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Dokumentenidentifikation DE60128230T2 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001301715
Titel INTEGRIERTER KANALDIFFUSOR
Anmelder Pratt & Whitney Canada Corp., Longueuil, Quebec, CA
Erfinder SASU, Ioan, Brossard, Quebec J4W 2M3, CA;
LEBLANC, Andre, St. Bruno, Quebec J3V 4P3, CA;
BELLEROSE, Michel, Boucherville, Quebec J4B 2R4, CA
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 60128230
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.06.2001
EP-Aktenzeichen 019470889
WO-Anmeldetag 29.06.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/CA01/00962
WO-Veröffentlichungsnummer 2002006676
WO-Veröffentlichungsdatum 24.01.2002
EP-Offenlegungsdatum 16.04.2003
EP date of grant 02.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse F04D 29/44(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenmaschine, insbesondere eine kanalintegrierte Diffusoranordnung zum Außenlenken einer Strömung von verdichteter Luft von einem Zentrifugalverdichterlaufrad zu einer axial nach hinten aufgeweiteten Strömung.

Hintergrund der Erfindung

Der Verdichterabschnitt einer Gasturbinenmaschine weist einen Diffusor strömungsaufwärts der Verdichterturbine und ein Zentrifugallaufrad strömungsaufwärts der Brennkammereinrichtung auf. Die Funktion eines Diffusors ist es, die Geschwindigkeit der verdichteten Luft zu verringern und gleichzeitig den statischen Druck zu erhöhen und so die Luft für den Eintritt in die Brennkammereinrichtung bei einer niedrigen Geschwindigkeit vorzubereiten. Luft mit hohem Druck und niedriger Geschwindigkeit, die im Brennkammerabschnitt bereitgestellt wird, ist essentiell für eine korrekte Brennstoffvermischung und eine effiziente Verbrennung.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Gasturbinenmaschinen, welche ein Zentrifugallaufrad bei der Hochdruckstufe des Verdichters aufweisen. Laufräder werden generell in kleineren Gasturbinenmaschinen verwendet. Ein Verdichterabschnitt kann Verdichterstufen mit Axialströmung oder gemischter Strömung mit dem Zentrifugallaufrad als den Hochdruckabschnitt aufweisen oder alternativ können ein Niederdrucklaufrad und ein Hochdrucklaufrad in Serie verbunden sein.

Das Zentrifugalverdichterlaufrad saugt Luft axial bei einem kleinen Durchmesser an. Das Rotieren des Laufrads erhöht die Geschwindigkeit der Luftströmung, wenn die Eintrittsluft über Laufradaustrittskanäle mit der Zentrifugalkraft in eine Strömung radial nach außen gelenkt wird. Um die Radialströmung der das Laufrad verlassenden Luft zu einer axialen Ringströmung zur Bereitstellung an die Brennkammereinrichtung umzulenken, ist die Diffusoranordnung auch vorgesehen, um die Luft von einer Radialströmung zu einer Axialströmung umzulenken und die Geschwindigkeit zu verringern und den statischen Druck zu erhöhen.

Eine konventionelle Diffusoranordnung weist generell einen maschinell bearbeiteten Ring auf, der die Peripherie des Laufrads umgibt, um die radiale Luftströmung zu fangen und sie durch generell tangentiale Öffnungen in eine Anordnung von Diffusorrohren umzulenken. Die Diffusorrohre sind generell mit dem Ring verlötet oder mechanisch verbunden und haben nach hinten einen zunehmenden Querschnitt.

Die Herstellung der Diffusorrohre ist extrem komplex, da sie einen aufgeweiteten inneren Durchgangsweg haben, der sich von einer generell radialen Tangentialrichtung zu einer Richtung axial nach hinten krümmt. Jedes Rohr muss auf enge Toleranzen individuell hergestellt werden und dann an den maschinell bearbeiteten Diffusorring angebaut werden. Komplizierter Werkzeugeinsatz und arbeitsintensive Herstellungsverfahren führen zu relativ hohen Kosten für die Herstellung der Diffusoren.

Beim Betrieb verursachen Diffusoren häufig Probleme, die sich aus Schwingungen der einzelnen Diffusorrohre ergeben. Um Schwingungsprobleme zu beheben, können die Diffusorrohre miteinander verbunden sein oder sie können während Wartungsverfahren ausbalanciert werden.

Von einem aeordynamischen Standpunkt her führt das Verbinden der individuellen Diffusorrohre mit dem maschinell bearbeiteten Ring zu Oberflächenübergängen, die nachteilig die Effizienz der Maschine beeinträchtigen. Im Inneren des Rohres, wo dieses an die Öffnung in dem Ring anschließt, gibt es häufig eine Stufe und einen Übergang, der durch Herstellungstoleranzen bei dem Zusammenbau und dem Lötverfahren verursacht ist. Da die Luft in diesem Abschnitt mit extrem hoher Geschwindigkeit strömt, kann die Störung der Luftströmung und die Widerstandszunahme bei dem Strömen der Luft über unpräzise passende Übergänge zu sehr hohen Effizienzverlusten führen. Generell ist die konventionelle Konstruktion von Diffusoren nicht optimal, da deren komplexe Struktur einen Kompromiss zwischen den gewünschten aerodynamischen Eigenschaften und den praktischen Grenzen der Herstellungsverfahren erfordert. Beispielsweise sind die Öffnungen in dem Diffusorring in ihrer Form auf zylinderförmige Bohrungen oder konische Bohrungen beschränkt infolge der Einschränkungen bei wirtschaftlichen Bohrverfahren. Die Form der Diffusorrohre selbst ist auch durch die praktischen Überlegungen der Herstellung derer komplexer Geometrien beschränkt. Generell werden die Diffusorrohre mit einer konischen Gestalt hergestellt und vor dem Löten in ihre endgültige schraubenförmige Gestalt gebogen. Ob diese konische Gestalt optimal für die aerodynamische Effizienz ist oder nicht, wird gegenüber den Überlegungen der wirtschaftlichen Herstellung nachrangig.

Um dem mit Diffusoranordnungen des Stands der Technik einhergehenden Werkzeugaufwand und die entsprechenden Herstellungskosten zu verringern und um die Diffusorstruktur für verbesserte aerodynamische Effizienz und verbessertes Schwingungsverhalten zu optimieren, ohne Augenmerk darauf zu legen, wie der Diffusor tatsächlich hergestellt wird, ist eine verbesserte Diffusorkonstruktion von Brand et al. in deren US Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 09/233,023 beschrieben, die der vorliegenden Anmelderin gehört und am 20. Januar 1999 eingereicht wurde. Die verbesserte Diffusorkonstruktion von Brand et al. ist einfach aus zwei konzentrisch ineinander eingesetzte Schalen aufgebaut, die ineinander durch Löten verbunden sind, wobei die Schalen jeweils gegenüberliegende zusammenpassende Nuten haben, die, wenn die Schalen ineinander eingesetzt sind, eine Anordnung von Diffusorkanälen definieren, die von einem inneren peripheren Verdichterlaufradgehäuse zu einem ringförmigen axial gerichteten Außenrand gehen.

Die von Brand et al. beschriebene Diffusorkonstruktion verringert signifikant den mit Diffusoranordnungen des Stands der Technik einhergehenden Werkzeugaufwand und die entsprechenden Herstellungskosten, weil die einzelnen Rohre durch die Anordnung von Diffusorkanälen ersetzt sind, die zwischen zwei konzentrisch ineinander eingesetzten Schalen definiert sind. Dennoch erfordert das Zusammenpassen der gegenüberliegenden Nuten an dem entsprechenden eingesetzten Schalen weiterhin einen relativ präzisen Werkzeugaufwand und relativ präzise Herstellung, und es ist deshalb wünschenswert, die Konstruktion der Diffusoranordnung weiter zu verbessern, um die Ziele besser zu erreichen, auf die die von Brand et al. beschriebene Diffusoranordnung ausgerichtet ist.

FR 2 581 135, gegenüber der der unabhängige Anspruch gekennzeichnet ist, beschreibt eine Diffusoranordnung, welche Leitelemente aufweist, die zwischen zwei entgegengesetzten Oberflächen angeordnet sind, um Strömungswege zum Umlenken der radialen Gasströmung in eine ringförmige Gasströmung zu definieren.

WO 97/19629 beschreibt einen Staubsauger mit einem Zentrifugalgebläse und einem radial außerhalb von dem Zentrifugalgebläse angeordneten Diffusor.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Diffusoranordnung bereitzustellen, welche die Werkzeug- und Herstellungskosten, die mit Diffusoranordnungen des Stands der Technik einhergehen, signifikant reduziert.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Diffusoranordnung bereitzustellen, welche den Konstrukteuren von Gasturbinentriebwerken eine größere Flexibilität schafft und es ihnen ermöglicht, die Diffusorstruktur für verbesserte aerodynamische Effizienz und verbessertes Schwingungsverhalten zu optimieren, ohne Belang auf die Art, auf die der Diffusor tatsächlich hergestellt werden wird.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Diffusoranordnung bereitzustellen, die eine kürzere Entwicklungszeit für neue Triebwerke und eine erheblich kürzere Vorlaufzeit bei der normalen Produktion ist das Minimieren der für die Produktion erforderlichen Arbeitsschritte hat.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, die inneren Querstufen zwischen Diffusorrohren und einem separaten internen maschinell bearbeiteten Ring des Stands der Technik zu eliminieren.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, das Gewicht von Maschinen durch das Verringern der Anzahl von Teilen in einer Diffusoranordnung zu verringern und gekrümmte oder variable Diffusorkanäle zu verwenden, um den Gasgenerator-Gehäusedurchmesser zu verringern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine aufweisend ein Zentrifugalverdichterlaufrad und eine Diffusoranordnung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.

Eine Diffusoranordnung zum Lenken einer Strömung von verdichteter Luft mit einer Radialkomponente von einem Zentrifugalverdichterlaufrad zu einer diffundierten oder aufgeweiteten Ringströmung mit einer Axialkomponente wird bereitgestellt. Die Diffusoranordnung weist eine erste bahnenförmige Schale mit einem ersten ringförmigen Diffusorbereich, einen ersten strömungsabwärtigen ringförmigen Rand, der koaxial zu dem ersten ringförmigen Diffusorbereich ist, und eine Oberfläche mit einer Mehrzahl von sich dazwischen erstreckenden Nuten, die durch von Nahträndern getrennt sind, und eine zweite schalenförmige Gehäuseschale mit einer zu dem ersten ringförmigen Diffusorbereich konzentrischen zweiten ringförmigen Diffusorbereich, einer zu dem zweiten Diffusorbereich koaxialen zweiten ringförmigen strömungsabwärtigen Rand und einer glatten Rotationsoberfläche, die sich dazwischen erstreckt, auf. Die erste und die zweite schalenförmige Gehäuseschale sind konzentrisch ineinander eingesetzt. Die zweite Schale schließt die Nuten an der Rotationsoberfläche und definiert so einen Diffusor an dem ersten und dem zweiten Diffusorbereich und eine Mehrzahl von einzelnen Diffusorrohren, die sich von dem Diffusor zu dem ersten und dem zweiten strömungsabwärtigen Rand erstrecken, wenn die Nahtränder der ersten Schale an der Rotationsoberfläche der zweiten Schale befestigt sind.

Die erste Schale könnte eine innere Schale sein, wobei die Oberfläche mit den Nuten eine Außenoberfläche davon ist, und die zweite Schale ist entsprechend eine äußere Schale, wobei die Rotationsoberfläche eine Innenoberfläche davon ist, oder umgekehrt.

Vorzugsweise sind die Nahtränder an Flächenbereichen angeordnet, die sich lateral zwischen benachbarten Nuten erstrecken, und die Flächenbereiche erstrecken sich kontinuierlich über die Länge der Nuten. Diese Konstruktion verstärkt die Struktur, um einer Schwingung durch die Membranwirkung der Flächenbereiche zu widerstehen, die vorzugsweise an der Rotationsoberfläche der zweiten Schale angelötet sind. Die Schalen können einfach aus Metall hergestellt werden, wobei die erste Schale beispielsweise aus Gussstücken und die zweite Schale vorzugsweise aus Metallblech in einem Pressverfahren hergestellt wird, und so viel Kosten und Zeit eliminiert werden können, die mit der Herstellung von Diffusoren des Stands der Technik verbunden waren, die aus mehrfach gebogenen Rohren, die an eine separat hergestellte Nabe angelötet wurden, aufgebaut waren.

Einige signifikante Vorteile ergeben sich aus dieser neuen Diffusorkonstruktion. Die Produktionskosten sind verringert, da die Werkzeugkosten und die Herstellungskomplexität dramatisch verringert sind, wenn lediglich zwei Schalenteile erforderlich sind. Im Gegensatz dazu erfordern konventionelle Diffusoranordnungen die separate Herstellung von mehreren einzelnen Diffusorrohren, die maschinelle Bearbeitung einer Diffusornabe und das präzise Zusammenpassen und -löten der Rohre an die Nabe. Eine bessere Leistung ergibt sich aus dem Eliminieren der inneren Querstufen, die bei den Diffusoren des Stands der Technik an den Verbindungsstellen zwischen der Nabe und jedem der Rohre vorhanden sind. Man erkennt, dass die Produktionskosten gegenüber Diffusoranordnung weiter verringert sind, die durch die ineinander eingesetzten Schalen gebildet sind, die jeweils gegenüberliegende passende Nuten haben, wie sie bei der Diffusoranordnung von Brand beschrieben sind. Eine der mit Nuten versehenen Schalen ist durch eine Abdeckschale mit einer glatten Rotationsoberfläche ersetzt, die einfacher und weniger aufwändig herzustellen ist, beispielsweise unter Verwendung eines Metallblechpressverfahrens. Außerdem ist das Zusammenpassen der gegenüberliegenden Nuten an jeder Schale durch das Festigen der Nahtränder zwischen den Nuten an der Gehäuseschale mit der Rotationsoberfläche der Abdeckschale ersetzt, so dass die Herstellungskomplexität weiter verringert ist.

Der Konstrukteur ist nun frei von vielen der Einschränkungen, die durch konventionelle Diffusorherstellungsverfahren auferlegt waren. In einem großen Maße sind konventionelle Diffusorkonfigurationen durch die Herstellungseinschränkungen bestimmt. Viele Abwägungen zwischen Verdichterleistung und Verdichterherstellungskosten beeinträchtigen die Effizienz von Diffusoren des Stands der Technik.

Die Erfindung löst jedoch den Konstrukteur von vielen durch die Hertellungsverfahren des Stands der Technik vorgeschriebenen Überlegungen. Unter Verwendung der eingesetzten Schalen der Erfindung werden die Gestalt und der Querschnitt der Diffusorkanäle vollständig unabhängig in dem verwendeten Herstellungsverfahren und erlauben es, die Diffusorkanalform für aerodynamische und strukturelle Effizienz zu optimieren.

Durch die Übernahme gekrümmter oder variabler Diffusionsdiffusorkanäle kann die Erfindung zu einem niedrigeren Gesamtmaschinengewicht führen, indem der Gasgenerator-Gehäusedurchmesser verringert wird. Bei konventionellen Maschinen stimmt der Durchmesser des Verdichterlaufrads zusammen mit der außen angeordneten Diffusoranordnung in einem großen Maße den Gasgeneratorgehäusedurchmesser. Jegliche Verringerung bei dem Außendurchmesser der Diffusoranordnung verringert den Gasgenerator-Gehäusedurchmesser und führt zu kleineren Maschinen mit niedrigerem Gewicht und verringertem Außenwiderstand. Die Erfindung verschafft dem Konstrukteur die Freiheit, den Diffusoraußendurchmesser zu verringern, indem er die Diffusorkanäle nach innen krümmt oder indem er für die Diffusorkanäle variable Querschnittsprofile verwendet. Es ist auch möglich, entweder die Gehäuseschale oder die Abdeckschale welche auch immer eine äußere Schale ist, in die Gehäusewand des Gasgenerators zu integrieren, um zusätzlich das Maschinengesamtgewicht zu verringern.

Die Dicke der Diffusorkanalwände kann für verbesserte Leistung und minimales Gewicht optimiert sein. Falls erforderlich, können Verstärkungen in ausgewählten Zonen erhöhter Dicke positioniert sein oder können externe Verstärkungsrippen aufweisen, um Schwingungen zu kontrollieren, lokale Belastungen aufzunehmen oder Verschleiß zu widerstehen.

Konstruktionsänderungen können mit einer beträchtlich kürzeren Vorlaufzeit inkorporiert werden und eine Entwicklung neuer Triebwerke kann viel schneller vonstatten gehen. Kein Werkzeugaufwand ist erforderlich, um Prototyptestanlagen zu stellen. Beispielsweise können gesicherte Modelldaten mit Laserphotolithographie Metallpulvergusstechniken verwendet werden, um schnell Metallprototypen herzustellen.

Weitere Details der Erfindung und deren Vorteile werden aus der detaillierten Beschreibung und den nachfolgenden eingeschlossenen Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum leichteren Verständnis der Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:

1 ist eine radiale Teilschnittansicht einer Diffusoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die den Diffusorkanal zum Lenken einer Auswärtsströmung von verdichteter Luft von einem Zentrifugalverdichterlaufrad zu einer axialen nach hinten gerichteten aufgeweiteten Ringströmung;

2 ist eine Teilschnittansicht, die entlang der Linie 2-2 in 1 genommen ist und die schalenförmige Abdeckungs- und Gehäuseschale zeigt, die ineinander eingesetzt sind, um eine Anordnung von Diffusorkanälen zu bilden; und

3 ist eine Teilschnittansicht, die entlang der Linie 3-3 in 1 genommen ist und die Spiralrichtungen der von dem Zentralverdichterlaufrad zu axial gerichteten Austrittsdüsen an den Außenrand der Diffusoranordnung gehenden gekrümmten Diffusorkanäle zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Es wird auf die Zeichnungen von 1 bis 3 Bezug genommen. Eine Diffusoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, generell mit dem Bezugszeichen 10 versehen, weist eine interne und externe schalenförmige Schale, die konzentrisch ineinander eingesetzt sind und mit dem Bezugszeichen 12 bzw. 14 bezeichnet sind, auf. Die innere Schale 12 ist eine Gehäuseschale mit einem ringförmigen inneren Diffusorbereich 16 und einem äußeren umfangsmäßigen Rand 18, der koaxial zu dem inneren umfangsmäßigen Verdichterlaufradgehäuse 16 ist. Die externe Schale ist eine Abdeckschale mit einem ringförmigen inneren Diffusorbereich 20 und einem äußeren Umfangsrand 22 koaxial zu dem inneren umfangsmäßigen Verdichterlaufradgehäuse 20. Wenn die Schalen 12 und 14, wie in 1 gezeigt, ineinander gesetzt sind, beinhalten die Gehäuse 14 und 16 die von dem Umfang des Laufrads 24 ausgehende nach außen gerichtete Luftströmung, wenn dieses mit einer hohen Drehzahl in der durch den in 3 gezeigten Pfeil R angezeigten Richtung rotiert.

Das Laufradgehäuse 16 der Gehäuseschale 12 weist vorzugsweise einen Schürzenbereich 26 auf, der unter die Laufschaufeln des Laufrads 24 ragt, um die nach außen gerichtete Luftströmung besser aufzunehmen. Die nach außen gerichtete Luftströmung, die in den Diffusorbereichen 16 und 20 aufgenommen ist, wird zwischen der Gehäuseschale 20 und der Abdeckschale 14 umgelenkt und tritt durch Düsen 28, die entlang der äußeren Ränder 18 und 22 der entsprechenden Gehäuseschale 12 und der Abdeckschale 14 gebildet sind, aus.

Um die Luftströmung von einer nach außen gerichteten Strömung von dem Laufradgehäuse 16 und 20 mit einem hohen Druck zu einer axial nach hinten gerichteten Strömung hinter den äußeren Rändern 18 und 22 umzulenken und aufzuweiten bzw. zu diffundieren, ist eine Anordnung von Nuten, die in der äußeren Oberfläche der Gehäuseschale 12 gebildet sind, von einer glatten Rotationsoberfläche geschlossen, die eine ringförmig kontinuierliche Innenoberfläche 32 der Abdeckschale 14 ist, was individuelle Diffusorkanäle definiert, wenn die Gehäuseschale 12 und die Abdeckschale 14 mit (nicht sichtbaren) Befestigungsmitteln aneinander befestigt sind.

In der gezeigten Ausführungsform sind die Nuten 30 von angrenzenden Nahträndern 34 getrennt, die an Flächenbereichen 36 angeordnet sind, die sich lateral zwischen benachbarten Nuten 30 erstrecken. Die Flächenbereiche 36 verlaufen in der gezeigten Ausführungsform kontinuierlich über die Länge der Nuten 30. Die kontinuierlichen Flächernbereiche 36 verbinden benachbarte Diffusorkanäle zusammen mit einer kontinuierlichen Membran, die an der Oberfläche 32 des Abdeckgehäuses 14 mit Befestigungsmitteln wie beispielsweise Löten, Nieten, Verschrauben, Punktschweißen, Diffusionsschweißen oder Fusionsschweißen befestigt werden kann. Um für eine gelötete Version einen guten Kontakt während des Lötens sicherzustellen, kann die Abdeckschale 14 in viele Segmente unterteilt sein, was einfach getan werden kann, wenn die Abdeckschale 14 ein Metallblechteil ist, welches in einem Pressverfahren hergestellt wird. Diese Schlitze können auch dazu dienen, mit dem Lötmaterial während des Lötverfahrens gefüllt zu werden. Aus Gründen der Einfachheit kann die Abdeckschale 14 ein rotationssymmetrisches Teil sein, welches einfach herzustellen ist.

Die Gehäuseschale 12 ist vorzugsweise durch Gießen oder in einen Plasmasprühverfahren hergestellt. Um einen präzisen Hals (throat) und eine gute Messerkante herzustellen, ist die Gehäuseschale 12 an diesem Bereich maschinell bearbeitet, bevor die Abdeckschale angebracht wird, wenn das erforderlich ist.

Die Dicke der Schalen 12 und 14 kann im Wesentlichen vollständig gleichförmig sein, oder falls das zur Schwingungskontrolle, zur strukturellen Festigkeit oder zur Verschleißbeständigkeit gewünscht ist, können die Schalen 12 und 14 einfach mit vorausgewählten Zonen erhöhter relativer Dicke ausgelegt sein.

Die Nuten 30 der Gehäuseschale 12 haben eine Querschnittsfläche zunehmender Größe von dem Verdichterlaufradgehäuse 16 zu dem Außenrand 18. In der gezeigten Ausführungsform sind die Nuten 30 U-förmig, wie in der 2 am deutlichsten gezeigt. Jedoch können die Nuten 30 auch V-förmig sein oder eine Kombination von U- und V-Form haben.

So hat in der gezeigten Ausführungsform die Nut 30 sowohl eine Tiefe als auch eine Breite, die eine zunehmende Größe von dem Verdichterlaufradgehäuse 16 zu dem Außenrand 18 hat, wie in den 1 bzw. 3 gezeigt.

Man wird verstehen, dass die Gestalt und die Orientierung der in der gezeigten Ausführungsform gezeigten Diffusorkanäle lediglich beispielhaft sind. Ein signifikanter Vorteil der Erfindung ist es, als Konstrukteuren zu erlauben, jegliche Querschnittsform oder Wegorientierung für die Diffusorkanäle zu wählen, welche die Effizienz der Diffusoranordnung optimieren. Die U- oder V-förmigen Kanalnuten 30 können ebenso einfach in jeder anderen gewünschten Form hergestellt werden. Besonders vorteilhaft können die Übergänge zwischen dem Verdichterdiffusor 16, 20 und den Nuten 30 vollständig glatt ohne nachteilige Querstufen, die man beim Stand der Technik findet, hergestellt werden. Die Form der Nuten 30 unmittelbar dem Verdichterlaufradgehäuse 16 benachbart kann irgendeine optimale Gestalt sein, die von den Konstrukteuren festgelegt wird. Im Gegensatz zu der Diffusoranordnung, die aus zwei ineinander eingesetzten Schalen mit dem Zusammenpassen gegenüberliegender Nuten an jeder Schale gebildet ist, ist bei der in dieser Ausführungsform gezeigten Diffusoranordnung 10 das Zusammenpassen gegenüberliegender Nuten an jeder Schale eliminiert und die Gehäuseschale 12 in die Abdeckschale 14 in jeder Winkelposition relativ zueinander eingesetzt werden und dabei können die Nahtränder 34 korrekt in der Oberfläche 32 der Abdeckschale 14 befestigt werden.

In dieser gezeigten Ausführungsform ist die Abdeckschale 14 eine Außenschale und die Gehäuseschale 12 ist eine innere. Dennoch ist es eine Option für Konstrukteure, auszuwählen, dass entweder eine Abdeckschale oder Gehäuseschale eine Außenschale sein könnte. Im Falle dass die Außenschale die Gehäuseschale ist, ist die Oberfläche mit den Nuten eine Inneoberfläche davon un die Abdeckschale, welche die äußere ist, hat die Rotationsoberfläche als die Außenoberfläche davon.

In der Folge davon verringert die neue Doppelschalendiffusoranordnung, die durch die Erfindung bereitgestellt wird, signifikant die erforderliche Teileanzahl und den erforderlichen Werkzeugaufwand. Eine bessere Schwingungskontrolle und -vorhersage ergibt sich aus der strukturellen Integrität der Doppelschalenstruktur. Ein niedrigeres Maschinengewicht ist möglich, durch die Verwendung gekrümmter oder variabler Diffusions-Diffusorkanäle, den Gasgenerator-Gehäusedurchmesser zu verringern. Außerdem kann die Außenschale, ob sie die Abdeckschale oder die Gehäuseschale ist, in eine Gehäusewand des Gasgenerators integriert werden, um zusätzlich das Gesamtgewicht der Maschine zu verringern, falls das gewünscht ist. Konstrukteure sind frei, schnell neue Maschinentypen mit nichtkreisförmigen Diffusorkanälen zu entwickeln, wenn das auch gewünscht ist. Da weniger Arbeitsschritte bei der Herstellung erforderlich sind, ist eine beträchtlich kürzere Vorlaufzeit für die Herstellung von Diffusoranordnungen erforderlich. Eine bessere aerodynamische Leistung ergibt sich aus dem Eliminieren der inneren Querstufen, die beim Stand der Technik zwischen separaten Bauteilen der Diffusoranordnung vorhanden sind.

Obwohl die vorangehende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen eine spezielle bevorzugte Ausführungsform, wie sie vorliegend von den Erfindern angedacht wird, betreffen, versteht man, dass die Erfindung in ihren breiten Aspekten mechanische und funktionelle Äquivalente der beschriebenen und gezeigten Elemente einschließt, die in deren Umfang sind, wie durch die angefügten Ansprüche definiert ist.


Anspruch[de]
Gasturbinenmaschine, aufweisend ein Zentrifugalverdichterlaufrad (24) und eine Diffusoranordnung (10), wobei die Diffusoranordnung (10) eine Strömüng von verdichteter Luft mit einer Radialkomponente von dem Zentrifugalverdichterlaufrad (24) zu der aufgeweiteten Ringströmung einer Axialkomponente lenkt, wobei die Diffusoranordnung (10) aufweist:

eine erste schalenförmige Gehäuseschale (12) mit einem ersten ringförmigen Diffusorbereich (16), einem ersten strömungsabwärtigen ringförmigen Rand (18), der koaxial zu dem ersten ringförmigen Diffusorbereich (16) ist;

eine zweite schalenförmige Gehäuseschale (14) mit einem zweiten ringförmigen Diffusorbereich (20), der konzentrisch zu dem ersten ringförmigen Diffusorbereich (16) ist, einem zweiten ringförmigen strömungsabwärtigen Rand (22), der koaxial zu dem zweiten Diffusorbereich (20) ist, und eine sich dazwischen erstreckende glatte Rotationsoberfläche (32); und

dadurch gekennzeichnet:

dass die erste schalenförmige Gehäuseschale (12) eine Oberfläche mit einer Mehrzahl von Nuten (30) hat, die sich zwischen dem ersten ringförmigen Diffusorbereich und dem ersten strömungsabwärtigen ringförmigen Rand erstrecken und von Nahträndern (34) getrennt sind;

dass die erste (12) und die zweite schalenförmige Gehäuseschale konzentrisch zusammengesetzt sind, wobei die zweite Schale (14) die Nuten an der Rotationsoberfläche (32) schließt und so einen Diffusor an dem ersten (16) und dem zweiten (20) Diffusorbereich und eine Mehrzahl von einzelnen Diffusorrohren (30), die sich von dem Diffusor zu dem ersten (18) und dem zweiten (22) strömungsabwärtigen Rand erstrecken, definiert, wenn die Nahtränder (34) der ersten Schale (12) an der Rotationsoberfläche (32) der zweiten Schale (14) befestigt sind.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die erste Schale (12) eine Innenschale ist, wobei die Oberfläche mit den Nuten eine Außenoberfläche davon ist, und die zweite Schale (14) entsprechend eine Außenschale ist, wobei die Rotationsoberfläche (32) eine Innenoberfläche davon ist. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nahtränder (34) an Flächenbereichen (36) angeordnet sind, die sich lateral zwischen benachbarten Nuten (30) erstrecken. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 3, wobei die Flächenbereiche (36) sich kontinuierlich über die Länge der Nuten (30) erstrecken. Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nuten (30) eine Querschnittsfläche zunehmender Größe von dem Diffusor zu dem ersten (18) und zweiten (22) strömungsabwärtigen Rand haben. Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nuten (30) mit einer Kombination aus geraden und gekrümmten Oberflächen gebildet sind. Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nuten (30) einen U-förmigen Querschnitt haben. Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Schale (12) durchgängig eine im wesentlichen gleichförmige Dicke hat. Gasturbinenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Schale (12) vorausgewählte Zonen erhöhter relativer Dicke hat. Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Schale (12) aus einem Metallgussteil hergestellt ist. Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste (12) und die zweite (14) Schale maschinell bearbeitete Oberflächen haben. Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Schale (14) mit einer relativ dünnen Wanddicke gebildet ist. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 12, wobei die zweite Schale (14) aus Metallblech hergestellt ist. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 13, wobei die zweite Schale (14) durch ein Pressverfahren hergestellt ist. Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nahtränder (34) der ersten Schale (12) an der Rotationsoberfläche (34) der zweiten Schale (14) mit Befestigungsmitteln befestigt ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe die besteht aus: gelötete Oberflächen, Nieten, Schrauben, Punktschweißungen und kontinuierlich geschweißte Oberflächen. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 2, wobei die zweite Schale (14) in eine Gehäusewand eines Gasgenerators integriert ist. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 3, wobei die erste Schale (12) in eine Gehäusewand eines Gasgenerators integriert ist.






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