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Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinen-Ring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Turbinen-Ring dieser Art ist in der GB-PS 14 84 288 beschrieben und dargestellt.
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Bei einem Turbinen-Ring dieser Art ist es wichtig, ein so geringes radiales Spiel wie möglich zwischen ihm und den Spitzen der Schaufeln vorzusehen, wobei jedes zu große Spiel nachteilig für den Wirkungsgrad der Turbine ist. Es ist der Zweck des Abriebteils, ein sehr kleines Spiel zu ermöglichen, wobei das Abriebteil durch Reibung mit den Schaufeln verschlissen werden kann, ohne daß die Schaufeln beschädigt werden. Es ist bei der bekannten Ausgestaltung deshalb ebenfalls wichtig, Verformungen des Turbinen-Rings relativ zu den Schaufeln zu vermeiden. Solche Verformungen können insbesondere durch ungleichmäßige Erwärmung bzw. Kühlung des Turbinen-Ringes entstehen. Bei der eingangs bezeichneten, bekannten Bauart wird zur Vermeidung solcher Verformungen ein vom Brennkammergehäuse der Turbine zugeführter Luftstrom durch den ringförmigen ersten Behälter des Turbinen-Ringes geleitet. Beim Starten erfüllt dieser Luftstrom die Funktion einer möglichst gleichmäßigen Erwärmung des Turbinen-Ringes, während im Dauerbetrieb dem Luftstrom die Funktion einer Kühlung zukommt.
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Die vorbeschriebenen Verformungsprobleme resultieren auch aus der Forderung nach einer Bauweise mit möglichst geringem Gewicht, woraus sich zwangsläufig Bauteile mit verhältnismäßig geringen Widerstandsmomenten ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinen- Ring der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß bei Gewährleistung der Zirkulation des einen Temperaturausgleich am Turbinen-Ring erzeugenden Luftstroms eine Vergrößerung des Widerstandsmomentes des Turbinen- Rings erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird der erste Behälter durch den darin angeordneten zweiten, mit Druckluft aufblasbaren Behälter wesentlich verstärkt. Dabei wird die Luftströmung nicht beeinträchtigt, weil zwischen dem ersten Behälter und dem zweiten Behälter ein Zwischenraum besteht. Die Abstützung des ersten Behälters durch den zweiten Behälter kann dabei durch stellenweise angeordnete, sich zwischen den gegenüberliegenden Wandungen erstreckende Stützelemente erfolgen. Aufgrund des Zwischenraums zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter ist auch die gleichzeitige Temperaturangleichung für den zweiten Behälter gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird das mechanische Widerstandsmoment des Turbinen-Rings erheblich vergrößert, wobei der zweite Behälter auch Verformungen zu unrunden Formen wirksam entgegenwirkt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 im Axialschnitt eine teilweise dargestellte Turbinenstufe eines Flugzeug-Turbinenstrahltriebwerks mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Turbinenring,
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Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel der Turbinenstufe in einer der Fig. 1 entsprechenden Ansicht.
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Die Turbinenstufe enthält in an sich bekannter Weise einen Kompressor, der komprimierte Luft in ein ringförmiges Gehäuse führt, das eine Brennkammer enthält, in dem ein Brennstoff brennt zur Erzeugung von heißen Gasen, die in der Turbine arbeiten, bevor sie über eine Düse zur Erzeugung eines Antriebstrahls abgegeben werden. Die dargestellte Turbinenstufe enthält einen Verteiler 1 mit einer Verteilerbeschaufelung, der mit dem Gehäuse 2 der Turbine durch einen Flansch 1 a verbunden ist, und eine aus Schaufeln 3 bestehende Beschaufelung, die drehbar im Turbinen-Ring 4 angeordnet ist.
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Der Turbinen-Ring 4 enthält ein ringförmiges Teil, das als Abriebteil 5 ausgebildet ist und aus einem Werkstoff besteht, der durch Reibung verbrauchbar bzw. verschleißbar ist, wenn die Schaufeln 3 der Beschaufelung in Anlage daran kommen, ohne daß diese zerstört oder beschädigt würden. Das Abriebteil 5 ist an der Innenwand 7 eines ringförmigen Behälters 6 befestigt, dessen Außenwand 8 stromaufseitig der Turbine um einen ersten Abschnitt 8 a verlängert ist, der durch eine Schweißnaht 9 an einen zweiten Abschnitt 10 angeschweißt ist, der mit einem Flansch 10 a einstückig ist. Die Außenwand 8 ist allgemein zylinderförmig und trägt an ihrem stromabseitigen Ende einen ringförmigen dritten Abschnitt 8 b, der außen verdickt ist und dessen Außenfläche eine zylindrische Tragfläche 8 c bildet. Die Innenwand 7 ist einstückig mit einer stromaufseitigen Wand 7 a und einer stromabseitigen Wand 7 b, die radial nach außen gerichtet und dicker bemessen sind. Die Wand 7 a ist ihrerseits mit einer stromaufseitigen zylindrischen Wand 7 c einstückig, die durch eine Schweißnaht 11 mit einer zylindrischen Wand 12 verschweißt ist, deren stromaufseitiges Ende auf einer zylindrischen Tragfläche 1 b des ringförmigen Tragglieds des Verteilers 1 ruht. Die stromabseitige Wand 7 b ist mit einem zylindrischen Ansatz 7 d einstückig, der in Anlage an der zylindrischen Tragfläche 8 c des verdickten Teils des Abschnitts 8 b ist, und der durch radiale Stifte 13 axial unbeweglich mit dem Abschnitt 8 b verstiftet ist.
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Die Innenfläche der Innenwand 7 trägt mehrere kreisförmige Rippen 14, an denen das Abriebteil 5 befestigt ist. Das Abriebteil 5 besteht aus einem porösen Werkstoff und ist mit durch Elektronenbestrahlung gebildeten Trennwänden 5 a versehen, um zu verhindern, daß das Kühlfluid das weiter unten erläutert wird, im Bereich der Trennwände 5 a auszuströmen vermag. Das Abriebteil 5 selbst bildet keinen Teil der Erfindung, weshalb dessen besondere Vorteile hier nicht erläutert werden. Zwischen den Rippen 14 ist die Innenwand 7 von schrägen Kanälen 14 a durchsetzt.
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Im Inneren des ersten ringförmigen Behälters 6 ist ein zweiter ringförmiger Behälter 15 angeordnet, der aus Blech gefertigt ist. Der zweite Behälter 15 besteht aus zwei rohrförmigen Ring-Elementen 15 a, 15 b, die an ihren einander zugewandten radialen Wänden miteinander verbunden und von mehreren längs eines Teilkreises angeordneten Öffnungen 16 durchsetzt sind. Die stromaufseitige radiale Wand des stromaufseitigen Elements 15 a ist ebenfalls von mehreren Öffnungen 17 durchsetzt, die auf einem Teilkreis angeordnet sind, und zwar im äußeren Eckbereich. Der Behälter 15 bildet somit einen Hohlring, wobei an seinen vier Wänden, nämlich beiden zylindrischen inneren und äußeren Wänden und der stromaufseitigen und der stromabseitigen Wand, Kugeln 18 angeschweißt sind, die in Ruhestellung an den gegenüberliegenden Innenflächen des Behälters 6 tragend anliegen.
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Das Gehäuse 2 wird gebildet durch einen stromaufseitigen Ring 19, der an seinem stromabseitigen Ende mit einem Flansch 19 a versehen ist, und einen stromabseitigen Ring 20, der an seinem stromaufseitigen Ende mit einem Flansch 20 a versehen ist. Die Flansche 1 a und 10 a sind zwischen diesen Flanschen 19 a und 20 a mittels Bolzen 21 eingespannt. Der stromabseitige Ring 20 ist innen der Wand 7 b des Behälters 6 gegenüberliegend mit einem ringförmigen Innen- Flansch 20 b mit L-Querschnitt versehen, an dem die ringförmige Trageinrichtung 22 des Verteilers der folgenden, teilweise dargestellten Turbinenstufe 23 der Turbine angebracht ist.
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Zwischen dem stromaufseitigen Ring 19 des Gehäuses 2 und dem Verteiler 1 ist eine ringförmige Leitung 24 gebildet, die mit dem (nicht dargestellten) Brennkammergehäuse in Verbindung steht, das mit Luft eines Drucks von 25 bar versorgt ist. Die ringförmige Leitung 24 ist über Öffnungen 1 c im Flansch 1 a mit einer ringförmigen Leitung 25 in Verbindung, die zwischen den zylindrischen Wänden 8 a, 10 und 7 c, 12 gebildet ist, und die in den ringförmigen Behälter 6 mündet. Löcher 26 in den Flanschen 1 a und 10 a, die von den Bolzen 21 durchsetzt sind, besitzen jeweils einen Durchmesser, der etwas größer als der der Bolzen 21 ist, und bilden daher um diese Durchtritte, die mit der Leitung 24 und mit einem ringförmigen Raum 27 in Verbindung stehen, der zwischen dem Ring 2 und der Wand 8, 8 a, 9 gebildet ist, und zwar durch Kanäle 19 B und 20 C, die sich radial erstrecken und zwar in der stromabseitigen Fläche des Flansches 19 a, beziehungsweise der stromaufseitigen Fläche des Flansches 20 a. Der Raum 27 ist über einen ringförmigen Durchtritt 28, der zwischen dem L-Flansch 20 b und dem zylindrischen Ansatz 7 d gebildet ist, mit einem Raum 29 zwischen der Wand 7 b und dem Tragglied 22 verbunden, wobei dieser Raum 29 über eine O-förmige Ringdichtung 30, die mit kleinen Löchern versehen ist, getrennt ist vom inneren Heißgasstrom oder dem "Hauptstrom" 31 der Turbine. Weil der statische Druck des Hauptstroms am Ausgang der Beschaufelung 3 in der Größenordnung von 5 bar liegt, sind die in der Ringdichtung 30 vorgesehenen Löcher so bemessen, daß ein notwendiger Lastverlust entsteht, um jede Störung des Hauptstroms 31 stromab der Turbine zu vermeiden und um gleichzeitig im Raum 27 einen Druckpegel aufrecht zu erhalten, der ausreicht, um zu verhindern, daß die Ringdichtung konusförmig wird unter der Einwirkung des Drucks des Hauptstroms 31.
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Im Betrieb strömt Kühlluft, die in dem (nicht dargestellten) Brennkammergehäuse auftritt, in die ringförmige Leitung 24 und teilt sich an dessen stromabseitigen Ende in zwei Teilströme auf.
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Ein erster Teilstrom fließt durch die Kanäle 19 b, die Löcher 26 und die Kanäle 20 c in den Raum 27, von wo er über den ringförmigen Durchtritt 28, den Raum 29 und die Löcher in der Ringdichtung 30 in den Hauptstrom 31 strömt. Ein zweiter Teilstrom mit deutlich höherem Durchsatz als der erste Teilstrom tritt durch die Öffnungen 1 c in die ringförmige Leitung 25 und teilt sich an deren stromabseitigem Ende in mehrere Teilströme auf, die durch die Spalte, die aufgrund des Vorhandenseins der Kugeln 18 zwischen dem ersten Behälter 6 und dem zweiten Behälter 15 bestehen, außenseitig vom Behälter 15 zum Raum 32 gelangen, der zwischen der Innenwand 7 und dem Behälter 15 vorhanden ist.
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Die so in den Raum 32 gelangende Kühlluft entweicht aus diesem über die schrägen Kanäle 14 a, um durch Aufprall das Abriebteil 5 zu kühlen, und sie dringt durch dessen Poren in den Hauptstrom 31.
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Die am stromabseitigen Ende der ringförmigen Leitung 25 strömende Kühlluft dringt durch die Öffnungen 17 auch in den Behälter 15 ein, wodurch dieser unter Druck gehalten und so aufgeblasen wird, daß die Kugeln 18 zwangsweise gegen die Wände des Behälters 6 anliegen. Hierdurch wird das Widerstandsmoment bzw. die Festigkeit des Turbinen-Ringes vergrößert, und so wird verhindert, daß er sich verformt, beispielsweise oval wird, durch die Wirkung thermischer Spannungen, die auf ihn ausgeübt werden.
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Die vom Brennkammergehäuse zugeführte Kühlluft weist eine ziemlich hohe Temperatur auf, so daß es ausreicht, den Behälter 6 und die mit diesem einstückigen Teile, nämlich die Wandabschnitte 8 a und 7 c, aus einem Werkstoff mit einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizient herzustellen, um Wärmedehnungen zwischen dem Behälter 6 und den Schaufeln 3 zu vermeiden. Die Teile 10 und 12 sind aus dem gleichen Werkstoff hergestellt, wie das Gehäuse 2.
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Aufgrund der Biegsamkeit der Wandabschnitte 8 a, 10, kann sich der durch die Kombination der Behälter 6 und 15 gebildete Abriebteil-Träger oder Turbinen-Ring frei ausdehnen und zusammenziehen, um thermischen Dehnungen und Zusammenziehungen der Schaufeln 3 zu folgen. Diese Dehnungen und Zusammenziehungen bewirken lediglich Biegungen der Wandabschnitte 8 a, 10 und 7 a, 12. Um die Biegespannungen an den Schweißnähten 9 und 11 zu verringern, sind diese im mittleren Bereich zwischen der Wand 7 a des Behälters 6 und dem Flansch 10 a vorgesehen, d. h., an einer Stelle an der die Biegespannungen quasi Null sind.
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Durch die kastenförmige Ausbildung des ringförmigen Behälters 6 wird bei material- und gewichtsparender Bauweise ein großes Widerstandsmoment erreicht, um jedes Knicken unter dem Kühlluftdruck zu vermeiden. Zu diesem Zweck sind, wie sich das aus der Zeichnung ergibt, die radialen Wände 7 a und 7 b verdickt. Der innere Behälter 15 trägt aufgrund der durch die Kugeln 18 bedingten Strömungsspalte zur wirksamen Kühlung dieser verdickten Wände bei und stellt deren gleichmäßige Kühlung sicher. Ein weiterer Vorteil des Behälters 15 ist, daß er als Staubfänger dient. Die von dem Luftstrom in der Leitung 25 mitgenommenen Teilchen besitzen ein zu großes Trägheitsmoment, als daß sie die Kurven zwischen dem äußeren Behälter 6 und dem inneren Behälter 15 nehmen könnten. Sie dringen über die Öffnungen 17 in letzteren ein, wo sie gebremst und gefangen werden.
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In Fig. 2 sind diejenigen Bauelemente, die die gleiche Wirkung wie in Fig. 1 besitzen, mit den um 100 erhöhten gleichen Bezugszeichen versehen. Es ist ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der äußere Behälter 106 aus zwei ringförmigen Teilen besteht, nämlich einem ersten Teil 33, das die Wände 107, 107 a und 107 b bildet und dessen Wand 107 c sich bis zu einem Flansch 107 d verlängert, der zwischen Flanschen 119 a und 120 a des Gehäuses 102 befestigt ist, und einem zweiten Teil 34, das den Behälter 106 zwischen den Wänden 107 a und 107 b vervollständigt. Dieses ringförmige Teil 34 ist von mehreren Löchern 35 durchsetzt, die längs eines Teilkreises angeordnet sind und zwar jeweils einem Loch 36 des Gehäuses 102 gegenüberliegend. Jedes Loch 35 ist mit dem gegenüberliegenden Loch 36 über ein Rohrstück 37 verbunden, das an seinen beiden Enden gelenkig befestigt ist. Der innere Behälter 115 aus Blech ist jedem Loch 35 gegenüberliegend von einem Loch 38 durchsetzt, das auf diese Weise über das Rohrstück 37 mit dem Sekundärluftstrom, der in Fig. 2 durch den Pfeil 39 dargestellt ist, in Verbindung steht, der um das Gehäuse 102 strömt. Der innere Behälter 115 wird daher durch den Sekundärluftstrom 39 aufgeblasen.
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Diese Sekundärluft entweicht aus dem inneren Behälter 115 über zwei Reihen von Löchern 40, 41 und sie strömt zwischen den beiden Behältern 106, 115 in den Raum 132, der hier innen durch eine gelochte zylindrische Blechwand 42 begrenzt ist. Nach dem Durchströmen der gelochten Blechwand 42 gelangt die Sekundärluft durch schräge Kanäle 114 a in der Innenwand 107 zum Abriebteil 105, um dieses durch Aufprall zu kühlen, und dann in den Hauptstrom 131.
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Die dem Brennkammergehäuse entnommene Luft durchströmt Öffnungen 43 in den Flanschen 101 a und 107 d, dringt in die Räume 127 und 129 ein und gelangt wieder in den Hauptstrom 131. Da der Flansch 107 b auf diese Weise von relativ heißer Luft umströmt wird, muß, um das mechanische Verhalten der Wand 107 c sicherzustellen, eine Temperaturänderung zwischen dieser Wand 107 c und dem Turbinen- Ring 104 sichergestellt werden, die so linear wie möglich ist. Zu diesem Zweck wird ein Gegenstrom-Wärmetauscher gebildet mittels eines angesetzten Blech- Ringes 44 zwischen der Wand 107 c und dem Verteiler 101. Ein Teil der Sekundärluft die zwischen den beiden Behältern 106, 115 zirkuliert, strömt durch Löcher 45 in der Wand 107 a in den ringförmigen Hohlraum 46, der sich zwischen der Wand 107 c und dem Ring 44 befindet, durchströmt dann Löcher 47 nahe dem stromaufseitigen Ende des Ringes 44, um in den Ringraum 48 zwischen diesem und dem Verteiler 101 einzudringen und ergießt sich dann in den Hauptstrom 131, über den zwischen dem Verteiler 101 und der Wand 107 a gebildeten Raum. Auf diese Weise ist die Innenseite der biegsamen Wand 107 c von relativ frischer Sekundärluft umspült, während deren Außenseite von relativ warmer Luft des Brennkammergehäuses umspült ist.
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Der Vorteil dieses Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 liegt darin, daß die über die Rohre 37 entnommene Sekundärluft durch eine zusätzliche Einstellung in der Temperatur und im Durchsatz geführt werden kann. Aus diesem Grund kann der ringförmige Behälter 106 aus einem Werkstoff gleicher Art bestehen, wie das Gehäuse 102. Weiter wird es durch eine geeignete Dosierung des Durchsatzes an Heißluft von dem Brennkammergehäuse und an Kühlluft (Sekundärluft) vorteilhaft ermöglicht, das radiale Spiel zwischen dem Abriebteil 105 und der beweglichen Schaufel 103 zu steuern bzw. zu führen.