DE1069428B - Gasturbine mit Lager und Labyrinthdichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer in einem auf der Einlaß sei te der Turbine liegenden Lager abgestützten Welle und einer Labyrinthdichtung zwischen der Welle und dem Lager.

Bei bekannten Einrichtungen sitzt das Lager starr im Gehäuse, so daß Schwingungen der Turbinenwelle auf das Gehäuse übertragen werden können, die durch die unvermeidliche, wenn auch geringe Unwucht der Turbinenwelle angefacht werden.

Die Erfindung vermeidet dies dadurch, daß in einen nachgiebigen Metallring, der in einer kreisförmigen Öffnung eines Abstützgliedes sitzt, ein das Lager aufnehmender zylindrischer Käfig eingesetzt ist, der zylindrische Ansätze trägt, die die festen Teile der Labyrinthdichtung bilden. Da der Käfig des Lagers in dem nachgiebigen Ring gelagert ist, kann er den Bewegungen des Lagers folgen, so daß sich keine relativen Bewegungen zwischen den Teilen der Labyrinthdichtung infolge der Schwingungen ergeben können. Damit ist es möglich, das Spiel der Labyrinthdichtungen sehr klein zu wählen, wodurch auch die Abdichtung beträchtlich wirksamer wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat der nachgiebige Ring am Außen- und Innenumfang gegeneinander versetzte Rippen, die gegen das Abstützglied bzw. den Käfig anliegen.

Bei einer Gasturbine mit zwei voneinander getrennten Labyrinthdichtungen zwischen der Welle und dem Lager sind zwei feste ringförmige radial nach innen gerichtete Scheiben vorgesehen, mit deren Innenrändem nachgiebige metallische Dichtungsringe in Berührung stehen, welche in Nuten auf der den zugeordneten Labyrinthdichtungen abgewandten Seite sitzen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt. In der Zeichnung ist

Fig. 1 ein Teillängsschnitt einer Gasturbine durch deren Achse,

Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Teilquerschnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1 in größerem Maß stäbe und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines federnden Tragrings.

Die Turbine hat ein Einlaßgehäuse 10, das ein vorderes Turbinenlager trägt und an seinem Vorderende mit einem äußeren Brennkammergehäuse Il verschraubt ist. Am rückwärtigen Ende des Einlaßgehäuses ist ein Turbinengehäuse 15 festgeschraubt. Das Einlaßgehäuse 10 besteht aus einer Außenwand 12, mehreren an ihr sitzenden hohlen Streben 13 und einem starren Ring 14, der an den Innenenden der Streben sitzt. An Wänden 17 und 18 einer inneren doppelwandigen Verbrennungsraumhülle ist an deren rückwärti-Gasturbine mit Lager und Labyrinthdichtung

Anmelder:

General Motors Corporation, Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Vorwerk und Dipl.-Ing. K. Walther, Patentanwälte, Berlin-Charlottenburg 9, Bolivaralle 9

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 24. Juni 1957

James Rutherford Dison jun., Pittsboro, Ind. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

gern Ende ein Ring 16 vorgesehen, der mit dem Ring 14 verschraubt ist. Zwischen den Wänden 11 und 17 angeordnete Auslaßstutzen 19 von Brennkammern sind an den Wandungen 21 und 22 von Einlaßdüsen der ersten Turbinenstufe befestigt, die außerdem Leitschaufeln 23 zwischen den Wandungen haben. In der Zeichnung ist nur einer der Auslaßstutzen 19 gezeichnet. Die Auslaßstutzen 19 Hegen zwischen den Streben 13, jedoch ist zur klareren Darstellung in der Zeichnung die Strebe weggebrochen und der Auslaßstutzen in der Zeichnungsebene gezeichnet. Die Turbinenauslaßdüsen ruhen auf einem Stützring 24, der am Ring 14 befestigt ist. Die Einlaß düsen leiten das Treibmittel gegen Schaufeln 26 eines ersten Turbinenrades 27, das auf einer Turbinenwelle 28 befestigt ist. Das Turbinenrad 27 ist über einen Abstandsring 29 gegen einen Bund 31 der Welle 28 abgestützt. Eine am Ring 14 befestigte Ringplatte 32 schließt den Raum innerhalb des Ringes 14 vor dem Turbinenrad ab. Die Turbinenwelle 28 läuft in einem Rollenlager 33 und wird auf der Turbinenauslaß-Seite durch ein weiteres, nicht dargestelltes Lager abgestützt. Ein innerer Labyrinthdichtungsring 34 und der innere Laufring des Lagers 33 werden durch eine auf die Welle aufgeschraubte Mutter 36 gegen den Bund 31 gehalten. Der äußere Laufring 33 wird über eine Ringscheibe 37, den Ring 14 und die Streben 13 an der Außenwand 12 abgestützt. Die Ringscheibe 37 ist hierzu an einem nach innen ragenden Flansch 38 des Ringes befestigt. Ein nachgiebiger Ring 39 (Fig. 3 und 4), der in der inneren Öffnung der

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Ringscheibe 37 sitzt, trägt einen Lagerkäfig 41, in dem der Außenlaufring des Lagers 33 abgestützt wird. Der Lagerkäfig bildet ein Teil mit einem festen Labyrinthdichtungsteil 40, das zwei zylindrische Teile 42 und 43 fortschreitend größeren Durchmessers hat, die die festen Teile einer abgesetzten zweistufigen Labyrinthdichtung bilden. Das Teil 42 arbeitet mit Labyrinthdichtungsrippen 44 und das Teil 46 mit dem umlaufenden Labyrinthdichtungsring 34 zusammen.

Der nachgiebige Ring 39 zwischen der Ringscheibe 37 und dem Lagerkäfig 41 ist mit einer Anzahl an der Außenfläche in axialer Richtung liegenden Rippen 47 verbunden und hat an der Innenfläche zu diesen versetzt angeordnete axiale Rippen 48. Der Ring 39 hat mit der Ringscheibe 37 nur über die Rippen 47 und dem Lagerkäfig 41 nur über die Rippen 48 Berührung. Diese Bauart sichert die Einstellung des Lagers, ist aber in radialer Stellung federnd, so daß kleine Schwingungen des festen Labyrinthteils 40, des Lagers 33 und der Turbinenwelle 28 möglich sind. Das feste Labyrinthdichtungsteil 40 hat einen abgestuften Anschlag 49, der gegen die Rückfläche der Ringscheibe 37 anliegt und einen Anschlag 51, der gegen den Außenlaufring des Lagers 33 anliegt. Das Teil 40 ist an der Ringscheibe 37 durch einen Schnappring 52 festgehalten, der in einer Nut in der Außenfläche des Lagerkäfigs 41 sitzt. Das Lager ist im Käfig durch einen Schnappring 53 festgehalten, der in einer Nut in der Innenfläche des Käfigs 41 liegt. Das Lager hat also einen festen Sitz im Käfig.

Das Teil 40 und der nachgiebige Ring 39 sind gegen Verdrehung durch einen Keil 54 gesichert, dessen Kopf 55 in einer Tasche 56 des Lagerkäfigs 41 liegt und der sich durch eine Nut 57 im Rand des Ringes 39 und eine Nut 58 im Rand der Ringscheibe 37 erstreckt.

An der Ringscheibe 37 ist ein ölanschluß 59 befestigt, durch den von einer Druckölleitung 61 über Düsen 62 das Lager 33 mit öl versorgt wird.

In einer Nut 64 am rückwärtigen Ende des Teils 40 sitzt eine Kolbenringdichtung 63, die gegen die Platte 32 abdichtet und einen Gasstrom von der Kammer 65 zwischen dem Turbinenrad 27 und der Platte 32 zur Kammer 66 vor der Platte 32 bis auf Leckverluste durch die Labyrinthdichtung 43, 46 verhindert. Das durch dieses Labyrinth strömende Gas wird durch eine Anzahl von Löchern 67 im feststehenden Teil 40 zur Kammer 66 geleitet und kann durch eine oder mehrere öffnungen 68 im Ring 14 in den Innenraum der hohlen Streben 13 strömen, der zur Außenluft Verbindung hat.

Eine zweite Kolbenringdichtung 69 ist zwischen der Kammer 66 und dem Lager 33 vorgesehen. Der Kolbenring 69 sitzt in einer Nut 71 des Teils 40 und liegt gegen einen Ring 72 an, der mit der Ringscheibe 37 durch einen gewölbten Metallblechring 73 verbunden ist. Die beiden Kolbenringdichtungen gestatten eine axiale Bewegung und radiale Schwingungen der Turbinenwelle und der Labyrinthdichtungen, verhindern aber jeden Gas- oder ölstrom, der die Labyrinthdichtungen umgehen könnte.

Von der Innenfläche des Teils 40 ragt eine ringförmige Wand 76 bis dicht an die Außenfläche des mit der Welle umlaufenden Dichtungsringes 34. Diese Wand fängt den größten Teil des durch das Lager 33 fließenden Öls ab. Zwischen dem Außenlaufring des Lagers und der Wand 76 sind mehrere, vorzugsweise zwölf. Taschen 77 an der Innenfläche des Lagerkäfigs 41 vorgesehen. Jede Tasche ist durch ein radial gebohrtes Loch 78 und eine axiale Bohrung 79 im Lagerkäfig mit der vorderen Stirnseite des Lagerkäfigs verbunden. Das durch das Lager strömende öl kann durch die Bohrungen 79 zur Vorderseite des Lagers in eine Kammer 80 strömen, die innerhalb der Innenwand 18 der Brennkammer liegt und einen ölsumpf bildet, aus dem in der üblichen Weise das rücklaufende öl von einer nicht dargestellten Rückförderpumpe einem ölbehälter zur Wiederverwendung zugefördert wird.

Der Raum 81 zwischen der inneren Labyrinthdichtung 42, 44 und der Wand 76 steht über mehrere radiale Kanäle 82 im Teil 40 mit dessen Äußerem in Verbindung. Zweckmäßig sind zwölf zwischen den Löchern 78 liegende Kanäle vorgesehen. Über diese Kanäle 82 gelangt Luft oder Gas, die durch die innere Labyrinthdichtung gelangen, in den Raum 83 zwischen

der Ringscheibe 37 und dem Ring 73, der durch ein Leitungsstück 84 mit der Kammer 80 verbunden ist.

Wie die Zeichnung erkennen läßt, steht die Kammer 65 mit dem Weg des Treibmittelstroms durch den Spalt zwischen dem Düsentragring 24 und dem Turbinenrad27 in Verbindung, so daß in ihr der Druck am Austritt der Einlaßdüsen der Turbine herrscht. Ein begrenzter Anteil von Brennkammerkühlluft, d. h. Luft, die vom Austritt des Verdichters durch den Ringraum zwischen den Wänden 11 und 17 außerhalb der Auslaßstutzen 19 strömt, wird der Kammer 65 zugeleitet. Diese Luft bildet einen Puffer oder Schleier reiner Luft zwischen den Dichtungen und dem Treibmittel und gelangt mit dem Druck am Turbinendüsenaustritt durch den Raum vor dem Turbinenrad in den Weg des Treibmittelstroms.

Zur Zuleitung und Führung dieser Luft dient eine ringförmige konische Wand 87, deren Außenrand mit Kopf schrauben 88 an der Ringplatte 32 befestigt ist. Die Kopfschrauben 88 verbinden diese Zwischenwand 87, die Ringplatte 32 und den Düsentragring 34 mit dem Ring 14. Im Ring 14, Tragring 24 und der Ringplatte 32 sind zwischen den Kopf schrauben 88 mehrere, vorzugsweise sechs, Löcher 89 vorgesehen. Im Bereich jedes Loches 89 ist in die Rückseite der Ringplatte32 ein Schlitz 91 eingeschnitten. Die Brennkammerkühlluft fließt durch die Löcher 89 und die Schlitze 91 und verteilt sich zwischen der Ringplatte 32 und der Wand 87 und nach außen über die Stirnfläche des Turbinenrades 27. Diese Kühlluft kühlt zwar etwas die Tur-

4-5 binenwelle, ihr Hauptzweck ist jedoch, das verunreinigte und heißere Treibmittel von den Dichtungen und dem Lager fernzuhalten.

In der Kammer 65 herrscht ein von der Höhe über dem Boden veränderlicher Druck, der Werte bis zu 10,55 kg/cm² erreichen kann. In der den Sumpf darstellenden Kammer 80 herrscht etwa atmosphärischer Druck. In der Kammer 66, die über die Löcher 67 mit dem Raum zwischen den beiden Labyrinthdichtungen verbunden ist, wird ein etwas über dem atmosphärisehen Druck liegender Druck gehalten. Es besteht daher ein kleines Druckgefälle beiderseits der Labyrinthdichtung 44, so daß durch diese eine geringe Leckage heiße Luft erfolgt. Der geringe Überdruck wird jedoch sichern, daß diese Leckage in Richtung auf das Lager eintritt, so daß das öl nicht längs der Welle nach rückwärts abströmen kann. Der Druck in der Kammer wird zweckmäßig auf 0,35 kg/cm² über dem atmosphärischen Druck gehalten. Hierzu werden die öffnungen 68, die die Kammer entlüften, so bemessen, daß die durch die erste Labyrinthdichtung leckende Luft in den öffnungen 68 einen Druckabfall von 0,35 bis 0,42 kg/cm² bedingt, wenn in der Kammer 65 der höchste Druck herrscht.

Die tatsächliche Größe dieser öffnungen wird sich mit der durch die erste Labyrinthdichtung festgestell-

ten Leckmenge ändern. In einer ausgeführten Anlage wurde die gewünschte Druckdifferenz dadurch erreicht, daß drei Öffnungen von etwa 8,46 mm Durchmesser vorgesehen wurden. Hierbei hatte die erste Labyrinthdichtung einen Durchmesser von etwa 101,6 mm.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung eine sehr zufriedenstellende Lösung der Aufgabe darstellt, ein geringstmögliches Spiel in der Labyrinthdichtung trotz der schwimmenden Lagerung der Welle aufrechtzuerhalten. Sie ergibt Labyrinthdichtungen mit geringer Leckage und schaltet die Mangel dicht aufliegender Dichtungen aus. Die Ausbildung, daß der Druckabfall in der Labyrinthdichtung vorwiegend in der ersten Dichtung mit einem geringen Druckabfall erfolgt, der ausreicht, um einen rückwärts gerichteten Ölstrom in der zweiten Dichtung zu verbinden, verringert den Zustrom heißer Luft zum Lager in so starkem Ausmaß, daß diese Wärme völlig vernachlässigbar gegenüber der durch Leitung und Strahlung dem so Lager zugeführten Wärme ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gasturbine mit einer in einem auf der Einlaßseite der Turbine liegenden Lager abgestützten Welle und einer Labyrinthdichtung zwischen der Welle und dem Lager, dadurch gekennzeichnet, daß in einen nachgiebigen Metallring (39), der in einer kreisförmigen öffnung eines Abstützgliedes (37) sitzt, ein das Lager aufnehmender zylindrischer Käfig (41) eingesetzt ist, der zylindrische Ansätze (42, 43) trägt, die die festen Teile der Labyrinthdichtung bilden.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgiebige Ring (39) am Außen- und Innenumfang gegeneinander versetzte Rippen (47, 48) hat, die gegen das Abstützglied (37) bzw. den Käfig (41) anliegen.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2 mit zwei voneinander getrennten Labyrinthdichtungen zwischen der Welle und dem Lager, gekennzeichnet durch zwei feste ringförmige, radial nach innen gerichtete Scheiben (32, 73), mit deren Innenrändern nachgiebige metallische Dichtungsringe (63, 69) in Berührung stehen, welche in Nuten (64, 71) auf der den zugeordneten Labyrinthdichtungen (46, 44) abgewandten Seite sitzen.

4. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Ansätze (42, 43) des Käfigs (41) konzentrisch zueinander sich überlappend angeordnet sind.

5. Gasturbine nach Anspruch 3, wobei der zylindrische Käfig Löcher zur Abfuhr heißer Gase enthält, dadurch gekennzeichnet, daß einige dieser Löcher (67) zwischen den beiden Labyrinthdichtungen (44, 46) liegen und in eine zwischen den Ringscheiben (32, 73) gebildete Kammer (66) münden, die über Löcher (68) mit hohlen, radial nach außen gerichteten Streben (13) verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutschq Patentschrift Nr. 952 668;
französische Patentschrift Nr. 1 086 521;
britische Patentschrift Nr. 702 931;
USA.-Patentschrift Nr. 2 681 837.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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