Gehäuseabschnitt einer Turbomaschinenverdichter- oder Turbomaschinenturbinenstufe

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Gehäuseabschnitt einer Turbomaschinenverdichter- oder Turbomaschinenturbinenstufe, der einen, insbesondere geschlossenen und kreisringartigen, radial äußeren Mantel aufweist. Der radial äußere Mantel weist radial nach innen erstreckende Stege auf, die gegen den Radius geneigt sind.
Gasturbine mit einem zugehörigen Gehäuseabschnitt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Gehäuseabschnitt einer Turbomaschinenverdichter- oder Turbomaschinenturbinenstufe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem solchen Gehäuseabschnitt.

[0002] Bei einer Turbomaschinenverdichter- oder Turbomaschinenturbinenstufe umschließt ein Gehäuseabschnitt einen Strömungsraum, in dem rotierende Laufschaufeln angeordnet sind. Im Betrieb der Turbomaschine besteht die Gefahr, dass die Laufschaufeln oder ein Teil von diesen bricht und mit hoher kinetischer Energie auf den Gehäuseabschnitt trifft. Aus Sicherheitsgründen ist es notwendig, dass eine Verformung des Gehäuseabschnitts minimiert wird. Hierzu kann die Wandstärke des Gehäuseabschnitts erhöht werden, was jedoch den Nachteil aufweist, dass sich das Gewicht des Gehäuseabschnitts erhöht.

[0003] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Turbomaschinenverdichterstufe oder eine Turbomaschinenturbinenstufe bereitzustellen, die eine ausreichende Sicherheit bei geringem Gewicht aufweist.

[0004] Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0005] Erfindungsgemäß weist eine Turbomaschinenverdichter- oder Turbomaschinenturbinenstufe wenigstens einen Gehäuseabschnitt mit einem radial äußeren Mantel auf. Der radial äußere Mantel weist mehrere Stege auf, die sich radial nach innen erstrecken, wobei die Stege gegen den Radius geneigt sind. Der radial äußere Mantel ist in einer Ausführung, insbesondere im Querschnitt, geschlossen und kreisringartig ausgebildet. In einer Weiterbildung kann der radial äußere Mantel längsgeteilt und aus zwei oder mehreren Teilen dauerhaft oder lösbar zusammengesetzt sein. Die Stege sind in einer Ausführung stoffschlüssig mit dem radial äußeren Mantel verbunden, insbesondere integral mit diesem ausgebildet, insbesondere urgeformt.

[0006] Ein Vorteil sich radial nach innen erstreckenden Stege kann darin bestehen, dass das Gewicht des Gehäuseabschnitts nicht signifikant erhöht, gleichzeitig jedoch sichergestellt wird, dass ein Anstoßen von Laufschaufeln oder Teilen von diesen zu keiner übermäßigen Verformung des radial äußeren Mantels und damit des Gehäuseabschnitts führt. Zusätzlich oder alternativ kann ein Vorteil des Gehäuseabschnitts darin bestehen, dass dieser durch ein Additive Manufacturing-Verfahren hergestellt werden kann, wobei zur Herstellung des Gehäuseabschnitts verschiedene Werkstoffe eingesetzt werden können. Zusätzlich oder alternativ kann ein Vorteil solcher Stege darin bestehen, dass die Steifigkeit des Gehäuseabschnitts zur Übertragung von Maximallasten positiv beeinflusst wird.

[0007] Im Sinne der Erfindung wird als Gehäuseabschnitt einer Turbomaschinenverdichterstufe- oder Turbomaschinenturbinenstufe insbesondere ein Gehäuseabschnitt verstanden, der eine oder mehrere, in Strömungsrichtung nacheinander angeordnete Laufschaufelstufen einer Turbomaschine umschließt. Der Turbomaschinenverdichterstufe und/oder Turbomaschinenturbinenstufe kann wenigstens eine Leitschaufelstufe vorgeschaltet und/oder wenigstens eine Leitschaufelstufe nachgeschaltet sein.

[0008] Als Turbomaschinenverdichterstufe wird in einer Ausführung derjenige Abschnitt der Turbomaschine verstanden, der ausschließlich einen für eine Brennkammer der Turbomaschine bestimmten Luftmassenstrom verdichtet. Im Gegensatz dazu kann ein der Turbomaschinenverdichterstufe vorgeschalteter Fan den Luftmassenstrom und einen Bypasstrom fördern. Alternativ oder zusätzlich kann in einer Turbomaschinenverdichterstufe ein Durchmesserverhältnis der Laufschaufeln zu den Leitschaufeln größer oder gleich 0,5, insbesondere 0,75, vorzugsweise 0,85 sein.

[0009] Im Sinne der Erfindung wird als Radius eine Richtung von einer Längsachse des Gehäuseabschnitts zu dem radial äußeren Mantel verstanden, wobei die Richtung senkrecht zu der Längsachse steht.

[0010] Durch die Neigung der Stege gegen den Radius kann im Gegensatz zu rein radialen Stegen eine vorteilhaftere Verformungscharakteristik der Stege bzw. des Gehäuseabschnitts dargestellt werden. Zusätzlich oder alternativ können gegen den Radius geneigte Stege, wie nachfolgend erläutert, zur Definition von Kühlpassagen dienen.

[0011] In einer bevorzugten Ausführung können die Stege axial geneigt sein. Dies bedeutet, dass sich die Stege entlang der Längsachse des Gehäuseabschnitts und senkrecht zu dieser erstrecken können. Zusätzlich oder alternativ können die Stege sich in Umfangsrichtung des Gehäuseabschnitts erstrecken. In einer Ausführung sind die Stege mit einem Innenmantel verbunden. Radial innen von dem Innenmantel kann ein Strömungskanalmantel angeordnet sein, der einen Strömungsraum der Stufe begrenzt. Gleichermaßen kann der Innenmantel selbst den Strömungsraum der Stufe begrenzen und somit als Strömungskanalmantel fungieren. Zusätzlich oder alternativ können die Stege miteinander verbunden sein. Die Stege können in einem Querschnitt senkrecht zur Steglängsachse kreisförmig oder mehrkantig ausgebildet sein. Stege können in einer Ausführung jeweils einen Hohlraum definieren, insbesondere umschließen, der analog zu den Stegen axial geneigt sein und sich in Längsrichtung erstrecken kann.

[0012] Ein oder mehrere durch Stege definierte, insbesondere umschlossene Hohlräume kommunizieren in einer Ausführung mit einem Kühlmittel-, insbesondere Kühllufteintritt und/oder einem Kühlmittel-, insbesondere Kühlluftaustritt. Der Kühlmitteleintritt und/oder Kühlmittelaustritt kann jeweils in einer Gehäuseschale vorgesehen sein, die dem Gehäuseabschnitt der Turbomaschinenverdichter- oder Turbomaschinenturbinenstufe axial vor- bzw. nachgeschaltet sein kann.

[0013] Die Gehäuseschale kann wenigstens eine Leitschaufelstufe umschließen. Ein durch Stege definierter Hohlraum kommuniziert in einer Ausführung ausschließlich mit dem Kühlmitteleintritt und/oder dem Kühlmittelaustritt. In einer Ausführung kommuniziert der Hohlraum nicht mit einem Strömungsraum, in dem unter anderem die Laufschaufeln und/oder Leitschaufeln angeordnet sind und der durch den Gehäuseabschnitt und die Gehäuseschalen umschlossen wird.

[0014] Durch die Hohlräume ist es vorzugsweise möglich, einen Wärmeeintrag in den Gehäuseabschnitt zu verringern bzw. zu reduzieren und damit die Temperatur des Gehäuseabschnitts zu verringern. Dadurch ist es in einer Ausführung möglich, andere Werkstoffe für die Herstellung des Gehäuseabschnitts zu verwenden, die zu einer Gewichtsreduzierung des Gehäuseabschnitts führen können. Ferner kann der Hohlraum zum Transfer von Kühlmittel, insbesondere Kühlluft, zwischen den vor- und nachgeschalteten Gehäuseschalen genutzt werden, was sich ebenfalls positiv auf den Wärmeeintrag in den Gehäuseabschnitt auswirken kann. Die, insbesondere miteinander verbundenen, Stege können im Querschnitt, insbesondere in einem Querschnitt senkrecht zur Steglängsachse, eine Gitter-oder Wabenstruktur bilden. Dadurch lässt sich der zuvor erwähnte Wärmeeintrag auf besonders einfache Weise reduzieren und/oder der Transfer von Kühlmittel zwischen den Gehäuseschalen verbessern.

[0015] Ein weiterer Vorteil eines solchen durch Stege definierten Hohlraums kann darin bestehen, dass ein nahezu leckageverlustfreier Transport von Kühlmittel zwischen der dem Gehäuseabschnitt vor- und nachgeschalteten Gehäuseschale erreicht werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann eine verringerte Bauteilanzahl und damit eine Verringerung der möglichen Verschleißstellen erreicht werden.

[0016] Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Stege vorgefaltet sein. Die Stege können derart vorgefaltet sein, dass sich diese bei einer Lastbeanspruchung, wie beispielsweise aufgrund eines Anstoßens einer abgebrochenen Laufschaufel oder eines Teils davon, entsprechend einer vorgegebenen Faltungscharakteristik falten. Durch eine derartige Ausbildung der Stege kann sichergestellt werden, dass das Gewicht des Gehäuseabschnitts gering ist und dieser bei einem Anstoßen von Laufschaufeln oder Teilen gegen diesen nicht verformt. Die Stege dämpfen durch den Faltvorgang den Stoß und verhindern somit eine Beschädigung des Gehäuseabschnitts.

[0017] Einzelne Stege können durch einen Hohlraum voneinander getrennt und/oder nicht miteinander verbunden sein. Gleichermaßen können einzelne Stege, insbesondere mit einem von dem radial äußeren Mantel entfernten Ende, mit einem Innenmantel verbunden sein.

[0018] In einer Ausführung können die Stege mehrfach, insbesondere zickzackartig, konvex und/oder konkav, vorgefaltet sein. Dadurch kann bei einem Anstoßen der Laufschaufeln oder Teilen von diesen gegen den Gehäuseabschnitt eine vorteilhafte Faltungscharakteristik des Gehäuseabschnitts dargestellt werden. Vorgefaltete Stege können insbesondere wenigstens zwei Abschnitte aufweisen, die, vorzugsweise in einer Kante, ineinander übergehen und gegensinnig axial und/oder in Umfangsrichtung gegen den Radius geneigt sind.

[0019] In einem Hohlraum zwischen Stegen kann eine Versteifung angeordnet sein. Die Versteifung kann im Querschnitt eine Gitter- oder Wabenstruktur aufweisen. Die Versteifung kann bei einem Anstoßen der Laufschaufeln oder Teilen von diesen gegen den Gehäuseabschnitt die Steifigkeit des Gehäuseabschnitts verbessern und einer Verformung des Gehäuseabschnitts entgegenwirken.

[0020] Der oben beschriebene Gehäuseabschnitt kann Bestandteil einer Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, sein. Es ist klar, dass die Turbomaschine auch mehrere oben beschriebene Gehäuseabschnitte aufweisen kann.

[0021] Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt eines Gehäuseabschnitts gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2: einen Längsschnitt eines Gehäuseabschnitts gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3: einen Längsschnitt eines Gehäuseabschnitts gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Innenmantel und separatem Einlaufmittel,

Fig. 4: einen Längsschnitt eines Gehäuseabschnitts gemäß einer weiteren der vorliegenden Erfindung Ausführung ohne Innenmantel und mit integriertem Einlaufmittel.

[0022] Im Folgenden werden gleich aufgebaute Bauteile der jeweiligen Ausführungen mit gleichen Bezugszeichen versehen und gleich bezeichnet.

[0023] Der in Figur 1 gezeigte Gehäuseabschnitt 1 gemäß einer ersten Ausführung weist einen radial äußeren Mantel 10 und einen Innenmantel 11 auf. Der radial äußere Mantel 10 wird von dem Innenmantel 11 durch einen Hohlraum 13 getrennt. Von dem radial äußeren Mantel 10 erstrecken sich im Hohlraum 13 eine Vielzahl von Stegen 12 radial nach innen. Die Stege 12 sind an einem Ende mit dem radial äußeren Mantel 10 und an dem anderen Ende mit dem Innenmantel 11 verbunden. Radial innen von dem Innenmantel 11 ist ein Strömungskanalmantel 16 angeordnet, der einen Strömungsraum 2 definiert. In dem Strömungsraum 2 sind Laufschaufeln 4 angeordnet.

[0024] Ferner weist der Gehäuseabschnitt 1 mehrere in axialer Richtung voneinander versetzt angeordnete Führungen 14 für (in Fig. 1 nicht dargestellte) verstellbare Leitschaufeln auf. Die Führungen 14 sind mit dem radial äußeren Mantel 10 und dem Innenmantel 11 jeweils integral ausgebildet und mit dem Strömungskanalmantel 16 form-, stoff- und/oder reibschlüssig verbunden.

[0025] Die Stege 12 sind mehrfach vorgefaltet und somit gegen den Radius geneigt, so dass bei einer Lastbeanspruchung auf den Gehäuseabschnitt 1 die Stege 12 gemäß einer vorgegebenen Faltcharakteristik gefaltet werden. Insbesondere erfolgt eine Faltung der Stege 12 in radialer Richtung. Die Stege 12 sind in axialer Richtung innerhalb des Hohlraums 13 benachbart zueinander angeordnet und mehrfach zickzackartig vorgefaltet.

[0026] In Figur 2 wird ein Längsschnitt eines Gehäuseabschnitts 100 gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Gehäuseabschnitt 100 weist einen radial äußeren Mantel 10 auf, von dem sich eine Vielzahl von Stegen 120 radial nach innen erstrecken, wobei die Stege 120 miteinander verbunden sind. Die Stege 120 sind axial geneigt, wobei sich die Stege 120 im dargestellten Fall schräg zu einer nicht dargestellten Längsachse des Gehäuseabschnitts 100 (horizontal in Fig. 2) erstrecken.

[0027] Die miteinander verbundenen Stege 120 bilden in einem Querschnitt senkrecht zur Steglängsachse eine Gitter- oder Wabenstruktur.

[0028] Der in Figur 3 dargestellte Gehäuseabschnitt 100 weist zusätzlich zu dem in Figur 2 dargestellten Gehäuseabschnitt 100 einen Innenmantel 11 auf. Die Stege 120 sind mit dem radial äußeren Mantel 10 verbunden. Die in Figur 3 dargestellten Stege 120 umschließen analog zu den in Figur 2 dargestellten Stegen 120 Hohlräume, durch die Kühlluft von einem Kühllufteintritt (links in Fig. 3) zu einem Kühlluftaustritt (rechts in Fig. 3) geleitet wird, wie in Fig. 3 durch Strömungspfeile angedeutet.

[0029] An der von den Stegen 120 abgewandten Seite des Innenmantels 11 ist ein Einlaufmittel 3 vorgesehen, das sich radial nach innen erstreckt. Das Einlaufmittel 3 kann in Kontakt mit einer Laufschaufel 4 gelangen und dient insbesondere dazu, einen unerwünschten Leckagestrom zwischen der Laufschaufel 4 und dem Innenmantel 11 des Gehäuseabschnitts 100 zu reduzieren.

[0030] Der Gehäuseabschnitt 100 ist an dessen stromaufwärtiger Seite (links in Fig. 3) in dem Verbindungsabschnitt 14 über eine Schraubverbindung mit einer Gehäuseschale 200 verbunden. Ferner ist der Gehäuseabschnitt 100 an dessen stromabwärtiger Seite (rechts in Fig. 3) über einen weiteren Verbindungsabschnitt 15 mit einer weiteren Gehäuseschale 201 verbunden. Die beiden Gehäuseschalen 200, 201 können jeweils eine nicht dargestellte Leitschaufelstufe umschließen. Bei der Verbindung der weiteren Gehäuseschale 201 mit dem Gehäuseabschnitt 100 kann es sich um eine formschlüssige Verbindung handeln.

[0031] Der in Figur 4 dargestellte Gehäuseabschnitt 100' unterscheidet sich von dem in Figur 3 dargestellten Gehäuseabschnitt 100 dadurch, dass in diesem kein Innenmantel 10 vorgesehen ist. Das Einlaufmittel 3' ist einstückig mit den Stegen 120' ausgebildet. Dabei ist sichergestellt, dass das Einlaufmittel derart positioniert ist, dass es mit den Laufschaufeln 4' in Kontakt gelangen kann.

[0032] Die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Stege 120, 120' sind derart ausgebildet und ausgerichtet, dass wenigstens ein Teil der durch die Stege jeweils umschlossenen Hohlräume mit einer Kühllufteintrittsöffnung und/oder einer Kühlluftaustrittsöffnung kommuniziert. Die Kühllufteintrittsöffnung ist im Verbindungsabschnitt 14 und die Kühlluftaustrittsöffnung ist in dem weiteren Verbindungsabschnitt 15 vorgesehen. Die Kühllufteintrittsöffnung und die Kühlluftaustrittsöffnung kommunizieren mit einem in der jeweiligen Gehäuseschale 200, 201 vorgesehenen Kühlluftkanal.

[0033] Somit kann durch die Ausbildung und Ausrichtung der Stege sichergestellt werden, dass Kühlluft über die Kühllufteintrittsöffnung in die Hohlräume der Stege einströmt und über diese zu der Kühlluftaustrittsöffnung strömt. Im Ergebnis kann erreicht werden, dass Kühlluft über den Gehäuseabschnitt 100 zwischen zwei in Längsachsrichtung der Turbomaschine benachbarten Gehäuseschalen 200, 201 strömen kann, wobei die Strömungsrichtung der Kühlluft in den Figuren durch die Pfeile P dargestellt ist. Die Stege und die Kühllufteintrittsöffnung und die Kühlluftaustrittsöffnung sind derart ausgebildet, dass die Kühlluft nicht mit dem Strömungsraum 2 der Turbomaschine kommuniziert.

Bezugszeichenliste

[0034] 

1

Gehäuseabschnitt gemäß der ersten Ausführung

2

Strömungsraum

3

Einlaufmittel

4

Laufschaufel

10

radial äußerer Mantel

11

Innenmantel

12

Steg gemäß der ersten Ausführung

13

Hohlraum

14

Verbindungsabschnitt

15

weiterer Verbindungsabschnitt

16

Strömungskanalmantel

100

Gehäuseabschnitt gemäß der zweiten Ausführung

100'

Gehäuseabschnitt gemäß der dritten Ausführung

120

Steg gemäß der zweiten Ausführung

200

Gehäuseschale

201

weitere Gehäuseschale

P

Strömungsrichtung der Kühlluft

Ansprüche

1. Gehäuseabschnitt einer Turbomaschinenverdichter- oder Turbomaschinenturbinenstufe, der einen, insbesondere geschlossenen und kreisringartigen, radial äußeren Mantel (10) mit sich radial nach innen erstreckenden Stegen (12, 120) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12, 120) gegen den Radius geneigt sind.

2. Gehäuseabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (120) axial und/oder in Umfangsrichtung gegen den Radius geneigt sind.

3. Gehäuseabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (120) wenigstens einen Hohlraum definieren, insbesondere umschließen.

4. Gehäuseabschnitt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der durch Stege definierten Hohlräume mit einem Kühlmitteleintritt und/oder Kühlmittelaustritt kommuniziert.

5. Gehäuseabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (120) in einem Querschnitt eine Gitter- oder Wabenstruktur bilden.

6. Gehäuseabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12) vorgefaltet sind.

7. Gehäuseabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12) mehrfach, insbesondere zickzackartig, konvex und/oder konkav, vorgefaltet sind.

8. Gehäuseabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hohlraum (13) zwischen Stegen (12) eine Versteifung, insbesondere eine Versteifung, die im Querschnitt eine Gitter- oder Wabenstruktur aufweist, angeordnet ist.

9. Gehäuseabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Innenmantel (11), der mit den Stegen (12, 120) verbunden ist.

10. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit wenigstens einem Gehäuseabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Zeichnung