DE1928182A1

DE1928182A1 - Waermebewegliche Stufenabdichtung,vorzugsweise fuer Gasturbinen der Axialbauart

Info

Publication number: DE1928182A1
Application number: DE19691928182
Authority: DE
Inventors: Mierley Jun George M
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1968-06-26
Filing date: 1969-06-03
Publication date: 1970-01-08
Also published as: US3552753A; SE349354B; CH499011A; NL6909199A; FR2014267A1; GB1233644A

Description

Wärmebewegliche Stufenabdichtung, vorzugsweise für Grasturbinen der Axialbauart

(Die Priorität der USA-Stammanmeldung Serial No. 740,219 vom 26.6, 1968 wird beansprucht)

Die Erfindung bezieht sich auf eine wärmebewegliche Stufenabdichtung, vorzugsweise für Gasturbinen der Axialbauart, zur Abdichtung der auf einem höheren Druck des Arbeitsmediums liegenden Seite eines Ringkanals gegenüber der auf niederem Druck liegenden Seite.

Bei Ga, turbinen der Axialbauart wird im Eintrittsbereich des Arbeitsmediums in den ersten Leitschaufelkranz im allgemeinen eine feststehende Ringdichtung vorgesehen, welche mit dem inneren Umfang des Leitschaufelkranzes zusammen-arbeitet, damit die Leckwege des Arbeitsmediums am ersten Leitschaufelkranz vorbei möglichst kleingehalten werden. Bekannte Ringdichtungen weisen hierzu lediglich einfache, d. h. axial geteilte Segmentringe auf. Nun kommt es vielfach vor, insb. bei Gasturbinen der Axialbauart, welche mehrere um den Rotorumfang verteilte Brennkammern aufweisen, welche in den Strömungskanal münden, oder auch bei Gasturbinen der Axialbauart allgemein, daß ungleiche Wärmedehnungen des Leitschaufelkranzes in radialer Richtung auftreten können. Diese haben ihre Ursache in sogenannten Heißstellen oder Heißzonen in bestimmten Umfangsbereichen des Leitschaufelkranzes. In diesem Falle können die bekannten Ringdichtungen im Bereich der ersten Stufe keine zuverlässige Abdichtung mehr gewährleisten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wärmebewegliche Stufenabdichtung zu schaffen, welche demgegenüber auch bei radial ungleichen Wärmedehnungen, insb. des Leitschaufelkranzes der ersten, vom Arbeitsmedium der höchsten Temperatur beaufschlagten Stufe einer axialen Gasturbine, in jedem Falle eine gute Abdichtung gewährleistet. ·

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer wärmebeweglichen Stufenabdichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein ringförmiges Dichtungsgehäuse vorgesehen ist, welches einen in einer Radialrichtung offenen Ringkanal begrenzt, daß in dem Ringkanal mindestens zwei Rücken an Rücken liegende und in Segmente unterteilte Dichtungsringe angeordnet sind, wobei die Stoßfugen des einen Dichtungsringes gegen die Stoßfugen des anderen Dichtungsringes in Umfangsrichtung versetzt sind, und daß die Dichtungsringe unabhängig voneinander radial-beweglich gelagert sind und von federelastischen Mitteln radial gegen die an ihrem freien Umfang angeordneten Dichtungsgegenflächen gedruckt sind. Diese Stufenabdichtung ist sinngemäß in allen jenen Fällen von Nutzen, wo über den Umfang einer Ringdichtung gesehen in radialer. Richtung ungleiche Wärmedehnungen der Dichtungsgegenflächen auftreten Mit besonderem Vorteil ist dies jedoch für den ersten Leitschaufelkranz einer Gasturbine der Axialbauart verwendbar, welche aus mehreren in Umfangsrichtung aneinandergereihten, unabhängig radial-wärmebeweglich gelagerten Kranzausschnitten besteht, jeweils umfassend ein äußeres, am Leitschaufelträger gelagertes Bogenstück und ein inneres mit den Dichtungsringen in Eingriff stehendes Bogenstück, wobei die Schaufelblätter zwischen dem inneren und äußeren Bogenstück gehalten sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die federelastischen Mittel aus in Umfangsrichtung gewellten Blatt federn, welche mit Wellenbauchteilen an den jeweiligen Segmenten der Dichtungsringe angreifen und mit ihren Wellentälern am Boden des Ringkanals im Fugenbereich der Dichtungssegmente anliegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert, in welcher zeigen:

Fig. 1 im Aufriß zum Teil im Axialschnitt die obere Hälfte einer Gasturbine der Axialbauart,, welche mit der wärme bewegliche η Stufenabdichtung gemäß der Erfindung ausgestattet ist, wobei nur die erste Stufe mit Einströmpartie dargestellt ist;

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Pig. 2 in vergrößerter Darstellung, teilweise im Schnitt, die Ringdichtungsanordnung in einem Schnitt längs der Linie II-II aus Fig. 1;

Fig. 3 vergrößert im Detail einen Schnitt längs der Linie III-III aus Fig. 2;

Fig. 4 in schaubildlicher Darstellung, teilweise im Schnitt, einen Ausschnitt der Stufenabdichtung und zugehörigen Leitschaufelkranz teile.

In Fig. 1 ist eine Gasturbine der Axialbauart 10 dargestellt mit einem im wesentlichen zylindrischen Außengehäuse 11, welches eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Einlaßrohren 12 umgibt, welch letztere das heiße Treibgas von mehreren, entsprechend in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Brennkammern 13 in den die Beschaufelung enthaltenden Ringkanal leiten. Die Einlaßrohre 12 haben Mündungen 14, welche axial im Abstand von einem Leitschaufelkranz 15 angeordnet sind, dessen Schaufeln gruppenweise zwischen äußeren Bogenstücken 16 und inneren Bogenstücken 17 als Kreisringausschnitte, die in Umfangsrichtung aneinandergereiht sind, befestigt sind. Die äußeren Bogenstiicke 16 sind in einem Leitschaufeltragerring 18 radial verschieblich in einer entsprechenden Ringnut gelagert, wobei der Leitschaufeltragerring 18 innerhalb des Gehäuses 11 angeordnet ist. Die Brenn kämmern 13 sind in ihrem Brennkammergehäuse 19 gelagert, welches an das Gehäuse" 11 angeflanscht ist.

Gefälleabwärts des Leitschaufelkranzes 15 ist der Laufschaufelkranz 21 angeordnet, wobei dessen Laufschaufeln auf geeignete Weise am äußeren Umfang der Rotorscheibe 22 befestigt sind. Die Rotorscheibe 22 sitzt auf der Welle 23. Die dargestellte Turbine kann noch eine oder mehrere weitere Stufen aus Leit- und Laufschaufelkränzen aufweisen (nicht dargestellt). Die Einlaßrohre 12 leiten durch konusförmige Kanäle 24 das heiße Treibmittel aus den Brennkammern 13 zu den Schaufeln 15 und 21.

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Unter Druck stehendes Kühlgas kann, falls gewünscht, in die Einlaßkanäle 24 durch eine Vielzahl von auf dem Umfang eines Kreises, verteilt angeordneten Kühlluftdlisen eingeblasen werden, welch letztere an eine Kühlluftkammer 26 angeschlossen sind, welche das Kühlgas z. B. von einem nicht dargestellten Kompressor erhält. Das unter Druck stehende Kühlgas wird der Kühlgaskammer 26 durch einen Axialkanal 27 zugeführt, welcher zwischen einer Ringwand 28 eines zylindrisch geformten, von der Welle 23 durchdrungenen . Gehäuses und einer axial sich erstreckenden Wand 29· der Kühlgaskammer 26 angeordnet ist.

ITm nun die Treibmittelverluste am Umfang des Leitschaufelkranzes bzw. der'Leitschaufeln 15 möglichst gering zu halten, ist eine feststehende Dichtungsanordnung 31 vorgesehen, welche mit den . innere Bogenstücken 17 des Leitschaufelkranzes 15 zusammen-arbeitet. Wie es die Pig. 1 bis 3 zeigen, besteht die feststehende Dichtungsanordnung 31 aus einem ringförmigen Dichtungsgehäuse 33, welches einen in einer Radialrichtung offenen Ringkanal begrenzt und am inneren Umfang der inneren Bogenstücke 17 von einer Kreisringscheibe 34 getragen wird, welche einen relativ starken Innenflansch 35 aufweist, der an dem Flansch 36 des zylindrischen Gehäuses 28 mittels Bolzen 37 angeflanscht ist. Der äußere Rand der Scheibe 34 ist zwischen einer Ringschulter 38 des Dichtungsgehäuses 33 und einer Ringwand 39 der Kühlgaskammer 26 mittels Bolzen 41 befestigt. Auf diese Weise bildet die Kreisringscheibe 34 einen Teil der Wandbegrenzungen der Ktthlgaskammer 26.

Die Dichtungsanordnung 31 umfaßt mindestens zwei Rücken an Rükken liegende und in Segmente unterteilte Dichtungsringe 42 und 43, welche in dem Ringkanal des Dichtungsgehäuses 33 gelagertsind. Die Dichtungsringe 42, 43 sind jeweils bzw. unabhängig voneinander, von Blattfedern 44 radial auswärts gedrückt, wobei die Blattfedern, in einem Hohlraum 45 gelagert sind, der von dem Bo-, den 46 ,und den Seitenwänden 53 und 55 des Ringkanals des Dich- , tungsgehäuses 33 begrenzt wird. Wie es Fig. 2 und 4 zeigen, können die Federelemente 44 am Boden 46 des Dichtungsgehäusea 33 durch ,Stifte 47 befestigt sein. Die unterteilten Dichtungsringe ..

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42 und 43 werden auf diese Weise mit den Diehtungsgegenflächen der inneren Bogenstücke 17 in Eingriff gebracht.

Wie es insb. Fig. 4 jseigt, sind die federbelasteten, unterteilten Dichtungsringe 42 und 43 so angeordnet, daß Spalte bzw. Fugen 48 zwischen den Segmenten des gefälleoberseitig gelegenen Dichtungsringes 42 in Umfangsriehtung versetzt angeordnet sind gegenüber den Fugen 49 zwischen den Segmenten des gefälleunterseitig angeordneten Dichtungsringes 43. Weiterhin sind die Segmente des Dichtungsringes 43 in Ümfangsrichtung so angeordnet, daß sie radial in Flucht liegen mit den Fugen 51 zwischen den inneren Bogenstücken 17 des. Leitschaufelkranzes. Auf diese Weise können ungleiche "Wärmedehnungen der Leitschaufelkranzausschnit te in radialer Richtung, d.h. zwischen zwei benachbarten Kranzaussch jitten, bedingt durch unterschiedliche Schaufelradialdehnung, den gefälleunterseitig gelegenen Dichtungsring 43 nicht von seinen Dichtungsgegenflächen abheben. Lediglich die Segmente des gefälleoberseitig gelegenen Dichtungsringes 42 werden eingedrückt durch die Bewegung des zugehörigen inneren BogenStückes in radialer Richtung. .

Wie es insb. Fig. 3 zeigt* ist eine in radialer Richtung begrenzte Wärmebewegung der gefälleoberseitig gelegenen Dichtungsring-Segmente 42 durch axial verlaufende Gleitbolzen 52 ermöglicht, welche durch die Ringwand 53 des Dichtungsgehäuses 33 in ein Langloch 54 in den jeweiligen Segmenten des Dichtungsringes 52 ragen. Das Langloch 54 ist auch aus Fig. 4 erkennbar. In entsprechender Weise ist eine begrenzte, gleitend geführte Radialbewegung der Segmente des auf der Gefälleunterseite liegenden Dichtungsringes 43 durch nicht dargestellte Gleitbolzen ermöglicht, welche entsprechend zu dem Gleitbolzen 52 ausgebildet sind und durch die Ringwände 55 des Dichtungsgehäuses 33 in entsprechende Langlöcher an den Flanken der Segmente des Dichtungsringes 43 ragen. Die Radialbewegung der Diehtungsringsegmente 42 ist damit unabhängig von derjenigen der Diehtungsringsegmente 43»

Wie bereits erwähnt, kommt das Vorwandern""der inneren Bogenstük-

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ke 17 durch ungleiche Wärmedehnungen der Schaufeln 15 zustande, und diese wiederum sind bedingt durch Heißstellen innerhalb des Leitschaufelkranzes, z. B. hervorgerufen durch ungleiche Heizung der Brennkammern 13· Die Leckmengen des Arbeitsmediums, weiche den Dichtungsring 42 aufgrund des Vorwanderns bestimmter Bogeristücke 17 passieren, können nur in den Hohlraum 45 unterhalb der Dichtungsringe 42 und 43 gelangen. Eine Leckströmung des Arbeitsmittels von dem Hohlraum 45 über die Fuge 49 zum gefälleunterseitig gelegenen Dichtungsring 43 wird verhindert durch Dichtungsleisten 56, welche die Spalte bzw. Fugen zwischen den aneinanderstoßenden Segmenten des Dichtungsringes 43 überbrücken und in entsprechenden, gegenüberliegenden Nuten 57 gelagert sind. Die Dichtungsleisten 56 sind vorzugsweise als Knorpelleisten aus gebildet mit abgerundeten Enden 58, um ein Gegeneinanderbewegen benachbarter Segmente 43 zu ermöglichen. Auf diese Weise ist der Abdichtgrad der Dichtungsanordnung 31 im Vergleich zu bisherigen feststehenden Ringdichtungsanordnungen erheblich verbessert.

Die erfindungsgemäße Stufenabdichtung ist sinngemäß nicht nur für die erste Stufe sondern auch für weitere Stufen von Gasturbinen der Axialbauart anwendbar, ebenso wie sie nicht auf Gasturbinen beschränkt ist, sondern überall dort mit Vorteil angewendet werden kann, wo Leckströmungen zwischen den ringförmigen Dichtflächen und Gegenflächen zwischen zwei auf verschieden hohem Druck liegenden Räumen verhindert oder kleingehalten werden sollen.

8 Ansprüche
4 Figuren

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Claims

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/ 1. yiarmebewegliche Stufenabdichtung, vorzugsweise für Gastur- ^—^binen der Axialbauart, zur Abdichtung der auf einem höheren Druck des Arbeitsmediums liegenden Seite eines Ringkanals gegenüber der auf niederemDruck liegenden -vSeit"e-_r- dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges Dichtungsgehäuse vorgesehen ist, welches einen in einer Radialrichtung offenen Ring kanal begrenzt, daß in dem Ringkanal mindestens zwei Rücken an Rücken liegende und in Segmente unterteilte Dichtungsringe angeordnet sind, wobei die Stoßfugen des einen Dichtungsringes gegen die Stoßfugen des anderen Dichtungsringes in Umfangsrichtung versetzt sind, und daß die Dichtungsringe unabhängig voneinander radial-beweglich gelagert sind und von federeleetischen Mitteln radial gegen die an. ihrem freien Um ang angeordneten Dichtungsgegenflächen gedrückt sind.
2. Stufenabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie für den ersten Leitschaufelkranz einer Gasturbine der Axialbauart verwendet ist, welcher aus mehreren in Umfangsrichtung aneinander-gereihten voneinander unabhängig radial-wärmebeweglich gelagerten Kranzausschnitten besteht, jeweils umfassend ein äußeres, am Leitschaufelträger gelagertes Bogenstück und ein inneres mit den Dichtungsringen in Eingriff stehendes !Bogenstück, wobei die Schaufelblätter zwischen dem inneren und äußeren Bogenstück gehalten sind.
3. Stufenabdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die federelastischen Mittel aus in Umfangsrichtung gewellten Blattfedern bestehen, welche mit Wellenbauchteilen an den ,leweiligen Segmenten der Dichtungsringe angreifen und mit ihren Wellentälern am Boden des Ringkanals im Pugenbereich der Dichtungssegmente anliegen.
4. Stufenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente der Dichtungsringe mit radial orientierten, die Gleitbewegung in radialer Richtung

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begrenzenden Langlöchern an Grleitbolzen der gleitend geführt sind, wobei die Gleitbolzen etwa mittig zum jeweiligen Dichtungssegment und im Bereich der Stoßfugen zwischen den Segmenten des anderen, benachbarten Dichtungs-? ringes angeordnet sind.
5. Stufenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fugen zwischen aneinander-stoßenden Segmenten zumindest des einen Dichtungsringes in radialer Richtung durch Dichtungsleisten abgedichtet sind, welche in ümfangsrichtung verlaufend, zwischen den Segmenten eingespannt sind.
6. Stufenabdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß di^f· Fugen durch Knorpelleisten abgedichtet sind, welche mit ba.ligen Enden in gegenüberliegenden Nuten der aneinander stoßenden Segmente gelagert sind.
7. Stufenabdichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsleisten die Spalte zwischen ge-fälleunterseitig gelegenen S.egmenten überbrücken.
8. Stufenabdichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fugen zwischen den gefälleunterseitig gelegenen Segmenten der Dichtungsringe radial fluchten mit den Fugen zwischen den aneinander-stoßenden inneren Bogenstücken des Leitschaufelkranzes, derart, daß bei radial einwärts gerichteter Wärmebewegung eines Kranzausschnittes und Mitnahme eines gefalleoberseitig gelegenen pichtungsring-Segmentes das gefälleunterseitig gelegene Dichtungsringsegment des benachbarten Kranzausschnittes nicht mitgenommen wird.

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