DE1601676A1 - Optimal ansprechende Turbinenblattspitzendichtung - Google Patents
Optimal ansprechende TurbinenblattspitzendichtungInfo
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
Dr-In
DIpUn
5 Köln-Lindenthal 1 160 1676
Postfach 1149
United Aircraft Corporation, 4OO Main Street, East Hartford 8, Connecticut, U.S.A. -
Optimal ansprechende Turbineriblattspitzendichtung
Prioritä*t: Vereinigte Staaten von Amerika
Patentanmeldung vom 2. November 1966
Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf eine Anordnung, um das Spitzenspiel der Turbinenschaufeln unter veränderlichen Flugbedingungen auf einem optimalen Wert zu halten.
In einem Gasturbinentriebwerk muss der Turbinenrotor unter jeden Flugbedingungen frei drehen« es muss demnach ein Spiel
zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln und der die Schaufeln
umgebenden Turbinengehä*usedichtung vorhanden sein» '
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde« eine
Anordnung zu schaffen, bei welcher die Ausdehnung?- oder Schrumpf geschwindigkeit der Turbinengehä'used ichtung sich genau
an die Ausdehnungs- und Schrumpfgeschwindigkeit des Turbinenrotors
anpasst.
In Gasturbinentriebwerken ist das Spitzenspiel bei Reisebedingungen
normalerweise Übermassig, da ein grosses Spiel in kaltem
Zustand notwendig ist, um eine Berührung während Obergangsbedingungen
zu vermeiden, und da die hohe Temperatur der Turbinengehä'used ichtung bei Reisebedingungen eine ü*berma*ssige Ausdehnung
der Dichtung inbezug auf die Turbinenrotore hervorruft« Es ist
klar, dass eine Verringerung des Spitzenspiels unter Reisebedingungen
eine bedeutende Vergrösserung des Turbinenwirkungsgrades
mit einer entsprechenden Verringerung des spezifischen Brennstoffverbrauches hervorruft„ Demnach hat die Anordnung
nach dieser Erfindung ein minimales Warmlaufspiel, wodurch
der Wirkungsgrad der Turbine vergrö*ssert wird.
Es ist auch einleuchtend, dass in dem Turbinenquerschnitt, infolge
des Spitzenspieles ein Lecken von heissen Gasen entlang den Turbinenschaufeln vorliegt. Diese Lecko'ffnungen sind durch
ι die thermische Ausdehnung der Scheibe, der Schaufeln und der
Dichtungen, durch die Ausdehnung der Scheibe und Schaufeln infolge Rotation und durch das Spiel in kaltem Zustand bedingt.
Es ist ofensichtlich dass die verschiedenen Triebwerksbedingungen
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die relative Grosse der Scheibe, Schaufeln und Dichtung beeinflüssen
und dass jeder Triebwerksbedingung ein optimales Blattspitzenspiel
zugeordnet ist· Durch die Erfindung wird eine Anordnung;
geschaffen # bei welcher das Spitzenspiel der Schaufeln
fü*r jede Plugbedingung automatisch gesteuert wird.
Ausftthrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden na*her beschrieben.
Figur 1 ist ein Teil eines Gasturbinentriebwerkes im Schnitt
und zeigt eine Anordnung entsprechend der Erfindung.
Figur 2 ist ein Teil eines Gasturbinentriebwerkes im Schnitt und
zeigt eine zweite Ausf ütirungsform der Anordnung nach der Erfindung·.
: ^,> ..·■-;■. ....■:■ =
Figur 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 nach
Figur 1. ;
Figur 4 ist eine graphische Darstellung der relativen Ausdehnung
und zeigt das Verhalten von verschiedenen Turbinendichtungsarten·
In der Figur 1 deutet die Bezugsziffer 2 eine Turbine im allgemeinen
an. Alle in den Figuren gezeigten Teile der Turbine können mit denjenigen aus den üblichen und bekannten Gasturbinentriebwerken
übereinstimmen·
Die Turbine hat eine drehbare Scheibe 4, die Wellen Und die Lager
sind nicht gezeigt· Die üblichen Turbinenschaufeln 6 sind radial
am ä*usseren Umfang der Scheibe 4 angebracht (Figuren 1 und 2).
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Das Triebwerk hat ein vorderes Gehä'use 8, ein inneres Gehä'use
und ein hinteres Gehäuse 12« Das ä*ussere Gehä'use 8 hat einen nach
aussen gerichteten Plansch- 9, das innere Gehä'use 10 hat einen
nach aussen gerichteten Flansch 11 und das hintere Gehä'use 12
hat einen nach aussen gerichteten Flansch 13» Die Flansche der Turbinengehä'use sind durch Schrauben 14 miteinander verbunden·
Zwischen dem Flansch 11 und 13 befindet sich ein nach innen
gerichteter Flansch 16 der ebenfalls durch die Schrauben 14 befestigt wird. Das innere Gehä'use 10 ist gegenüber dem ä'usseren
Gehä'use 8 radial versetzt und begrenzt einen ringförmigen Kanal fü*r vom Kompressor abgezapfte Kühlluft« Die Flansche 11, 13 und
16 sind mit axial verlauf enden üf fnungen versehen, welche mit
dem ringförmigen Kanal in Verbindung stehen um ein Ktfhliuftstrom
durch die Flansche zu leiten«
Der Flansch 16 trägt die Leitschaufeln 18, welche die Gase unter einem bestimmten Winkel auf die Schaufeln 6 leiten« Ein nach
•innen gerichteter Flansch 20 des hinteren Gehäuses 12 ist axial
gegenüber dem «ach innen gerichteten Ende des Flansches 13 versetzt
und trügt zusammen mit demselben den Ring 22· Der Hing 22
schliesst gegenüber dem hinteren Gehä'use 12 eine Kammer ab, ist
jedoch mit Üf£nungen versehen, welche eine Kuliiluftströmung
durch den Ring und radial nach innen gewährleisten. Der Flansch
20 trägt ebenfällsden Leitschaufelbefestigungsring 24, mit den
Leitschaufeln 26#
Zwischen dem Flansch 26 und dem Leit schauf elbefest igung s flansch ,
24 ist ein kreisfo*rmiger Verschleisgbandhalter 32 angeordnet. ,
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' -5 - ■-_..;■ 1iB0ta76
. * Die innere kreisförmige Fläche, weiche rait dem ersten Gas in
Verbindung steht, hat eine Anzahl von sich teilweise durch diese
Flä'che erstreckenden axialen Nuten, um eine Vergrtfsserung des
. Umfanges infolge therniiseher Ausdehnung zu ermöglichen· In der
in Figur 1 gezeigten AtisfüTirungsfprm der Erfindung hat der Verschleissbandhalter
32 axial gerichtete Vorspränge 30, weiche in am inneren Ende des Flansches 26 ausgearbeiteten radialen
Cffnungen 20 verschiebbar sind. Es ist lter, dass an jeder Seite
des Verschleissgandhalters ähnliche axial gerichtete Vorspränge
angebracht sein kc*nnen, welche sich in radiale 0"ffnungen in dem-Leitschaufelbefestigungsflansch
erstrecken. Die radialen Cffnungen 28 sind derart angebracht, dass die Vorspränge und demnach der
Verschleissbandhalter konzentrisch zu der Triebwerksmittellinie
verlä*uft. Infolge der Belastung durch den Gasstrom stfftzt sich
die radiale stromabwa*rts gerichtete Flä'che 33 des Verschleissbandhalters
verschiebbar auf dem Leitschaufelbefestigungsflansch ab wodurch eine Dichtung gebildet wird. Zwischen dem Flansch 16
und der stromaufwärts gerichteten Fläche 35 des Verschleissbandhalters
32 ist eine übliche Kolbenringdichtung 25 gleitbar angeordnet; Da der Druck auf der inneren Seite des Kolbenringes grosser ist als der Druck des Gasstromes verhindert die Kolbenringdichtung
jedes Lecken von Kühlluft zwischen dem Flansch 16 und
der radialen Fläfche 35.
Ein kreisförmiges, mit Nuten versehenes/ oder ein aus einzelnen
Segmenten bestehende& Verschleissband 34 befindet sich zwischen
den inneren radialen Flächen 37 des Verschleißsbandhalters 32
und wird durch dieselben radial gehalten. Die Nuten oder die *
Abstä'nde zwischen den Segmenten ermöglichen eine Vergrösserung
des Umfanges infolge thermischer Ausdehnung (siehe Figur 3)· Das
kreisförmige Verschleissband bildet eine Kammer zwischen dem
Verschleissband 34 und der axial gerichteten inneren Plä*che 40
des Verschleissbandhalters 32. Eine axiale und kreisförmige erste
Platte 36 steht unter radialem Abstand zu der inneren Plä*che
und wird durch die Flächen 37 zur Bildung eines KÜTilluftkanals
43 zwischen der ersten Platte 36 und der inneren Flä*che 40 des
W Verschleissbandhalters 32 radial gehalten. Der radiale Abstand
zwischen der ersten Platte und der inneren Flä*che 40 ist ausschlaggebend
da er den Wä*rmei3bergangskoeffizient bestimmt und dem-,
nach die Temperatur bei Reisebedingungen und die thermische Ausdehnungsgeschwindigkeit
des Verschleissbandhalters 32 steuert. Die vorliegende AusfüTirungsform besitzt eine zweite axiale und
kreisförmige Platte 38, welche gegenüber der cTusseren axial
gerichteten Flache 42 des Verschleissbandhalters 32 radial in
Abstand steht und einen KüTilluftkanal 39 bildet. Es wird hierbei
daraufhingewiesen dass der radiale Abstand einer Platte genügt
um den gewünschten Wä*rmeü*bergangskoeffizienten zu erhalten, um
den Verschleissbandhalter auf der gewünschten Temperatur bei
Reisebedingungen und der gewünschten thermischen Ausdehnungsgeschwindigkeit
zu halten. Der Verschleissbandhalter, das Verschleiß*
band und die erste Platte sind durch einen Stift 44 miteinander verbunden, um ein thermisches Ausdehnen und Schrumpfen der gesamten
Anordnung als Einzelteil zu versichern.
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-7 '■-■■■ 1SOI676
Figur 2 zeigt eine zweite Ausf üTirungsf orm der Erfindung und in .
dieser Figur bezieht sich die Bezugsnummer 12 auf eine Turbine
im allgemeinen in welcher die verschiedenen Teile denjenigen aus
den ü*blichen bekannten Gasturbinentriebwerken entsprechen können.
Die Turbine hat eine drehbare Scheibe 104, die Wellen und die
lager sind nicht gezeigt« Die üblichen Turbinenschaufeln 106 erstrecken
sich radial vom iusseren Umfang der Scheibe 104. Zn der
Anordnung nach Figur 2 hat das triebwerk ein vorderes Gehäuse 108
und ein hinterös Gehä*use 110>. welche an nach aussen gerichteten
Flanschen 109 und 111 durch Schrauben 114 miteinander verbunden
sind« Das Gehäuse 108 tritgt einen nach innen gerichteten Flansch
112, welcher iftit Üittel versehen ist», um einen K^illuftstrom durch
den Flansch zu leiten. Ein zweiter nach innen gerichteter und axial im Ä0tand zum Flansch 112 stehender Flansch 116 wird
ebenfalls vom Gehäuse 108 gefcritgen» Die Schaufel 118 wird durch
die Flansche 112 und 116 geträgeoünd leitet die Gase unter einem
bestimmten Winkel auf die Turbinenschaufel 106*
Bin naöh innen cferichteteir Flansch 120 wird vom hinteren Gehäuse
IiO getragen* £sr Flansch 12Ο trä*gt den Leitschaufelbefestigungsring
124 mit den darauf befestigten lie it schaufeln 122. Zwischen
dem Fialtisch 112 und dem Iieitschaufelbefestigungsring 124 befindet
sich ein kreisförmiger Verschleissbandhalter 126· Die innere
kreisförmige Flä*che 127 welche mit den heissen Gasen in Verbindung stehtj hat eine Anzahl von axial gerichteten und teilweise
durch die -Fläche verlauf enden Muten um eine Veirgrosserung des
XJmfanges infolge thermischer^ Ausdehnung zu ermöglichen. Der
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Verschleissbandhalter 126 hat axial gerichtete Vorsprung© 128 welche
in an dem inneren Ende des Flansches 112 ausgearbeiteten radialen Cffnungen 130 gleitbar gelagert sind· Wie in der Ausföhrungsform
nach Figur 1 sind diese CTffnungen so angeordnet dass
der Verschleissbandhalter konzentrisch gegenüber der Triebwerksmittellinie
gehalten wird.
* Ein mit Nuten versehenes oder aus Segmenten bestehendes kreisförmiges
Versohleissba nd 136 ist zwischen der inneren axialen
Fläfche 132 und der a*usseren axialen Fläche 134 des Verschleissbandhalters
126 angeordnet, die Nuten oder der Abstand zwischen
den einzelnen Segmenten ermöglicht eine Vergrößerung des Umfangel
infolge thermischer Ausdehnung. Ein Dichtungsring 140 ist zwischen
der äfasseren radialen Flä*ehe 138 des Verschleissbandhalters 136
und dem Leitschaufelbefestigungsring 124 angeordnet und stützt
sich auf dieselben ab.
Das kreisförmige Verschleissband 136 bildet eine ringförmige
Kammer zwischen der axial inneren Flasche 142 des Verschleissbandhalters
126 und der axialen Fliehe 144 des Verschleissbandes 136*
Diese Kammer wird durch eine axiale und kreisförmige erste Platte 146 in zwei Kammern aufgeteilt, die Kammer zwischen der axial
inneren Fläche 142 und der Platte 1st ein Kühl luftkanal 148, die
Kammer zwischen der Platte und der axialen Fiä*che 144 ist eine
abgeschlossene Luftkammer 148. Die Ausführungsform nach Figur 2
besitzt eine zweite axiale und kreisförmige Platte 150 aber wie
schon vorher erwÜhnt, genügt eine einzige Platte, da der Wärmeübergang skoeffIzlent durch den radialen Abstand zwischen der '
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- 9- : WuIBlB
• ersten Platte 146 und der inneren Flltche 142 erreicht werden
: kann· ■■".._ .. ,.-...- "".'■ - ----- '.'-■'■ -, - :: .'" >
-
Ein üblicher Kolbenring 152 ist gleitbar zwischen dem Flansch 112 "
und der radialen Flache 154angeordnet und verhindert eine Gas-Strömung
zwischen diesen Teilen, Per Verschieissbandhalter 126,
das Verschleissband 136 und die erste Platte 146 sind durch einen Stift 156 miteinander verbunden, um eine wirkung der gesamten Anordnung als einzelnes Bauteil zu versichern»
Die Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 arbeiten in
iicher Weisee Vom Kompressor abgezapfte Kühlluft wird zu den
Kühlluftkana*len geleitet, d.h. zu den Abständen zwischen den
Platten und dem Verschleissbandhalter, Die Temperatur des Verschleissbandhalters
bei Reisebedingungen und Übergangsbedingungen und demnach der Radius der Turbinengehärusedichtung wird durch
den Wärmeübergangskoeffizient bestimmt, welcher wie schon vorher
angedeutet wurde, durch den radialen Abstand zwischen den Plätten
und dem Verschleissbandhalter festgelegt ist. Deshalb ist es möglich/das
Spitzenspiel der Schaufeln während Obergangs- und Reisebedingungen durch eine genaue Wahl des Wärmeübergangskoeffizienten
ätusserst klein zu halten.
Figur 4 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Ausdehnung
der Turbinenschaufeln und der Scheiben sowie das Verhalten der
Turbinengehä*usedichtungö
In der Figur 4 wird die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung mit der üblichen Reibungsbandanordhung für ein bestimmtes
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Gasturbinentriebwerk verglichen. Aus dieser Figur ist ersichtlich dass für ein übliches Reibungsband in diesem speziellen
Triebwerk ein minimales Spitzenspiel ungefähr 30 Sekunden nach dem Beginn der Verringerung von Meeresspiegelstartleistung zur
Leerlaufreiseleistung auftritt. Demnach sind die Spitzenspiele
bei Reiseleistung und bei Meeresspiegelstartleistung in der GrUssenordnung
vom 2,1844 mm resp. 2,54 mm (in radialer Richtung gemessen)
. Dies ergibt eine bedeutende Verschlechterung des Turbinenwirkungsgrades.
Wenn man die hierin beschriebene Verschleissbandanordnung
verwendet« kann das Spitzenspiel bei Reisebedingungen bis auf 0,508 mm verringert werden, da sie bei geringeren
Temperaturen arbeitet und den Turbinenrotor eng umgibt. Hierdurch
wird eine Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades bis zu 2,2% hervorgerufen.
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Claims (1)
- g ATENT A NSP R TJ ECHE*I* TürTainenschattfeldichtungsahordnung die die Blattspitzen des Turbinenrotors unter radialem Abstand umgibt» dadurch gekennzeichnet dass ein im wesentlichen kreisförmiger Verschleissbandhalter eine Anzahl von Luf tkanCLen besitzt und mit Einstell- »ittel versehen ist« welche in in einem vom TurbinengehSuse sich nach innen erstreckenden Flansch ausgearbeiteten radialen CTffnung, gl#iteisd Äncfeördnet sind um den Verschleissbandhalter konzentrisch eu der Turbinenachse zu halten und um eine radiale Bewegung des Veiechieieabandhalters in dem Turbinengehäuse zu ermöglichen, dass eiia ^kreisförmiges Verschleissband mit der inneren· Flä*che des Verschleiesbandhalterst unter Abstand verbunden ist und eine ring-i fitemige Kammer begrenzt« dass ein Kanal welcher mit den Kanälen dee V^echleigisbandhalters in Verbindung steht durch eine erste V sich axi&l durch die ringförmige Kammer erstreckende und kreis- ; förmige Platte gebildet wird und dass der Verschleissbandhalter, dftä ViiEöchleiesbanä tind die erste Platte durch einen Stift mitein-T ander verbvmden sind, um zu versichern dass dieselben sich radial als Blnfceiteil bewegen.2# TurbinenschaufeldichtungBanordnung nach Anspruch 1dadurch gekennzeichnet dass eine zweite Platte den ä*usseren Durchmesser des Verschleissbandhalters axial und kreisförmig umgibt , so dass ein Kanal gebildet wird, der mit den Kanälen in dem Verschleissbandhalter in Verbindung steht.ORIGINAL 009832/05193. Turbinenschaufe!dichtungsanordnung nach den Ansprüchen 1-2 dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleissbandhalter eine Anzahl axiale und teilweise durch den Verschleissbandhalter verlaufende Nuten besitzt, und dass das Verschleissband eine Anzahl axiale Nuten hat, um eine thermische Ausdehnung des Verschleissbandes zu ermöglichen.4. Turbinenschaufeldichtungsanordnung nach den Ansprüchen 1-2 dadurch gekennzeichnet dass das Verschleissband
aus einer Anzahl Segmenten besteht um eine thermische Ausdehnung des Verschleissbandes zu ermöglichen.5. Turbinenschaufeldichtungsanordnung nach Anspruch dadurch gekennzeichnet das? die Gro*sse des Kanals zwischen der ersten Platte und dem Verschleissbandhalter die Temperatur des Verschleissbandhalters beeinflusst so dass die thermische Ausdehnung sgeschwindigkeit der als Einzelteil wirkenden Anordnung sich der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Rotors anpasst·6. Turbinenschaufeldichtungsanordnung nach Anspruch dadurch gekennzeichnet dass die Grosse des Kanals zwischen der zweiten Platte und dem Verschleissbandhalter die Temperatur des Verschleissbandhalters beeinflusst so dass die thermische Ausdehnungsgeschwindigkeit der als Einzelteil wirkenden Anordnung sich der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Rotors anpasst·7· Turbinenschaufe!dichtungsanordnung nach den Ansprächen 1-6 dadurch gekennzeichnet dass Dichtungsmittel vorgesehen sind, um die Lecko*ffnungen zwischen dem Verschleissbandhalter und dem nach innen gerichteten Flansch abzudichten.00 9832/05 198. · Turbinenschaufeldichtungsanordnung nach den Ansprachen 1—7 dadurch gekennzeichnet dass die erste Platte den ringförmigen Raum zwischen dem Verschlexssbandhalter und dem Verschieissband, in zwei ringförmige Kammern aufteilt, dass die Kammer zwischen der ersten Platte und dem Verschlexssbandhalter ein mit den änderen Strömung skanä'len des Verschleissbandhälters in Verbindung stehender Kanal bildet, und dass die Kammer zwischen der ersten Platte und dem Verschleissband eine geschlossene Luftkammer ist, welche eine thermische Abdichtung bildet und dazu beiträ*gt# dass der Verschleissbandhalter auf einer Temperatur * kleiner als diejenige des Verschleissbandes gehalten wird.009832/05 19Le e rs e ite
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