DE2743774A1

DE2743774A1 - Anpassungsfaehiges turbinen-zwischenstufenabstandsglied

Info

Publication number: DE2743774A1
Application number: DE19772743774
Authority: DE
Inventors: Jack Reid Martin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-10-01
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1978-04-13
Also published as: US4088422A; JPS5364111A; IT1085288B; CA1076485A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von Gasturbinentriebwerken und insbesondere auf ein neues Zwischenstuf enabstandsglied für einen mehrstufigen Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit verbesserter Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit.

Mehrstufige Turbinen enthalten im allgemeinen zwischen den Stufen Abstandsglieder, um zwischen den Turbinenstufen ein vorbestimmtes Abstandsmaß aufrechtzuerhalten und um eine Zwischenstufenabdichtung zum Verhindern einer Leckerscheinung des von der vorhergehenden Stufe komprimierten Gases zu bilden. Ein typisches bekanntes Zwischenstufenabstandsglied ist in Figur 1 dargestellt. Das Zwxschenstufenabstandsglied 2 enthält an seinem äußeren Durchmesserbereich einen sich axial erstreckenden Flansch 3, der an seinen entgegengesetzten Enden ein Paar von Fugen- oder Falzzähnen 4 und 6 hat. Die Zähne 4 und 6 liegen an Flanschen 8 und an, welche sich axial von endseitigen Dichtplatten 12 und 14 erstrecken, die an entsprechenden angrenzenden Turbinenläufern 16 und 18 angebracht sind. Die von den Zähnen 4 und 6 gebildete, an den entsprechenden Flanschen 8 und 1o anliegende Dichtung verhindert eine Leckerscheinung bezüglich der zwischen den Turbinenstu-

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fen 16 und 18 strömenden Gase. Das Abstandsglied 2 enthält ferner einen Schaftteil 2o, der sich radial einwärts erstreckt und der in einem Paar von axial verlaufenden Flanschen 22 sowie 23 endet, die jeweils mit dem Nabenteil der Läufer 16 und 18 verschraubt sind. Das Abstandsglied 2 enthält ferner an seinem Außendurchmesserbereich eine Vielzahl von Labyrinthzähnen 24, die sich in Dreheingriff mit einer Dichtungslauffläche 25 befinden, wel

eher mit einem Beschleuniger 26 zusammenhängend ausgebildet ist, um eine Drehdichtung für den Beschleuniger zu bilden.

Abstandsglieder dieser Art sind mit verschiedenen Wartung s- und Zuverlässigkeitsproblemen verbunden. Viele dieser Probleme beruhen auf den während des Turbinenbetriebes auf das Abstandsglied ausgeübten Zugbeanspruchungen. Diese Kräfte ergeben sich hauptsächlich infolge einer ungleichen Temperaturverteilung an dem Abstandsglied. So arbeitet der Außendurchmesserbereich des Abstandsgliedes, der sich in einer größeren Nähe zu den aus dem Brenner (nicht dargestellt) austretenden relativ heißen Gasen befindet, bei sehr viel höheren Temperaturen als der Innendurchmesserbereich des Abstandsgliedes. Zwischen den Außendurchmesser- und Innendurchmesserbereichen des Abstandsgliedes 2 treten Temperaturgradienten bzw. -unterschiede von 220 C auf. Diese ungleiche Temperaturverteilung veranlaßt den äußeren Durchmesserbereich des Abstandsgliedes 2 zu einem Wegziehen von dem verschraubten inneren Durchmesserbereich, was zu relativ großen Zugbeanspruchungen bzw. -kräften in dem Abstandsglied führt. Diese Zugkräfte führen zu einer bedeutenden Vergrößerung der Lebensdauerermüdung des Abstandsgliedes 2 und hierdurch zu einer bedeutenden Reduzierung seiner Zuverlässigkeit. Diese Zugkräfte neigen auch zu einem Ausbreiten irgendwelcher Risse, die in dem Abstandsglied 2 entstehen können, was zu einer weiteren Verminderung der Zuverlässigkeit führt.

Ein anderes bei bekannten Abstandsgliedern auftretendes Problem besteht darin, daß die zwischen den Zähnen 4 sowie 6 und den entsprechenden Flanschen 8 sowie 1o gebildete Dichtung bei den relativ hohen Temperaturen, bei denen dieser Turbinenabschnitt arbeitet, sehr gleitreibungsheeeiend ist. Wegen des axialen Wachsens bzw. Ausdehnens des Abstandsgliedes 2 und der Turbinenläufer

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16 sowie 18 bei diesen relativ hohen Betriebstemperaturen werden jedoch die Zähne 4 und 6 einer Gleitreibung unterworfen. Der Widerstand der Zähne 4 und 6 gegenüber einer Gleitreibung kann zu einem Fesseh des Abstandsgliedes an den Zähnen 4 und 6 führen, wodurch axiale Belastungen erzeugt werden, die die Kühlplatten 12 und 14 von den entsprechenden Läufern 16 und 18 abheben können.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Lösungen dieser Probleme vorgeschlagen. Die meisten Vorschläge bezogen sich auf Abstandsglieder, die für ein gewisses Maß an axialer Anpassungsfähigkeit sorgen. Jedoch hat sich keines dieser bekannten Abstandsglieder als wirksam erwiesen, wenn auch das Erfordernis besteht, daß eine endseitige Dichtplatte in Berührung mit dem Abstandsglied bleibt, wie wenn beide Stufen luftgekühlt werden müssen. Ferner sind viele der bekannten Abstandsglieder so gestaltet, daß sie unrund werden können, wodurch die Dichtungswirksamkeit der darauf angeordneten Labyrinthzähne reduziert wird.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zuverlässigeres und leistungsfähigeres Zwischenstufenabstandsglied für eine mehrstufige Turbine zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Zwischenstufenabstandsgliedes für eine mehrstufige Turbine, welches ohne Auftreten von Freßerscheinungen das axiale Wachsen bzw. Ausdehnen der Turbinenstufen aufnimmt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Zwischenstufenabstandsgliedes für eine mehrstufige Turbine, welches im Betrieb keine große Zugbelastung zeigt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Zwischenstufenabstandsgliedes für eine mehrstufige Turbine, welches in Verbindung mit Turbinenläufern benutzt werden kann, die endseitige Dichtplatten oder einen ähnlichen Aufbau für eine Luftkühlung und Abdichtung haben.

Diese und andere Ziele werden mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erreicht, bei der der mehrstufige Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit einem neuen und verbesserten Abstandsglied ausgebildet ist. Das Abstandsglied

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weist eine hohle Scheibe auf, die an ihrem äußeren Durchmesserbereich einen sich axial erstreckenden Flanschteil mit einer Vielzahl von darauf angeordneten Labyrinthzähnen hat. Die äußeren Enden des Flansches sind abgeschrägt bzw. verjüngt, um Fugen- oder

Falzzähne —für einen Dichtungseingriff mit entsprechenden

Flanschen zu oilden, die sich an entsprechenden Kühlplatten an den Turbinenläufern axial erstrecken. Zum Bilden einer axialen

Flexibilität sind die innersten Labyrinthzähne durch einen

flexiblen Dehnungsausgleicher bzw. Balg getrennt, der sich über den Flansch radial einwärts erstreckt. Das Abstandsglied ist nicht mit den Turbinenläufern verschraubt, sondern kann sich an den axial verlaufenden Flanschen der Läufer frei bewegen. Zum Verbinden der Naben der Turbinenläufer ist ein separates ringförmiges Koppelglied vorgesehen.

Da das Abstandsglied nicht mit den Läuferabschnitten verschraubt ist, unterliegt es keinen Zugkräften infolge einer Betriebstemperaturdifferenz an den Außendurchmesser- und Innendurchmesserbereichen. Hierdurch werden das Ermüdungsverhalten verbessert und eine Rißausbreitung verhindert, was zu einer bedeutenden Vergrößerung der Zuverlässigkeit des Abstandsgliedes führt. Die durch den Dehnungsausgleicher hervorgerufene axiale Anpassungsfähigkeit verhindert eine Gleitreibung infolge einer thermischen Expansion der Läufer an der Fugen- bzw. Stoßdichtung, und hierdurch werden Freßerscheinungen, der Dichtung vermieden, die dazu neigen, die Kühlplatten von den Läufern abzuziehen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem zeichnerisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - in einer Schnittansicht ein bekanntes Turbinen-Zwischenstufenabs tandsglied und

Figur 2 - in einer Schnittansicht ein erfindungsgemäßes Turbinen-Zwischenstufenabs tandsglied .

In Figur 2 sind zwei angrenzende Turbinenläufer 27 und 28 eines mehrstufigen Turbinenabschnitts für ein Gasturbinentriebwerk dargestellt. Der Randteil eines jeden Läufers 27 und 28 enthält ein Paar von endseitigen Dichtplatten 3o sowie 32, die an

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entgegengesetzten Enden des Läufers 27 anliegen, und von endseitigen Dichtplatten 34 sowie 36, die an entgegengesetzten Enden des Läufers 28 anliegen. Die Dichtplatten 3o und 32 werden gegen die entgegengesetzten Enden des Läufers 27 gedrückt, und zwar durch eine Vielzahl von Schrauben 35, die sich durch eine kreisförmige Reihe von Schraubenlöchern 3 7 im Halsteil des Läufers 27 erstrekken. Die Dichtplatten 34 und 36 werden gegen entgegengesetzte En^- den des Läufers 28 gepreßt und zwar durch eine Vielzahl von Schrauben 38, die sich durch eine kreisförmige Reihe von Schraubenlöchern 48 im Halsteil des Läufers 28 erstrecken. Die Dichtplatten 3o, 32, 34 und 36 haben entsprechende, sich axial erstreckende Flansche bzw. Ränder 42, 44, 46 und 48. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Läufer 27 und 28 an ihrer Nabe mit einem Ringkoppelglied 52 verbunden, das an seinem Außendurchmesserbereich sich radial nach außen erstreckende Flansche bzw. Ränder 53 und 54 aufweist. Der Flansch 53 ist mit der Nabe des Läufers 27 durch eine Vielzahl von Schrauben 56 verschraubt, die sich durch eine kreisförmige Reihe von Schraubenlöchern 58 in dem Nabenteil des Läufers 27 und von entsprechend angrenzenden Löchern 6o in dem Flansch 53 erstrecken. Der Flansch 54 ist mit der Nabe des Läufers 28 durch eine Vielzahl von Schrauben 62 verschraubt, die sich durch eine kreisförmige Reihe von Schraubenlöchern 64 in dem Nabenteil des Läufers 28 und von entsprechenden angrenzenden Lächern 66 in dem Flansch 54 erstrecken.

Ein allgemein mit 68 bezeichnetes ringförmiges Abstandsglied ist zwischen den Läuferstufen 27 und 28 vorgesehen. Dieses Abstandsglied 68 sorgt für ein Abdichten der Schaufelbereiche der Läufer 27 und 28 gegenüber einer Leckerscheinung und bildet ferner eine Labyrinthdichtung für einen allgemein mit 7o bezeichneten angrenzenden Gasbeschleuniger. Das Abstandsglied 68 weist eine ringförmige hohle Scheibe auf, die einen sich axial erstreckenden und allgemein mit 72 bezeichneten Flanschteil enthält, an dem eine Vielzahl von axial verteilten, sich radial nach außen erstreckenden Labyrinthzähnen 74 angeordnet ist. Die Zähne 74 befinden sich in Dreh- und Abdichtungseingriff mit einer Dichtungslauffläche

25, die — einstückig mit dem Beschleuniger 7o ausgebildet

ist. Die äußeren Enden des Flanschteils 72 sind verjüngt, um an

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entgegengesetzten Enden Fugenzähne (rabbet teeth) 77 und 78 zu bilden. Der Zahn 77 befindet sich in Dichtungseingriff mit dem sich axial erstreckenden Flansch 44 an der Dichtplatte 32, während der Zahn 78 in Dichtungseingriff mit dem sich axial erstreckenden Flansch 46 an der Dichtplatte 34 angeordnet ist. Zum Bilden einer axialen Anpassungsfähigkeit sind die innersten Labyrinthzähne 74 durch einen allgemein mit 8o bezeichneten flexiblen Dehnungsausgleicher bzw. Balg (bellows) getrennt. Dieser erstreckt sich von dem Flanschteil 72 radial nach außen. Das Abstandsglied 68 enthält ferner einen verjüngten Halsteil 82, der sich von dem Balg bzw. Dehnungsausgleicher 8o radial einwärts erstreckt und sich zu einem Nabenteil 84 nach außen erweitert. Das Abstandsglied 68 ist in dieser Weise gestaltet, um eine optimale Verteilung der in ihm während der Rotation erzeugten Belastungen zu erzielen, so daß das Abstandsglied radial selbsttragend ausgebildet ist.

Um ein Ausbilden übermäßiger Zugbeanspruchungen in dem Abstandsglied 68 zu verhindern, ist dieses nicht mit dem entsprechenden Nabenteil der Läufer 27 und 28 verschraubt. Vielmehr sind die Nabenteile der Läufer 27 und 28 durch das ringförmige Koppelglied 52 miteinander verbunden. Da das Abstandsglied 68 nicht mit den Läuferabschnitten verschraubt ist, unterliegt es keinen Zugkräften infolge einer Betriebstemperaturdifferenz an den äußeren und inneren Durchmesserbereichen. Dadurch werden die Ermüdung während der Lebensdauer des Abstandsgliedes verbessert bzw. reduziert und eine darin erfolgende Rißausbreitung vermieden, wodurch die Zuverlässigkeit des Abstandsgliedes 68 bedeutend vergrößert wird. Die durch den Dehnungsausgleicher 8o erzeugte axiale Anpassungsfähigkeit begrenzt die die Läufer auseinanderdrückende Last bzw. Kraft, die auftritt, wenn die Gleitreibung an den Zähnen 77 und 78 infolge einer thermischen Expansion der Läufer groß ist. Aufgrund der axialen Anpassungsfähigkeit wird ein Festfressen des Abstandsgliedes 68 vermieden.

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Claims

Ansprüche

Zwischenstufenabstandsglied für eine mehrstufige Turbine, gekennzeichnet durch eine hohle Scheibe (68), die zwischen Turbinenstufen (27, 28) angeordnet ist und an ihrem äußeren Durchmesserbereich einen sich axial erstreckenden Flanschteil (72) enthält, der an den angrenzenden Turbinenstufen (27, 28) anliegt und der sich an einem Punkt zwischen seinen Enden (77, 78) radial einwärts erstreckt, um ein flexibles bzw. anpassungsfähiges Dehnungsausgleichsmittel (8o) zum Aufnehmen eines axialen Wachsens bzw. Ausdehnens der Turbinenstufen (27, 28) zu bilden.
2. Abstandsglied nach Ar.spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flanschteil (2) ferner eine Vielzahl von axial beabstandeten, sich radial nach außen erstreckenden Labyrinthzähnen (74) enthält.
3. Abstandsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Dehnungsausgleichsmittel (8o) zwischen den innersten Labyrinthzähnen (74) angeordnet ist.
4. Abstandsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden (77, 78) des Flanschteils (72) verjüngt sind, um Fugenzähne zu bilden, die sich in Dichtungseingriff mit entsprechenden endseitigen Dichtplatten (32, 34) befinden, welche an den angrenzenden Turbinenstufen (27, 28) angebracht sind.
5. Abstandsglied nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch einen verjüngten Halsteil (82), der sich von dem flexiblen

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Dehnungsausgleichsmittel (80) radial einwärts erstreckt und der sich in einen Nabenteil (84) am Innendurchmesserbereich des Abstandsgliedes (68) erweitert.
6. Abstandsglied nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch ein ringförmiges Koppelglied (52) , das zwischen den Turbinenstufen (27, 28) angeordnet ist und an entgegengesetzten Enden des Innendurchmesserbereichs ein Paar von sich radial nach außen erstreckenden Flanschen (53, 54) hat, die mit den Naben der entsprechenden angrenzenden Turbinenstufen (27, 28) verschraubbar sind.
7. Zwischenstufenabstandsglied für eine mehrstufige Turbine, gekennzeichnet durch eine zwischen Turbinenstufen (27, 28) angeordnete hohle Scheibe (68) mit einem sich axial erstreckenden Flanschteil (72) am Außendurchmesserbereich, wobei die Enden (77, 78) des Flanschteils (72) verjüngt sind, um Fugenzähne zu bilden, die sich in Dichtungseingriff mit entsprechenden endseitigen Dichtplatten (32, 34) befinden, welche an den angrenzenden Turbinenstufen (27, 28) angebracht sind, wobei der Flansch (72) eine Vielzahl von axial verteilten, sich radial nach außen erstreckenden Labyrinthzähnen (74) hat, die sich in Dreh- und Dichteingriff mit einer Dichtung lauffläche (76) befinden, welcher mit einem Gasbeschleuniger (7o gas accelerator) zusammenhängend ausgebildet ist, und wobei sich das Abstandsglied von dem Flanschteil (72) an einer Stelle zwischen den innersten Labyrinthzähnen (74) radial einwärts erstreckt, um einen flexiblen Dehnungsauscleicher (80) zu bilden, dessen unterer Teil sich weiter radial einwärts erstreckt, um einen verjüngten Hals (82) zu bilden, der sich am Innendurchmesserbereich des Abstandsgliedes in eine Nabe (84) erweitert, und durch ein ringförmiges Koppelglied (52) , das zwischen den Turbinenstufen (27, 28) radial einwärts von der hohlen Scheibe (68) angeordnet ist und an entgegengesetzten Enden des Innendurchmesserbereichs ein Paar von sich radial nach außen erstreckenden Flanschen (53, 54) hat, welche mit den Naben der entsprechenden angrenzenden Läufer (27, 28) verschraubbar sind.

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