DE2552695A1

DE2552695A1 - Labyrinth-dichtungssystem

Info

Publication number: DE2552695A1
Application number: DE19752552695
Authority: DE
Inventors: Bartolomeo Joseph Ferrari
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-11-27
Filing date: 1975-11-25
Publication date: 1976-08-12
Also published as: BE835964A; GB1525746A; JPS5854249B2; FR2292868B1; JPS5177708A; US3989410A; FR2292868A1; IT1049802B

Description

Labyrinth-Dichtungssystem

Es ist allgemein üblich, in Gasturbinen-Triebwerken einen Teil des Verdichterausstoßes zur Triebwerkskühlung zu verwenden. Ein Teil der für diesen Zweck verwendeten Luft wird in einen an sich bekannten Gasbeschleuniger geleitet, welcher die Luft durch eine Druckverringerung beschleunigt und sie in Richtung der Triebwerksrotation verwirbelt. Die verwirbelten Gase werden in eine Ringkammer abgegeben. Neben der Aufnahme der verwirbelten Kühlluft kann diese Kammer auch noch in bekannter Weise dazu verwendet werden, um eine abgleichende Kraft auf das Triebwerk zu erhalten, und kann in diesem Falle als "Abgleichkolbenkaramer" bezeichnet werden. Die Kammer ist gegenüber benachbarten Bereichen

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mit verschiedenem Druck durch ein System von Qasdichtungen abgedichtet, welche an den Verbindungsstellen zwischen rotierenden und stationären Elementen im Innern der Kammer angeordnet sind. Gasdichtungen außerhalb der Kammer wurden ebenfalls verwendet, um den Luftstrom zwischen der Kammer und benachbarten Bereichen mit verschiedenem Druck auf ein Minimum zu bringen.

Die hier angesprochenen Gasdichtungen sind Dichtungen des Labyrinthtyps und umfassen einen oder mehrere umkreisförmige Zähne an einem Teil, welche gleichlaufend sind mit einer umkreisförmigen Dichtungsoberfläche auf einem anderen Teil, wobei die beiden Teile oder Elemente relativ zueinander rotierbar 3ind. Eine solche Dichtung ergibt eine hohe Behinderung des Gasflusses und besitzt den weiteren Vorteil, daß sie eine Drehung zwischen den beiden Teilen der Dichtung gestattet. Diese Art Dichtung besitzt viele andere bekannte Vorteile und wird in Gasturbinen-Triebwerken in weitem Maße verwendet.

Ein Nachteil von Dichtungen dieser Art besteht darin, daß ein parasitärer Gasdurchtritt in Richtung des abnehmenden Drucks auftritt. Wenn solche Dichtungen verwendet werden, um Kühlluft für Hochtemperatur-Gasturbinen abzudichten, ist ein solcher Luftdurchlaß besonders unerwünscht, da er den thermodynamischen Wirkungsgrad des Triebwerkes verringert.

Es war bisher üblich, den Leckstrom der einzelnen Gasdichtungen getrennt in paralleler Weise zu benachbarten Bereichen mit niedrigerem Druck zu richten. Der Gesamtleckstrom solcher Systeme ist der kombinierte Leckstrom aller im System vorhandenen Dichtungen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den thermodynamischen Wirkungsgrad von Gasturbinen-Triebwerken zu erhöhen durch Verminderung des GesamtIeckstroms der Gasdichtungen, welche zur Zurückhaltung der Kühlluft der Turbine verwendet werden.

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Der parasitäre Leckstrom des Gesamtsystems wird dadurch vermindert, daß Kanäle vorgesehen sind, welche den gesamten parasitären Leckstrom der Gasdichtungen in dem System an einen Punkt zwischen den Zähnen einer der Dichtungen im System richten, 30 daß die Leckströme der Dichtungen in Reihe anstatt parallel fließen.

Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind ersichtlich aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Abbildung.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Erläuterung und der Abbildung, welche eine vertikale Schnittansicht einer Kühlluftbeschleunigungs- und Abgleichkolbenkammer für ein Gasturbinen-Triebwerk zeigt, welche das Labyrinth-Dichtungssystem nach der vorliegenden Erfindung enthält.

Die Abbildung zeigt einen Teilschnitt eines Gasturbinen-Triebwerkes und veranschaulicht das Labyrinth-Dichtungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Ringkammer 4 wird mit Luft unter relativ hohem Druck beaufschlagt, welche aus einem Ringbeschleuniger 6 erhalten wird. Die Kammer H wird auch noch dazu benutzt, um eine Abgleichkraft auf das Triebwerk in an sich bekannter Weise zu erzeugen,und kann daher als "Abgleichkolbenkammer" bezeichnet werden.

Der Beschleuniger 6 erhält einen Teil der von dem Verdichter des Gasturbinen-Triebwerkes abgegebenen Luft, welche über eine Vielzahl von öffnungen 8 im Verdichtergehäuee 9 um den ringförmigen Brenner 10 herum abgegeben wird. Die Kammer 4 ist gebildet durch stationäre Teile einschließlich des Beschleunigers 6 und ein ringförmiges Dichtungslaufteil 7, die etarr an dem Brennergehäuse 9 befestigt sind, und durch rotierende Teile einschließlich der gezahnten Teile der Labyrinth-Dichtungen 11 und 13 und der Dichtungstragscheibe 20. Die Kammer 4 ist gegen Gasaustritt zu der benachbarten, unter niedrigerem Druck stehenden Ringkammer 15 durch die Labyrinth-Dichtung 11 abgedichtet. Die Kammer 4 ist

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gegen Luftströmung von dem Auslaßkanal 17 des Verdichters mit höherem Druck durch eine äußere Labyrinth-Dichtung 12 und eine innere Labyrinth-Dichtung 13 abgedichtet. Die Dichtung 13 trennt die Kammer 4 von einer benachbarten Ringkammer 5·

In an sich bekannter Weise wird die richtige Ausgleichkraft auf das Triebwerk dadurch aufrechterhalten, daß der Leckstrom über die Dichtung 13 so eingestellt wird, daß die jeweiligen Drucke der Abgleichkolbenkammer 4 und der äußeren benachbarten Kammer gleich werden. Demgemäß kann der Leckstrom über die Dichtung 13 in beiden Richtungen über die Zähne der Dichtung 13 fließen, abhängig von der momentanen Druckdifferenz zwischen der Abgleichkolbenkammer 1| und der Kammer 5.

Ein Teil der vom Beschleunigungsteil 6 abgegebenen Luft wird durch eine Vielzahl von öffnungen 18 in der ringförmigen Tragscheibe 20 für die Dichtungen 11 und 13 in eine weitere kreisringförmige Kammer 22 gerichtet, um Kühlluft an die Turbinenlaufschaufel 2k zu liefern.

Die vorliegende Erfindung ist in ihren bestimmten, hier dargestellten Aspekten darauf gerichtet, den Leckstrom von Luft aus der Kammer k in die Kammer 15 und von dem Verdichterauslaßkanal 17 in die Kammer k auf ein Minimum zu bringen. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Vielzahl von Kanälen vorgesehen sind, welche die parasitären Leckströme von den Dichtungen 11, 12 und 13 auf einen Punkt zwischen den Zähnen der Dichtung 11 richten. So wird gemäß der Darstellung durch die Richtung der Pfeile in der Abbildung bewirkt, daß der Leckstrom von den Dichtungen 12 und 13 in die Kammer 5 durch die jeweiligen öffnungen 26 in der Vielzahl von Röhren 28 strömt, welche umkreisförmig um den Einlaß des Beschleunigers 6 angeordnet sind und von dort durch den unter nie el·· rigerem Druck stehenden Ringkanal 30 in eine Vielzahl von öffnungen 32 in dem Dichtungelaufteil 7 und danach sich in dem Hohlraum ansammelt, welcher zwischen den ersten und zweiten Zähnen der Dichtung 11 vorhanden ist. In ähnlicher Weise wird der parasitäre Leckstrom von der Dichtung 13, welcher in die Kammer 4

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strömen kann, in Richtung des abnehmenden Druckes über den ersten Zahn der Dichtung 11 fließen und sich mit dem Leckstromfluß von der Kammer 30 vereinigen.

Die öffnungen 32 in dem Dichtungslaufteil 7 wurden so angeordnet, daß sie bewirken, daß der Leckstrom von dem Kanal 30 zu einem Punkt zwischen dem ersten und zweiten Zahn der Dichtung 11 fließt, Es ist jedoch für den Fachmann ersichtlich, daß die öffnungen an anderen Punkten auf dem Dichtungslaufteil 7 angeordnet werden können und dadurch bewirken können, daß der Leckstrom von der Kammer 30 zwischen verschiedene Zähne der Dichtung 11 strömt.

Wie hier abgebildet, wird der Leckstrom des Gesamtsystems der Kammern k und 5 der Leckstrom, welcher durch die letzten drei stromabwärts gelegenen Zähne der Dichtung 11 fließt. Ein solcher Leckstrom ist bedeutend geringer als derjenige von konventionellen Kühlluftkammer-Dichtungssystemen, bei denen der Leckstrom des Gesamtsystems der kombinierte Leckstrom jeder der einzelnen Dichtungen ist, die zur Abdichtung der Kammer verwendet werden.

Vorstehend wurde die Erfindung am Beispiel der Abdichtung der Kammer zur Aufnahme der Turbinenkühlluft eines Gasturbinen-Triebwerkes erläutert. Das Verfahren und die Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung besitzen jedoch auch allgemeine Anwendungsfähigkeit auf jede Art von Kanälen oder Kammern, welche ein System von Labyrinth-Dichtungen zur Aufrechterhaltung eines Druckes verwenden. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann mit jeder Turbomaschine verwendet werden, um eine maximale Menge von Kühlluft zurückzuhalten und dadurch den thermodynamiachen Wirkungsgrad der Maschine auf ein Maximum zu bringen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verbessertes Gasturbinen-Triebwerk mit einem Verdichter,

J einem Brenner und einer Gasturbine, welche strömungsmäßig in Reihe geschaltet sind, einem Rotor, der zum Antrieb des Verdichters antriebsmäßig mit der Gasturbine verbunden ist, einer ersten ringförmigen Kammer zur Aufnahme der Kühlluft für die Turbine und einem Gasbeschleuniger, welcher an die erste Kammer beschleunigte Kühlluft liefert, wobei eein Eingang in Strömungsmittelverbindung mit dem Verdichter ist und der Ausgang in Strömungsmittelverbindung mit der ersten Kammer ist, gekennzeichnet durch ein System von Labyrinth-Dichtungen (11, 12, 13) zur Abdichtung der ersten Kammer (4) gegen Leckströme zu und von benachbarten Bereichen mit verschiedenem Druck, wobei jede Dichtung ein gezahntes Teil in rotierendem Eingriff mit einem festen Laufteil besitzt und noch Strömungskanaleinrichtungen (26, 28, 30, 32) vorhanden sind, welche die Leckströme von allen Dichtungen auf einen Punkt zwischen den Zähnen einer der Dichtungen (11) richten.

2. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es weiterhin eine zweite kreisringförmige Kammer (5) stromaufwärts und benachbart zur ersten Kammer enthält, sowie einen ersten Ringströmungskanal in Strömungsmittelverbindung mit dem Verdichter stromaufwärts und benachbart zur zweiten Kammer und eine dritte ringförmige Kammer in Strömungsmittelverbindung mit dem Brenner stromabwärts und benachbart zur ersten Kammer, s.owie einen zweiten Ringströmungskanal benachbart zum Beschleuniger (6) und zur ersten Kammer.

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3. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Labyrinth-Dichtungssystem umfaßt:

eine erste Labyrinth-Dichtung, welche die erste Kammer und die zweite Kammer voneinander trennt, eine zweite Labyrinth-Dichtung, welche die zweite Kammer und den kreisringförmigen Strömungskanal trennt, und eine dritte Labyrinth-Dichtung, welche die erste Kammer und die dritte Kammer trennt.

4. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine Wand des zweiten Strömungskanals durch das Dichtungslaufteil der dritten Labyrinth-Dichtung gebildet ist.

5. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Strömungskanaleinrichtung umfaßt:

eine Vielzahl von Röhren (28), welche umkreisförmig beabstandet um den Eingang des Beschleunigungsteils (6) angeordnet sind, wobei ein Ende jeder Röhre in Strömungsmittelverbindung mit der zweiten kreisringförmigen Kammer (30) ist und ihr anderes Ende in Strömungsmittelverbindung mit dem zweiten 'Strömungskanal ist, und

eine Vielzahl von öffnungen (32) umkreisförmig beabstandet um das Dichtungslaufteil der dritten Dichtung (11) angeordnet sind entgegengesetzt von einem Punkt zwischen zwei Zähnen der dritten Dichtung, so daß der parasitäre Leckstrom durch den zweiten Strömungskanal zwischen die Zähne der dritten Dichtung gerichtet ist.

6. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die öffnungen (32) in dem Dichtungs laufteil der dritten Labyrinth-Dichtung (11) an einem Punkt zwischen den beiden stromaufwärts gelegenen Zähnen der dritten Labyrinth-Dichtung gelegen sind.

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7. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste kreisringförmige Kammer eine Ausgleichkolbenkammer ist.

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