DE2554563B2 - Anordnung zur Schaufelspitzendichtung bei Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schaufelspitzendichtung bei Gasturbinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das wesentliche Problem bei Schaufelspitzendichtun-• gen von Gasturbinen liegt bekanntermaßen in der Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraumes bei allen Betriebszuständen, insbesondere während Übergangszuständen, d. h. Beschleunigungs- oder Verzögerungsphasen der Turbine. Dies beruht auf dem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhalten von Turbinenlaufradscheibe, Turbinenschaufeln und Turbinengehäuse. Man versucht daher, die Geschwindigkeit der Wärmebewegungen des mit den Schaufelblattspitzen des Turbinenläufers zusammenwirkenden Dichtungselements in Anpassung an das Wärmebewegungsverhalten des Turbinenläufers so zu steuern, daß der Dichtspalt auch während Leistungssteigerungs- und Drosselungsphasen des Betriebs möglichst weitgehend konstant bleibt.

Bei einer aus der DE-OS 16 Ol 676 bekannten Anordnung der eingangs genannten Art ist das, das Dichtungselement begrenzt radial beweglich im Gehäuse abstützende bzw. führende Steuerteil durch einen vom Gehäuse radial einwärts ragenden Ringflansch gebildet, der nahe seinem radial inneren Rand stirnseitig eine Ringnut aufweist, in welche ein Axialansatz des Dichtungselements hineinragt, so daß die Ringnut mit ihren radial inneren und äußeren Nutflanken das radiale Bewegungsspiel des Dichtungselements begrenzt Das Dichtungselement selbst ist bei der bekannten Anordnung aus mehreren, ohne Radialspiel ineinandergreifenden Bauteilen aufgebaut, die zwischen sich kühlmitteldurchströmte Kammern begrenzen.

Das Arbeitsprinzip der bekannten Anordnung beruht darauf, daß durch dosierte Kühlung des Dichtungselements mit Hilfe von, von einem Verdichter zugeleiteter, durch die Kammern des Dichtungselements hindurchströmender und schließlich in den Arbeitsmittelkanal der Turbine austretender Kühlluft ein bestimmtes Temperaturansprechverhalten des Dichtungselements erzeugt wird, dessen Wärmebewegungen also in Abhängigkeit von der Kühlung durch die Kühlluft einerseits und von der Erwärmung durch das Turbinenarbeitsmittel andererseits abhängig ist. Mit Ausnahme der Begrenzungswirkung der Nutflanken des Radialflansches auf die Radialbeweglichkeit des Dichtungselements findet keine Beeinflussung der Wärmebewegungen des Dichtungselements durch andere Bauteile statt Mit der bekannten Anordnung wird zwar eine Anpassung des Wärmebewegungsverhaltens des Dichtungselements an das Wärmebewegungsverhalten des Turbinenläufers erreicht, jedoch berücksichtigt die bekannte Anordnung noch nicht in zufriedenstellendem Maße die Abhängigkeit des Temperaturansprechverhaltens des Turbinenläufers in Abhängigkeit vom Richtungssinn einer auftretenden Temperaturänderung. Es hat sich nämlich gezeigt, daß beim schnellen Hochfahren der Turbine bis auf die Nenndrehzahl eine in mehreren Schritten ablaufende radiale Dehnung des Turbinenläufers auftritt. Am Anfang dehnen sich die verhältnismäßig dünnen Laufschaufeln aufgrund der Temperaturzunahme und der Fliehkraft schnell aus, wozu sich die Radialdehnung der Laufradscheibe infolge der Fliehkraft addiert. Ein weiterer Wärmedehnungsschritt tritt erst verzögert auf, wenn sich die verhältnismäßig dicke Laufradscheibe erwärmt. Während diesen Dehnungsphasen des Läufers dehnt sich auch das diesen umschließende Gehäuse mit stetig abnehmender Dehnungsgeschwindigkeit aus. Bei einer Drosselung der Turbine läuft die Zusammenziehungsbewegung des Turbinenläufers wegen der Wärmekapazität der dicken Laufradscheibe verzögert ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufelspitzendichtungsanordnung der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine noch bessere Berücksichtigung des Wärmebewegur.gsverhaltens des Turbinenläufers in Abhängigkeit vom jeweiligen Richtungssinn einer Arbeitstemperaturänderung auszubilden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Konstruktion gelöst.

Damit wird die vorteilhafte Wirkung erzielt, daß Wärmebewegungen des Dichtungselements bei Temperaturänderungen nicht allein vom Betrag der Temperaturänderung, sondern außerdem vom Richtungssinn der Temperaturänderung abhängig verlaufen, also bei Temperaturanstiegen schneller und bei Temperaturabfällen langsamer erfolgen. Damit wird den oben erwähnten Umständen des ungleichförmigen Ablaufs der Wärmebewegungen des Turbinenläufers aufgrund unterschiedlichen thermischen Ansprechverhaltens der Schaufelblätter und der Laufradscheibe Rechnung getragen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialhalbschnitt durch die Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung, und

Fig.3 noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch die Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks. Die Hochdruckturbine weist ein Leitrad 20 und stromab davon ein Turbinenlaufrad mit Laufschaufeln 21 und einer Radscheibe 22 auf, die auf einer Hochdruckwelle 23 angeordnet ist. Stromab des Turbinenlaufrads 21, 22 befindet sich ein weiteres Leitrad 24, dem ein weiteres Laufrad 25 nachgeschaltet ist

Radial außerhalb der Laufschaufeln 21 t ;findet sich eine mit den Schaufelspitzen zusammenwirkende Dichtungsanordnung, die einen aus Segmenten zusammengesetzten Dichtungsring 26 aufweist. Radial außerhalb des Dichtungsrings ist ein erstes ringförmiges Steuerteil 27 angeordnet, das an seinem stromaufseitigen Ende mit einem radial einwärts ragenden Flansch mit einem Axialansatz 28 versehen ist, der mit dem Dichtungsring 26 zusammenwirkt und als Stütze für diesen dient An seinem stromabseitigen Ende ist das Steuerteil 27 mit einem Axialansatz 28a versehen, der in eine Ringnut des Dichtungsringes 26 hineinragt.

Das Steuerteil 27 ist mittels einer Anzahl radiaier Bolzen 29 radial beweglich gehaltert, die mit ihren radial äußeren Enden in Bohrungen des Triebwerksgehäuses befestigt sind. Das Steuerteil 27 ist außerdem mit einer Vielzahl von Bohrungen mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser versehen, welche den Durchtritt von unter hohem Druck stehender Luft aus dem Hochdruckverdichter ermöglichen. Diese Hochdruckluft erfüllt zwei Aufgaben: Erstens bringt sie beim Triebwerksanlauf das Steuerteil 27 schnell auf Betriebstemperatur, weshalb es sich schnell ausdehnt und mittels seiner Axialansätze 28 und 28a auch den Dichtungsring 26 mitnimmt, so daß zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Dichtungsring ein geeigneter Spielraum vorhanden bleibt und der Dichtungsring somit der Wärmedehnung des Turbinenlaufrads angepaßt ist. Zweitens dient die Hochdruckluft nach dem Hindurchströmen durch das Steuerteil 27 zum Kühlen der Segmente des Dichtungsringes 26, wonach sie durch zwei in Umfangsrichtung verlaufende Bohrungsreihen 30 und 31 in den Treibgaskanal austritt und zwischen der Dichtungsanordnung und den angrenzenden Leiträdern 20 und 24 Luftdichtungen bildet.

Stromab und im wesentlichen radial außerhalb des ersten Steuerteils 27 ist ein im wesentlichen konusförmiger Gehäuseteil 32 angeordnet, der ein zweites ringförmiges Steuerteil bildet. Dieses zweite Steuerteil 32 weist eine beträchtlich größere Masse als das erste Steuerteil 27 auf und ist durch eine ringförmige Abschirmung 33 gegen die eine relativ hohe Temperatur aufweisende Hochdruckluft abgeschirmt. Wenn beim Triebwerksanlauf sich das aufgrund seiner relativ geringen Masse und aufgrund der direkten Berührung mit der Hochdruckluft thermisch schnell ansprechende erste Steuerteil 27 verhältnismäßig schnell ausdehnt, spricht das zweite Steuerteil wegen seiner größeren Masse und der Abschirmung 33 thermisch nicht so schnell an und dehnt sich deshalb langsamer aus, bis es etwa die gleiche Dehnung wie das erste Steuerteil erfahren hat Während des normalen Reiseflugzustandes nehmen die Steuerteile 27 und 32 und der Dichtungsring 26 im wesentlichen die in F i g. 1 gezeigten Stellungen ein.

Beim Abschalten des Triebwerks zieht sich das erste Steuerteil 27 relativ schnell zusammen, jedoch wird der Dichtungsring 26 durch einen Axiaknsatz 34 des zweiten Steuerteils 32 in seiner gedehnten Stellung

ίο gehalten. Das zweite Steuerteil 32 zieht sich langsamer als das erste Steuerteil 27 zusammen und steuert daher das Maß der Zusammenziehung des Dichtungsringes 26 so, daß eine Berührung zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Dichtungsring 26 verhindert wird.

is Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Dichtungsanordnung, gemäß welcher jedes der dem Dichtungsring 26 bildenden Segmente von einer Anzahl von etwa axial verlaufenden Armen 40 gehaltert ist von denen einer dargestellt ist Die Arme 40 sind mit Hilfe von Kugeigelenken 41 schwenkbar an der feststehenden Triebwerkskonstruktion gehaltert

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl das erste Steuerteil 27 als auch das zweite Steuerteil 32 als gesonderte Bauteile ausgebildet, die mittels gemeinsamer Radialbolzen 42 radial gleitend verschiebbar mit Bezug auf die feststehende Triebwerkskonstruktion geführt sind. Die Bolzen sind mit ihren radial äußeren Enden am Triebwerksgehäuse befestigt. Es ist jedoch auch möglich, die Bolzen an Dämpfungsgliedern zu befestigen. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist gleich derjenigen der anhand F i g. 1 beschriebenen Anordnung. Die Verwendung eines als gesondertes Bauteil ausgebildeten zweiten Steuerteils 32 stellt sicher, daß dessen Masse besser auf diejenige des ersten Steuerteils 27 abgestimmt werden kann. In manchen Fällen ist es vom Gesichtspunkt der Konstruktion her weder praktisch noch wünschenswert, einen Teil des Triebwerksgehäuses als zweites Steuerteil auszubilden, da dies entweder zu einem übermäßig schweren oder einem schwachen Gehäuse führen kann.

F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Dichtungsanordnung, bei welchem die den Dichtungsring 26 bildenden Segmente ebenso wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2 an Armen 40 angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet jedoch das zweite Steuerteil 32 einen Teil der Triebwerksgehäusekonstruktion. Das erste Steuerteil 27 ist als gesondertes Bauteil ausgebildet, welches auf einer Anzahl radial verlaufender Bolzen, die ebenso wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 am Triebwerksgehäuse befestigt sind, radial verschieblich montiert ist Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist im wesentlichen gleich derjenigen der Ausführungsform nach F i g. 1.

Obwohl bei allen beschriebenen Ausführungsformen ein Dichtungsring 26 aus einer Anzahl von gleitfähig angeordneten Segmenten Anwendung findet, ist es möglich, diese Segmente durch einen ununterbrochenen Ring aus elastischem Werkstoff zu ersetzen.

Durch geeignete Wahl der für die beiden Steuerteile verwendeten Metalle und durch sorgfältige Bemessung der Steuerteile kann das Ausmaß der Dehnung und Zusammenziehung dieser Teile gesteuert werden. Auf diese Weise kann der Dichtungsring 26 derart durch die Stei.'erteile gesteuert werden, daß das erste Steuerteil den Dichtungsring während einer bestimmten Zeitdauer entsprechend einem Temperaturanstieg von den Schaufelspitzen entfernt hält und der Dichtungsring danach durch das zweite Steuerteil gesteuert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Schaufelspitzendichtung bei Gasturbinen, mit einem mit den Schaufelspitzen zusammenwirkenden, radial beweglich angeordneten Dichtungselement und mit einem dieses unter Begrenzung seines radialen Bewegungsspiels im Gehäuse abstützenden Steuerteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (26) außerdem mit einem weiteren Steuerteil (27) begrenzt radial beweglich zusammenwirkt, das seinerseits radial beweglich im Gehäuse geführt (29) ist daß ferner das weitere Steuerteil eine geringere thermische Trägheit als das erstgenannte Steuerteil (32) hat und daß beide Steuerteile jeweils mit radial nach innen weisenden Gegenflächen des Dichtungselements zusammenwirkende Eingriffsmittel (28,34) aufweisen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Steuerteil (27) auf an der feststehenden Konstruktion befestigten Radialbolzen (29) gleitend verschieblich geführt ist

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Steuerteile (27, 32) auf gemeinsamen, an der feststehenden Konstruktion befestigten Radialbolzen (42) gleitend verschieblich geführt sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Steuerteil (27) eine relativ geringe Masse hat und mit einem Hochdruckmittel beaufschlagbar ist, aufgrund dessen Temperatur es sich schnell ausdehnt oder zusammenzieht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Steuerteil (32) eine relativ große Masse aufweist oder gegen das Hochdruckströmungsmittel abgeschirmt ist.