DE1286809B

DE1286809B - Leitschaufel fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1286809B
Application number: DE19611286809
Authority: DE
Inventors: Weber Fritz
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1960-09-01
Filing date: 1961-08-30
Publication date: 1969-01-09
Also published as: US3101926A; GB971548A; FR1306125A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf zwischen parallelen Seitenwänden des Einströmkanals einer Gasturbine angeordnete Leitschaufeln.
Um bei solchen Turbinen auch unter wechselnden Betriebsbedingungen immer einen annähernd konstanten Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, ist es bereits bekannt, eine rings um den Turbineneinlaß angeordnete Düseneinrichtung mit regelbarem Durchgangsquerschnitt vorzusehen (vgl. die deutsche Patentschrift 850 681).
Bei Turbinen mit radialer Zuführung des Arbeitsmittels besteht die Düsenanordnung mit regelbarem Durchgangsquerschnitt aus einer Mehrzahl Stromlinienförmig ausgebildeter Leitschaufeln, die im Turbineneinlaß in einem Düsenkanal vorgesehen und so ausgebildet sind, daß sie geschwenkt werden können, um den wirksamen Durchgangsquerschnitt der Düse zu ändern. Eine derartige Leitvorrichtung, bei der die Leitschaufeln einmalig auf den besten Wirkungsgrad eingestellt und dann in dieser Lage fixiert werden, ist aus der schweizerischen Patentschrift 331658 bekannt.
Bei Düsenanordnungen, bei denen der Durchgangsquerschnitt während des Betriebs laufend regelbar sein soll, muß zwischen den Leitschaufeln und den Wänden des Düsenkanals hinreichend Spielraum vorhanden sein, um bei allen Betriebszuständen eine freie Beweglichkeit der Leitschaufeln zu gewährleisten. Da die Temperatur des der Turbine zuströmenden Arbeitsmittels sehr stark schwanken kann, muß der Spielraum bzw. Spalt zwischen den Leitschaufeln und den Düsenkanalwänden verhältnismäßig groß sein. Durch diesen Spalt kann das der Turbine zuströmende Arbeitsmittel zwischen den Leitschaufeln und den Kanalwänden entweichen. Die Strömungsrichtung des zwischen den Leitschaufeln und den Kanalwänden entweichenden Arbeitsmittels verläuft in einem Winkel zur Strömungsrichtung des durch- die Leitschaufeln tretenden Arbeitsmittels. Dieser Leckverlust beeinträchtigt den Wirkungsgrad - der Turbine bei allen Betriebszuständen, vor allem aber dann, wenn die Leitschaufeln bei Normalbetrieb ,etwa geschlossen sind.
Aus der deutschen Patentschrift 850 681 ist es bereits bekannt, die Seitenkanten der während des Betriebs der Gasturbine verstellbaren Leitschaufeln durch lose eingelegte mehrteilige Ringe und federnde Dichtungselemente, z. B. Kolbenringe, abzudichten. Die bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß der Abdichtungsdruck unveränderlich und von der konstant bleibenden Federwirkung der Dichtungselemente abhängig ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Leitschaufelabdichtung zu schaffen, bei =der der An,-preßdruck der Dichtungselemente allen Betriebszuständen der Gasturbine angepaßt ist.
Gemäß der Erfindung ist eine zwischenparallelen Seitenwänden des Einströmkanals schwenkbare-=Lei£--' Schaufel mit an ihren beiden Dichtungskanten vorgesehenen, federnd gegen die Seitenwände angedrückten i Gleitdichtungen - für Gasturbinen dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufel einen mit dem Einströmkanal in Verbindung stehenden=-Hohlraum sowie den Seitenwänden dieses Kanals zugewandte, sich über einen Teil der Schaufellänge erstreckende, i mit dem Hohlraum in Verbindung stehende Schlitze aufweist, in denen je ein blattartiges Dichtungsglied gleitbar gelagert ist und vom im Schaufelhohlraum herrschenden Druck gegen die benachbarte Seitenwand gedrückt wird. Eine solche Bauart hat gegenüber den bekannten Leitschaufelabdichtungen den wesentlichen Vorteil, daß die Dichtungsglieder mit veränderlichem Druck gegen die Seitenwände des Strömungskanals gepreßt werden, und zwar mit um so höherem Druck, je stärker das Arbeitsmittel bei Verstellung der Leitschaufeln auf diese drückt. Auf diese Weise wird bei allen Betriebsverhältnissen eine gute Abdichtung erreicht, und die Leckverluste werden weitgehend vermieden.
Die Dichtungsglieder sind zweckmäßig kürzer als der Schlitz, in dem sie gelagert- sind, so daß an den Leitschaufelenden eine Durchtrittsöffinung verbleibt und sich die Dichtungsplatten in Längsrichtung im Schlitz verstellen können.
Zweckmäßig sind eine oder mehrere Federn vorgesehen, die die Dichtungsglieder gegen die Seitenwände des Einströmkanals drücken.
Es sei noch erwähnt, daß vom Arbeitsmitteldruck zusätzlich zu Federdruck an die zugehörige Begrenzungswand nachgiebig angedrückte blattartige Dichtungsglieder an sich bereits weitgehend bekannt sind (vgl: z. B. die deutschen Patentschriften 664100, 853 533 sowie die deutsche Auslegeschrift 1056 440).
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert: Fig. 1 zeigt eine Leitschaufel nach der Erfindung mit ihrem Träger; F 1-g. 2 zeigt eine Leitschaufel nach der Erfindung im Schnitt; F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Leitschaufel im Schnitt.
Die verstellbare Düsenanordnung einer Gasturbine besteht aus mehreren stromlinienförmig ausgebildeten Leitschaufeln, von denen eine in F i g. 1 gezeigt und mit 34 bezeichnet ist. Die Leitschaufeln 34 sind an den Stirnflächen von Scheiben 35 befestigt und gegenüber den Achsen 38 dieser Scheiben radial versetzt. Die Scheiben 35 stehen über hier nicht gezeigte Betätigungsglieder mit einem Düsenstelhing in Verbindung, durch den alle Leitschaufeln während des Betriebs der Gasturbine gleichzeitig schwenkbar sind.
Die Leitschaufeln 34 sind so breit, daß zwischen ihnen und den Wandungen der Düsenanordnung ein hinreichend großer Spalt verbleibt, wenn diese sich bei maximaler Temperatur voll ausgedehnt haben. Da zwischen der Maximaltemperatur des Arbeitsmittels und-- derjenigen Temperatur, die sich unter normalen Betriebsbedingungen- einstellt, ein erheblicher Unterschied vorhanden ist,, muß bei normalem Betrieb der Turbine zwischen den Leitschaufeln und den Wänden des Düsenkanals ein verhältnismäßig großer Spalt entstehen. Der durch diesen Spalt zwischen den Schaufeln und den Wänden des Düsen--kanals bei normalem Betriebszustand entstehende Leckverlust an dem die Turbine antreibenden Arbeitsmittel beeinträchtigt erheblich den Wirkungsgrad der Turbine. Wird beispielsweise der durch den erwähnten Spalt entstehende Leckverlust verhütet, so kann der Wirkungsgrad der Turbine eines Turboverdichters bei normalen Betriebsbedingungen und einer Arbeitshöhe von etwa 9150 m von 46 auf 71 % erhöht werden. Diese Verbesserung hätte eine erhebliche Verringerung der Leckverluste an Luft im Hauptverdichter der Maschine und damit eine bedeutsame Brennstoffersparnis zur Folge. In F i g. 1 ist die Einrichtung veranschaulicht, mit deren Hilfe es möglich ist, die Abdichtung zwischen Leitschaufel 34 und den Wänden des Düsenkanals gegenüber bekannten Anordnungen zu verbessern; dies wird dadurch erreicht, daß jede Leitschaufel 34 mit einem Paar Dichtungsblätter 60 versehen ist, die in einem Schlitz 62 der Leitschaufel und des benachbarten Teils ihrer kreisförmigen Scheibe 35 vorgesehen sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Dichtungsblätter 60 parallele Kanten 63 und 64 und bogenförmig ausgebildete Endkanten 65; natürlich können aber auch Dichtungsblätter abweichender Gestalt zur Anwendung kommen. Die Enden 66 der Schlitze 62 liegen im Abstand voneinander; die Schlitze dienen zur Aufnahme der Dichtungsblätter 60.
Die Seitenkanten 63 der Dichtungsblätter berühren die ihnen benachbarten Wände des Düsenkanals, sobald die Blätter nach außen gedrückt werden. Die Länge der Düsenblätter 60 ist so gewählt, daß, wenn die Blätter in ihren Schlitzen die Mittellagen einnehmen, an den beiden Enden der Schlitze Spalträume 67 und 68 vorhanden sind. Strömt das Arbeitsmittel durch den Düsenkanal 24 der Turbine von rechts zu, so dringt das unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel an der vorderen Kante der Leitschaufel in den Spaltraum 67 ein und drückt die Dichtungsblätter 60 nach links (F i g. 2). Der Spaltraum 68 am in Strömungsrichtung hinteren Ende der Leitschaufel wird also beinahe geschlossen, während der Spaltraum 67 einen Kanal bildet, durch den das unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel in den Raum zwischen den Dichtungsblättern gelangt. Das unter hohem Druck stehende, auf die Seitenkanten 64 der Dichtungsblätter einwirkende Arbeitsmittel drückt diese nach außen, so daß deren Seitenkanten 63 mit den benachbarten Wänden des Düsenkanals in Berührung kommen. Die Bewegung der Dichtungsblätter nach außen wird durch die Saugwirkung bzw. den Bernoulli-Effekt unterstützt, der durch den geringfügigen Leckdurchtritt des Arbeitsmittels durch den kleinen Spalt zwischen den Seitenkanten 63 der Dichtungsblätter und den Wänden des Düsenkanals verursacht wird.
Die Kanäle, welche den Raum im Inneren der Leitschaufeln zwischen den Dichtungsblättern mit dem Bereich hohen Drucks an der vorderen Kante der Leitschaufeln miteinander verbinden, können auch noch anders ausgebildet sein, als dies in F i g. 1 veranschaulicht ist. So kann beispielsweise im mittleren Abschnitt der in der Strömungsrichtung vorn liegenden bzw. vorderen Kante der Leitschaufel 34 eine Bohrung vorgesehen sein, die in den Raum zwischen den Dichtungsblättern 60 führt. Mündet der Kanal bei dieser Ausführung an der vorderen Kante der Leitschaufel, so kann das unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel direkt in den Raum zwischen den Dichtungsblättern eindringen. Genau wie bei der zuvor erläuterten Ausführungsform hat der auf die Seitenkanten 64 der Dichtungsblätter einwirkende hohe Druck des Arbeitsmittels und die an den Seitenkanten 63 der Blätter entstehende Saugwirkung bzw. der Bernoulli-Effekt zur Folge, daß die Dichtungsblätter nach außen gedrückt werden, so daß ihre Seitenkanten 63 mit den ihnen benachbarten Wandungen 22 und 25 des Düsenkanals in Berührung treten.
In F i g. 3 ist eine Abänderungsform der Leitschaufeln veranschaulicht; in diesem Fall besteht die Einrichtung, welche Leckverluste an Arbeitsmittel zwischen den Leitschaufeln 34 und den Wänden des Düsenkanals verhindert, aus einem Paar Dichtungsblätter 70, die auch hier in einem in der Leitschaufel 34 vorgesehenen Schlitz 62 angeordnet sind, der in die benachbarte kreisförmige Scheibe 35 übergreift. Die Dichtungsplatten 70 bestehen aus zwei gebogen ausgebildeten Segmenten, deren gekrümmte Kanten einander zugewandt sind; jede Dichtungsplatte hat eine gerade Kante 72, die mit der ihr zugeordneten Wandung des Düsenkanals zusammenwirkt, wenn die Dichtungsblätter nach außen gedrückt werden; die gebogenen Kanten der Dichtungsblätter weisen eine Ausnehmung auf, in der sich Federn 74 befinden. Diese Federn liegen im Schlitz zwischen den Dichtungsblättern 70 und dienen dazu, die Seitenkanten 72 der Blätter mit den benachbarten Wänden 22 und 25 des Düsenkanals in Eingriff zu bringen, so daß Leckverluste an Arbeitsmittel durch einen Spalt zwischen den Leitschaufeln und den Seitenwänden des Düsenkanals hindurch verhindert sind.

Claims

Patentansprüche: 1. Zwischen parallelen Seitenwänden des Einströmkanals schwenkbare Leitschaufel mit an ihren beiden Dichtungskanten vorgesehenen, federnd gegen die Seitenwände angedrückten Gleitdichtungen für Gasturbinen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Leitschaufel (34) einen mit dem Einströmkanal (24) in Verbindung stehenden Hohlraum sowie den Seitenwänden (22, 25) dieses Kanals zugewandte, sich über einen Teil der Schaufellänge erstreckende, mit dem Hohlraum in Verbindung stehende Schlitze (62) aufweist, in denen je ein blattartiges Dichtungsglied (60 bzw. 70) gleitbar gelagert ist und vom im Schaufelhohlraum herrschenden Druck gegen die benachbarte Seitenwand gedrückt wird.
2. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsglied (60 bzw. 70) so viel kürzer als der zugehörige Schlitz (62) im Leitschaufelhohlkörper ist, daß eine Bewegung in Längsrichtung möglich ist.
3. Leitschaufel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum seitlich durch die inneren Kanten (64) der im Abstand voneinander liegenden Dichtungsglieder (60 bzw. 70) begrenzt wird.
4. Leitschaufel nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch wenigstens eine im Hohlraum zwischen den Dichtungsgliedern (70) angeordnete, auf diese einwirkende Spreizfeder (74).
5. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Länge der Dichtungsglieder (60 bzw. 70) begrenzenden und die ihnen gegenüberliegenden Wandungen der Schlitze (62) schräg zu den Seitenwänden (22, 25) und gegebenenfalls bogenförmig verlaufen.