DE1942346A1 - Vorrichtung zur Abdichtung des Rotors gegenueber dem Stator bei einer zu einem Gasturbinentriebwerk gehoerigen Turbine - Google Patents

Vorrichtung zur Abdichtung des Rotors gegenueber dem Stator bei einer zu einem Gasturbinentriebwerk gehoerigen Turbine

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    • F01D11/00Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
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Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
München, den 14. August I969
Vorrichtung zur Abdichtung des Rotors gegenüber dem Stator bei einer zu einem
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abdichtung des Rotors gegenüber dem Stator bei einer zu einem Gasturbinentriebwerk gehörigen Turbine^ insbesondere in einem Bereich zwischen den der Brennkammer des Gasturbinentriebwerkes nachgeschalteten Turbineneintrittsleitschaufeln und dem Turbinenlaufrad, wozu eine mit Dichtelementen dieses Turbinenlaufrades korrespondierende, ringförmige Scheibe an der Vorderseite des Laufrades zwei oder mehrere mit einem gemeinsamen Luftzuführungskanal in Verbindung stehende Kammern bildet, von denen mindestens eine dazu vorgesehen ist, eine Kühlluftbeaufschlagung der Laufschaufeln des Turbinenlaufrades herbeizuführen.
Bei neuzeitlichen Gasturbinentriebwerken werden in Interesse einer hohen Triebwerksleistung die Turbineneintrittsleitschaufeln oder die Laufschaufeln sowie die zugehörigen Turbinenscheiben zur Kühlung mittels vom Verdichter des Gasturbinentriebwerkes abgezapfter Luft durchströmt bzw. umspült.
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Ein Problem liegt bei in der geschilderten Weise zu kühlenden Elementen der Gasturbinentriebwerke nach wie vor darin, den vom Kühlmittel umströmten bzw. durchströmten Turbinenrotor (Turbinenscheibe, Schaufeln, Turbinenwelle) gegenüber dem Stator hier also dem mit den Turbineneintrittsleitschaufeln bestückten, vom Heißgas durchströmten, festen Abschnitt der Turbine einwandfrei abzudichten.
Eine Leckage der vom Verdichter abgezapften Kühlluft zur heißgasseitigen Strömung hin ist nicht erwünscht, da man im Interesse geringer Leistungsverluste im Gasturbinenbau das Bestreben hat, eine möglichst geringe Luftmenge zum Zwecke der Kühlung vom Verdichter abzuzapfen, wobei eine optimale Ausnutzung dieser vorhandenen Kühlluftmenge gewährleistet sein soll.
Aber auch eine Leckage des Heißgases kann eine Leistungsverminderung des Triebwerkes einerseits sowie eine frühzeitige Zerstörung von Bauteilen der Turbine andererseits herbeiführen, infolge einer nicht für hohe Temperaturen ausgelegten Materialbeschaffenheit.
Von einer Lösung nach der eingangs genannten Gattung ausgehend ist es bereits bekannt, zur Verminderung der Leckage der von Verdichter abgezapften Kühlluft sowie des Heißgases eine ringförmige Scheibe im Bereich zwischen den der Brennkammer nachgeschalteten Turbineneintrittsleitsohaufein und dem Turbinenlaufrad anzuordnen. Die ringförmige Scheibe
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ORIGINAL INSPECTED
bildet vor dem Turbinenlaufrad Kammern, welche über öffnungen vom Sekundärluftstrom einer Ringbrennkammer oder über gesonderte, in sich geschlossene Rohrleitungen mittels vom Verdichter abgezapfter Luft beaufschlagbar sind. Eine dieser Kammern soll nicht nur eine Kühlung der Radscheibe des Turbinenlaufrades sondern auch die Kühlluftzufuhr zu den Laufschaufeln bewirken.
Bei dieser bereits vorgeschlagenen Lösung ist weiter die ringförmige Scheibe fest mit dem Brennkammergehäuse verbunden als Bestandteil des" zur Turbine gehörigen Stators. Diese Anordnung hat. den Nachteil, d'aß die ringförmige Scheibe einerseits, infolge der direkten Verbindung mit der Brennkammer, stark erhitzt und andererseits, infolge Umströmung und Durchspülung mittels Verdichterluft, relativ stark abgekühlt wird. Die entstehenden Temperaturdifferenzen bewirken ein nicht unbeträchtliches radiales und axiales Versetzen der ringförmigen Scheibe und somit auch der Dichtelemente zwischen dieser und dem Turbinenlaufrad. Besonders treten diese durch Temperaturdifferenzen verursachten Versetzungen bei wechselnde!? Brennkammerbelastung in Erscheinung.
Bei der bekannten Anordnung kann dies somit in der Praxis zu einer ungleichförmigen Anlage sowie zu einem vorzeitigen Verschleiß der miteinander korrespondierenden Dichtungen zwischen dem Rotor und dem Stator und somit zu einer unerwünschten verdichterluft- oder heißgasseitigen Leckage führen.
Weiter hat sich bei Anordnung von Gasturbinentriebwerken für X2I1^o 10 9810/1055 - 4 -
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den Antrieb von Flugzeugen gezeigt, daß beispielsweise beim Kurvenflug des Plugzeuges u.a. die Laufräder der Turbine infolge der vorhandenen hohen Drehzahlen und der dabei entstehenden Kreiselmomente sich gegenüber der Längsachse des Gasturbinentriebwerkes leicht neigen.
Hierdurch entstehen ebenfalls unerwünschte Versetzungen des Rotors gegenüber dem Stator der Turbine und damit Versetzungen der zugehörigen, miteinander korrespondieren Dichtungen und damit zwangsläufig verbundene Vergrößerungen der Dichtspalte, was zu einer unerwünschten Leckage der zu Kühlzwecken bereitgestellten, Verdichterluft einerseits und der Heißgase andererseits führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abdichtung des Rotors gegenüber dem Stator der zu einem Gasturbinentriebwerk gehörigen Turbine zu schaffen, welche die Nachteile bisher bekannter und erwähnter Lösungen zu beseitigen sucht, d.h. also sich bei allen vorkommenden Betriebs zuständen und Anwendungsfällen des Gasturbinentriebwerkes durch eine einwandfreie Abdichtung auszeichnet und hohe Dauerbeanspruchungen ohne nennenswerten Verschleiß der Dichtelemente gewährleisten soll; weiter soll die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer geringen Anzahl zur Abdichtung erforderlicher Elemente auskommen und weiter durch ihren einfachen Aufbau einen relativ geringen Herstellungsaufwand erfordern.
Indem die Erfindung von einer Lösung nach der eingangs genann-
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ten Gattung ausgeht, schlägt sie zur Lösung der gestellten Aufgabe im wesentlichen vor, daß zur Konstanthaltung eines Dichtspaltes zwischen dem Rotor und dem Stator der Turbine eine veränderliche Druckdifferenz der Kühlluft zwischen einer an der Vorderseite des Turbinenlaufrades von der ringförmigen Scheibe gebildeten ersten und einer zweiten Kammer sowie zwischen dieser und dem für die Kühlluftbeaufschlagung beider Kammern gemeinsamen Luftzuführungskanal vorgesehen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die ringförmige Scheibe für die Kühlluftbeaufschlagung der ersten Kammer und der Turbinenlaufschaufeln sogenannte Vordralldüsen auf, welche der aus dem Luftzuführungskanal der ersten Kammer zugeführten Luft einen Drall in Drehrichtung des umlaufenden Turbinenlaufrades erteilen sollen. Die unterhalb der ersten Kammer von der ringförmigen Scheibe mit dem Laufrad gebildete zweite Kammer weist mehrere konstante Lufteintrittsöffnungen zum Luftzuführungskanal auf, so daß sich in Abhängigkeit von einem Dichtspalt awischen. der ersten und der zweiten Kammer ein entsprechend hoher Regeldruck in der zweiten Kammer einstellen kann. Hierdurch kann ein am oberen Ende der ringförmigen Scheibe zwischen dieser und dem Turbinenlaufrad befindlicher Dichtspalt zwischen der ersten Kammer,in der ein höherer Kühlluftdruck herrscht und dem Heißgaskanal, indem ein niedrigerer Druck herrscht, konstant gehalten werden.
Würde das Turbinenlaufrad aufgrund betrieblicher Einflüsse, abweichend von der Normallage, beispielsweise nach rechts
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U·8·69 10 9810/1055 ORWlNAUNePECTEC
bewegt, SQ hätte dies bei einer bekannten Lösung nach der eingangs genannten.Gattung, von der die Erfindung ausgeht, . zur Folge, daß die fest mit dem Stator der Turbine des Gasturbinentriebwerkes verbundene, ringförmige Scheibe mit ihren Dichtungen gegenüber der Bewegung des Turbinenlaufrades zurückbleiben würde mit der weiteren Folge einer vergrößerten heißgas- sowie verdichterluftseitigen Leckage.
Für diesen beispielhaften Betriebsfall würde bei der Vorrichtung nach der Erfindung durch Vergrößerung eines Spaltes zwischen der ersten und der zweiten Kammer eine Druckabsenkung in der zweiten Kammer stattfinden; eine hierdurch entstehende, nach rechts gerichtete Druckkomponente auf die ringförmige Scheibe würde letztere solange nach rechts verschieben, bis sich wieder der ursprüngliche Kühlluftdruck in der zweiten Kammer eingestellt hätte, d.h. der Spalt zwischen der ersten und der zweiten Kammer und gleichzeitig auChder Dichtspalt zwischen der ersten Kammer und dem Heißgaskanal ihre ursprüngliche Größe angenommen hätten.
Um zu erreichen, daß der Kühll.uftzuführungskanal, trotz der geschilderten Bewegungsfreiheit der ringförmigen Scheibe gegenüber dem festen Teil (Brennkammergehäuse, Leitschaufeln) des Stators, einwandfrei gegenüber den die Turbineneintritts-IeItschaufeln verlassenden Heißgasen abgedichtet ist, schlägt die Erfindung weiter vor, daß zur heißgas- bzw. kühlluftseitigen Abdichtung des Rotors gegenüber dem Stator ein elastischer Metallfaltenbalg zwischen einem stromabwärtigen Ab-
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• ORDINAL SNSPECifcD
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schnitt des Stators und der ringförmigen Scheibe sowie unterhalb eines ringförmigen Teils, der die Turbineneintrittsleit-
schaufeln trägt, angeordnet ist.
Um weiter zu erreichen, daß bei allen, durch verschiedene Betriebseinflüsse verursachten Lageveränderungen des Turbinenlaufrades der Dichtspalt konstant gehalten werden kann, also beispielsweise zur Erzielung von achssenkrechten Drehmomenten an der ringförmigen Scheibe bei einer Neigung des Turbinenlaufrades, soll in einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgegenstandes die zweite, von der ringförmigen Scheibe gebildete Kammer durch radiale Schottwände in mehrere Einzelkammern aufgeteilt sein, wobei die äußeren Kanten dieser Schottwände parallel und in geringem Abstand zu einem vorderseitigen Abschnitt des Turbinenlaufrades verlaufend angeordnet sein sollen.
Das achssenkrechte Drehmoment wird also durch einen unterschiedlichen Druck der Kühlluft^ in den einzelnen von den Schottwänden abgeteilten Einzelkammern bewirkt, wobei die Schottwände weiter einen zu raschen Druckausgleich verhindern sollen.
In einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sollen der konstant zu haltende Dichtspalt sowie die veränderlichen Spalte von koaxial zur Triebwerkslängsachse angeordneten, gegen das Turbinenlaufrad gerichteten Profilkanten der ringförmigen Scheibe gebildet werden.
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INSPECTED
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Schließlich soll die ringförmige Scheibe mittels Rippen an * festen Dornen des Stators axial verschieblich geführt sowie in ümfangsrichtung gehalten sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der Zeichnung nachfolgend erläutert, welche einen Mittellängsschnitt eines Triebwerksabschnittes veranschaulicht, enthaltend das stromabwärtige Ende einer Ringbrennkammer 1 mit einem ringförmigen Brennkammeraußengehäuse 2 und einem darin eingesetzten, ringförmigen Flammrohr 3, "
Der Stator k einer Turbine 5 wird im we sent liehen von der Heißgasaustrittsöffnung 6 der Ringbrennkammer 1 nachgeschalteten Turbineneintrittsleitschaufeln 7 gebildet, welche mittels eines Trägers 8 an einem Teil 9 des Brennkammeraußengehäuses 2 befestigt sind. Der Rotor 10 der Turbine 5 besteht im wesentlichen aus dem Turbinenlaufrad 11, welches über eine Hohlwelle 12 mit einem in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Verdichter gekoppelt ist.
Das Turbinenlaufrad 11 weist weiter einen konzentrischen Kühlluftkanal 15 auf, welcher mit Kühlluftkanälen 14' der Turbinenlaufschaufeln 14 in Verbindung stehen soll. Zwischen dem Stator 4 und dem Rotor 10 der Turbine 5 ist eine ringförmige Scheibe 15 angeordnet, welche auf der stromaufwärtigen Seite des Turbinenlaufrades 11 mit diesem eine erste Kammer und eine zweite Kammer IT bildet.
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Mit konzentrisch angeordneten Profilkanten 18, 19, 20 ist die ringförmige Scheibe 15 gegen das Turbinenlaufrad 11 gerichtet.
Es soll zwischen der Profilkante 18 und dem Turbinenlaufrad 11 ein konstant zu haltender Dichtspalt 21 gebildet werden und weiter sollen mit den Profilkanten I9 und 20 veränderliche Spalte 22, 23 gebildet werden.
Die zweite Kammer 17 ist mittels Schottwänden 24 in Einzelkammern aufgeteilt. Die äußeren Kanten 25 der Schottwände 24 verlaufen parallel zu einem vorderseitigen Abschnitt 26 des Turbinenlaufrades 11.
Über einen Kühlluftzuführungskanal 27 - zwischen der Hohlwelle 12 und dem Brennkammeraußengehäuse 2 - wird ein Ringraum 28 mittels vom Verdichter des Gasturbinentriebwerkes abgezapfter Luft beaufschlagt. Von dort gelangt die Verdichterluft in die ringförmige Scheibe 15 durchsetzende Vordralldüsen 29 mit deren Wirkung die Verdichterluft entspannt und auf Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenlaufrades 11 beschleunigt werden kann. Über die erste Kammer 16 undden Kühlluftkanal 13 können die Turbinenlaufschaufeln 14, welche mit den Kühlluftkanälen 14' ausgestattet sind, durchströmt und intensiv gekühlt werden.
Ein kleiner Teil der in dem Ringraum 28 befindlichen Verdichterluft dringt duroh konstante Öffnungen ?0 und den veränder-
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ORKaINAL INSf>EGTEC
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lichen Spalt 23 in die zweite Kammer .17. Von dort kann sie durch den veränderlichen Spalt 22 in die erste Kammer 16 entweichen. , ■
Die zweite Kammer 17 steuert durch das Durchflußverhalten an den Spalten 22, 23 und den damit veränderlichen. Innendruck in der zweiten Kammer 17 die Stellung der ringförmigen Scheibe 15 und damit die Konstanthaltung des Dichtspaltes 21.
In der ersten Kammer 16. herrscht stets ein höherer Druck der zu Kühlzwecken bereitgestellten Verdichterluft als der Druck der Heißgase im Heißgaskanal Jl und ein durch Konstanthaltung des Dichtspaltes 21 stets über diesen in Richtung der Pfeile 32 in den Heißgaskanal 31 entweichender, geringer Leckfluß der Verdichterluft verhindert eine unerwünschte Leckage des Heißgases zur ersten Kammer 16.
Wie weiter aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist die ringförmige Scheibe 15 mittels Rippen 33 an festen Dornen 34 des zum Stator 4 gehöringe Trägers 8 axial verschieblich geführt sowie, zur Vermeidung einer Rotation, in Umfangsrichtung gehalten.
Die hauptsächliche Abdichtung des Ringraumes 28 gegenüber dem Heißgaskanal 31 übernimmt ein elastischer Metallfaltenbalg; 35 zwischen dem Träger 8 und der ringförmigen Scheibe 15.
Würde beispielsweise aufgrund betrieblicher Einflüsse das
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. ORKalNÄL INSPECTED1
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Turbinenlaufrad 11 nach rechts bewegt, so hätte dies eine
Vergrößerung des Spaltes 22 und damit einer Druckabsenkung in der zweiten Kammer 17 zur Folge. Eine hierdurch entstehende, nach rechts gerichtete Drnckkomponente auf die ringförmige Scheibe 11 würde letztere solange nach rechts verschieben, bis sich der ursprüngliche Druck der Kühlluft in der zweiten Kammer 17 eingestellt hätte, d.h. der Spalt 22 zwischen der ersten Kammer 16 und der zweiten Kammer 17 und gleichzeitig auch der Dichtspalt 21 ihre ursprüngliche
Größe angenommen hätten.
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Claims (5)

sr/tr MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH München, den 14. 8. 1969
1. .Vorrichtung zur Abdichtung des Hotors gegenüber dem Stator
bei einer zu einem Gasturbinentriebwerk gehörigen Turbine, insbesondere in einem Bereich zwischen den der^Brennkammer des Gasturbinentriebwerkes nachgeschalteten Turbineneintritts· leitschaufeln und dem Turbinenlaufrad, wozu eine mit Dichtelementen dieses Turbinenlaufrades korrespondierende, ringförmige Scheibe an der Vorderseite des Laufrades zwei oder mehrere mit einem gemeinsamen Luftzuführungskanal in Verbindung stehende Kammern bildet, von denen mindestens eine dazu vorgesehen ist, eine Kühlluftbeaufschlagung der Laufschaufeln des Turbinenlaufrades herbeizuführen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung eines Dichtspaltes (21) zwischen dem Rotor (10) und dem Stator (4) der Turbine eine veränderliche Druckdifferenz der Kühlluft zwischen einer an der Vorderseite des Turbinenlaufrades (11) von der ringförmigen Scheibe (15) gebildeten ersten (16) und einer zweiten Kammer (17) sowie zwischen dieser und dem für die Kühlluftbeaufschlagung beider Kammern gemeinsamen Ringraum (28) vorgesehen ist.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur heißgas- bzw. kühlluftseitigen Abdichtung des Rotors (Io) ge genüber dem Stator (4) ein elastischer Metallfaltenbalg (35) zwischen einem stromabwärtigen Abschnitt des Stators und der ringförmigen Scheibe (15) sowie unterhalb eines ringförmigen Teils (8), der die Turbineneintrittsleitschaufeln (7) trägt,
. angeordnet ist. .
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, von der ringförmigen Scheibe (15) gebildete Kammer (17) durch radiale Schottwände (24) in mehrere Einzelkammern aufgeteilt ist, wobei die äußeren Kanten (25) dieser Schottwände parallel und in geringem Abstand zu einem vorderseitigen Abschnitt (26) des Turbinenlaufrades (11) verlaufend angeordnet sind.
4. Vorrichtung, nach den Ansprüchen 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der konstant zu haltende Dichtspalt (21) sowie die veränderlichen Spalte (22, 2?) von koaxial zur Triebwerkslängsaohse angeordneten, gegen das Turbinenlaufrad (11) gerichteten Profilkanten (18, 19, 20) der ringförmigen Scheibe (15) gebildet werden.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Scheibe (15) mittels Rippen (33) an festen Dornen (34) des Stators (4) axial verschieblich geführt sowie in Umfangsrichtung gehalten ist.
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