DE2554563A1

DE2554563A1 - Dichtungsanordnung fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2554563A1
Application number: DE19752554563
Authority: DE
Inventors: Kenneth Richard Langley; Peter Richard Needham
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1974-12-07
Filing date: 1975-12-04
Publication date: 1976-06-10
Also published as: IT1054914B; FR2293594A1; FR2293594B1; GB1484936A; DE2554563B2; DE2554563C3; JPS554933B2; JPS5182818A; US4050843A

Description

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Augsburg, den 1. Dezember

Rolls-Royce (1971) Limited, Norfolk House, St. James's Square,

London, England

Dichtungsanordnung für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für Gasturbinentriebwerke« Insbesondere handelt es sich dabei um eine mit den Schaufelspitzen von Laufschaufeln zusammenwirkende Dichtungsanordnung.

Eines der größten Probleme bei den meisten Bauarten von

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INSPECTED

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bekannten Schaufelspitzendichtungen liegt darin, daß es nicht möglich war, bei allen Betriebszuständen des Triebwerks den richtigen Spielraum zwischen den Schaufelspitzen und der Dichtung zu erhalten. Bei gewissen Bauarten bekannter Scnaufel-Spitzendichtungen war es notwendig, für den Stillstand oder den Lauf mit kleinen Drehzahlen einen übermäßig großen Schaufelspitzenspielraum vorzusehen, um ein Schleifen der Dichtungen bei den anderen Betriebszuständen zu vermeiden, was sich jedoch nachteilig auf die Triebwerks leistung auswirkt.

Es hat sich gezeigt, daß, wenn das Triebwerk schnell bis auf die Nenndrehzahl hochläuft, die Triebwerksrotoren eine in mehreren Schritten ablaufende radiale Dehnung erfahren. Am Anfang dehnen sich die verhältnismäßig dünnen Laufschaufeln schnell aufgrund der Temperaturzunahme und der Fliehkraft, und hierzu addiert sich noch die Radialdehnung der Rotorscheibe infolge der Fliehkraft, Ein weiterer Wärme dehnungsschritt tritt auf, wenn sich die verhältnismäßig dicke Rotorscheibe auf Betriebstemperatur erwärmt. Während den eben erwähnten Dehnungsphasen dehnt sich auch das den Rotor umschließende Gehäuse während des Triebwe rks anwärmungs Vorgangs mit stetig abnehmender Dehnungsgeschwindigkeit. Der Blattspitzenspielraum für die Laufschaufeln muß also so berechnet werden, daß sämtliche relativen Wärmedehnungen des gesamten Rotors und des Gehäuses ermöglicht werden,

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit den Laufschaufe!spitzen zusammenwirkende Dichtungsanordnung derart auszubilden, daß sie sich zwecks Beibehaltung eines im wesentlichen gleichbleibenden Spielraumes in allen Triebwerksbetriebszuständen weitgehend den Wärmedehnungen der Laufschaufeln und des Rotors anpassen kann.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine Dichtungsanordnung für Gasturbinentriebwerke gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe einen dehnbaren Dichtungsring, weiter ein erstes ringförmiges Reaktionsteil, welches bezüglich Wärmedehnungen eine relativ große Ansprechgeschwindigkeit auf Temperaturänderungen und mit dem Dichtungsring zusammenwirkende, eine relativ schnelle Dehnung bewirkende Mittel besitzt, und ein zweites ringförmiges Reaktionsteil aufweist, welches bezüglich Wärmedehnungen eine relativ geringe Ansprechgeschwindigkeit auf Temperaturänderungen und ebenfalls mit dem Dichtring zusammenwirkende Mittel besitzt, die bei Temperaturabfällen den Dichtungsring relativ langsam zusammenziehen.

Der Dichtungsring kann aus einer Vielzahl von Segmenten zusammengesetzt sein, welche relativ zueinander gleitfähig sind, oder kann alternativ dazu als ununterbrochener Ring aus elastischem Werkstoff ausgebildet sein.

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..- Bei einem aus Segmenten bestehenden Dichtungsring können die Se gmeiit e, ,j ewei Is gleitend vers chiebIi ch auf Radialb ο lzen angeordnet .!sein, die- mit ihren radial äußeren Enden an der festen Triebwerkskonstruktion befestigt sind. In Abwandlung dazu kann der Dichtungsring von einer Anzahl an der festen Triebwerkskons truktion.be festigten axialen Armen gehalten werden. ·;-. ; : ■

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die den Dichtungsring bildenden Semgente jeweils an einem Arm angeordnet, sein, der .im wesentlichen parallel zur Dientungsringachse verläuft, und schwenkbar an der festen Konstruktion befestigt ist.

. .-. Die Dichtungsrin-gsegmente werden vorzugsweise im Betrieb mittels, eines Strömungsmitteldruckes radial nach innen gedrückt. .-.·.. . ■ ' ; -,--.'

Das erste Reaktionsteil weist vorzugsweise eine verhältnismäßig kleine Masse auf und ist mit einem unter hohem Druck stehenden Strömungsmittel beaufschlagbar, so daß es sich entsprechend der Strömungsmitteltemperatur schnell ausdehnt o4er -zusammenzieht.

Das zweite Reaktionsteil weist vorzugsweise eine ver-

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hältnismäßig große Masse auf oder ist alternativ dazu gegen das Hochdruckströmungsmittel abgeschirmt, so daß es sich entsprechend der Strömungsmitteltemperatur relativ langsam ausdehnt oder zusammenzeiht.

Vorzugsweise sind der Dichtungsring und die beiden Reakti ons teile zueinander koaxial angeordnet.

Gemäß einer Aus führungsform der Erfindung weisen die mit dem Dichtungsring zusammenwirkenden Mittel einen radial einwärts ragenden und in einem axialen Ansatz endenden Plansch auf, der mit einem am Dichtungsring angeordneten Axialansatz ζ us ammenwi rkt.

Die mit dem Dichtungsring zusammenwirkenden Mittel des zweiten Reaktionsteils weisen einen axial vorstehenden Ringansatz auf, der mit einem entsprechenden Axialansatz des Dichtungsringes zusammenwirkt.

Das zweite Reaktionsteil kann durch einen am Triebwerksgehäuse befestigten Ring gebildet sein.

In Abwandlung dazu kann das zweite Reaktionsteil durch einen Teil des Triebwerksgehäuses gebildet sein.

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Als zum ersten Reaktionsteil zugeleitetes Hochdruckströmungsmittel kann vom Hochdruckverdichter des Triebwerks abgezeigte Luft dienen, die aus das erste Reaktionsteil auftrifft oder durch dieses hindurchströmt.

Mach dem Auftreffen oder Hin durchströmen auf bzw. durch das erste Reaktionsteil wird die Hochdruckluft vorzugsweise zur Kühlung des Dichtungsringes und außerdem zur Herstellung einer Luftdichtung zwischen einer Rotorstufe und benachbarten Statorstufen verwendet.

Die Erfindung beinhaltet auch ein Gasturbinentriebwerk mit einer Dichtungsanordnung der oben beschriebenen Art·

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines

Gasturbinentriebwerks, die teilweise ausgebrochen ist,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch

den in Fig, I sehematisch sichtbaren Turbinenteil mit einer

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erf indüngs gemäßen Dichtungsanordnung,

Pig. 3 einen Schnitt durch eine andere

Aus führ ungs form der Erfindung, und,

Fig. 4 eine noch weitere Aus führ ungs form

der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Einlauf 12, einem Nxederdruckverdichter 13, einem Hochdruckverdichter Ik, einer Brenneinrichtung 15, einer Hochdruckturbine 16, einer Niederdruckturbine 17 und einer Strahldüse Der Nie de rdruckver dichter 13 und die Niederdruckturbine 17 sowie der Hochdruckverdichter 14 und die Hochdruckturbine sind auf nicht dargestellten gemeinsamen Wellen angeordnet.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt des in Fig. 1 schematisch sichtbaren Turbinen teils. Dieser Teil der Turbine weist einen Leitschaufelkranz 20 auf, deren Leitschaufeln mittels nicht dargestellter Mittel an der feststehenden Triebwerkskonstruktion befestigt sind. Unmittelbar stromab des LeitSchaufelkranzes 20 ist eine erste Turbinenstufe mit einem Laufschaufelkranz 21 angeordnet. Die Laufschaufeln 21 sind mit Hilfe nicht dargestellter Mittel an einer Rotor-

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scheibe 22 befestigt, die auf einer Hochdruckwelle 23 angeordnet ist.

Stromab der ersten Turbinenstufe 21 befindet sich ein weiterer Leitschaufelkranz 24, dessen Schaufeln mit inren äußeren Enden an der festen Triebwerkskonstruktion befestigt sind und an ihren radial inneren Enden eine axiale Dichtungsanordnung tragen, die mit Dichte lementen zusammenwirkt, die an der Rotorscheibe 22 und einer stromab benachbarten Rotorscheibe 25 angeordnet sind.

Radial außerhalb der Turbinenschaufeln 21 ist gemäß der Erfindung eine mit den Sch'aufelspitzen zusammenwirkende Dichtungsanordnung angeordnet, welche einen aus einer Vielzahl von Segmenten zusammengesetzten Dichtungsring 26 aufweist_β Radial außerhalb des Dichtungsrings ist ein erstes ringförmiges Reaktionsteil angeordnet, welches an seinem stromauf seit igen Ende mit einem radial einwärts ragenden Flansch versehen ist der in einem Axialansatz 28 endigt, der mit dem Dichtungsring 26 zusammenwirkt und als Stütze für diesen dient. An seinem stromabseitigen Ende ist das erste Reaktionsteil mit einem Axialansatz 28a versehen, der in eine Ringnut des Dichtungsrings 26 hineinragt und dadurch wiederum als Stütze für den Dichtungsring dient.

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Das Reaktionsteil 27 ist mittels einer Vielzahl radialer Zapfen 29 gehaltert. Die Zapfen 29 sind mit ihren radial äußeren Enden in Bohrungen des Triebwerks gehäuses befestigt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist das ringförmige Reaktionsteil 27 außerdem mit einer Vielzahl von Bonrungen mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser versehen, welche den Durchtritt von unter hohem Druck stehender Luft auf dem Hocndruckverdichter ermöglichen. Diese riochdruckluft erfüllt zwei Aufgaben: Erstens bringt sie beim Triebwerksanlauf das Reaktionsteil 27 schnell auf Betriebstemperatur, wesnalb das Reaktionsteil 27 sich schnell ausdehnt und mittels der Axialansätze und 28a auch den Durchmesser des Dichtungsringes 26 vergrößert, so daß zwischen den Turbxnenscnaufelspitzen und dem Dichtungsring ein geeigneter Spielraum vornanden bleiüt und der Dichtungsring somit der Wärmedehnung der Turbine angepaßt ist» Zweitens dient die Hochdruckluft nach dem Hindurchströmen durch das ringförmige Reaktionsteil 27 zum Kühlen der Segmente des Dichtungsrings 26, auf welche sie auftrifft. Danach tritt die Hochdruckluft durch zwei im Umfangs richtung verlaufende B oh rungs reihen 30und 33 aus und bildet zwischen der Dichtungsanordnung und der, der Turbinenstufe 21 benachbarten Leitschaufeln 20 und 24 Luftdichtungen, wobei sie gleichzeitig einen Kühlfilm zur Kühlung der Dichtungringsegmente und der benachbarten Leits chaufe lplatt formen bildet.

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Stromab und im wesentlichen radial außerhalb des ersten ringförmigen Reaktionsteils 27 ist ein im wesentlichen konus-, förmiger Gehäuseteil 32 angeordnet, der ein zweites ringförmiges Reaktionsteil bildet. Dieses zweite Reaktionsteil weist eine beträchtlich größere Masse als das erste Reaktionsteil 27 auf und ist mittels einer ringförmigen Abschirmung gegen die eine relativ hone Temperatur aufweisende Hochdruckluft abgeschirmt. Es ist daher einzusehen, daß beim Triebwerksanlauf, während sich das aufgrund seiner relativ geringen Masse und aufgrund der direkten Berührung mit der Hochdruckluft thermisch schnell ansprechende erste Reaktionsteil 27 verhältnismäßig schnell ausdehnt, das zweite Reaktionsteil wegen seiner größeren Masse und der Abschirmung 33 thermiscn nicht so schnell anspricht und sich deshalb langsamer ausdehnt, bis es etwa die gleiche Dehnung wie das erste Reaktionsteil erfahren hat. Während des normalen Reiseflugzustands nehmen die Reaktions teile 27 und 32 und der Dichtungsring 26 im wesentlichen die in Pig, 2 gezeigten Stellungen ein.

Beim Abschalten des Triebwerks zieht sich das erste Reaktionsteil 27 relativ schnell zusammen, jedoch wird der Dichtungsring 26 durch einen Axialansatz 3^ des zweiten Reaktionsteils 32 in seiner gedehnten Stellung gehalten.

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Das zweite Reaktionsteil 32 zieht sich langsamer als das erste Reaktionsteil 2 7 zusammen und steuert daher das Maß der Zusammenziehung des Dichtungsrings 26, so daß eine Berührung zwischen den Turbinenschaufelspitzen und dem Dichtungsring 26 bei der Triebwerks abschaltung verhindert wird.

Pig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, gemäß welcher jedes der den Dichtungsring 26 bildenden Segmente von einer Anzahl von etwa axial verlaufenden Armen gehalten wird, von denen einer dargestellt ist. Die Arme sind mit Hilfe von Kugelgelenken kl schwenkbar an der feststehenden Triebwerkskonstruktion befestigt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl das erste Reaktionsteil 27 als auch das zweite Reaktionsteil 32 als gesonderte Teile ausgebildet, welche mittels gemeinsamer Radialzapfen gleit fähig mit Bezug auf die feststehende Triebwerkskonstruktion sind. Die Zapfen sind mit ihren radial äußeren Enden am Triebwerks gehäuse befestigt. Es ist jedoch auch möglich, daß die Bolzen an geeignet bemessenen Dämpfungsgliedern befestigt sind. Die Arbeitsweise dieser Aus führungs form ist gleich derjenigen der in Fig. 2 beschriebenen Anordnung. Die Verwendung eines als gesondertes Teil ausgebildeten zweiten Reaktionsteils 32 stellt sicher, daß dessen

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Masse besser auf diejenige des ersten Reaktionsteils 27 abgestimmt werden kann. In manchen Fällen ist es vom Gesichtspunkt der Konstruktion her weder praktisch noch wünschenswert, einen Teil des Triebwerks gehäuses als zweites Reaktionsteil auszubilden, da es entweder zu einem übermäßig schweren oder einem schwachen Gehäuse führen kann.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem die den Dichtring 26 bildenden Segmente ebenso wie bei der Aus führungs form nach Fig. 3 an Armen 40 angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet jedoch das zweite Reaktionsteil 32 einen Teil der Triebwerksgehäusekonstruktion. Das erste Reaktionsteil 27 ist als gesondertes Teil ausgebildet, welches auf einer Anzahl radial verlaufender Zapfen, die ebenso wie bei der Aus führungs form nach Fig. 2 am Triebwerks gehäuse befestigt sind, verschieblich montiert ist. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist im wesentlichen gleich derjenigen der Aus führungs form nach Fig. 2.

Obwohl bei allen beschriebenen Ausführungsformen ein Dichtungsring 26 aus einer Anzahl von gleitend angeordneten Segmenten Anwendung findet, ist es möglich, diese Segmente durch ein ununterbrochenes Band aus elatischem Werkstoff zu ersetzen.

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Durch geeignete Wahl der für die beiden Re actions teile verwendeten Metalle und durch sorgfältige Bemessung der Reaktionsteile kann das Ausmaß der Dehnung und Zusammenziehung dieser Teile gesteuert werden. Auf diese Weise kann der Dichtungsring 26 derart durch die Reaktionsteile gesteuert werden, daß das erste Reaktionsteil den Dicntungsring während einer bestimmten Zeitdauer entsprechend einem Temperaturanstieg von den Schaufelspitzen entfernt nält und der Dichtungsring danach durch das zweite Reaktionsteil gesteuert wird. Auf diese Weise können die Reaktionsteile so gewählt sein, daß sie eine Vielfalt von verschiedenen Triebwerksbetriebsverhalten ermöglichen.

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Claims

P aten t ansp rüche

I 1. Dichtungsanordnung für Gasturbinentriebwerke, dadurcn gekennzeichnet, daß dieselbe einen dehnbaren Dichtungsring (26), weiter ein erstes ringförmiges Reaktionsteil (27), welches bezüglich Wärmedehnungen eine relativ große Ansprechgeschwindigkeit auf Te rap er at uran de run ge η und mit dem Dichtungsring zusammenwirkende, eine relativ schnelle Dehnung desselben bewirkende Mittel besitzt, und ein zweites ringförmiges Reaktionsteil (32) aufweist, welches bezüglich Wärmedehnungen eine relativ geringe Ansprechgeschwindigkeit auf Temperaturänderungen und ebenfalle mit dem Dichtungsring zusammenwirkende Mittel (3*0 besitzt, die bei Temperaturabfällen den Dichtungsring relativ langsam zusammenziehen.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (26) aus einer Vielzahl von Segmenten zusammengesetzt ist.

3· Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (26) als ununterbrochener Ring aus elastischem Werkstoff ausgebildet ist.

k. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

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dadurch gekennzeichnet₃ daß der Dichtungring (26) auf einer Anzahl Treu Jeweils an der feststehenden Konstruktion befestigten Radial olzen (29) gleitend versehieblien angeordnet ist.

5. Dieiltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3$ dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (26) von eiiaer Vielzahl von im wesentlichen axial verlaufenden Armen gehalten wird, die an der feststehenden Konstruktion feefestigt sind.

6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet» daß die genannten Arme (40) jeweils schwenkbar an der feststehenden Konstruktion befestigt sind,

T. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Reaktionsteil (27) eine relativ geringe Masse besitzt und mit einem Hochdruek-StromiangseLttel beaufschlagt wird, derart, daß es sieh entsprechend der Strömungsmitteltemperatur schnell ausdehnt oder zusajoraenzieht.

8. Mehtungs anordnung nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Reaktionsteil (32) eine relativ große Masse aulweist oder gegen das Hochdruck-Ströinungsmittel abge-

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schirmt ist, derart, daß es sich entsprechend der Strömungsmitte !.temperatur relativ langsam ausdehnt oder zusammenziehte

9. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprücne 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reaktionsteile (27, 32) und der Dichtungsring (26) koaxial zueinander angeordnet sind.

10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Dicntungsring (26) zusammenwirkenden Mittel (28) des ersten Reaktionsteils (27) einen radial einwärts ragenden Plansch aufweisen, der in einem mit einem Axialansatz des Dichtungsringes zusammenwirkenden Axialansatz endigt.

11. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprücne 1 bis 10·, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Dichtungsring (26) zusammenwirkenden Mittel (3*0 des zweiten Reaktionsteiles (32) einen mit einem Axialansatz des Dichtungsringes zusammenwirkenden Axialansatz aufweisen.

12. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Reaktionsteil (32) durch einen am Triebwerksgehäuse befestigten oder einstückig damit ausgebildeten Ring gebildet ist.

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13. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Beaufscnlagung des ersten Reaktionsteils (27) dienende riochdruck-Strömungsmittel aus dem Hochdruckverdichter des Triebwerks kommende Luft ist, welche auf das erste Reaktionsteil auftrifft oder durch dieses hindurchströmt.

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