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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wabenstruktur für ein Dichtsystem einer Verdichter- und/oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Dichtsystem gemäß Anspruch 10.
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Im Verdichter, als auch in der Turbine, eines Flugtriebwerks bilden die Dichtungsträger mit aufgelöteten Honigwaben als Einlaufdichtung zusammen mit den Dichtspitzen der Rotoren ein Dichtungssystem. Dabei sind die Wabenbänder auf den Dichtungsträgern in der Regel homogen in ihrer Größe ausgeführt. Die Breite der Dichtungsträger wird maßgeblich von den Relativbewegungen der Rotordichtspitzen bestimmt. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass auch bei axialen Extremlagen der Dichtspitzen diese noch ein Abdichten des Durchströmungsmediums sicherstellen können. Daher sollte mindestens eine weitere Wabenreihe an den beiden axialen Enden des Dichtungsträgers konstruktiv einbezogen werden. Diese weitere Wabenreihe schließt mögliche Toleranzen und einen eventuell auftretenden Verschleiß der Bauteile mit ein. Diese weitere Wabenreihe vergrößert jedoch die Gesamtbreite des Dichtungsträgers und erhöht somit auch das Gewicht des Dichtungsträgers. Weiterhin wird dadurch auch der notwendige Bauraum erhöht. Ein möglicher Lösungsansatz durch den Einsatz kleinerer Honigwaben für die gesamte Dichtung würde auch mehr Masse zur Konsequenz haben, was unter anderem aus Wirtschaftlichkeitsgründen zu vermeiden ist. Ein Einsatz kleinerer Honigwaben für die gesamte Dichtung könnte nur gegebenenfalls bei einer Anforderung an eine erhöhte Dichtwirkung in Einzelfällen geprüft werden und ist daher generell nicht zu empfehlen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Wabenstruktur für ein Dichtsystem vorzuschlagen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dichtsystem mit einer derartigen Wabenstruktur vorzuschlagen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Wabenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Dichtsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Wabenstruktur für ein Dichtsystem einer Verdichter- und/oder Turbinenstufe einer Gasturbine vorgeschlagen. Die Gasturbine kann ein Flugtriebwerk sein. Die Wabenstruktur umfasst Waben mit wenigstens zwei verschiedenen Wabengrößen. Weiterhin ist die Wabenstruktur durch im Wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtete Strukturelemente ausgeprägt.
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Das erfindungsgemäße Dichtsystem einer Verdichter- und/oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, ist derart ausgestaltet, dass die Rotordichtspitzen der Verdichter- oder Turbinenstufe mit einer den Rotordichtspitzen gegenüber angeordneten erfindungsgemäßen Wabenstruktur das Dichtsystem ausbildet.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
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Erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale in beliebiger Kombination aufweisen, sofern eine, oder die, konkrete Kombination für den Fachmann nicht als offenkundig technisch unmöglich erkennbar ist. Auch die Gegenstände der Unteransprüche geben jeweils erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen an.
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Bei allen oben gemachten und unten folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks „kann sein“ bzw. „kann haben“ usw. synonym zu „ist vorzugsweise“ bzw. „hat vorzugsweise“ usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen erläutern.
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Wann immer hierin Alternativen mit „und/oder“ eingeführt werden, so versteht der Fachmann das darin enthaltene „oder“ vorzugsweise als „entweder oder“ und vorzugsweise nicht als „und“.
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Hierin genannte Ausführungsformen sind als erfindungsgemäße, rein exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, die nicht als beschränkend zu verstehen sind.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Wabenstruktur einen in Axialrichtung angeordneten mittleren Bereich sowie zwei äußere, an den mittleren Bereich jeweils angrenzende Randbereiche aufweisen. Die Wabengröße der Randbereiche ist in dieser Ausführungsform kleiner gegenüber der Wabengröße des mittleren Bereichs. Dadurch kann vorteilhaft das Gewicht durch die größeren Waben im mittleren Bereich reduziert und die Gesamtbreite durch die kleinere Wabengröße an den Randbereichen verkleinert werden.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Querschnittsform der Waben polygonal mit gleich langen Seiten. Die Querschnittsform der Waben ist insbesondere hexagonal mit gleich langen Seiten. Durch diese Wabenform kann ein flächiges Verbinden der einzelnen Waben vorteilhaft vereinfacht werden.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen entspricht die Breite der Waben der Randbereiche zwischen 40 Prozent und 60 Prozent der Waben im mittleren Bereich.
Insbesondere entspricht die Breite der Waben der Randbereiche 50 Prozent der Breite der Waben im mittleren Bereich. Hierbei ist die Breite auf die gegenüberliegenden Seiten des gleichseitigen Hexagons der Waben bezogen. Durch diese Größenverhältnisse zwischen den Wabenbreiten im mittleren Bereich und im Randbereich kann vorteilhaft einerseits das Gewicht und der Bauraum optimiert werden und andererseits gleichzeitig eine ausreichende Stabilität der Wabenstruktur gewährleistet werden.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind weniger als 50 Prozent der Waben des Randbereichs mit Waben des mittleren Bereichs verbunden. Insbesondere sind weniger als 30 Prozent der Waben des Randbereichs mit Waben des mittleren Bereichs verbunden. Durch diese Angaben kann die Wabengrößen der Randbereiche reduziert werden, ohne eine durchgängige Verbindung aller Waben des Randbereichs mit benachbarten Waben des mittleren Bereichs gewährleisten zu müssen.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen beträgt die Breite der Randbereiche weniger als 50 Prozent der Breite des mittleren Bereichs. Die Breite der Randbereiche kann weniger als 40 Prozent oder weniger als 30 Prozent betragen. Dadurch kann die Gesamtbreite des Wabenbandes und der Dichtungsträger reduziert werden und der Bauraum vorteilhaft klein gehalten werden.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Breite der beiden Randbereiche gleich.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Strukturelemente in Umfangsrichtung ausgerichtete Metallbleche, die in Axialrichtung ausgeprägte Vertiefungen aufweisen. Diese Vertiefungen der Strukturelemente bilden durch ein Aneinanderfügen gleichseitige Hexagone als Querschnittsformen der Waben aus.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Strukturelemente mittels Löten oder Schweißen miteinander verbunden.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:
- 1 zeigt eine Verdichterstufe einer Gasturbine mit einem Dichtsystem mit Rotordichtspitzen und Einlaufdichtungen nach dem Stand der Technik;
- 2 zeigt eine Detailvergrößerung des Dichtsystems aus der 1;
- 3 zeigt eine erfindungsgemäße Wabenstruktur; und
- 4 zeigt einen Vergleich einer erfindungsgemäßen Wabenstruktur mit einer Wabenstruktur aus dem Stand der Technik.
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1 zeigt eine schematisch vereinfachte Gesamtansicht einer Verdichterstufe 100 einer Gasturbine mit einem Dichtsystem 200 mit Rotordichtspitzen 1 und Einlaufdichtungen 3 nach dem Stand der Technik. Abgebildet sind unter anderem zwei Laufschaufeln 5 eines Rotors 300, eine Leitschaufel 7 eines Stators, der mit einem Gehäuse 9 verbunden ist. Der Rotor 300 umfasst weiterhin eine Rotorscheibe und einen Rotorarm 11, an dem die Rotordichtspitzen 1 angeordnet sind. Die Dichtspitzen 1 greifen in die Einlaufdichtungen 3 ein und bilden im Wesentlichen die Dichtfunktion aus.
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Die Einlaufdichtungen 3 können wabenförmig ausgebildet sein. Die Einlaufdichtungen 3 können als Waben oder als Honigwaben bezeichnet werden. Die Honigwaben sind in 1 homogen in ihrer Größe als Wabenbänder ausgebildet und mittels einer Haltevorrichtung mit der Leitschaufel 7 verbunden.
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2 zeigt eine Detailvergrößerung des Dichtsystems 200 aus der 1. In dieser Ansicht greifen die Rotordichtspitzen 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit noch nicht in die Einlaufdichtung 3 ein, somit ist das Dichtsystem 200 noch nicht endgültig betriebsbereit.
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Die Einlaufdichtung 3 kann als Wabendichtung ausgebildet sein, daher werden im Folgenden anstatt des Begriffs Einlaufdichtung 3 auch die Begriffe Waben 3 oder Honigwaben 3 verwendet.
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Der Begriff axial bedeutet im Folgenden eine Ausrichtung in Axialrichtung a.
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Der Begriff Rotordichtspitzen 1 wird im Folgenden auch als Dichtspitzen 1 abgekürzt.
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Die Breite der Einlaufdichtung 3 bzw. dem Dichtungsträger wird maßgeblich von den Relativbewegungen der Dichtspitzen 1 bestimmt. Dabei ist es in der Regel wichtig, dass selbst bei axialen Extremlagen der Dichtspitzen 1 diese noch ein Abdichten absichern können. Daher sollte zusätzlich mindestens eine Wabenreihe an den beiden axialen Enden der Einlaufdichtung 3 angeordnet werden bzw. konstruktiv mit vorgesehen und hinzugerechnet werden. Diese zusätzliche Wabenreihe schließt mögliche Fertigungstoleranzen und einen eventuell auftretenden Verschleiß der Bauteile mit ein. Durch diese zusätzliche Wabenreihe erhöht sich die Gesamtbreite der Einlaufdichtung 3 bzw. des Dichtungsträgers. Durch diese zusätzliche Wabenreihe kann sich das Gewicht erhöhen. Weiterhin wird der notwendige Bauraum dadurch ebenfalls erhöht.
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Eine Lösungsmöglichkeit zur Reduzierung der Gesamtbreite der Einlaufdichtung 3 bzw. des Dichtungsträgers unter den genannten Bedingungen einer zusätzlichen Wabenreihe wäre die Verwendung generell kleinerer Wabengrößen. Damit würde jedoch auch das Gesamtgewicht durch die größere Masse ansteigen. Diese Option wäre nur dann sinnvoll, wenn eine erhöhte Dichtwirkung notwendig und konstruktiv gefordert wäre, anderenfalls wäre diese Option nicht sinnvoll.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Wabenstruktur 400 als Einlaufdichtung 3. Die Wabenstruktur 400 umfasst zwei unterschiedliche Wabengrößen mit einem mittleren Bereich 13 mit großen Waben 17 und zwei Randbereichen 15 mit kleinen Waben 19. Diese Wabenstruktur 400 kann als Hybridsystem mit kleinen 17 und großen 13 Waben bezeichnet werden.
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Die Wabenstruktur 400 wird durch im Wesentlichen in Längsrichtung, hier also in Umfangsrichtung u, ausgerichtete Strukturelemente 21 ausgeprägt. Die Strukturelemente 21 können Bleche sein, die die in 3 gezeigte Form aufweisen. Die Formen können beispielsweise durch Blechprägen mithilfe von Stempeln hergestellt werden. Anschließend können die geformten Bleche mittels eines Schweißverfahrens oder eines Lötverfahrens miteinander verbunden werden, sodass die dargestellten Formen eines Hexagons mit gleich langen Seiten entstehen.
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Die Breite b einer Wabe wird als Distanz zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten definiert.
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Die Breite b der Waben im mittleren Bereich 13 der Wabenstruktur 400 ist deutlich größer gegenüber der Breite b der Waben im Randbereich 15. Rein exemplarisch ist die Breite der Waben der Randbereiche 15 zwischen 40 Prozent und 60 Prozent, insbesondere 50 Prozent der Breite b der Waben im mittleren Bereich 13.
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In der exemplarischen Ausführungsform in 3 sind nicht alle Waben des Randbereichs 15 mit Waben des mittleren Bereichs 13 verbunden.
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4 zeigt einen Vergleich einer erfindungsgemäßen Wabenstruktur 400 (oben) mit einer Wabenstruktur aus dem Stand der Technik (unten).
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Das dargestellte Hybridsystem der Wabenstruktur 400 mit kleinen 19 und großen 17 Waben kann die gesamte axiale Breite des Wabenbandes vorteilhaft reduzieren. Wie bereits zur 2 ausführlich diskutiert wurde, sollte zusätzlich zur Mindestwabenbreite X mindestens eine weitere Wabenreihe an jeweils den beiden Randbereichen der Einlaufdichtung 3 angeordnet werden bzw. konstruktiv mit vorgesehen und hinzugerechnet werden. Diese Forderung kann als sogenannte Regelerfüllung bezeichnet werden. Diese Regelerfüllung zur Abdichtung im axialen Randbereich 15 kann durch zwei oder mehrere kleine Wabenreihen realisiert werden. Hierfür können beim Zusammenlöten und/oder Zusammenschweißen der Wabenbänder Reihen von kleinen Waben 19 integriert werden, wie dies in 3 dargestellt ist. Da in der Regel eine bestimmte Dichtbreite gefordert wird, kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Wabenstruktur 400 mit dem Hybriddesign die axiale Länge um die Distanzen A und B reduziert werden, wie dies in 4 gezeigt wird. Dadurch kann eine Verkürzung des Trägers der Wabenstruktur und somit vorteilhaft eine Gewichtsersparnis erzielt werden. Der insgesamt notwendige Bauraum des Dichtsystems 200 kann dadurch weiterhin vorteilhaft reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- a
- axial; Axialrichtung; Durchströmungsrichtung
- u
- Umfangsrichtung; Rotationsrichtung
- r
- radial; Radialrichtung
- b
- Breite einer Wabe
- X
- Mindestwabenbreite
- 100
- Verdichterstufe
- 200
- Dichtsystem
- 300
- Rotor
- 400
- Wabenstruktur
- 1
- Rotordichtspitze
- 3
- Einlaufdichtung; Waben; Honigwaben
- 5
- Laufschaufel
- 7
- Leitschaufel
- 9
- Gehäuse
- 11
- Rotorarm
- 13
- mittlerer Bereich einer Wabenstruktur
- 15
- Randbereich einer Wabenstruktur
- 17
- große Waben
- 19
- kleine Waben
- 21
- Strukturelement
