DE1601676A1

DE1601676A1 - Optimal ansprechende Turbinenblattspitzendichtung

Info

Publication number: DE1601676A1
Application number: DE19671601676
Authority: DE
Inventors: Albert Kenneth John; Young Harry John
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-11-02
Filing date: 1967-10-10
Publication date: 1970-08-06
Also published as: FR1604778A; GB1199974A; US3391904A

Description

Dr-In

DIpUn

Patentanwalt·

5 Köln-Lindenthal 1 160 1676

Ünivtrsitättttraße,31' Vf

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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. * 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 G_asstromes 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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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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• 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 Weise_e 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*usedichtung_ö

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

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 1

dadurch 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.

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3. 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.

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8. · 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.

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