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 TurbineInfo
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Description
MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
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
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_ 4-_ . 18'f2346
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
- 8 - 1842346
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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14.8.69 _ 9 -
..■""■-' 109810/1055 . original inspected
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
- ίο - - 194234ε
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
- li -
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.
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)
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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ORKSlNAL
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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Lee rs e i te
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