DE1950812A1

DE1950812A1 - Waermebewegliche Dichtungsanordnung fuer Axialturbinen,vorzugsweise Axial-Gasturbinen

Info

Publication number: DE1950812A1
Application number: DE19691950812
Authority: DE
Inventors: Mclaurin Leroy D; Borden James H
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1968-10-30
Filing date: 1969-10-09
Publication date: 1970-06-18
Also published as: CH498285A; GB1241358A; SE362470B; DE1950812C3; FR2021903A1; NL6916221A; US3529906A; DE1950812B2

Description

WESiIiTGHOUSE Erlangen, den *" 8. OKI. 1969

Electric Corporation Werner-von-Siemens-Str.50

East Pittsburgh, Pa. USA

Unser Zeicher: PLA 69/8240 Bu/Fl

Wärmebewegliche Dichtungsanordnung für Axial turbinen, vorzugsweise Axial-Gasturbinen

(Die Priorität der USA-Stammanmeldung Serial No. 771 712 vom 30.10.1968 wird beansprucht)

Die Erfindung bezieht sich auf eine wärmebewegliche Dichtungsanordnung für Axialturbinen, vorzugsweise Axial-Gasturbinen zur Abdichtung der a.uf einem höheren Druck des Arbeitsmediums liegenden Seite eines Ringkanals gegenüber der auf niederem Druck liegenden Seite, mit radial nach außen in Richtung auf die Leitschaufeln durch Federn gedrückten, an oder in einer Gehäusestirnwand gleitbar dichtend geführten Ringsegmenten.

Derartige Dichtungsanordnungen sind bekannt (deutsche Patentschrift Nr. 1 239 889). Mit steigendem Ausnutzungsgrad der Axial-Gasturbinen wird auch das Druckgefälle pro Stufe größer, insb. im Bereich der thermisch hoch beanspruchten ersten Stufe. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es deshalb wichtig, den leitschaufelkranz der ersten Stufe umgehende Leckwege für das Arbeitsmedium möglichst zu unterbinden. Im allgemeinen besteht der Leitschaufelkranz der ersten Stufe aus in Umfangsrichtung aneinander gereihten Leitschaufelgrüppen, zwischen denen sich Spalte befinden. Abhängig von ungleichmäßiger Erwärmung des Brennkammersystems und Heißstellen im Leitsehaufelkanal ergeben sich unterschiedliche radiale Wärmedehnungen für die einzelnen Leitschaufelgrüppen. Bei der oben erwähnten bekannten Dichtungsanordnung vermögen die Ringsegmente unterschiedlichen radialen Wärmebewegungen der Leitschaufeln zu folgen. Die Erfindung geht davon aus, daß hierbei zwischen den Ringsegmenten untereinander mehr oder weniger große Spalte auftreten können; ihr liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, bei einer wärmebeweglichen Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art eine gute, die Wärmebewegung nicht behindernde Spaltabdichtung zwischen den Ringsegmenten zu schaffen.
Die wärmebewegliche Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung ist

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dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zwischen zwei in ITmfangs-.richtung aufeinanderfolgenden Ringsegmenten angeordneten Spalte durch Mchtungsglieder überbrückt sind, weiche in einander gegenüberliegenden und fluchtenden Aufnahmenuten der Ringsegmente radial und tangential gleitbar dichtend gelagert sind und welche, sich radial-tangential erstreckend, wesentlich gegen axialen Durchtritt des Arbeitsmediums abdichten - radiale Dichtungsglieder - und, sich axial-tangential erstreckend, wesentlich gegen radialen Durchtritt des Arbeitsmediums abdichten - axiale Dichtungsglieder.

Besonders vorteilhaft ist es bei einer solchen Dichtungsanordnung, welche mit einem am Außenumfang der G-eh.ausestirnwa.nd angeordneten, die Ringsegmente aufnehmenden Ringkanal versehen ist, zwischen dessen Boden und der Unterseite der Ringsegmente ein Hohlraum zur Aufnahme der die Ringsegmente radial belastenden Federn angeordnet ist, wenn zumindest in der einen Fla.nkenwand des Ringkanals etwa axial verlaufende, in den Hohlraum mündende Kühlgaskanäle angeordnet sind, durch welche ein die Dichtungselemente gegen das Eindringen heißen Arbeitsmediums von der Gefälleoberseite her abschirmendes Kühlgas einleitbar ist. Zweckmäßig sind die einander gegenüberliegenden Enden der Ringsegmente mit sich schneidenden Aufnahmenuten für die radialen und axialen Dichtungsglieder versehen. Auf diese Weise werden eine Vielzahl von Labyrinthen geschaffen, die eine wirksame Stufenabdichtung bewirken.

Im folgenden wird anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung die Erfindung näher erläutert und die Wirkungsweise beschrieben.Ee zeigen:

Pig. 1 in einem Axialschnitt den oberen Teil einer Axialgasturbine mit einer wärmebeweglichen Dichtungsanordnung nach der Er-*· findung; -

Fig. 2 eine Draufsicht auf die zwischen zwei einander benachbarten Ringsegmenten angeordneten Dichtungsglieder;

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Pig. 3 im Aufriß den Gegenstand nach Pig. 2;

Pig. 4 im Aufriß zum. Teil im Schnitt ein Blattfederelement, welches zur radial nach außen gerichteten Pederbelastung der Ringsegmente vorgesehen ist;

Pig. 5 perspektivisch im Detail die in ihre Einzelteile zerlegte Dichtungsanordnung.

Pig. 1 zeigt eine Axial-Gasturbine 10 im Ausschnitt mit einem Kranz von Leitschaufeln 11, welche zwischen radial äußeren Bogenstücken 12 und inneren Bogenstücken 13 gehalten sind. Die äußeren Bogenstücke 12 sind an einem Leitschaufelträgerring (nicht dargestellt) gehalten, welch letzterer am inneren Umfang des gleichfalls nicht dargestellten Turbinengehäuses gelagert ist.

Ein Kranz von Laufschaufeln 14 ist gefälleabwärts der Leitschaufeln 11. angeordnet, wobei die Laufschaufeln 14 auf geeignete, hier nicht näher interessierende Weise am Scheibenkörper 15 des Rotors befestigt sind und der Scheibenkörper 15 wiederum auf der Turbinenwelle 16 sitzt. Leit- und Laufschaufeln 11, 14 bilden die erste Stufe der Turbine, welche naturgemäß noch weitere, nicht dargestellte gefälleabwärts. der dargestellten Stufe angeordnete weitere Stufen aufweisen kann.

Das von nicht dargestellten Brennkammern der Turbine zugeführte heiße Treibgas gelangt zu den Leitschaufeln 11 über einen Einlauf kanal 17, welcher von einer äußeren Kanalabdeckung 18 und einer inneren Ringwand 19 der Kühlgaskammer 21 begrenzt wird. Durch das sich in den Stufen entspannende Arbeitsmedium wird, wie an sich bekannt, der Rotor 15 rn.it Welle 16 angetrieben.

Unter Drück stehendes Kühlgas kann in den Einlaufkanal 17 durch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander.angeordneten röhrenförmigen Düsen 22 geleitet werden, welch letztere durch die Ringwand 19 der Kühlgaskammer 21 in den Einlaufkanal 17 ragen. Die Kühlgaskammer 21 wird von einer nicht darge-

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stellten Gasquelle, inst), einem Kompressor, mit unter Druck stehendem Kühlgas versorgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kühlgaskammer als Ringraum ausgebildet und zwischen der Ringwand 19 und der inneren Rohrwand 23 eines die Welle 16 umhüllenden rohrförmigen Gehäuses angeordnet.

Damit die den Leitschaufelkranz 11 umgehende Leckströmung möglichst kleingehalten werden kann, ist eine stationäre Dichtungsanordnung 31 vorgesehen, welche mit den inneren Bogenstücken des Leitsch.aufelkra.uzes 11 zusammenarbeitet. Wie es Pig. 1 bis zeigen, besteht die Dichtungsanordnung aus einem ringförmigen Gehäuse 33, welches mit einem umlaufenden Ringkanal versehen ist und einen Scheibenteil 34 aufweist, welcher mit einem Innenflansch an einem Plansch 35 des rohrförmigen Gehäuses 23 durch eine Mehrzahl von Bolzen 36 befi.'tigt ist. Das Gehäuse 33 wird mit Abstand gegenüber den inneren Bogenstücken 13 gehalten, und die eine Stirnwand 49 des Gehäuses ist mit einer Ringnut 37 versehen , in welche ein Ringvorsprung 38 der Ringwand 19 eingreift. Auf diese Weise ist das Gehäuse 33 an der Ringwand 19 dichtend gehalten, und das Gehäuse 33 bildet mit seinem Scheibenteil 34 eine Begrenzungswand für die Kühlluftkammer 21. Die endgültige Lage des Gehäuses 33 wird durch Bolzen 39 festgelegt, welche Vorsprünge 41 der Ringwand 19 hintergreifen und in das Gehäuse 33 eingeschraubt sind.

Wie es insb. Fig. 2 und 3 zeigen, weist die Dichtungsanordnung 31 eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung aneinander gereihter Ringsegmente 42 auf, welche innerhalb des. Ringkanals 48 zwischen einander benachbarten Ringsegmenten Spalte43 bilden. Pig. 1 zeigt, daß das Gehäuse 33 die Ringsegmente mit nach innen vorspringenden Schultern 44 umgreift, denen entsprechende nach außen vorspringende Schultern 45 der Ringsegmente zugeordnet sind, wobei die Ringsegmente 42 innerhalb des Ringkanals48 radial und tangential gleitbar dichtend angeordnet sind und wobei der maximale Auslenkungsweg der Ringsegmente 42 durch die Schultern 44 des Gehäuses 33 begrenzt ist. Das Gehäuse 33 ist ' vorzugsweise mit axialer Teilfuge auegeführt.

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lig. 1 und 4 zeigen, daß jedes Ringsegment 42 radial auswärts federbelastet in Flächenkontakt mit den inneren Umfangsflächen äer Bogenstücke 13 durch Blattfedern 46 gebracht wird, welche in einem Hohlraum 47 angeordnet sind. Dieser Hohlraum, ist vom Boden 47 und den Stirnwänden bzw. Planken 51 des Gehäuses 33 begrenzt. Jede Feder 46 ist, vgl. Pig« 4, in ihrer Lage innerhalb des Hohl-.raums 47 und einer entsprechenden Nut 50 der Ringsegmente 42 . ■durch eine Schraube 52 gehalten, welche durch den Boden des Gehäuses 33 geschraubt eine Öffnung 43 der Blattfeder 46 durchdringt und in eine Aussparung 54 am inneren Umfang der Ringsegraemte 42 ragt. Die Durchmesser der öffnung 53 und der Aussparung 54 sind etwas größer als der Durchmesser der Schraube 52. Weiterhin ist zwischen dem Ende der Schraube 52 und dem Boden der Aussparung 54 Spiel vorgesehen. Auf diese Weise kann sich das Ringsegment 42 in radialer Richtung innerhalb des Gehäuses 33 bewegen, wobei die maximale Auslenkung durch den Abstand zwischen den Schultern 44 und den Vorsprüngen 45 gegeben ist.

¥ie es insb. Pig. 5 zeigt, ist an jedem Ende der Ringsegmente 42 eine radial-tangential verlaufende Nut 55 angeordnet, und zwar im radial außenliegenden Bereich der Ringsegmente , und ist eine quer zu dieser Quernut verlaufende von der Quernut angeschnittene Längsnut 56 tangential-axialer Orientierung vorgesehen, die sich über die gesamte Breite des Ringsegmentes 42 erstreckt. Gemäß J¹Ig. 2 und 3 ist ein entsprechend der Nut 55 orientiertes radial-tangentiales Dichtungsglied in Porto eines Riegels 57 in die einander gegenüberliegenden und fluchtenden Nuten 55 eingefügt,so daß es die Spalte 43 zwischen den beiden Ringsegmentenden überbrückt. Der Riegel 57 ist in seiner Lage durch eine Schraube 58 gehalten, welche in das eine Ende dee Riegels und durch eine Bohrung 59 in einem Ende des einen Ringsegments 42 geschraubt ist. Ein axial-tangentiales Dichtungsglied in Form eines plattenförmigen, im folgenden als Platte bezeichneten Körpers 61 ist in die Anfnahmenut 56 (Längsnut) eingefügt, wobei die Unterseite des Biegeis 57 in eine Längenut 62 an der Oberseite der Platte 61 «ingreift. Die Platte 61 überbrückt gleichfalls den Spalt 43

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zwischen den einander benachbarten Enden der Ringsegmente 42. Auf diese Weise ist jedes Ringsegment mit einem ihm benachbarten Ringsegment durch den Riegel 57 und die Platte 61 verbunden. Der Riegel 57 dichtet im wesentlichen gegen Axialdurchtritt des Arbeitsmediums ab und die Platte im weaentlichen gegen Radialdurchtritt. Die Dichtungsglieder können, wie es insb. Fig. 5 zeigt, wie folgt montiert werden: zunächst wird eine Platte 61 in die zugehörige Nut 56 des einen Ringsegments geschoben so, daß die längsnut 62 mit der Nut 55 fluchtet. Anschließend wird ein Riegel 57 in die zugehörige Nut 55 eingeschoben und mit der Längsnut 62 der Platte 61 in Eingriff gebracht, wobei der Riegel 57 durch die Schraube 58 in seiner Lage gesichert wird. Ein weiteres Ringsegment 42 kann dann in das Gehäuse 33 geschoben und mit seinen Nuten 55, 56 in Eingriff mit den vorstehenden Dichtungsgliedern 57, 61 gebracht werden. Dieses Verfahren wird für die weiteren Ringsegmente fortgeführt.

Der Riegel hat im wesentlichen Trapezform und eine mit Innenge- - jaöe versehene Bohrung zur Verankerung der Schraube 58. Die ge- : igt oder gebogen in Anpassung an die inneren Umfangsflächen der Bogenstücke 13 ausgeführte Außenseite der Riegel 57 ist bei 64 gestuft bzw. mit tiner Absetzung versehen, damit, wie weiter unten noch erläutert, ein Schwenkspielraum gegeben ist.

Die aus Pig. 5 näher ersichtliche Platte 61 weist an ihren beiden Enden hammerkopfartige Verstärkungen nach Art einer Knorpelleiste auf, welche es gestatten, daß die Platte bei radialer Relativverschiebung der einander benachbarten Ringsegmente 42 eine Schwenkbewegung ausführen kann, ohne daß Klemmüngen auftreten.

Außer den aus Fig. 2 und 3 ersichtlichen, in ümfangsrichtung vorgesehenen Spalten zwischen den einander benachbarten Ringsegmenten sowie den Diohtungsgliedern und den Ringsegmenten, welche eine Relativbewegung der genannten Teile in ümfangsriehtung gestatten, sind weiterhin die radiale Relativbewegung ermöglichende Spalte O₁ t>ie Oj gemäß Fig. 3 vorgesehen. Die Ringsegmente können damit

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der Relat ivv erschiebung von Leitscliaufelgruppen unter dichtender Anlage folgen. Der Spalt C^ zwischen der Oberseite des Riegels 57 und der äußeren Oberfläche der Ringsegmente 42 ist durch die Stufung 64 in der geneigten Oberfläche des Riegels gebildet. Der Spalt C₂ ist zwischen der Unterseite des Riegels 57 ^un^ dem Boden 66 der zugehörigen Nut 55 jeweils in einem Ende der benachbarten Ringsegmente vorgesehen. Der Boden 67 der Nut 55 im Ende des anderen Segmentes ist etwas höher als das Niveau des Bodens 66. Der Spalt C* zwischen der Unterseite des Riegels 57 und der Oberseite der Platte 61 ist gebildet durch die Längsnut 62 in der Platte 61.

Die Wirkeamkeit der beschriebenen Dichtungsanordnung wird noch durch eine Mehrzahl von Kühlluftkanälen 71 verbessert, welche die Seitenwand 49 des Gehäuses * "· in axialer Richtung durchdringen, vgl. Fig. 1 und 4. Die Kühlluftkanäle 71 verbinden die KUhI-luftkamm'-r 21 mit dem Hohlraum 47 unterhalb der Ringsegmente 42. Somit wird ein Kühlgasdrr*- '„ innerhalb des Hohlraums 47' aufrecht-

.halten. Das unter Druck stehende Kühlgas wird in die Kühlgasr-.näle 71 durch einen Ringflansc^ 72, vorgesehen am Gehäuse 33, gleitet, wobei die Dichtungselemente 37, 38 an den Ringwänden 49, 19 ein unerwünschtes direktes Entweichen des Kühlgases in den Stufenraum verhindern. Das unter Druck stehende Kühlgas innerhalb des Hohlraums 47 verhindert, daß das heiße Arbeitsmedium von der Gefälleoberseite her durch die Spalte zwischen den Ringsegmenten strömen, kann. „ .

Wie insb. Pig. 2 und 5 zeigen, verlaufen die von den Dichtungsgliedern 57, 61 überbrückten Spalte 43 schräg zur Maschinenachsrichtung, wodurch sich im Vergleich zu einem in Achsrichtung verlaufenden Spalt eine Vergrößerung der Labyrinthwege ergibt. Fig. 1 zeigt, daß die Ringsegmente 42 mit ihrem Außenumfang flächig gegen die inneren Umfangsflächen der Innenringteile 13 der in Umfa.ngsrichtung aneinandergereihten Leitschaufelsegmente 11 gedrückt sind. Hierdurch ist eine verhältnismäßig große Dichtfläche zwischen den Ringsegmenten 42 und den Iunenringteilen 13 unter satter Anlage erzielbar.

•11 Ansprüche 009 825/1158
5 Figuren - 8 -

BA*

Claims

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P at ent a η s ρ r ii c h e

( 1. Va:

IWärmebewegliche Dichtungsanordnung für Axialturbinen, vorzugs-V_yweise Axial-Gasturbinen zur Abdichtung der auf einem höheren Druck des Arbeitsmediums liegenden Seite eines Ringkanals gegenüber der a.uf niederem Druck liegenden Seite, mit radial nach außen in Richtung auf die Leitschaufeln durch Federn gedrückten, an oder in einer Gehäusestirnwand gleitbar dichtend geführten Ringsegmenten, dadurch gekennzeichnet, da.ß die jeweils zwischen zwei in'Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Ringsegmenten angeordneten Spalte durch Dichtungsglieder überbrückt sind, welche in einander gegenüberliegenden und fluch-, tenden Aufnahmenuten der Ringsegmente radial und tangential gleitbar dichtend gelagert sind und welche, sich radial-ta.ngential erstreckend, wesentlich gegen axialen Durchtritt des Arbeitsmediums abdichten - radiale Dichtungsglieder - und, sich axial - tangential erstrecken^ wesentlich gegen radialen Durchtritt des Arbeitsmediums abdichten - axiale Dichtxingsglieder.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Enden der Ringsegmente mit sich schneidenden Aufnahmenuten für die radialen und axialen Dichtungsglieder versehen sind.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 mit einem am Außenumfang der Gehäusestirnwand angeordneten , die Ringsegmente aufnehmenden Ringkanal, zwischen dessen Boden und der Unterseite der Ringsegmente ein Hohlraum zur Aufnahme der die Ringsegmente radial belastenden Federn angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in der einen Plankenwand des Ringkanals etwa axial vei\Laufende, in den Hohlraum mündende Kühlgaskanäle angeordnet sind, durch welche ein die Dichtungselemente gegen das Eindringen heißen Arbeitsmediums von der,

• Gefälleoberseite'her abschirmendes Kühlgas einleitbar ist.

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4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Dichtungsglieder als plattenartige Körper (Platten) ausgebildet sind, welche in die Breite der Ringsegmente überstreichenden längsnuten angeordnet sind.
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Dichtungsglieder als hochkant in entsprechenden Quernuten angeordnete Riegel ausgebildet sind, wobei die Quernuten vom Außenumfang der Ringsegtnente bis zum Anschnitt mit den Längsnuten verlaufen und die Riegel mit ihrer Innenseite auf den Platten aufliegen.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Platten an ihrer Außenseite mit einer Längsnut versehen sind, in welche die Riegel unter Sicherung der Platten gegen axiales Verschieben bzw. Herausfallen einfügbar sind, .wobei die Riegel ihrerseits gegen Verschieben bzw. Herausfallen in radialer Richtung gesichert sind.
7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Riegel durch an den Ringsegmenten gelagerte Radialschrauben gesichert sind.
8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten an ihren beiden Enden mit hammerkopfartigen Verstärkungen (Knorpeln) unter Ermöglichung einer Schwenkbewegung bei radialer Relativverschiebung benachbarter Ringsegmente in ihren Längsnuten gelagert sind.
9. DIchtungsa.nOrdnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ineinander greifenden axialen und radialen Dichtungsgliedern sowie zwischen den Dichtungsgliedern und den Ringsegmenten Bewegungsspalte zur Ermöglichung einer ta.ngentialen und radialen Relativverschiebung benachbarter Ringsegmente vorgesehen eind.

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10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 Ms 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Dichtungsgliedern überbrückten Spalte zwischen einander benachbarten Ringsegmenten schräg zur Maschinenachsrichtung verlaufen.
11. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente mit ihrem Außenumfang flächig gegen die inneren Umfangsflachen von Innenringteilen der in Umfangsrichtung aneinander gereihten Leitschaufelsegmente gedrückt sind.

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