuseteile
umschließen
einen Teil der Niederdruckturbine 18.
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Ein Teil der Verbindung zwischen
diesen beiden Gehäuseteilen
kann erkannt werden, wenn nunmehr auf 2 Bezug
genommen wird, wo in größerem Maßstab der
mit dem Buchstaben „A„ in 1 angegegebene Bereich dargestellt
ist. Die axial benachbarten ersten und zweiten Gehäuseteile 20 und 21 werden
miteinander radial außerhalb
der Ringanordnung von Rotorschaufeln 22 miteinander verbunden,
von denen eine in 2 dargestellt
ist.
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Ein erster Gehäuseteil 20, der den
Hauptteil der Niederdruckturbine 18 umschließt, ist
mit einem Ringflansch 23 am stromabwärtigen Ende versehen, um eine
Befestigung an einem Ringflansch 24 zu ermöglichen,
der am stromaufwärtigen
Ende des zweiten Gehäuseteils 21 angeordnet
ist. In dieser Beschreibung werden die Ausdrücke „stromauf" und „stromab" in Bezug auf die allgemeine Richtung
der Gasströmung
durch das Kerntriebwerk 11 benutzt.
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Der Flansch 24 am zweiten
Gehäuseteil 21 hat
die übliche
Gestalt. Er steht radial nach außen vor und definiert dadurch
eine stromauf weisende Ringfläche 25.
Der Flansch 23 des ersten Gehäuseteils 20 hat jedoch
in Umfangsrichtung geschnitten einen L-förmigen Querschnitt. Er weist
einen radial nach außen
vorstehenden Abschnitt 26 und einen axial vorstehenden
Abschnitt 27 auf.
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Der radial nach außen vorstehende
Flanschabschnitt 26 stößt axial
gegen die stromauf gerichtete Ringfläche 25 des Flansches 24 auf
dem zweiten Gehäuseteil
21.
Aufeinander ausgerichtete Löcher
sind in den Flanschen 23 und 24 vorgesehen, um
Bolzen 28 aufzunehmen, die die Flansche 23 und 24 in
Eingriff miteinander halten. Die Bolzen 28 sind im gleichen
Abstand über
die Flansche 23 und 24 verteilt, so dass eine
gasdichte Verbindung dazwischen erfolgt, und es ist eine geeignete
Zahl von Löchern
in den Flanschen 23 und 24 vorgesehen, um diese
Bolzen aufzunehmen.
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Der axial verlaufende Flanschabschnitt 27 ist am
radial äußersten
Ende des radial nach außen
vorstehenden Flanschabschnitts 26 angeordnet und erstreckt
sich in Richtung stromab radial außerhalb des Flansches 24.
Ein kleiner Radialspalt ist zwischen dem axial verlaufenden Flanschabschnitt 27 und dem
Flansch 24 vorgesehen.
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Die radial innere Oberfläche des
ersten Gehäuseteils 20 ist
benachbart zum Flansch 23 mit einem weiteren Ringflansch 29 mit
L-förmigem
Querschnitt versehen. Der weitere Flansch 29 ist in Richtung
stromab offen, um einen ringförmigen
Trägeraufbau 30 aufzunehmen.
Dieser Trägeraufbau 30 dient
zur Abstützung
eines Abdeckringes 31 radial innerhalb von erstem und zweitem
Gehäuseteil 20 bzw. 21.
Der Schaufelring 31 wirkt mit der ringförmigen Anordnung von Rotorschaufeln 22 zusammen,
um den Gasleckstrom zu begrenzen, der an den Turbinenschaufeln 22 vorbeiströmt, wie
dies allgemein üblich
ist.
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In dem unwahrscheinlichen Fall des
Bruchs einer Rotorschaufel 22 oder mehrerer Rotorschaufeln
werden die daraus resultierenden Bruchstücke radial nach außen gerichtet
und treffen auf dem ersten und zweiten Gehäuseteil 20 bzw. 21 auf.
Der erste Gehäuseteil 20 ist
allgemein weniger starr als der zweite Gehäuseteil 21. Dies ist
eine Folge davon, dass der erste Gehäuseteil 20 nicht den
gleich großen
Belastungen ausgesetzt ist wie der zweite Gehäuseteil 21. Dies führt normalerweise
dazu, dass der erste Gehäuseteil 20 leicht
in höherem
Maße deformiert
wird, wenn er von abgeschleuderten Teilen einer Laufschaufel 22 getroffen
wird. Dies führt
wiederum zu Scherbelastungen, die auf die Bolzen 28 örtlich an
den Stellen der Gehäuseverzerrung
aufgeprägt
werden, und als Folge hiervon werden die Bolzen 28 abgeschert.
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Gemäß der Erfindung gewährleistet
die L-förmige
Querschnittsgestalt des Flansches 23 am ersten Gehäuseteil 20,
dass die Starrheit oder Steifheit des ersten Gehäuseteils 20 im Bereich
des Flansches 23 verbessert wird. Tatsächlich erfolgt die Verbesserung
bis zu einem Ausmaß,
dass im Bereich des Übergangs
zwischen den Flanschen 23 und 24 die Gehäuseteile 20 und 21 eine
gleiche Starrheit erhalten. Dies gewährleistet, dass im Falle des
Aufpralls von Bruchstücken
die Gehäuseteile 20 und 21 im
Bereich der Flansche 23 und 24 in der gleichen Weise
verzerrt werden. Infolgedessen werden die Scherbelastungen, die
dem Bolzen 28 aufgeprägt werden,
vermindert und dadurch wird die Gefahr vermindert, dass diese Bolzen 28 durch
Abscheren ausfallen.
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Der axial verlaufende Flanschabschnitt 27 sowie
die verbesserte Gehäusestarrheit
dienen zusätzlich
dazu, jede Tendenz zu begrenzen, gemäß welcher sich der Flansch 24 am
zweiten Gehäuseteil 21 in
Radialrichtung nach außen
relativ zu dem ersten Gehäuseteil 20 bewegt.
Falls doch einige der Bolzen 28 unter Zugspannung brechen
sollten, bewirkt der axial verlaufende Flanschabschnitt 27 ein
Auffangen von Bruchstücken,
die durch den sich bildenden Axialspalt zwischen den Flanschen 23 und 24 entweichen
könnten.
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Obgleich gemäß dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung der gesamte Flansch 23 des ersten Gehäuseteils 20 einen integralen
Bestandteil jenes Gehäuseteils
bildet, ist dies nicht wichtig. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie diese in 3 dargestellt ist, kann auch eine unterschiedliche
Flanschkonstruktion benutzt werden. In 3 sind die Teile, die den Teilen gemäß 2 entsprechen, mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Gemäß 3 ist der erste Gehäuseteil 20 mit einem
Flansch 32 versehen, der eine übliche Form besitzt und der
Form des Flansches 24 des zweiten Gehäuseteils 21 entspricht.
Die Bolzen 28 dienen jedoch zusätzlich dazu, einen Ring 33 L-förmigen Querschnitts
benachbart zu dem ersten Gehäuseflansch 32 festzulegen.
Der Ring 33 besteht aus zwei Teilen, die senkrecht aufeinanderstehen. Der
erste Teil 34 erstreckt sich allgemein radial und der zweite
Teil 35 erstreckt sich allgemein axial. Der radial verlaufende
Ringteil 34 stößt stumpf
gegen den Flansch 32 am ersten Gehäuseteil 20. Mehrere
Löcher
in dem Ring 34 nehmen Bolzen 28 auf, so dass die
Bolzen 28 den Flansch 32 und den Ring 34 in
Eingriff miteinander halten.
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Der axial verlaufende Ringabschnitt 35 erstreckt
sich über
den radial äußeren Rand
der Flansche 32 und 24 in ähnlicher Weise wie der Flansch 23 bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 2. Es ist daher
ersichtlich, dass der Ring 33 dazu dient, die Starrheit
des Gehäuseteils 20 im
Bereich des Flansches 32 in der gleichen Weise zu erhöhen, wie
dies bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall war.
Da der Ring jedoch ein getrennter Bauteil ist, kann er benutzt werden,
um die Starrheit eines bestehenden Gehäuses zu modifizieren. Auf diese
Weise können
die Kosten zur Schaffung einer neuen Gehäuseausbildung vermieden werden,
wenn eine verbesserte Gehäusestarrheit
erforderlich ist.
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Wenn der Ring 33 benutzt
wird, um die Starrheit eines existierenden Gehäuseteils 20 zu modifizieren,
kann es unzweckmäßig sein,
diesen einzupassen. Unter diesen Umständen kann der Ring in mehrere
Abschnitte unterteilt werden. Vorzugsweise wird er jedoch in zwei
gleiche halbkreisförmige
Stücke
unterteilt, von denen der eine in 4 dargestellt ist.
Die Ansicht des Teils des Rings 33 in 4 zeigt auch die Positionierung der Löcher 36 zur
Aufnahme der Bolzen 28. Die Löcher sind natürlich auf
die vorher erwähnten
entsprechenden nicht dargestellten Löcher ausgerichtet, die in den
Flanschen 32 und 24 vorgesehen sind.
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Es ist daher ersichtlich, dass die
vorliegende Erfindung eine Modifikation des Gehäuseteils 20 ermöglicht,
um dessen Starrheit örtlich
zu verbessern. Infolgedessen kann der Gehäuseteil 20 in der
Weise konstruiert werden, dass er eine optimale Festigkeit, ein
optimales Gewicht und eine optimale Starrheit besitzt.
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Die vorliegende Erfindung wurde unter
Bezugnahme eines Teils des Turbinengehäuses eines Gasturbinentriebwerks
beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung auch auf andere
Teile des Kerntriebwerksgehäuses
eines Gasturbinentriebwerks angewandt werden kann, das die Rotorschaufeln
umschließt.