DE2517044A1

DE2517044A1 - Turbinenschaufelspitzenabdichtung

Info

Publication number: DE2517044A1
Application number: DE19752517044
Authority: DE
Inventors: Allen William Cavicchi; Gabor Tamas Ketting
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1974-04-18
Filing date: 1975-04-17
Publication date: 1975-11-06
Also published as: FR2268160A1; SE402321B; GB1497619A; US3860358A; DE2517044C2; IL47025A; IL47025A0; IT1037192B; JPS5838616B2; FR2268160B1; JPS50145709A; CA1010367A; SE7503922L

Description

Fbtentanwalt ■

DipHng RdfMenges I

8011 Poring / München, Hubertusstrasw Telefon (08106) 2176 UNITED AIRCRAFT CORPORATION Telegramme PATENTMENGES Zomedlni

400'Main Street

East Hartford, Connecticut 06108

Anwaltsakte U 246

15. M1975

TURBINENSCiIAUFELSPITZENABDICHTUNG.

Priorität: USA Nr. 462 152
Patentanmeldung vom 18. April 1974

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und sie betrifft insbesondere eine Schaufelspitzenabdichtung zur Verwendung in Gasturbinentriebwerken mit hohen Betriebstemperaturen.

Die Konstruktion von Gasturbinentriebwerken hat immer eine genaue Masshaltung erfordert, um einen sicheren Betrieb der einzelnen Bauteile zu gewährleisten und um einen maximalen aerodynamischen Wirkungsgrad des !!otortriebwerkes zu erreichen. Um einen maximalen Wirkungsgrad sicher zu stellen muss das gesamte Arbeitsmedium zwischen den Turbinenschaufeln hindurch geleitet werden. Falls Leckverluste zwischen den Turbinenschaufeln und dem die Schaufeln umgebenden Gehäuse auftreten, so sind Verminderungen des Wirkungsgrades zu erwarten.

In einem üblichen, bekannten Gasturbinentriebwerk ist eine Schaufelspitzenabdichtung ur. die Turbinenschaufeln angeordnet und diese Abdichtung ist in einzelne Segmente unterteilt, um eine thermische Ausdehnung auszugleichen. Wie in der US

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j Patentschrift 3 423 070 beschrieben ist ragen swei VorSprünge von ■jedem Segment der Abdichtung in Umfangnuten, welche in Trag-' teilen ausgebildet: sind das seinerseits am Triebwerksgehäuse !

•befestigt ist. Das Spiel zwischen den Vorsprüngen und den Um- ^:fangsnuten ist gering, um die Abdichtung genau in Bezug auf die !Schaufelspitzen einzustellen und um Schwingungen klein zu halten.

;üblicherweise wird eine Kammer hinter der in Segmente aufgeteilten

i Abdichtung unter Druck gesetzt, um die Abdichtung in Richtung j zur Triebv/erksmittellinie zu drücken, wodurch die Vorsprünge der ;Segmente der Abdichtung in Berührung mit dem inneren Durchmesser :der Umfangsnut gelangen. Solange wie eine Berührung zwischen den

;Vorsprüngen und der Umfangsnut vorliegt, ist die in Segmente .aufgeteilte Abdichtung stabil abgestützt.

: Falls das Triebwerk seine Betriebstemperatur erreicht, ist die ', Oberfläche der in Segmente aufgeteilten Abdichtung den heissen Turbinengasen ausgesetzt und die Voreprünge der Abdichtung sind der niedrigeren Temperatur der'Druckluft ausgesetzt. Es liegt ; ¹ demnach ein Temperaturunterschied auf gegenüberliegenden Seiten ■ der in Segmente aufgeteilten Abdichtung vor und folglich dehnt sich die Abdichtungsfläche stärker aus als die Vorsprünge, so dass die in Segmente aufgeteilte Abdichtung sich abflacht. Durch diese Abflachung der Abdichtung wird jeder Vorsprung in seiner Umfangsnut verformt und berührt die Nut an verschiedenen Stellen an ihrem , inneren Durchmesser und an ihrem äusseren Durchmesser und schliesslich setzt sich die in Segmente aufgeteilte Dichtung in der Umfangsnut fest.

^;Eine festgesetzte Dichtung ist zwar stabil abgestutzt, jedoch hat die bekannte Dichtungsausführung wesentliche Nachteile. Die in Segmente aufgeteilte Dichtung muss sich vor allem axial frei einstellen können, so dass ihr stromabwärts] .legendes Ende das stromaafwartslieger.de Ende der benachbarten Turbinenleitschaufeln berühren kann, urn eine radiale Abdichtung des Strömungskanals au bilden. Falls die /ibdichtung sich in der Umfangsnut · festgesetzt hat, so kann sis sich offensichtlich nicht axial einstellen. Desweiteren gelangen durch die thermische Verformung der Vorsprünge dieselben in Berührung mit dem inneren und äusseren Durchmesser der Urfangsnut. Sobald die Abdichtung sich

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festgesetzt hat, entstehen bei fortgesetzter thermischer Ausdehnung Beanspruchungen in den Vorsprüngen, so dass diese abbrechen oder dauernd veiormt '.ar de η können. Wach einer dauernden Verformung cor Vorsprünge sind die Segmente der Dichtung schwierig aus der Unfangsnut zu entfernen. Bei einem bekannten Ausführungsbeispiel sind die Vorsprünge mit Entlastungsschlitzen versehen, so dass thermisch verformte Abdichtungen bei Festsetzen in der Umfangsnut nicht überbeansprucht werden.

: Bei einem anderen, bekannten J^usführungsbeispiel ist ein grösseres ί Spiel zwischen d^r Umfanc'F.nut und den Vorsprüngen der in Segmente aufgeteilten Abdichtung vorgesehen, um ein Festsetzen zu vermeiden, ;Falls ein Temperaturunterschied zwischen der Abdichtungsfläche und den Vorsprüngen auftritt, so flacht sich die Dichtung auf und die Berührung zwischen dem Vorsprung und der Umfangsnut wird nicht aufrechterhalten. Infolgedessen ist die Abdichtung nur an

!einer Stelle abgestützt und kann sich in der Umfangsnut verschwenken. Bei dieser unstabilen Abstützung werden infolge der !drehenden Schaufelspitzen Schwingungen hervorgerufen, welche das Abdichtungssegment zerstören können. Desweiteren kann der Wirkungsgrad sich wesentlich verkleinern da durch die Schwenkbewegung unregelmässige Abnützungen zu erwarten sind wodurch das Spiel zwischen den Schaufelspitzen und dem Abdichtungssegment vergrössert wird.

Die Gasturbinen und die Dampfturbinen haber seit jeher Abdichtungsflächen verwendet, die in kaltem Zustand einen Krümmungsradius haben, welcher etwa dem Radius des entsprechenden abzudichtenden Bauteiles entspricht.

. Bei einer Dampfturbine ist ein wesentliches Anfangsspiel zwischen der Abdichtung und einer rotierenden Welle erforderlich, um ' falsche Ausrichtungen des Gehäuses ausgleichen zu können bevor die Turbine seine Betriebstemperatur erreicht. In der US-Patentschrift ! 3 594 010 ist eine in Segmente aufgeteilte Dichtung beschrieben ι zur Abdichtung einer Welle wobei die Abdichtungsfläche, die einen : konstanten Krümmungsradius aufweist, an einer von zwei verschiedenen Stellen in Bezug zu ihrer Tragvorrichtung angeordnet ist. Eeira Anlassen der Turbine wird die Abdichtung mittels einer

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Feder in einer von der Welle entfernten Stelle gehalten, um eine Reibung zwischen der Welle und der Abdichtung zu vermeiden. Falls ein ausreichender Druckunterschied zwischen den zwei durch die Abdichtung abzudichtenden Stufen erreicht ist, so wird die

■ Dichtung an ihrer Rückseite durch Druck belastet und in ihre

■ zweite Stellung gegen den inneren Durchmesser einer Umfangsnut.

igedruckt. Die Abdichtung hat zwei Vorsprünge, welche das Federge-. ■häuse umschliessen. Falls die Abdichtung durch den Druckunterschied !gegen den inneren Durchmesser der umfangsnut gedruckt wird, so \ ; legt sich die /abdichtung an ihren zwei Vorsprüngen auf, um die J ,Dichtung stabil abzustützen. Die Abdichtungsfläche hat nun ihren !kleinsten Durchmesser. j

;Die Abdichtung nach der US-Patentschrift 3 594 010 für eine ί I Darcpfturbinenv.'elle ist nicht geeignet zur Abdichtung von Gas- j turbinenschaufel^ da bei Rotation der Schaufeln in einer Abdich- ;tung nach dieser US-Patentschrift Schwingungen auftreten würden I falls die Dichtung in ihrer ersten von dem abzudichtenden Bauteil ^;entfernten Stelle ist. Diese Schwingungen werden durch eine glatte ;Welle, welche in der erwähnten US-Patentschrift abzudichten ist, ■nicht erzeugt. Die durch die Schwingungen hervorgerufene Beilastung kann zu einem Bruch der Abdichtung führen.

.In neuzeitlichen Gasturbinen ist eine andere Abdichtungsfläche erforderlich, welche einen veränderlichen Durchmesser für verschiedene Triebwerksbedingungen hat. Desweiteren muss die Abdichtung bei allen Triebwerksbedingungen stabil abgestützt sein.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Turbinenschaufelspitzen- :abdichtung mit kleinerem Spitzenspiel bei der Nennbelastung des , Triebwerkes. Desweiteren schafft die Erfindung eine stabile _: ■Abstützung für die Dichtung bei allen Triebwerksbedingungen.

.Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Temperaturunter-

_β ι

'schiede auf gegenüberliegenden Seiten der Dichtung Biegekräfte j erzeugen, welche man ausnützen kann, um einen neuen Krümmungs- ] radfts der Abdichtungsfläche zu erreichen. Durch die thermischen , Bedingungen dehnt sich die Dichtungsfläche stärker aus als die gekrümmten Haken, wodurch die Abdichtungsfläche sich vergrössert

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!bei einer entsprechenden Vergrösserung ihres Krümmungsradiuses. 'Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Turbinenschaufel- ;Spitzenabdichtung pit einer einen veränderlichen Krümmungsradius ; 'aufweisenden Abdichtungsfläche in Rädialrichtung in einer Umfangsnut mittels einem an der Abdichtung ausgebildeten, gekrümmten 'Haken stabil abgestützt. ,

Entsprechend einem Merkmal der Erfindung hat die Abdichtungsfläche j j in kaltem Zustand einen Krümmungsradius, welcher kleiner ist als

der Radius des Turbinenläufers an den Schaufelspitzen. Die j !Abdichtung hat einen gekrümmten Haken mit einem kleineren Krümmungs· !radius als der Krümmungsradius der Umfangsnut in welche der Haken ihineinragt. Eine Abdichtungsfläche am stromabwärtsliegenden Ende : !der in Segmente aufgeteilten Dichtung und-das Radialspiel zwischen ^:der Abdichtung und der Umfangsnut sind v/eitere Merkmale der ι

Erfindung. _;

!Entsprechend einem Hauptvorteil der Erfindung hat man infolge _;

:der sich bei thermischer Belastung aufbiegenden Abdichtung das

Schaufelspitzenspiel besser in der Gewalt falls der Krümmungsiradius der Abdichtungsfläche sich vergrößert, um sich dem ; Krümmungsradius an den Schaufelspitzen des Turbinenläufers bei ,Nennbelastung anzupassen. Die freie axiale Beweglichkeit der Abdichtung ist ein weiterer Vorteil der Erfindung. Durch diese freie Bev.-eglichkeit der Abdichtung kann sich dieselbe an stromabwärtsliegende Leitschaufelplattformen anlegen, um eine : radiale Abdichtung für den Strömungskanal zwischen der Schaufelspitzenabdichtung und den benachbarten Leitschaufelplattformen zu bilden. Desweiteren erhält man eine stabile Abstützung der Dichtung durch eine Berührung entlang zweier Linien zwischen dem inneren Durchmesser der Umfancsnut und dem gekrümmten Haken.

Ein /iUsführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird infolgedessen ausführlicher beschrieben. \ Es zeigen: :

Figur 1 eine schematische Darstellung der Turbine eines Gasturbinentriebwerkes wobei sich die Gasdichtung in kaltem Zustand befindet.

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:Figur 2 eine schematische Ansicht im Schnitt eines Teiles eines Gasturbinentriebwerkes, wobei eine Turbinenschaufel und eine Leitschaufel dargestellt sind.

Figur 3 eine scher.atische Ansicht entlang der Linie 3-3 nach Figur 2.

Figur 4 eine schematische Schnittansicht der Turbine eines ; Gasturbinentriebwerkes mit der Gasdichtung in der Reiseflug- \

_rstellung. !

Eine schematische Ansicht einer Turbine eines Gasturbinen- !

I triebwerkes 10 ist in der Figur 1 dargestellt. Mehrere Turbinen-,schaufeln 12 sind am Turbinenläufer 16 befestigt. Eine äussere Abdichtung 18 bestehend aus einzelnen Abdichtungssegmenten 20 ist um die Schaufelspitzen 14 angeordnet.

Wie in Figur 2 dargestellt ist hat jedes Segment der Abdichtung eine Abdichtungsfläche 23 und eine Leitschaufelabdichtungskante 24. Jedes Segment ist mittels zwei bogenförmigen Haken 26 abgestützt, welche von dem Abdichtungssegment wegragen. Jeder bogenförmige Haken ragt in eine Umfangsnut 28 eines Tragstückes 30. ,Die Umfangsnut hat eine Fläche 32 mit kleinem Durchmesser. Ein ringförmiger Hohlraum 34 ist zwischen der äusseren Abdichtung und dem Turbinengehäuse 36 ausgebildet und liegt axial zwischen den Tragstücken fur die Abdichtung. Eine Turbinenleitschaufel mit einer vorderen .Plattformkants 40 ist am Turbinengehäuse befestigt.

Die Abdichtungsfläche jedes Segmentes der Abdichtung hat, siehe :Figur 3, einen Krümmungsradius R-I und jeder bogenförmige Haken hat einen Krüromungsradius R-2. Jeder bogenförmige Haken hat eine Abstützstelle 42 an jeden¹ Ende. Der Radius R-3 des Turbinenläufers wird zwischen der Turbinenachse und den Turbinenschaufelspitzen gemessen. DJe innere Flüche der Umfangsnut hat einen .Krümmungsradius R-4.

Während dem Betrieb wird ae.:~ Ringraum unter Druck gesetzt wodurch die Segmente der Abdichtung in Richtung zur Triebwerksmittellinie gedruckt werden bis dia Tragstellen die innere Fläche der Um-

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,fangsnut berühren und die Segmente der Abdichtung werden bei allen Triebwerksbedingungen in Berührung mit dieser inneren Fläche der Umfangsnut gehalten. Durch den Druckunterschied zwisehen ,benachbarten Turbinenstufen werden die Abdichtungssegmente axial ι stromabwärts gedrückt bis die Abdichtungskante sich gegen die !Plattformkante einer benachbarten Turbinenleitschaufel anlegt.

'· In keltern Zustand des Triebwerkes ist der Krümmungsradius R-I _: 'der Abdichtungsfläche kleiner als der Läuferradius R-3. Der •Krümmungsradius der Abdichtungsfläche ist derart ausgewählt, dass er im wesentlichen dem Radius des Turbinenläufers an den Schaufelspitzen bei Nennbelastung des Triebwerkes entspricht, wie in Figur 4 dargestellt ist. Bei einem bevorzugten Aus- ^; !führungsbeispiel beträgt die Temperatur bei Reiseflug an der ίDichtungsfläche 7OO°C und an den Traghaken 51O°C. Durch den Temperaturunterschied zu beiden Seiten der Abdichtung wird die Abdichtungsfläche aufgeflacht und demnach nimmt der Krümmungsradius der Abdichtungsfläche zu. Falls sich die Abdichtungsfläche ■aufflacht, so macht auch der bogenförmige Haken diese Verformung mit. Der Krümmungsradius R-2 jedes bogenförmigen Hakens ist derart !ausgewählt, dass er immer kleiner ist als der Krümmungsradius R-4 der inneren Fläche der Umfangsnut und dadurch bleibt der bogenförmige Haken immer in Berührung mit dem inneren Durchmesser der Umfangsnut an den zwei Abstützstellen. Durch die Abstützung an zwei verschiedenen.Stellen ist eine Schwenkbewegung der Abdichtung nicht möglich und demnach ist dieselbe bei allen Triebwerksbedingungen stabil gelagert. Es ist ein ausreichendes Spiel zwischen den bogenförmigen Haken und der umfangsnut vorgesehen, so dass die Abdichtung sich immer frei axial einstellen kann. ;

'Es ist wesentlich für die vorliegende Erfindung, dass die bogen- ^j förmigen Haken der Abdichtung das Aufbiegen der Abdichtungpfläche 'nicht verhindern. Jeder bogenförmige Haken hat einen konstanten i 'Querschnitt und eine minimale Dicke, und dementsprechend eine ;maximale Biegsamkeit und die thermischen Belastungen sind gleichmassig verteilt.

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Claims

tentansprüche

1/ Gasturbinentriebwerk mit einem Turbinenläufer der eine ;Turbinenscheibe und mehrere sich radial von derselben erstreckende ,Schaufeln aufweist, nit einem äusseren Gehäuse, an welchem eine 'Umfangsnut ausgebildet ist, die einen grösseren Radius als der j Radius des Turbinenläufers an den Schaufelspitzen aufweist, und j mit einer Abdichtung, welche in mehrere Abdichtungssegmente aufjgeteilt, ist, die in der Nut abgestützt sind und den Turbinen- '·. läufer umgeben zur Herabsetzung der Gasleckverluste zwischen dem !Gehäuse und den Schaufelspitzen, dadurch gekennzeichnet, dass ein !bogenförmiger Haken (26) sich von jedem Abdichtungssegment (20)

I erstreckt und einen kleineren Krümmungsradius (R-2) als der Krümmungsradius (R-4) der Umfangsnut (28) aufweist, wobei der Haken die Umfangsnut entlang zweier Linien (42) berührt zur .Abstützung eines jeden Abdichtungssegmentes in bezug auf die Gehäusenut.
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennjzeichnet, dass jedes Abdichtungssegment (20) eine Dichtfläche (22) laufweist dessen Krümmungsradius (R-I) in kaltem Zustand geringer j ist als der Krümmungsradius (R-3) des Turbinenläufers an den ι Schaufelspitzen und dessen Krümmungsradius bei Betriebstemperatur ;im wesentlichen dem Krümmungsradius des Turbinenläufers an den

ι -

j Schaufelspitzen entspricht.

■3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Turbinenleitschaufeln (38) stromabwärts " , der Läuferschaufeln (12) angeordnet sind, wobei jede Leitschaufel 'eine Leitschaufelplattfcrm aufweist, dessen stromaufwärtsliegendes ;Ende (40) mit dem stromabwärtsliegenden Ende (24) des benachbarten !Abdichtungssegmentes (20) während dem Betrieb des Triebwerkes zusammenwirkt zur Verminderung der Gasverluste in Radialrichtung zwischen der Abdichtung und der Leitschaufel. ,

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