DE1551183A1

DE1551183A1 - Zusammengesetzter Dichtungsbauteil fuer ein Turbinentriebwerk

Info

Publication number: DE1551183A1
Application number: DE19671551183
Authority: DE
Inventors: Corrigan Charles Edward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-11-23
Filing date: 1967-06-13
Publication date: 1970-04-16
Also published as: NL6710449A; GB1175287A; US3423070A; CH473307A; BE701461A

Description

Zusammengesetzter Dichtungsbauteil für ein Turbinentriebwerk

Die Erfindung betrifft einen zusammengesetzten Dichtungsbauteil für ein Turbinentriebwerk mit einer Kernschicht aus einem Wabenmaterial, die ein Paar im wesentlichen parallele Flächen aufweist, wobei die einzelnen Zellen des Wabenmaterials der Kernschicht derart angeordnet sind, daß diese die parallelen Flächen schneiden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abdichtung für Turbinentriebwerke und insbesondere auf eine verbesserte Ummantelung um eine unerwünschte Leokströmung um die Spitzen von rotierenden Schaufeln mit Tragflächenprofil während des Betriebes dea Turbotriebwerkes zu verhindern.

In Turbomaachinen, wie beispielsweise in Axialetrömungskompressoren und in Turbinen wird die gesamte Nutzleistung ganz erheblioh durch eine Leckströmung des Arbeitamediums um die Spitzen der sioh drehenden Schaufeln herum beeinträchtigt. Insbesondere führt bei einem Kompressor eine Leokströmung des komprimierten Mittels um die Sohaufelepitzen herum in Bereiohe geringeren Druckes zu einem Verlust der

Energie,

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Neue Unterlagen

Energie, die anfangs zur Komprimierung des Arbeitsmittels verwendet wird, da dieses dann wieder komprimiert werden muß. Die Sickerströmung von heißem Arbeitsmittel um die Spitzen der Turbinenschaufeln herum führt ebenfalls zu einem Energieverlust für das System, da nämlich dieses Arbeitsmittel keine ausnutzbare Arbeit in der Turbine leistet. Bei Hochleistungsturbomaschinen wie beispielsweise bei Turbinentriebwerken, die für den Antrieb von Flugzeugen verwendet werden, ist die Gesamtleistung ein außerordentlich wichtiger Betriebsparameter und es ist deshalb außerordentlich wünschenswert, daß die Leckströmung an Schaufelspitzen ausgeschaltet oder wenigstens auf einem annehmbaren geringen Wert gehalten wird. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Ummantelungaauabildungen bisher vorgesehen. Bei den bekannten Einrichtungen wurde versucht, die Turbinenspitzen während des Betriebes so dicht als möglich zu umgeben, um so den kleinstmöglichen Sickerströmungskanal zu erhalten. Wegen der Exzentrizitäten der ringförmigen Bauteile, die bei Turbomaschinen vorhanden sind, der Veränderungen in den Zusammenbautoleranzen und wegen der thermischen Ausdehnungen der Teile des Turbotriebwerkes wurde es üblich, Mantel oder Gehäuseteile mit einem relativ großen Spielraum gegenüber den Turbinenspitzen einzubauen, damit eine störende Beeinträchtigung, beispielsweise ein Heiben, unter allen Betriebsbedingungen vermieden werden kann. Durch diese Ausbildungen werden selbstverständlich die Sicker-•ströme nicht in dem theoretisch gewünschten Ausmaß herabgesetzt. Um eine verbesserte Abdichtung an den Schaufelepitzen zu erzielen, wurden bereits abreibbare Mantel- und Gehäuseteile vorgesehen und verwendet. Bei diesen Teilen ist üblicherweise ein. kleinerer Spielraum vorhanden, da es nicht erforderlich ist, für alle möglichen Betriebsbedingungen dafür Vorsorge zu tragen, daß kein Reiben stattfindet. Obwohl kleinere Spielräume möglich sind, bringen die bisher zur Verfügung stehenden atoreibbaren Gehäuse- oder

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Mantelteile den Nachteil mit sich, daß sie einen gewissen Leistungsverlust erzeugen und zwar durch rauhe Oberflächen, die an diesen Manteloberflachen starke Turbulenzen erzeugen. Es wurden Versuche untex2i02omen_$ abrexTbbare Gehäuseöder Mantelteile su schaffen, welche die wünschenswerten aerodynamischen Eigenschaften won -nicht aereifebaren Mantelteilen aufweisen. Es Iiat sieh jeäooh herausgestellt ₉ daß derartige Mantelteile bezüglich der festigkeit_s der Dauerhaftigkeit und der Haltbarkeit nicht zufriedenstellend sin.d_e

Es ist ein Ziel eier Erfindung₉ eiae verbesserte Abdichtung zu pehaffen,, mit d er sa möglich istj, kleine Dlehtungaspielräume, zusammen mit einem hohen aeroöynamlaelies, -Hut ζ effekt aufrecht au erhalten.©

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, für Türb©maschinen ein verbessertes ße!iä\ise oder einen, verbesserten Mantel zu schaffen, um Leckströme von Arbeitsmittel um die Spitzen der sich drehenden Schaufelteile zu verhindern₀

Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, für Turbomaachinen ein verbessertes Gehäuse oder einen verbesserten Mantel zu schaffen, der die geringen Spielräume aufweist;, die normalerweise abbreibbare Mantelteile haben, wobei dieser gleichzeitig die aerodynami-schen Eigenschaften von nichtabreibbaren Kantelteilen hat.

Ea ist ferner Ziel der Erfindung, die vorstehenden Ziele mit einer Ummantelung zu erreichen, die eine ausreichende Festigkeit, Beständigkeit und Dauerhaftigkeit für einen Betrieb in Hochleistun^sturbomaschinen aufweist, wie beispielsweise für einen Betrieb in Gasturbinentriebwerken.

aeiaä .3 ler Erfindung ist ein zusammengesetzter Dichtungsbauteil f'ir Turbomaschine η vorgesehen, ier eine Kernschicht

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... , BADORtQlNAL

aus einem Wabenmaterial aufweist, die ein Paar im wesentlichen parallele Flächen hat, wobei die einzelnen Zellen der Wabenkerhschicht derart angeordnet aind, daß diese die vorbezeichneten parallelen !flächen schneiden und die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht eines nicht perforieren Materials an jeder der parallelen Oberflächen befestigt ist, wobei gekrümmte Oberflächen vorgesehen sind, die radial.im wesentlichen einen gleichen Abstand voneinander haben, um die einezlen Zellen zu ver- · schließen und um dadurah eine Strömung von Arbeitsmittel In diicö einsei,,...«·! fellen zu verhindern und wobei eine Sohlest aus niülitperfüriertem Material, die an wenigstens einen diese:? parallelen Oberflächen befestigt ist, verhältnismäßig glatt ist und dadurch als Diohtungsoberfläche zusammen mit einem Segendichtüngsbauteil verwendet werden kann. G-eaiäB einem weiteren Aapekt der Erfindung können 3owohl die Wabenkernschieht als auch die glatte Schicht aus niohtperforiertem Material aus verhältnismäßig dünnem und leicht abreibbaren Metallblech bestehen, wobei die glatte Metallblechdeckachicht vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,005 bis 0,006 Zoll aufweist. In der Praxis kann ein Mantel- oder Gehäuseteil oder ein Dichtungsteil der gemäß äer Erfindung aufgebaut ist, einen einzelnen, zusammengesetzten Dichtungsteil oder eine Vielzahl von zusammenwirkenden Dichtungsteilen aufweisen, wie beispielsweise gerümmte Mantelsegmente, die einen vollständigen ringförmigen Hantel bilden«

Weitere Merkmale und Ziele der Erfindung aollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Pig. 1 eine Teilschnittansicht eines Gasturbinentriebwerkes, welches einen erfindungagemäß ausgebildeten Turbinenmantel aufweist,
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Pig. 2 eine vergrößerte Ansicht dea in Pig. 1 dargestellten Turbinenmantels,

Fig. 3 eine Schnittansicht, genommen länga der Linie 3-3 der Pig. 2, wobei einer der gewölbten Mantelaegmente dargestellt ist,

Pig. 4 eine teilweise geachnittene perspektivische Anaicht dea in Pig. 3 dargestellten Mantelsegmentes "und

Pig. 5 eine teilweise geschnittene Endansioht einer abgewandelten Auaführungaform eines Mantelsegmentes, wobei der Wabenkern in Metallblech eingeschlossen ist,

In Pig. 1 ist ein Axialatrömungs-Gasturbinentriebwerk 10 dargestellt, welches nach Art eines Turbostrahltriebwefces ausgebildet ist. Das Triebwerk weist ein äußeres zylindrisches Gehäuse 11 auf, welches einen Axialströmungakompreasor 12, eine ringförmige Verbrennungskammer 13 und eine Turbine 14 umgibt, Diese Teile sind hintereinander zwischen einem Kompressoreinlaß 15 und einer Austrittsdüse 16 angeordnet. Die beschriebenen Triebwerksteile sind so zusammengebaut, daß ein ringförmiger Kanal vorhanden ist, der sich axial zwischen dem Einlaß 15 und der Düse 16 erstreckt und durch diesen Kanal hinduroh strömt ein Arbeitsmittel, welches anfänglich aus Luft besteht und später aus VerbrennungsprJbdukten. Innerhalb des Kompressors 12 strömt die Luft durch eine Anzahl von in axialem Abstand voneinander angeordneten und alternierenden Reihen von Rotorschaufeln 20 und Statorschaufeln 21. Jedes benaohbarte Paar von Rotorschaufeln 20 und Statorschaufeln 21 bildet eine Kompressor-Stufe, um den Druck der Luft zu erhöhen. IJm eine unerwünschte Leokströmung um die äußeren Spitzen der Rotorsohaufein 20 zu verhindern, sind ringförmige Mantelteile 23 vorgesehen, die in dichtem Spielraum gegenüber den Schaufelspitzen angeordnet sind. In gleicher Weise sind ringförmige Dichtungen 009816/0617

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gen 24 vorgesehen, um eine unerwünschte Leckströmung um die inneren,Spitzen der Statorachaufein 21 herum zu verhindern.

Innerhalb der Brennkammer 13 wird Brennstoff in die unter hohem Druck stehende Luft eingespritzt und verbrannt, um Verbrennungsprodukte mit hohem Druck und hoher Temperatur zu erzeugen. Die Hochenergetiachen Verbrennungsgase werden dann durch die Turbine 14 hindurchgeleitet um den Kompressor 12 anzutreiben und schließlich werden diese Gase durch die Austrittsdüae 16 hindurchgeführt, um einen Schub zu erzeugen. Wie Mg. 1 zeigt, ist ein Leitkranz 26 am stromab gelegenen Ende der Brennkammer 13 vorgesehen, um die Verbrennungsgase der ersten Stufe von Turbinenschaufeln 27 mit richtiger Geschwindigkeit und unter richtigem Winkel zuzuführen. Aus den Turbinenschaufeln 27 strömen die heißen Gase durch einen zweiten Turbinenleitkranz 28 und von dort aus werden sie auf eine zweite Turbinenschaufelstufe 29 gerichtet. Die Turbinenschaufeln 27 sind um den Umfang eines Turbinenrades 32 herum montiert, welches zusammen mit seiner Welle 33 und-einem zweiten Turbinenrad 34, an welchem die Schaufeln 29 montiert sind, drehbar auf der Triebwerksachse 35 mittels Lagern 36 gelagert ist. Die Turbinenbaugruppe, die die Räder 32 und 34 und die Welle 33 einschließt, triebt den Kompressor 38 an, an welchem die Rotorschaufeln 20 montiert sind. Wie es bei den Kompressorschaufeln 20 und 21 der Fall ist, ist es wünschenswert, daß eine Leckströmung von Arbeitsmittel um die Enden der Turbinenschaufeln 27 bis 29 herum verhindert wird. Ringförmige Mantelbauteile 40 und 41 sind an den äußeren Spitzen der Turbinenschaufeln 27 und 29 vorgesehen und eine ringförmige Dichtungsbaugruppe 42 ist am inneren Ende des Leitkranzes 28 vorgesehen.

Der ringförmige Mantelbauteil 40, der die Spitzen 27'

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der Turbinenschaufel!! 27 umgibt, ist gemäß der Erfindung ausgebildet und ist im einzelnen in Mn Ilgo 2 bis 4 darge stellt. Wie dargestellt3 ^eist der Maate !"bauteil 40 sine AnzaSil von'gezogenen 31Ghtungselementen 44 amf₃ tie gegeneinander aaatoieiig um einen τ©11 ständigen £featels?ing 5U Mlden.? äer ti® Spitzes. 27⁵ sät eäa©a ?e?MlfeisiaäM/j geringen Spielrsiaa 0 osgiMo Bi© ®5?öiQ <:2iesGS SpiL's G ist derart gewählte aaS ß@isi SeiTäuagskeamlr« s^i den- Spits-ssi/g?" "aaä den SioSitiiaagsluaAtsilsa 44 iate liöhea Betriöfcsaäetiagissges oaft^itt_o Se^ Spiol^anas 6 ssrn aiofet g^olB geaag 3e£ia₀ tea s

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caafaslimea Iscsiäo

Bis ge^ogsaea BiöktttagagliQiies¹ 44 siai Bauteile j die sine isi^iscliieiSit 45 ©,na oinem lfa"bsasiaterial mit offenen Zellen aufweisen_o "Die ©iziselnen Zellea 4β eier Kernschicht 45 aisd gegenüber der Sriebwe^ksaclia® 35 radial angeordnet j so daß diese Zellen innere iaad äußere ira wesentlichen zylindrische ©"borfläolisa 47 und 48 der Schicht 45 selmeidesio Mit anderen Worten kann gesagt werden^ daß die einzelnen Zellen 46 offene Btirohgäage oder Kanäle zwischen den Flächen 47 und 48 bilden® Diese Wabenkemschicht 45 ist eine abreibbare Konstruktion und ist in der Weise aus Metallblech hergestellt,, wie es in der US-Patentschrift 2 963 30? beschrieben wird«, Wie es in dieser US-Patentschrift beschrieben wird_y ist eine Abdeckschient aus nichtperforiertera Material, wie beispielsweise aus Metall, an der äußeren Oberfläche 48 befestigt, um die äußeren Enden der Zellen 46 zu sehließen. Halterungen, wie beispielsweise Flansche 53 und 52 sind vorgesehen! die mit Gehäuseflanschen 54 und 55 zusammenwirken, um den Dichtungsbauteil 44 innerhalb des Gehäuses 11 mit dem richtigen Spielraum G zu halten..

Un die neuartige Dichtungwirkung ^u erhalten, weist jeder"

der 009816/0617

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der Dichtungsbauteile 44 eine innere Schicht 58 aus einem nichtperforiertem Material auf, welches an der inneren Oberfläche 47 der Kernschicht 45 befestigt ist. Zusätzlich dazu, daß diese Schicht mit der Abdeckechicht 50 zusammenwirkt, um beide Enden der Wabenzellen 46 zu schließen, ist die innere Schicht 58 sowohl glatt als auch abreibbar. Es wurde in der Praxis gefunden, daß für Ummantelungen, die in Strahltriebwerken verwendet werden, diese innere Sohicht 58 aus einem verhältnismäßig dünnen Metallblech bestehen kann, welche vorzugsweise eine Stärke im Bereich von 0,005 bis zu 0,006 Zoll aufweist·. Das Material, aus welchem die innere Sohicht 58 hergestellt ist, sollte selbstverständlich alle anderen erfixrderlichen Eigenschaften haben, die nötig sind, damit dieses Material bei den herrschenden Betriebsbedingungen beständig ist. Insbesondere sollte das Material eine entsprechende Widerstandsfähigkeit gegen die normalen Betriebstemperaturen' haben.

Im normalen Betrieb ist der Zwischenraum 0 zwischen den gebogenen Dichtungsbauteilen 44 und den Schaufelspitzen 27' sehr klein und eine Leckströmung um die Spitzen herum wird entsprechend gering sein. Die glatte Oberfläche, die duroh die innere Schicht 58 gebildet wird, hält Turbulenzen und entsprechende aerodynamische Verluste im Bereich zulässiger geringer Werte. Mit anderen Worten kann gesagt werden, daß die gebogenen Dichtungsbauteile 44 außerordentlich vorteilhafte Dichtungseigenschaften und ebenfalls vorteilhafte aerodynamische Eigenschaften unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen haben. Unter ungewöhnlichen Betriebsbedingungen , bei denen die relative Ausdehnung zwischen den Schaufelspitzen 27' und den Dichtungsbauteilen 40 größer als erwartet ist, kann ein Eeibungskontakt auftreten, wobei vorzugsweise die innere Schicht 58 des gebogenen Dichtungsbauteils 44 abgerieben und möglicherweise die Kernschicht

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45 abgerieben wird, da diese Elemente wesentlich geringere Massen haben als die Schaufelspitzen 27'· Dieser Abrieb, der zusammengesetzten Dichtungsbauteile 44· beeinträchtigt jedoch nicht deren Vollständigkeit als Dichtung, auch wenn Oberflächenturbulenzen in erhöhtem Maß in beschränkten Bereichen auftreten, wenn ein Abrieb stattgefunden hat und wenn die innere Schicht 58 vollständig entfernt ist. Der Grund, daß die Dichtungswirkung nicht beeinträchtigt wird, liegt darin, daß die Wabenkernsohioht 45 weiterhin in diesen Bereichen als Dichtung wirksam ist, wie es in der im vorstehenden zitierten US-Patentschrift dargelegt wird, weil nämlich eine Leckströmung von Arbeitsflüssigkeit durch die Zellen hindurch durch die Rüekschicht 50 verhindert wird. In den Bereichen, in denen die innere Schicht 58 nicht vollständig entfernt wurde, weist der Dichtungsbauteil 44 weiterhin sowohl wünschenswerte Abdichtungseigenschaften als auch gute aerodynamische Eigenschaften von glatten Manteloberflächen auf.

Wie bereits dargelegt, sind die AbdeGkschichten 50 und 58, die aus einem ni chtp er fori erteil Material bestehen, getrennte und selbständige Elemente. Es kann jedoch wünschenswert sein, eine zusätzliche Festigkeit und Dauerhaftigkeit dadurch zu erzielen, daß die gesamte Kernschicht 45' von einem nichtperforierten Material eingeschlossen wird, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die innere Schioht 58' wird um die Seiten und an den Enden der Kernschicht 45' umgelegt und durch Verlötung oder auf andere Weise bei 60 an der hinteren Schicht 50' befestigt. In ähnlicher Weise kann es wünschenswert sein, das gesamte Kernmaterial in ein einziges Metallblech einzuwickeln, durch welches sowohl die innere Abreibschicht als auch die äußere Schicht gebildet wird.

Weitere

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Weitere Abänderungen sind möglich. Beispielsweise kann, obwohl die Mähtelbauteile, die in den Fig. 2 bis 5 dargestellt sind, vorzugsweise ausjgewölbten Dichtungsbauteilen bestehen, ein gebogener Dichtungsbauteil geschaffen werden, der ein vollständiger nicht in Segmente unterteilter Ring ist und der den beschriebenen zusammengesetzten Aufbau aufweist. Obwohl der erfindungsgemäße Dichtungsaufbau lediglich in Verbindung mit den Gehäuseteilen 40 für die Turbinenschaufeln 27 beschrieben wurde, sei bemerkt, daß die Erfindung auch bei den Gehäusebauteilen 4-1 und 23 und bei den Statordichtungen 42 und 24 angewendet werden kann. Obwohl die beschriebenen Ausführungsformen eine gewölbte oder gebogene Form haben, wobei im wesentlichen zylindrische Oberflächen vorhanden sind, sei bemerkt, daß die Dichtungen gemäß der Erfindung auch mit ebenen parallelen oder geneigten Oberflächen hergestellt werden können. Der Begriff "parallele Flächen", wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezieht sich auf Oberflächen, die im wesentlichen um gleiche Abstände voneinander entfernt angeordnet sind, und zwar derart, daß diese Oberflächen flach oder gewölbt oder gekrümmt sein können.

Durch die Erfindung wird eine verbesserte Abdichtung geschaffen, mit der es möglich ist, kleine Dichtungsspielräume aufrecht zu erhalten und dabei einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen. Wenn man insbesondere die Erfindung bei Ummantelungen von Schaufeln von Strömungsmaschinen verwendet, so erzielt man kleine Spielräume, die man normalerweise mit abreibbaren Ummantelungen erzielt und man erzielt ferner die aerodynamischen Eigenschaften von nicht abreibbaren Ummantelungen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Zuaammengeaetzter Dichtungsbauteil für ein Turbinentriebwerk mit einer Kernschicht aus einem Wabenmaterial, die ein Paar im wesentlichen parallele Flächen aufweist, wobei die einzelnen Zellen des Wabenmaterials der Kernschicht derart angeordnet sind, daß diese die parallelen Flächen sohneiden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus einem nichtperforierten Material an jeder der parallelen Flächen befestigt ist, daß diese Schichten gekrümmte, im gleichförmigen radialen Abstand voneinander angeordnete Oberflächen aufweist, um die einzelnen Zellen zu schließen und um dadurch eine Strömung des Arbeitsmittels in die" einzelnen Zellen zu verhindern, daß die Schicht aus nichtperforiertem Material, die an der inneren der parallelen Flächen befestigt ist, verhältnismäßig glatt und abreibbar iat, so daß ein Reiben zwischen diesem zusammengesetzten Dichtungsbauteil, und einem zugeordneten Dichtungsglied zu einem Abreiben des zusammengesetzten Dichtungsbauteiles führt.

2. Zusammengesetzte Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht aus einem Wabenmaterial aua einem Metallblech "besteht und daß die Schichten aus einem nichtperforierten Material, die an den parallelen Seiten befestigt sind,'aus Metallblech bestehen und im wesentlichen die gesamte Kernschicht aus Wabenmaterial einschließen, daß das Metallblech verhältnismäßig dünn ist, so daß es leicht abgerieben werden kann, falls e in Reibungskontakt zwischen den zusammenwirkenden Dichtungsgliedern stattfinden sollte.

3- Zusammengesetzte Dichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Seiten des zusammengesetzten Dichtungsbauteils im wesentlichen zylindrisch

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driaoh ausgebildet sind und die glatte Metallbleohschicht an der radialen inneren Seite befestigt ist.

4. Zusammengesetzte Dichtung naoh einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet! daß das Metallblech welches die glatte Schicht aus nichtperforiertem Material bildet, eine Dicke im Bereich von 0,0075 bis 0,015 am (0,003 - 0,006 Zoll) hat.

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