DE2117475A1

DE2117475A1 - Dichtungsanordnung fur Axial Gas turbinen

Info

Publication number: DE2117475A1
Application number: DE19712117475
Authority: DE
Inventors: Horace Surf City N J Mierley sen George M Wilmmgotn Del Wootton, (V St A)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-04-23
Filing date: 1971-04-10
Publication date: 1971-11-11
Also published as: US3647311A; CA919209A; FR2086275A1; JPS4826089B1; CH538048A; GB1295025A; FR2086275B1; NL7105492A

Description

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Augsburg, den 7. April 1971

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15 222, V.St.A.

Dichtungsanordnung für Axial-Gasturbinen

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für Axial-Gasturbinen mit einem Stator, dessen ringförmig angeordnete Leitschaufeln innere Deckbandteile aufweisen, und mit einem Rotor, dessen Laufschaufeln stromab der Leitschaufeln ringförmig angeordnet sind.

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Zur Verbesserung der Leistung von mehrstufigen Axial-G-asturbinen ist es erwünscht, Undichtigkeiten zwischen den einzelnen Stufen der Gasturbine besser unter Kontrolle zu haben.' Bei den bekannten Gasturbinen sind die Spielräume an bestimmten Punkten notwendigerweise groß, da die stationären Teile, welche diese Spielräume bestimmten, mit den Schaufelteilen des Stators aus einem Stück bestehen und sich, wenn die betreffende Gasturbine sich auf ihre Betriebstemperatur erwärmt, in Richtung zixai Rotor hin nach innen ausdehnen. Dadurch treten an den stationären Leitschaufeln der Gasturbinen jeweils beträchtliche Leckströmungen des Arbeitsströmungsmittels auf.

Ferner versucht ma.rs._s ärareh Erhöhung der Betriebstemperatur der Gasturbinen üeren Ausgangsleistung zu
vergrößern.- Die Erhöhung üer Betriebstemperatur, ohne
die zulässige Temperatur der Materialien zu überschreiten^ erhält sau dadurch* äai Dan strömungsfähiges Kühlmittel,, ZoBo Lufts in dl© iieiSen Teile der Gasturbinen einbringt, beispielsweise als© in die Laufschaufeln und die Schaufelfuß© des Eofcors sowie in die stationäre
LsitSchaufelkonstruktion=

Durch die Erfindung Sv>ll üie Aufgabe gelöst

Lesfc^erluste des Arlseitsströaiungsinltfcsls \ma

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eine bessere Ausnutzung des Kühlmittels zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Rotor stromauf seiner Laufschaufeln von einem ringförmigen Dichtungsgehäuseteil umgeben ist, welches radial ausgerichtete Ringsegmente aufweist und zusammen mit diesen eine zwischen dem Rotor und den inneren Deckbandteilen der Leitschaufeln gelegene, mit einem strömungsfähigen, unter Druck stehenden Kühlmittel verbindbare Ringkammer bildet, wobei dieses Dichtungsgehäuseteil mit seinem äußeren Ende verschiebbar an den inneren Deckbandteilen der Leitschaufeln anliegt und relativ zu diesen Deckbandteilen radial bewegbar ist, während dieses Dichtungsgehäuseteil an seinem radial inneren Ende zusammen mit dem Rotor eine Dichtung bildet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: %

Fig. 1 einen schematischen, abge

brochenen Axialschnitt längs der Ebene I-I in Fig. 2 eines Teiles einer Axial-Gasturbine mit einer Dichtungsanordnung nach der Erfindung,

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Fig. 2 eine schematische, teilweise

geschnittene Ansicht längs der Ebene II-II in Pig. I, und

Fig. J5 eine schematische Schnittan

sicht einer Exzenteranordnung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Axial-Gasturbine zum Ausrichten und Befestigen eines Dichtungsgehäuseteiles konzentrisch zur Rotorachse.

Die insbesondere aus Fig. 1 ersichtliche Konstruktion zeigt einen Teil einer Axial-Gasturbine 10 mit einer ringförmigen Anordnung von mit umfänglichem Abstand zueinander angeordneten, stationären Leitschaufeln 11, welche jeweils zwischen nicht dargestellten äußeren, bogenförmigen Deckbandteilen und bogenförmigen inneren Deckbandteilen I^ befestigt sind. Die äußeren Deckbandteile sind in einem nicht dargestellten Stator-Schaufelring montiert, welcher in einem ebenfalls nicht dargestellten Turbinengehäuse untergebracht ist, das einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist.

Unmittelbar stromab der stationären Leitschaufeln

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' ist eine ringförmige Anordnung von Rotor-Laufschaufeln 14 angeordnet. Diese Laufschaufeln 14 sind in geeigneter Weise am Umfang eines Rotorkörpers 15 angebracht, welcher an einer Welle befestigt ist, die in dem Gehäuse drehbar gelagert ist und sich um eine Achse 16 drehen kann. Die Leitschaufeln 11 und die Laufschaufeln 14 bilden zusammen eine Stufe der Gasturbine, welche weitere Leitschaufeln und Laufschaufeln aufweisen kann, die jeweils zu einzelnen Turbinenstufen zusammengefaßt sind, so daß sich eine Mehr- ' λ Stufenturbine ergibt.

Heißes Arbeitsgas wird der Turbine jeweils von nicht dargestellten Brennkammern her zugeführt. Das heiße Arbeitsgas strömt von den Brennkammern durch einen geeigneten, nicht dargestellten Übergangskanal in die Turbine und dann wechselweise durch die stationären Leitschaufelbereiche und die LaufSchaufelbereiche des Rotors der Turbine.

Unter Druck stehendes, strömungsfähiges Kühlmittel ™

wird jeweils in die hohlen Leitschaufeln 11 eingeführt und strömt von diesen durch öffnungen 17 der inneren Deckbandteile. Das Kühlmittel, z.B. Luft, kann von jeder geeigneten Quelle bereitgestellt werden, beispielsweise von einem nicht dargestellten Verdichter.

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Zwecks Einsparung von Kühlmittel und außerdem zwecks Verringerung bzw. größtmöglicher Vermeidung von Leckströmen des heißen Arbeitsgases rund um die stationären Leitschaufeln ,11, ist in den Räumen zwischen den einzelnen Rotorscheiben 15 der Gasturbine eine Dichtungsanordnung 21 gemäß der Erfindung vorgesehen. Die Dichtungsanordnung 21 definiert zwischen dem dargestellten Rotorkörper I5 und den inneren Deckbandteilen IJ der einzelnen Leitschaufeln des Stators eine Ringkammer 22 zur Aufnahme des Kühlmittels. Das Kühlmittel wird innerhalb der Ringkammer 22 auf einem Druck gehalten, dessen Wert geringfügig größer ist als der Druck des Arbeitsgases unmittelbar stromauf der stationären Leitschaufeln 11. Dadurch kann das heiße Arbeitsströmungsmittel bzw. Arbeitsgas nicht in die Ringkammer 22 eintreten und Leckverluste an heißem Arbeitsgas rund um die stationären Leitschaufeln 11 werden weitgehend vermieden bzw. auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

Bei den bekannten Gasturbinen sind die in Fig. 1 an den Punkten A und B dargestellten Spielräume notwendigerweise groß, da die stationären Teile, welche diese Spielräume bestimmen, bei den bekannten Gasturbinen mit den stationären Schaufelsegmenten aus einem Stück bestehen und sich nach innen zum Rotor hin ausdehnen, wenn die Turbine ihre Betriebstemperatur annimmt, Gemäß der Erfindung

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können die Spielräume an den Punkten A und B jeweils viel kleiner ausgebildet sein als bei den bekannten Turbinen, da die einzelnen Teile der Dichtungsanordnung 21 von den heißen Leitsehaufeln 11 des Stators getrennt sind und von einem Dichtungsgehäuseteii 23 getragen werden, welches von dem genannten Kühlmittel gekühlt wird.

Das ringförmige Dichtungsgehäuseteii 23 weist einen sich axial erstreckenden Nabenteil 24 und einen sich radial erstreckenden Planschteil 25 auf, welch letzterer zusammen mit einem nach innen ragenden Vorsprung 26 der einzelnen Deckbandteile 13 eine Dichtung bildet. Zu diesem Zwecke weist der Vorsprung 26 jeweils eine Dichtungsfläche 27 auf, an welcher eine Dichtungsfläche 28 des Planschteiles 25 anliegt. Der Nabenteil 24 des Dichtungsgehäuseteiles 23 bildet zusammen mit dem Rotorkörper 15 eine Dichtung, beispielsweise eine Labyrinthdichtung 29.

Radial angeordnete, verhältnismäßig dünne Metallplattensegmente 31 bilden zusammen mit dem Dichtungsgehäuseteii 23 die im wesentlichen geschlossene Ringkammer und eine Sperre, durch welche Verluste an Kühlmittel bzw. Kühlluft aus der Ringkammer auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden. Die Segmente 31 liegen an einer Dichtungsfläche 32 der inneren Deckbandteile 13 an und haben

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von einer Ringfläche 33 des Rotorteiles 15 nur einen verhältnismäßig kleinen Abstand, so daß die Kühlmittelströmung durch den bei B dargestellten ringförmigen Kanal stark eingeschränkt ist. Die Segmente 31 sind in zwei Lagen angeordnet und zwischen den einzelnen versetzt zueinander angeordneten Segmenten sind Dehnverbindungen vorgesehen, um Leckverluste zwischen den Enden dieser Segmente zu verhindern.-Die Spalte zwischen den Enden der Segmente gestatten bei einer Temperaturerhöhung eine umfängliche Expansion dieser Segmente.

Weitere dünne Metallplattensegmente 34 liegen an einer Dichtungsfläche 35 des Dichtungsgehäuseteiles 23 sowie an einer Dichtungsfläche ~$6 des Vorsprunges 26 des dargestellten Deckbandteiles 13 an. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Segmente 34 in zwei Lagen angeordnet und sind zwischen den versetzt zueinander angeordneten Lagen in der gleichen Weise wie bei den Segmenten 3I Dehnverbindungen vorgesehen. Die Segmente 34 weisen einen sieh axial erstreckenden Teil 37 auf, welcher von einem Vorsprung des Rotorkörpers 15 einen bestimmten Abstand hat, durch welchen am Punkt A ein verhältnismäßig kleiner Spielraum aufrechterhalten wird. Dadurch wird über die Labyrinthdichtung 29 in den in Fig. 1 dargestellten Raum 39 einleckendes Kühlmittel an der Stelle A gedrosselt. Auf diese

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Weise wird Kühlmittel über eine öffnung 41 einer Stirnplatte 42 des Rotorkörpers 15 zu den Schaufelfüßen der Laufschaufeln 14 geleitet, so daß letztere gekühlt werden. Die dichtenden Segmente 34 dienen zusammen mit dem Dichtungsgehäuseteil 23 ebenfalls auch dazu, einen Verlust an Kühlmittel aus der Ringkammer 22 an den Dichtungsflächen 27 und 28 zu verhindern.

Die Segmente 31 und 34 sind mittels zweier Schrauben 43 je Segment an dem Planschteil 25 befestigt. Die Segmente 31 werden durch rohrartige Distanzstücke 44, welche jeweils an einer Schulter 45 am Kopf der betreffenden Schraube anliegen, auf einem bestimmten Abstand von dem Planschteil 25 gehalten. Federmittel, beispielsweise Pederscheiben 46, sind jeweils rund um die Schulter 45 zwischen dem Ende des betreffenden Distanzstückes 44 und den Segmenten 3I angeordnet und bestimmen die Spannkraft auf diese aus Metall bestehenden Segmente 31 · Auf diese Weise wird die Belastung der Segmente derart begrenzt, daß diese Segmente unter den Schraubenköpfen ohne der Gefahr eines Verbiegens verschoben werden können.

Die dichtenden Segmente 34 werden durch rohrartige Distanzstücke 47 auf einem bestimmten Abstand von dem Planschteil 25 gehalten. Diese Distanzstücke sind jeweils ·

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zwischen dem Flanschteil 25 und einer Schulter 48 einer jeweils zugehörigen Mutter 49 angeordnet, welch letztere jeweils auf die betreffende Schraube 43 aufgeschraubt ist. Eine weitere Federscheibe 46 umgibt die Schulter 48 und bestimmt den auf die Segmente 34 jeweils ausgeübten Druck. Wie deutlicher aus Fig. 2 hervorgeht, sind in den Segmenten 3²^ Schlitzöffnungen 51 zur Aufnahme der Schrauben 43 gebildet, so daß eine umfängliche Einstellung möglich ist, während die Segmente in radialer Richtung sicher in ihrer Lage gehalten werden. In gleicher V/eise sind in den Segmenten 31 Schlitzöffnungen 51 zur Aufnahme der Schrauben 43 gebildet.

Wie insbesondere die Fig. 2 und 3 zeigen, wird das Dichtungsgehäuseteil 23 durch sechs radial einstellbare Keilelemente bzw. Exzenterelemente 52, welche in radialen Schlitzen 53 in den Vorsprüngen 26 der inneren Deckbandteile 13 untergebracht sind, konzentrisch zur Rotorachse gehalten. Die Keilelemente 52 sind bei dem dargestellten Beispiel nur in der unteren Hälfte des Diehtungsgehäuseteiles 23 vorgesehen. Diese Keileleraente 52 sind mittels exzentrischer Buchsen 54 auf den Sehrauben 43 im Sinne einer genauen Ausrichtung des Dichtungsgehäuseteiles 23 entsprechend einstellbar. Die Keilelemente 52 und die exzentrischen Buchsen 54 sind an den betreffenden Stellen

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jeweils anstelle der rohrförmigen Abstandsstück^ 47 auf den Schrauben 43 vorgesehen. Auf diese Weise werden die dichtenden Segmente 34 mit Bezug auf das Dichtungsgehäuseteil 25 auf einem bestimmten Abstand gehalten und auch der gewünschte, auf die dichtenden Segmente wirkende Druck wird aufrechterhalten. Wie bereits erwähnt, sind die Keilelemente 52 nur in der unteren Hälfte des Dichtungsgehäuseteiles 2^ vorgesehen und diese Keilelemente können in der in Fig. 2 dargestellten Weise jeweils mit gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet sein. Die Schrauben 43 und die rohrartigen Distanzstücke 47 sind in der unteren Hälfte des Dichtungsgehäuseteiles 23 jeweils zwischen den einzelnen Keilelementen 52 angeordnet.

Die flexiblen, dichtenden Segmente 31 üben anfangs, d.h. in kaltem Zustand, an den bei 32 dargestellten Flächen einen Federdruck aus, so daß sichergestellt ist, daß die Verbindung zwischen diesen Segmenten 3I und den inneren Deckbandteilen I3 stets dicht ist. Die Segmente 34 wirken ^ in der genannten Weise mit dem Dichtungsgehäuseteil 23 und den inneren Deckbandteilen 13 zusammen und verhindern dadurch ein Auslecken von Kühlluft an der Verbindung zwischen den Dichtungsflächen 27 und 28.

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Durch die Dichtungsanordnung nach der Erfindung ist es also möglich, die Spielräume zwischen den stationären und den sich drehenden Teilen der Gasturbinen kleiner zu machen, da die einzelnen Teile der Dichtungsanordnung von den heißen Teilen der Turbine getrennt sind und von einem Element getragen werden, das von dem in die Turbine eingebrachten Kühlmittel, beispielsweise Kühlluft, gekühlt wird. Die Dichtungsanordnung nach der Erfindung ergibt eine Einsparung an Kühlmittel und richtet die Strömung dieses Kühlmittels auf ansonsten heiße Teile der Turbine. Außerdem wird durch die Dichtungsanordnung der Erfindung auch der Leckverlust an heißem Arbeitss'trömungsmittel rund um die stationären Leitschaufeln der Turbine verhindert bzw. auf eine Mindestmaß herabgesetzt.

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Claims

Patentansprüche:

Dichtungsanordnung für Axial-Gasturbinen mit einem Stator, dessen ringförmig angeordnete Leitschaufeln innere Deckbandteile aufweisen, und mit einem Rotor, dessen Laufschaufeln stromab der Leitschaufeln ringförmig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14, 15, 16) stromauf seiner Laufschaufeln (14) von einem ringförmigen Dichtungsgehäuseteil (23) umgeben ist, welches radial ausgerichtete Ringsegmente (31, 34) aufweist und zusammen mit diesen eine zwischen dem Rotor und den inneren Deckbandteilen (13) der Leitschaufeln (11) gelegene, mit einem strömungsfähigen, unter Druck stehenden Kühlmittel verbindbare Ringkammer (22) bildet, wobei dieses Dichtungsgehäuseteil mit seinem äußeren Ende (bei 28) verschieblich an den inneren Deckbandteilen der Leitschaufeln anliegt und relativ zu diesen Deckbandteilen radial bewegbar ist, während dieses Dichtungsgehäuseteil an seinem radial inneren Ende zusammen mit dem Rotor eine Dichtung (29) bildet.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kühlmittels innerhalb der genannten Ringkammer (22) auf einem größeren Wert gehalten ist als der Druck des Arbeitsströmungsmittels

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unmittelbar stromauf der Leitschaufeln (11) des Stators.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den genannten, vorzugsweise aus Metall bestehenden Ringsegmenten (3I, 34) einerseits und dem Rotor (14, I5, 16) andererseits jeweils nur ein verhältnismäßig kleiner Spielraum (A, B) vorgesehen ist, welcher das Ausströmen von Kühlmittel aus der genannten Ringkammer (22) verhältnismäßig stark einschränkt.
4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsgehäuseteil (23) einen sich axial erstreckenden, mit dem Rotor (14, 15, 16) eine Labyrinthdichtung (29) bildenden Nabenteil (24) und einen sich radial erstreckenden Planschteil (25) aufweist, welch letzterer an den inneren Deckbandteilen (I3) der Leitschaufeln (11) des Stators anliegt (bei 27, 28).
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ringsegmente (3I, 34) mit axialem Abstand voneinander an dem sich radial erstreckenden Planschteil (25) des Dichtungsgehäuseteiles (23) befestigt sind, indem Schrauben (43) durch diesen

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Planschteil und durch Abstandselemente (44, 4? bzw. 44, 52, 54) hindurchgeführt sind, welch letztere sich jeweils zwischen den Ringsegmenten einerseits und dem Flanschteil andererseits befinden, und daß diese Schrauben über Federmittel (46) auf die Ringsegmente eine Spannkraft ausüben.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Metall bestehenden Ringsegmente (31, 34) in mehreren Lagen angeordnet sind und daß sich zwischen den einzelnen versetzt zueinander angeordneten Segmenten Dehnverbindungen befinden.
7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach innen ragende Vorsprünge (26) an den inneren Deckbandteilen (13) der Leitschaufeln' (11) radiale Schlitze (53) aufweisen und daß an der unteren Hälfte des Dichtungsgehäuseteiles (23) in bestimmten der genannten Schlitze Keil- % elemente bzw. Exzenterelemente (52) untergebracht sind, welche das Dichtungsgehäuseteil konzentrisch zur Rotorachse (16) halten und mit exzentrischen, auf Schrauben (43) sitzenden Buchsen zur Einstellung dieser Elemente innerhalb der Schlitze zusammenwirken.

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8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Deckbandteilen (13) der einzelnen Leitschaufeln (11) des Stators jeweils Öffnungen (17) gebildet sind, über welche das in das Innere der Leitschaufeln zugeführte Kühlmittel in die angrenzende Ringkammer (22) strömen kann, und daß Kanäle bzw. öffnungen (z.B. 41) vorgesehen sind, über welche aus der Ringkammer ausleckendes Kühlmittel zu den Schaufelfüßen und Basisteilen der jeweils benachbarten Leit- und/oder Laufschaufeln gelangt.

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