DE2131855A1

DE2131855A1 - Dichtungsanordnung fuer Turbomaschinen der Axialbauart,insbesondere fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE2131855A1
Application number: DE19712131855
Authority: DE
Inventors: Rahaim Thomas J; Mierley George M
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-07-02
Filing date: 1971-06-26
Publication date: 1972-01-05
Also published as: NL7109117A; GB1306575A; BE769254A; US3656862A; FR2103007A5; JPS5020201B1; CH541066A

Description

2 k JUN11971

WESTINGHOUSE ' 8520 Erlangen, den

Electric Corporation Werner-von-Sieraens-Str.50

East Pittsburgh, Pa. USA

Unser Zeichen: YPA 71/8431 Bu/H

Dichtungsanordnung für Turbomaschineη der Axialbauart, insb. für Gasturbinen

(Die Priorität der USA-Staramanmeldung Serial No. 51,970 vom 2. Juli 1970 wird beansprucht)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung für Turbomaschinen der Axialbauart, insb. für Gasturbinen, vorgesehen zur Abdichtung des RadialSpaltes am äußeren Umfang mindestens eines Kranzes von Laufschaufeln einer Schaufelstufe, bestehend aus bogenförmigen Diehtungssegmenten, die in Umfangsrichtung aneinanderreihbax sind, eine die Laufschaufelspitzen umgebende Segmentringanordnung ergeben und am Leitschaufelträger oder an damit verbundenen stationären Gehäuseteilen befestigbar sind.

Eine solche Dichtungsanordnung ist im wesentlichen bekannt (Schweizer Patentschrift 482 103). Bei der bekannten Dichtungsanordnung sind außer den Spaltabdichtungen zwischen dem inneren Umfang der Leitschaufeikränze und dem Rotor ferner weitere Spaltabdichtungen für den äußeren Umfang der Laufschaufelkränze vorgesehen, die im wesentlichen aus Verlängerungen von Leitschaufel-Bogenstücken bestehen, welche den äußeren Umfang der Laufschaufelkränze in axialer Richtung übergreifen. Der Radialspalt in diesem Bereich muß relativ groß gemacht werden, da die Verlängerungen der Leitschaufel-Bogenetücke aus relativ starkwandigem Material bestehen; außerdem erfordern diese Verlängerungen an den Leitschaufel-Bogenstücken, welche als Hohlkörper von Kühlluft durchsetzt werden, einen relativ hohen fertigungstechnischen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dichtungsanordnung der eingangs definierten Art so auszubilden, daß die Abdichtung des Radialspaltes einen wesentlich geringeren Aufwand erfordert, daß der Radialspalt relativ klein gehalten werden kann, um so Leckverluste längs dieses Spaltes auf ein

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Minimum zu reduzieren.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dichtungssegmente aus einem im wesentlichen axial verlaufenden Dichtungstragerteil und einem damit verbundenen, im wesentlichen radial verlaufenden Halteteil bestehen, wobei der Halteteil an einer radialen Ringwand des Leitschaufelträgers befestigbar ist. Aufgrund dieser Aufbau form können die DichtungsSegmente in Leichtbauweise ausgeführt werden mit sehr geringer thermischer Trägheit, so daJ3 auch bei in-

* stationären Vorgängen keinerlei Verwerfungen der Dichtungssegmente aufgrund von verhinderter Wärmebewegung auftreten können. Besonders vorteilhaft ist es hierzu, wenn der Dichtungsträgerteil und der Halteteil mittels radial - axial schräg verlaufender Versteifungsteile in ihrer V/inkellage zueinander fixiert sind. Im Axialschnitt entsteht auf diese Weise ein im wesentlichen dreieckiges Gebilde, dessen radial verlaufende Seite den Halteteil,, dessen im wesentlichen axial verlaufende Seite den Diohtungsträgerteil und dessen schräg verlaufende Seit« den Versteifungsteil bildet. Zweckmäßigerweise ist der Halteteil mittels axial orientierter Schraubenbolzen an der Ringwand des Leitschaufelträgers befestigbar. . Zwecks Zugänglidikeit in axialer Richtung zu den Köpfen der Schraubenbolzen ist hierbei der Versteifungsteil zweckmäßigerweise mit einer größeren Aussparung versehen. Gemäß einer bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung bestehen der Dichtungsträger-, der Halte- und der Versteifungsteil a.us dünnwandigen Blechen geringen spezifischen Gewichtes. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist am inneren Umfang des Dichtungsträgerteils eine Auskleidung von relativ weichem, durch die Laufschaufelspitzen im Falle des Anstreifens relativ leicht abschleifbarem Material angeordnet. Dieses Material kann vorteilhafter Weise aus bienenwabenartigen Gitterstreifen beetehen, die in axialer Richtung genauso gut wie eine Radialspaltdichtung aus Vollmaterial wirken, die andererseits jedoch sehr leicht, d. h. mit geringer Wärmebildung

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abschleifbar sind. Zum Zwecke der freien Wärmebeweglichkeit der Dichtungssegmente ist es gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig, wenn die Dichtungssegraente mit tangentialem Dehnungsspalt zueinander angeordnet sind und die Spalte zwischen einander benachbarten Dichtungsträgerteilen und Halteteilen durch Abdeckstreifen abgedichtet sind. D. h., die Abdeckstreifen sind jeweils an einem der DichtungsSegmente befestigt und sind überlappend zum benachbarten Dichtungs-' segment angeordnet, so daß eine Relativbewegung in tangentialer Richtung möglich ist.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Erläuterung weiterer Merkmale näher beschrieben. Es zeigt:

Pig. 1 zum Teil im Axialschnitt, zum Teil in Ansicht die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung, vorgesehen bei einer Gasturbine der Axialbauart, wobei von der Ringanordnung lediglich ein Dichtungssegment im Schnitt ersichtlich ist;

Pig. 2 in räumlicher Darstellung ein einzelnes Dichtungssegment der Dichtungsanordnung;

Pig. 3 eine Ansicht gemäß der Linie III-III aus Pig. 1, aus welcher der Dehnungsspa.lt zwischen einander benachbarten Dichtungs Segmenten ersichtlich ist;

Pig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem im Unterschied zu Pig. 1 die Dichtungsanordnung nicht für die letzte Stufe der axialen Gasturbine, sondern für eine Zwischenstufe verwendet ist.

Wie es Pig. 1 zeigt, weist die im Ausschnitt dargestellte Gasturbine der Axialbauart 10 einen Kranz von Leitschaufeln 11 auf, welche zwischen äußeren Bogenstücken 12 und inneren

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(nicht dargestellten) Bogen stücken befestigt sind. Die äußeren Bogenstücke 12 sind, wie ersichtlich, am inneren Umfang eines leitschaufelträgers 13 gelagert, welch letzterer innerhalb eines nicht dargestellten Turbinengehäuses angeordnet ist. *

Ein Kranz von Laufscha.ufein 14 ist stromabwärts gesehen hinter dem Leitschaufelkranz 11 mit nur geringem axialen Abstand angeordnet, wobei Leit- und Laufschaufelkranz 11,14 eine der Beschaufelungsstufen bilden, gemäß Pig. 1 bilden sie die letzte Stufe. Die Laufschaufeln 14 sind am äußeren Umfang einer nicht dargestellten Rotorscheibe befestigt, welche auf der gleichfalls nicht dargestellten Rotorwelle sitzt, wobei die Rotorwelle wie an sich bekannt innerhalb des Turbinengehäuses drehbar gelagert ist.

Durch nicht dargestellte Brennkammern werden die heißen Treibgase der Turbine zugeleitet, und die Energie der Treibgase wird in Rotation des Rotors wie bekannt umgesetzt.

Damit die Leckverluste der TreilJga.se am äußeren Umfang der Laufschaufeln 14 möglichst klein gehalten werden können, umgibt eine ringförmige Dichtungsanordnung 21 den Kranz der Laufschaufeln 14. Die Dichtungsanordnung 21 besteht a.us einer Ψ Vielzahl von bogenförmigen Dichtungssegmenten 22, welche in Umfangsrichtung aneinanderreihbar um die Laufschaufeln 14 herum angeordnet sind. Die DiehtungsSegmente 22 werden getragen vom Leitschaufelträger 13» wie nachfolgend noch erläutert.

Jedes Dichtungssegment 22 (vgl. insb. Fig. 2 und 3) besteht aus einem im wesentlichen axial verlaufenden Diehtungstragerteil 23 und einem im wesentlichen radial verlaufenden Halteteil 24, welche Teile vorzugsweise aus einem Blech relativ geringen spezifischen Gewichtes bestehen und miteinander, vorzugsweise durch Hartlöten, verbunden sind. Ein radial axial schräg verlaufender Versteifungsteil 25, gleichfalls

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aus dlinnwandigem Bleoh, ist an die !eile 23, 24 mit seinen entsprechend abgebogenen Enden verbunden, insb. auch hart angelötet oder angeschweißt, damit die Teile 23, 24 auch unter thermischer Beanspruchung in ihrer genauen Winkellage zueinander bleiben.

Zwischen einander benachbarten Diehtungssegmenten sind Dehnungsspalte 26 vorgesehen, damit sich die Dichtungssegmente entsprechend ihrer Aufheizung frei tangential.dehnen können. Leckverluste durch die Dehnungsspalte sind verhindert durch Abdeckstreifen 27, welche die Spalte zwischen den Teilen 23 überbrücken, und Abdeckstreifen 28, welche die Spalte zwischen den Halteteilen 24 überbrücken. Die Abdeckstreifen 27, 28 können mit den Teilen 23, 24 z. B. auch durch Hartlöten verbunden sein.

Am inneren Umfang der Dichtungstragerteile 23 ist eine Auskleidung 30 von relativ weichem, durch die Laufschaufelspitzen im Palle des Anstreifens relativ leicht abschleifbarem Material angeordnet. Wie ersichtlich, besteht die Auskleidung 30 aus bienen waben artigen G-itterstreif en, und das Material ist weicher als das Metall der Laufschaufeln 14· Auf diese Weise kann die Turbine mit relativ kleinem Radialspalt, gemessen bei kalter Maschine, zwischen den Laufschaufelspitzen und der Auskleidung versehen werden, so daß der Stufenwirkungsgrad der betreffenden Stufe und die Ausgangsleistung der Turbine verbessert sind. Die Auskleidung 30 ist an den Diohtungiträgerteil 23 z. B. auch mittels Hartlötung befestigt.

Außer der guten Abriebfähigkeit dient die Auskleidung 30 als Isolierung gegen Wärmefluß aus dem Treibgasstrom in den LeIteohaufelträger 13, wodurch diB Ausnutzung der Turbine weiter verbeeeert wird. Die in die Dichtungssegmente übertretende "Wärme wird durch den guten Wärmekontakt in den verhältnismäßig massiven Leitschaufelträger übergeleitet, so daß

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Wärmedehnungen der Dichtungssegmente sich in Grenzen halten. Der Leitschaufelträger 13 kann durch ein externes Kühlluftsystem gekühlt werden, wie es an sich bekannt ist, damit Wärmedehnungen des Leitschaufelträgers unter Lastwechseln bzw. bei nicht stationären Vorgängen klein gehalten werden können.

Z.B. kann die ringförmige Dichtungsanordnung 21 aus 36 einzelnen Dichtungssegmenten 22 bestehen. Der Halteteil 24 jedes Dichtungssegmentes kann an einer End-Stirnfläche 31 einer Leit echaufelträger-Ringwand befestigt sein mittels Schraubenbolzen 32, welche in die Ringwand eingeschraubt sind. Eine Aussparung 33 im Versteifungsteil 25 ermöglicht eine gute Zugänglichkeit zum Kopf der Schraubenbolzen 32.

Ein weiterer Vorteil der Dichtungsanordnung nach Pig. 1 besteht in dem Wegfall des durch strichpunktierte Linien 34 angedeuteten Leitschaufelträger-Materialvolumens vom rückseitigen Ende des Leitschaufelträgers 13. Die Linien 34 verdeutlichen die erforderlichen Konturen des Leitschaufelträgers, wenn die erfindungsgemäßen Dichtungssegmente nicht verwendet werden. Im Ergebnis wird ein leichterer und damit billigerer Leitschaufelträger erhalten.

Wie bereits angedeutet, sind im Ausführungsbeispiel gemäß . den Fig. 1 und 3 die Dichtungssegmente innerhalb der letzten ™ Stufe einer mehrstufigen Turbine angeordnet. Demgegenüber ist die Dichtungsanordnung nach Fig. 4 innerhalb der Zwischenstufe einer mehrstufigen Turbine angeordnet. Hierzu weist der Leifcschaufelträger 13 an seinem inneren Umfang eine Ringaussparung 35 auf, so daß eine, im wesentlichen radial verlaufende Ring-Stirnfläche gebildet wird, an welcher die radial verlaufenden Halteteile 24 jedes Dichtungssegmentes 22 mittels der Bolzen 32 befestigt werden können. Auf diese Weise kann die Dichtungsanordnung für eine Zwischenstufe verwendet werden, ohne daß die Montage des Leitschaufelkranzes innerhalb des

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Leitschaufelträgers beeinflußt bzw. behindert würde.

Ein Dichtungsring 36 wird in seiner Stellung durch einen Fortsatz 37 des Dichtungsträgerteils 27 gehalten, damit Leckströme durch die Trennfuge zwischen den Leitschaufelträger 13 und 12 verhindert sind. Der Dichtungsring 36 ka.nn ein mehrfach unterteilter O-Ring sein. Wie ersichtlich, ist hierzu der Fortsatz 37 in Richtung der Ringaussparung 35 abgebogen. Die Dichtungsanordnung ist mithin zum Zusammenwirken mit den Laufschaufeln sowohl von Zwischenstufen als auch von Endstufen geeignet.

10 Ansprüche
• 4 Fig.

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Claims

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Pa te η tan s ρ ruche

1J Dichtungsanordnung für Turbomaschinen der Axialbauart, insb. ftir Gasturbinen, vorgesehen zur Abdichtung des Radialspaltea am äußeren Umfang mindestens eines Kranzes von Laufschaufeln einer Schaufelstufe, bestehend aus bogenförmigen Dichtungssegmenten, die in Umfangsrichtung aneinanderreihba.r sind, eine die Laufschaufelspitzen umgebende Segmentringanordnung ergeben und am Leitschaufelträger oder an damit verbundenen stationären Gehäuseteilen befestigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dich- Jk tungssegmente aus einem im wesentlichen axial verlaufenden

Dichtungstragerteil und einem damit verbundenen, im "wesentlichen radial verlaufenden Halteteil bestehen, wobei der Halteteil an einer radialen Ringwand des Leitschaufelträgers befestigbar ist.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsträgerteil und der Halteteil mittels radial - axial schräg verlaufender Versteifungsteile in ihrer Winkellage zueinander fixiert sind.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halteteil mittels axial orientierter Schraubenbol-

" zen an der Ringwand des Leitschaufelträgers befestigbar

ist.
4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Dichtungsträger-, Halte- und Versteifungsteil aus dünnwandigen Blechen geringen spezifischen Gewichtes bestehen.
5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Umfang der Dichtungsträgerteile eine Auskleidung von relativ weichem, durch die Laufschaufelspitzen im lalle des Anstreifens relativ leicht abschleifbarem Material angeordnet ist.

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6. Dichtungsanordnung nach, einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die DichtungsSegmente mit tangentialem Dehnungsspalt zueinander angeordnet sind und die Spalte zwischen einander benachbarten Dichtungsträgerteilen und Halteteilen durch Abdeckstreifen abgedichtet sind.
7. Dichtungsanordnung nach einem.der Ansprüche. 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungssegmente innerhalb der letzten Stufe einer mehrstufigen Turbine angeordnet sind, wobei die der Befestigung der Halteteile dienende Ringwand von einer End-Stirnfläche des Leitschaufelträgers gebildet ist.
8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungssegraente innerhalb einer Zwischenstufe einer mehrstufigen Turbine angeordnet Bind und zu ihrer Aufnahme und Befestigung eine Ringaussparung am inneren Umfang des Leitsehaufelträgers vorgesehen ist.
9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsträgerteil an seinem der stromabwärts folgenden Stufe zugewandten Ende einen in die Richtung der Ringaussparung abgebogenen Fortsatz aufweist und zwischen letzterem und dem leitschaufeltrager eine Ringdichtung zur Abdichtung der Trennfuge zur nachfolgenden Stufe eingefügt ist.
10. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung durch bienenwabenartige Gritter streif en gebildet ist.

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