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Einrichtung zur Einhaltung bestimmter Ausmaße von
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Dichtspalten zwischen Laufschaufel und/oder Labyrinthspitzen und
den damit zusammenwirkenden Dichtflächen für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Einhaltung bestimmter Ausmaße von Dichtspalten zwischen
den Spitzen von Leitschaufeln und/oder Labyrinthen und den damit zusammenwirkenden
Dichtflächen für Gasturbinentriebwerke, wobei jedes Labyrinth an der Rotorscheibe
befestigt ist, wobei sich jede mit den Labyrinthspitzen zusammenwirkende Dichtfläche
an jeweils einem Leitschaufelkranz befindet, wobei jede mit den Laufschaufelspitzen
zusammenwirkende Dichtfläche sich an einem ringförmigen Dichtungsträger befindet,
der mit dem Rotorgehäuse verbunden ist, und wobei die Leitschaufeln des jeweiligen
Leitschaufelkranzes zwischen jeweils zwei koaxialen Ringen angeordnet sind.
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Die Einhaltung bestimmter möglichst kleiner Ausmaße von Dichtspalten
zwischen den Laufschaufel- und/oder Labyrinthspitzen und den damit zusammenwirkenden
Dichtflächen wird für Gasturbinentriebwerke im Hinblick auf niedrigen Treibstoffverbrauch
immer wichtiger.
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Die Problematik der Einhaltung eines bestimmten möglichst kleinen
Schaufel- bzw. Labyrinthspitzenspiels liegt darin, daß der Triebwerksrotor und das
den Triebwerksrotor umschließende Gehäuse bei instationären Betriebszuständen des
Triebwerkes eine in mehreren Schritten ablaufende radiale Dehnung bzw. Kontraktion
erfahren.
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Ein instationärer Betriebszustand des Triebwerkes liegt z.B. dann
vor, wenn das Triebwerk schnell bis auf die Nenndrehzahl hochläuft. Dabei verläuft
die Radialdehnung des Triebwerksrotors und des Rotorgehäuses wie folgt: Am Anfang
dehnen sich die verhältnismäßig dünnen Laufschaufeln infolge der Temperaturzunahme
und unter der Wirkung der Fliehkraft sehr schnell aus. Gleichzeitig dehnen sich
auch die Leitschaufeln auf Grund der Temperaturzunahme in Radialrichtung aus. Die
Laufschaufelspitzen würden dabei in die mit ihnen zusammenarbeitenden Dichtflächen
einlaufen, wenn nicht ein entsprechender Spielraum zwischen den Laufschaufelspitzen
und den damit
zusammenarbeitenden Dichtflächen vorhanden wäre. Auch
würden die Labyrinthspitzen in die Dichtflächen der Leitschaufelkränze einlaufen,
wenn sich nicht ein entsprechender Spielraum zwischen den Labyrinthspitzen und den
damit zusammenwirkenden Dichtflächen befinden würde.
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Zu der Radialdehnung der Leitschaufeln und der Laufschaufeln addiert
sich noch die Radialdehnung der Rotorscheibe, die durch die Fliehkraft erzeugt wird.
Zeitlich später tritt ein weiterer Wärmedehnungsschritt auf, wenn sich die verhältnismäßig
dicke Rotorscheibe auf Betriebstemperatur erwärmt. Gleichzeitig dehnt sich das Rotorgehäuse
aus, und zwar meist infolge des größeren Durchmessers mehr als der Rotor des Triebwerkes,
wobei eine übermäßige Vergrößerung des Spielraums zwischen den Schaufel- und/oder
Labyrinthspitzen und den damit zusammenwirkenden Dichtflächen bewirkt wird.
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Generell gilt, daß Körper mit kleiner Masse, aber mit großer von Heißgas
beaufschlagter Oberfläche, wie z.B.
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Schaufeln und mit den Schaufeln zusammenwirkende Dichtungselemente,
schneller die Endtemperatur annehmen als ihre Trägerkörper mit großer Masse und
nicht unmittelbar
von Heißgas beaufschlagter Oberfläche, wie z.B.
Rotorscheibe und Rotorgehäuse, wenn ein plötzlicher Temperatursprung stattfindet.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Radialdehnung des Triebwerksrotors und des
Gehäuses so zu steuern, daß eine Vergrößerung des Schaufel- und/ oder Labyrinthspitzenspiels
vermieden bzw. in vertretbaren Grenzen gehalten wird. So kann z.B. das Gehäuse von
außen mit Kühl luft beaufschlagt werden, um eine Erhöhung der Gehäutetemperatur
und die damit verbundene Wärmedehnung des Gehäuses zu vermeiden, bzw. auf ein Mindestmaß
zu beschränken. Eine andere Möglichkeit der Beeinflussung der Gehäusetemperatur
und somit der Wärmedehnung des Gehäuses besteht darin, Kühl luft in die Räume zwischen
dem Gehäuse und den Leitschaufelkränzen und den Dichtungen, die mit den Laufschaufeln
zusammenarbeiten, einzublasen.
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Das gewünschte Schaufelspitzenspiel kann auch, wie in Offenlegungsschrift
2 254 563 dargelegt ist, durch Verwendung von Dichtungen mit genau definierter Wärmedehnung
eingehalten werden.
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Die Kühlung des Gehäuses von innen oder von außen mit Kühl luft erfordert
jedoch einen großen baulichen Aufwand und verursacht zudem einen Leistungsverlust
des Triebwerkes. Außerdem entsteht durch die Kühlvorrichtung
eine
Gewichtserhöhung, so daß das Gewicht/Schubverhältnis beeinträchtigt wird. Auch die
in Offenlegungsschrift 2 554 563 aufgezeigte Lösung erfordert einen großen baulichen
Aufwand und verursacht einen unerwünschten Gewichtszuwachs.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Schaffung
einer Einrichtung zur Einhaltung eines bestimmten, möglichst kleinen Schaufel- und/oder
Labyrinthspitzenspiels, ohne daß dabei ein großer baulicher Aufwand erforderlich
wäre und ohne daß dabei ein Gewichtszuwachs bzw. ein Leistungsverlust des Triebwerks
entsteht.
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Die Aufgabe der Erfindung ist dadurch gelöst, daß eine Vielzahl von
radial flexiblen Zylindern an der Innenwand des Rotorgehäuses hintereinander und
koaxial in Bezug auf die Triebwerksachse angeordnet ist, daß jeder Zylinder mit
jeweils einem seiner Enden an der Innenwand des Gehäuses befestigt ist und daß an
dem anderen Ende des jeweiligen Zylinders jeweils der äußere der beiden Ringe, zwischen
denen die Leitschaufeln angeordnet sind und/oder jeder Dichtungsträger, an dem sich
die mit den Schaufel spitzen der Laufschaufeln zusammenwirkenden Dichtfläche befindet,
eingehängt
ist bzw. sind, wobei der äußere der beiden Ringe, zwischen denen die Leitschaufeln
angeordnet sind und/oder jeder Dichtungsträger, an dem sich die mit den Schaufelspitzen
der Laufschaufeln des jeweiligen Laufschaufelkranzes zusammenwirkende Dichtfläche
befindet in Ringsektoren unterteilt ist bzw.
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sind, wobei sich zwischen je zwei benachbarten Ringsektoren ein Wärmedehnungsspalt
befindet, der so bemessen ist, daß er bei Ausdehnung der Ringsektoren in Umfangrichtung
infolge Erwärmung der Ringsektoren zu Null wird, bevor die Ringsektoren, das Rotorgehäuse,
die Zylinder, die Labyrinthe und die Rotorscheibe ihre stationäre Betriebstemperatur
erreicht haben.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der innere der
beiden Ringe, zwischen denen die Leitschaufeln des jeweiligen Leitschaufelkranzes
angeordnet sind, in Ringsektoren unterteilt, zwischen denen sich Wärmedehnungsspalte
befinden, die so bemessen sind, daß sie bei Ausdehnung der Ringsektoren in Umfangsrichtung
zu Null werden, bevor die Ringsektoren, das Rotorgehäuse, die Zylinder, die Labyrinthe
und die Rotorscheibe ihre stationäre Betriebstemperatur erreicht haben.
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Die Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels hervor, das in den Zeichnungen dargestellt ist.
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Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt entlang der Linie I-I in Fig.
2 durch einen Teil einer Turbine mit der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 2 eine
Teilansicht des in Fig. 1 dargestellten Turbinenteils in Richtung des Pfeiles X,
der in Fig. 1 eingetragen ist, und Fig. 3 einen Teil eines Axialschnittes entlang
der Linie III-III in Fig. 2 durch den Turbinenteil gemäß Fig. 1 und Fig. 2.
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Der in den Zeichnungen dargestellte Turbinenteil weist zwei Leitschaufelkränze
1 und einen Laufschaufelkranz 2 auf, der zwischen den beiden Leitschaufelkränzen
1 angeordnet ist. Die Schaufeln 3 des Laufschaufelkranzes 2 sind an ihrem radial
inneren Ende an einer Rotorscheibe 4
befestigt. Jeder Leitschaufelkranz
1 besteht aus einer Vielzahl von Kranzsektoren, von denen jeder vier Schaufeln 5
aufweist, die an ihrem radial äußeren Ende an einem Schaufelplattenringsektor und
an ihrem radial inneren Ende an einem Schaufelplattenringsektor 20 befestigt sind.
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Die Schaufelplattenringsektoren 20 tragen auf ihren Innenseiten Dichtflächen
7, die mit den Spitzen von an der Rotorscheibe 4 befestigten Labyrinthen 8 zusammenwirken,
wobei sich zwischen jeder Dichtfläche 7 und den Spitzen des jeweiligen Labyrinths
8 ein Dichtspalt 15 befindet. Der Laufschaufelkranz 2 ist von einem aus einer Vielzahl
von Sektoren 9 bestehenden Mantelring 10 umgeben. Jeder Mantelringsektor 9 trägt
auf seiner Innenseite zwei Dichtflächen 11, von denen jede mit jeweils einer von
zwei axial versetzten Spitzen 12 zusammenwirkt, die am äußeren Ende jeder Laufschaufel
3 angebracht sind, wobei sich zwischen den Spitzen 12 und denmit den Spitzen 12
zusammenwirkenden Dichtflächen 11 jeweils ein Dichtspalt 16 befindet. Die Dichtspalte
15 und 16 werden entsprechend der zu erwartenden Wärmedehnung der einzelnen Komponenten
des Turbinenteils bei instationären Betriebsbedingungen ausgelegt.
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Der aus Lauf- und Leitschaufelkränzen 1 und 2 und Rotorscheibe 4 bestehende
Triebwerksrotor wird von einem Gehäuse 13 umgeben, an dessen Innenwand erfindungsgemäß
eine Vielzahl von radial flexiblen Zylindern 14 angeordnet sind. Die Zylinder 14
sind hintereinander und koaxial in Bezug auf die Triebwerksachse angeordnet. Mit
den einen Enden sind die Zylinder 14 an der Gehäuseinnenwand befestigt, und an den
anderen Enden, die als Wulst 22 ausgebildet sind, sind die Schaufelplattenringsektoren
6 der Leitschaufelkränze 1 und die Mantelringsektoren 9 eingehängt. Zwischen jeweils
zwei benachbarten Mantelringsektoren 9 befindet sich ein Wärmedehnungsspalt 17,
der in Fig. 2 ersichtlich ist, und zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufelplattenringsektoren
6 bzw. 20 der Leitschaufelkränze 1 befindet sich ein Wärmedehnungsspalt 18 bzw.
21. Zwei der Wärmedehnungsspalte 18 und 21 sind ebenfalls in Fig. 2 ersichtlich.
Sowohl die Wärmedehnungsspalte 17 als auch die Wärmedehnungsspalte 18 und 21 sind
erfindungsgemäß so bemessen, daß sie bei Ausdehnung der Mantelringsektoren 9 bzw.
der Schaufelplattenringsektoren 6 und 20 in Umfangsrichtung unter dem Einfluß von
Wärme zu Null werden bevor das Gehäuse 13, die Zylinder 14, die Rotorscheibe 4,
die Labyrinthe 8, die Mantelringsektoren 9 und die Schaufelplattenringsektoren
6
und 20 in Umfangsrichtung unter dem Einfluß von Wärme zu Null werden bevor das Gehäuse
13, die Zylinder 14, die Rotorscheibe 4, die Labyrinthe 8, die Mantelringsektoren
9 und die Schaufelplattenringsektoren 6 und 20 ihre stationäre Betriebstemperatur
erreicht haben.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die folgende Beschreibung
der Vorgänge in dem Turbinenteil bei einer plötzlichen Temperaturerhöhung, die mit
einer plötzlichen Drehzahlerhöhung verbunden ist.
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Zuerst dehnen sich die Laufschaufeln 3 und die Leitschaufeln 5 infolge
der Temperaturzunahme und unter der Wirkung der Fliehkraft sehr schnell in Radialrichtung
aus, wobei sich die Spaltbreite der Dichtspalte 15 und 16 entsprechend verringert.
Zu der Radialdehnung der Laufschaufeln und der Leitschaufeln 5 addiert sich noch
die Radialdehnung der Rotorscheibe 4 auf Grund der Wirkung der Fliehkraft. Gleichzeitig
mit den Laufschaufeln 3 und den Leitschaufeln 5 dehnen sich die Schaufelplattenringsektoren
6 und 20 und die Mangelringsektoren 9 infolge der Temperaturzunahme und auf Grund
ihrer relativ großen Oberfläche in Umfangsrichtung aus, wobei sich
die
Spaltbreite der Wärmedehnungsspalte 17, 18, und 21 entsprechend verringert. Die
Mantelringsektoren 9 und die Schaufelplattenringsektoren 6 und 20 dehnen sich ungehindert
in Umfangsrichtung so lange aus, bis die Wärmedehnungsspalte 17, 18 und 21 zu Null
geworden sind.
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Ab diesem Zeitpunkt, bei dem weder die Mantelringsektoren 9 und die
Schaufelplattenringsektoren 6 und 20 noch die Teile 4, 8, 13 und 14 ihre stationäre
Betriebstemperatur erreicht haben, verhalten sich die Mantelringsektoren 9 und die
Schaufelplattenringsektoren 6 und 20 wie geschlossene Ringe, d.h. bei dem weiteren
Temperaturanstieg bis zur stationären Betriebstemperatur werden tangentiale Druckspannungen
in den Sektoren erzeugt, und diese tangentialen Druckspannungen bewirken eine Vergrößerung
des Durchmessers des sektorierten Mantelringes 10 und der sektorierten Schaufelplattenringe,
wobei sich die Zylinder 14 entsprechend der ihnen von den Mantelringsektoren 9 und
den Schaufelplattenringsektoren 6 und 20 aufgezwungenen, im wesentlichen tangentialen
Zugspannung radial verformen. Auf Grund der Vergrößerung des Durchmessers des sektorierten
Mantelringes 10 und der sektorierten Schaufelplattenringe wird vermieden, daß bei
weiterer Ausdehnung der Laufschaufeln 3 und der Leitschaufeln 5 in radialer Richtung
die Spitzen
12 der Laufschaufeln 3 in die Dichtflächen bzw. die
Spitzen der rotierenden Labyrinthe 8 in die Dichtflächen 7 einlaufen.
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Zeitlich später als die Leitschaufeln 5, die Laufschaufeln 3, die
Mantelringsektoren 9 und die Schaufelplattenringsektoren 6 und 20 dehnen sich die
Rotorscheibe 4 und das Rotorgehäuse 13 aus, wobei die Ausdehnung des Rotorgehäuses
13 größer ist als die Ausdehnung der Rotorscheibe 4. Die Ausdehnung des Rotorgehäuses
13 bewirkt, daß die Zylinder 14 wieder ihre ursprüngliche Form, jedoch mit vergrößertem
Durchmesser annehmen. Mit dem Zurückgehen der radialen Verformung der Zylinder 14
entspannen sich auch die an den Zylindern 14 eingehängten Mantelringsektoren 9 und
die Schaufelplattenringsektoren 6 und 20. Durch das Zurückgehen der radialen Verformung
der Zylinder 14 wird die Ausdehnung des Rotorgehäuses 13 kompensiert, so daß sich
die Spaltbreite der Dichtspalte 15 und 16 bei Ausdehnung des Gehäuses nicht vergrößert,
sondern auf Grund der Radialdehnung der Rotorscheibe 4 wieder verringert.
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Da die Verringerung der Spaltbreite der Dichtspalte 15 und 16 infolge
Radialdehnung der Rotorscheibe 4 bei der
Auslegung der Dichtspalte
15 und 16 berücksichtigt worden ist, besteht keine Gefahr, daß die Spitzen der Labyrinthe
8 oder die Spitzen 12 der Laufschaufeln 3 in die jeweiligen Dichtflächen 7 und 11
einlaufen, wenn sich die Spaltbreite der Dichtspalte 15 und 16 infolge radialer
Dehnung der Rotorscheibe 4 verringert.
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Bei einer plötzlichen Temperaturerniedrigung infolge Drehzahlverringerung
laufen entsprechende Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge in dem Turbinenteil ab.
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