DE2840336C2

DE2840336C2 - Dichtung für eine verstellbare Turbinenlaufschaufel

Info

Publication number: DE2840336C2
Application number: DE2840336A
Authority: DE
Inventors: Charles John Cincinnati Ohio Haap; Jun. Delmer Hughes Landis; jun. Theodore Traylor Loveland Ohio Thomas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-09-19
Filing date: 1978-09-15
Publication date: 1986-10-30
Also published as: IL55278A; IL55278A0; JPS628601B2; GB1600776A; IT7827422A0; JPS5459514A; DE2840336A1; US4193738A; FR2403451A1; FR2403451B1; IT1098825B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung für eine verstellbare Turbinenlaufschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Dichtung ist aus der US-PS 36 01 497 bekannt.

Die Arbeitsweise einer Gasturbine kann bekanntlich dadurch verbessert werden, daß in sie eine Turbinendüse mit variablem Querschnitt, eine Stufe mit verstellbaren Schaufeln, eingebaut wird, die den Durchfluß der heißen Verbrennungsgase in die weiter stromabwärts gelegene Laufschaufelreihe steuert. Eine solche Verstellbarkeit der Turbinendüse ist bei Maschinen mit weit variierenden Drehsahlen notwendig, damit man solche Variationseigenschaften erhält, weil sich die Antriebsdrehzahl anders einstellt, wenn sich der Querschnitt der Turbinendüse ändert. Eine Eigenschaft von Düsenschaufeln, die Schwierigkeiten heraufbeschwört, liegt darin, daß sie nahe den sie umgebenden Mänteln angeordnet sind. Da jedoch eine verstellbare Laufschaufel sowohl im geöffneten als auch im geschlossenen Zustand rotieren können muß, damit der Düsenquerschnitt verändert werden kann, kann sie nicht starr an diesen Mänteln befestigt werden. Als Folge davon liegt eines der Hauptprobleme bei der Gestaltung verstellbarer Laufschaufeln in dem, was gemeinhin als »Endwand-Leckströmung« bezeichnet wird, das ist die Strömung des Arbeitsmittels von der Druckseite der Turbinenschaufel durch den Spalt zwischen dem Ende der Turbinenschaufel und dem benachbarten Mantel hindurch zur Saugfläche der Turbinenschaufel. Da der Wirkungsgrad der Turbine abnimmt, wenn dieser Spalt größer wird, sollte dieser Spalt so klein wie möglich bleiben. Es ist jedoch ein gewisser Mindestspalt erforderlich, um unerwünschten Reibungskontakt zwischen dem Turbinenschaufelende und dem Mantel zu vermeiden, weil die Rotationsebene einer sich bewegenden Schaufel nicht exakt plan ist Zusätzlich bringen Änderungen der Temperatur des Arbeitsmittels Änderungen in der Spaltweite mit sich, die in Betracht gezogen werden müssen. Diese Probleme sind schon lange erkannt worden und es sind viele Arten schwimmender Dichtungen vorgeschlagen worden, mit denen diese Leckströme vermindert werden sollen.

Bei den meisten dieser Vorschläge bilden die Düsenseitenwände zusammen ein offenes Ende oder einen Hohlraum in der Schaufel, in dem die Dichtung schwimmt die in nahe Nachbarschaft zu den umgebenden Mänteln durch Gasdruck gebracht wird, der von innerhalb der Schaufel zugeführt wird. Als Folge dieses von den Seitenwänden umschlossenen Schaufelhohlraums bleibt ein Teil der Schaufelhinterkante unabgedichtet so daß an dieser Stelle eine Leckströmung des Arbeitsmittels auftreten kann, wodurch auch die Wirksamkeit der Turbinendüse nachteilig beeinflußt wird. Selbst wenn die Dichtung und ihr zugehöriger Hohlraum bei manchen der Vorschläge sich bis zur Schaufelhinterkante erstrecken, läßt sich kein befriedigender Erfolg erzielen, denn die übliche Hochdruckquelle für die Kühlluft des Schaufelinnenraums kann nicht dazu herangezogen werden, die Hinterkante der Dichtung in Kontakt mit dem Mantel zu halten, weil diese Druckluft nicht zu dem betreffenden Bereich geleitet werden kann, da die Schaufelhinterkante zu dünn ist Man braucht daher eine schwimmende Dichtung für das Schaufelende, die sich vollständig bis zur Schaufelhinierkante erstreckt und die mit dem benachbarten Mantel auf ihrer gesamten Länge in Berührung gebracht werden kann, um die genannten Leckströmungen minimal zu machen.

Die US-PS 18 28 409 beschreibt zwar eine Turbinenlaufschaufel, die an ihrer Spitze mit einer biegbaren Verlängerung versehen ist, die eine Fortsetzung der Arbeitsfläche der Schaufel bildet und bezüglich der Drehrichtung nach hinten geneigt ist Ein möglicher Reibeingriff der massiven Schaufel mit dem umgebenden Mantel soll an dieser Verlängerung auftreten, wodurch diese lediglich nach hinten gebogen wird, ohne daß die Schaufel selbst anstößt und in Schwingungen versetzt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Dichtung für ein Ende einer hohlen, innen gekühlten Laufschaufel derart auszugestalten, daß die Kühlmittel-Leckage an der Schaufelhinterkante im wesentlichen vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzieibaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Dichtung schwimmend ist und durch Druck aus zwei Quellen mit dem benachbarten Mantel in Berührung gehalten wird. Das vordere Ende der Dichtung wird nach außen gedrückt durch den Druck der Kühlluft, die aus der Schaufel zugeführt wird und die Dichtung nach Art eines Kolbens verschiebt. Der an der Hinterkante der Dichtung befestigte Flügel verwendet die Druckdifferenz zu beiden Seiten der Schaufel dazu, die Hinterkante in Eingriff mit dem Mantel zu halten. Dieser Flügel übt eine Druckkraft auf die

Dichtung in einem Schaufelbereich aus, der für die Druckkräfte der Kühlluft im Inneren der Schaufel unerreichbar ist Dadurch kann sich die Dichtung vollständig über die Hinterkante der Schaufel erstrecken, wodurch die dort sonst vorhandenen Leckströmungen reduziert und der Wirkungsgrad der Turbinendüse verbessert wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Gasturbinen-Düsenschaufel und ihre Anordnung im Heißgasstrom der Turbine;

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung längs der Linie 2-2 von F i g. 1 des mit einer bestimmten Kontur versehenen Hohlraums zur Aufnahme der Dichtung;

F i g. 3 sine Draufsicht auf die Dichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die von dem Hohlraum nach F i g. 2 aufgenommen werden sollen;

Fig.4 einen vergrößerten Querschnitt des Endbereichs der Schaufel von F i g. 1, wobei der die Anordnung der Dichtung nach F i g. 3 im Hohlraum von F i g. 2 dargestellt ist;

F i g. 5 eine perspektivische Darstellung einer Dichtung vor dem Einbau und

Fig.6 einen Querschnitt längs der Linie 6-6 von F i g. 4, aus welchem die Druckkräfte, die auf die Dichtung wirken, hervorgehen.

F i g. 1 zeigt teilweise im Schnitt die Düsenscnauf el 10 einer Gasturbine. Diese Schaufel wird zwischen zwei einen Strömungskanal 16 begrenzenden Wänden oder Mänteln 12 und 14 gehalten. Der Strömungskanal 16 ist ringförmig und nimmt eine Kaskade von in gleichmäßigen Abständen auf dem Umfang verteilten Schaufeln 10 auf, von denen zur besseren Übersicht hier nur eine dargestellt ist Um einen relativ konstanten Turbinenwirkungsgrad über einen weiten Bereich von Arbeitsbedingungen zu erzielen und um einen variablen Drehzahlbereich rfer Turbomaschine, die mit Düsenschaufeln 10 ausgerüstet ist, sicherzustellen, ist die Düsenschaufel 10 um eine Achse 18 schwenkbar gelagert und damit in der Lage, den freien Strömungsquerschnitt im Kanal 16 zu verändern. Die Schaufel 10 ist in der äußeren Kanalwand 12 mit Hilfe eines im wesentlichen zylindrischen Zapfens 20 gelagert, der auf seiner .".,änge stufenweise unterschiedliche Durchmesser aufweist und von einer Bohrung 22 aufgenommen wird, die in einem Vorsprung 24 ausgebildet ist der radial von der Wand 12 vorsteht An dem Zapfen 20, der ir,is dem Vorsprung 24 herausragt, ist ein Hebelarm 26 befestigt, mit dessen Hilfe die Schaufel 1& verschwenkt v/erden kann. Die Hebelarme aller Schaufeln sind mit einer gemeinsamen Ringkonstruktion 28 miteinander verbunden, um simultan die ganze Kaskade der Schaufeln 10 in bekannter Art bewegen zu können. Auf den Zapfen 20 ist unter dem Vorsprung 24 ein Ring 30 aufgeschoben. Mit Hilfe einer Beilagscheibe 32 und einer Mutter 34, die auf einen mit einem Gewinde versehenen Abschnitt 56 des Zapfens 20 aufgeschraubt ist, ist der Hebelarm 26 an dem Zapfen befestigt Das gegenüberliegende Ende der Schaufel 10 ist mit einem ähnlichen Zapfen 38 abgestuften Durchmessers versehen, der in einer zugehörigen Bohrung 40 der inneren Strömungskanalbegrenzungswand 14 drehbar gelagert ist.

Moderne Flugzeuggasturbinen arbeiten mit Turbinendüseneingangsluftten??eraturen, die oberhalb der höchstzulässigen Temperaturen von Hochtemperaturlegierungen liegen. Diese Düsenschaufeln müssen daher gekühlt werden, damit das Gefüge ihres Materials erhalten bleibt, um normalen Lebensdaueransprüchen zu genügen. Die Düsenschaufel 10 ist daher mit einem im wesentlichen hohlen Innenraum 42 versehen, der an eine äußere Kühlluftquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist, die meist vom Kompressor einer Gasturbine gebildet ist Es werden daher Einrichtungen notwendig, mit denen die Kühlluft von ihrer Quelle in die Innenräume 42 der Schaufeln 10 geleitet wird. Es ist daher in dem Vorsprung 24 ein Kanal 44 ausgebildet der die Kühlluft von ihrer Quelle in Richtung der in F i g. 1 erkennbaren Pfeile in einen vergrößerten Hohlraum 46 innerhalb des Vorspruiigs 24 leitet Der Zapfen 20 ist hohl und weist einen Abschnitt 48 mit verkleinertem Durchmesser auf.

In die Mittenbohrung 50 des Zapfens 20 führt wenigstens eine Querbohrung 52, die in den Hohlraum 46 im Vorsprung 24 mündet Die Kühlluft fließt also durch den Kanal 44, die Querbohrung 52 und die Mittenbohrung 50 in den Ii«nenraum 42 der Schaufel 10. Die Innenkühlung der Schaufel kann auch auf jeut andere bekannte Weise durchgeführt werden, wobei wenigstens ein Teil der Kühlluft am stromabwärtigen Ende der Schaufel durch mehrere Schlitze 54 an der Hinterkante der Schaufel austritt

Die Abdichtung des Spaltes 55 (F i g. 6) zwischen den Enden der Schaufel 10 und den Wänden 12 und 14 wird mit Hilfe von Dichtungen 66 erreicht

Da diese Abdichtungsart an den beiden Enden der Schaufel im wesentlichen gleich ist soll hier speziell nur die Abdichtung der Schaufel an dem Ende erläutert werden, das der Wand 14 benachbart ist Eine gleichartige Dichtung kann am gegenüberliegenden Schaufelende angebracht werden.
Wie am besten aus den Fig. 1, 2,4 und 5 erkennbar ist, ist das Schaufelende mit einem abgestuften Hohlraum ausgestattet dessen Kontur etwa dem Frofii der Druckfläche 58 und der Saugfläche 60 der Schaufel folgt Der tiefe Abschnitt 61 des Hohlraums steht mit dem unter Druck stehenden hohlen Schaufelinnenraum 42 über eine Vielzahl von Löchern 62 in Verbindung, von denen hier nur zwei dargestellt sind. In dem weiter rückwärtig gelegenen flacheren Abschnitt 63 des Hohlraums, wo die Schaufeldicke ganz klein wird und wo es praktisch unmöglich würde, solche Verbindungslöcher vorzusehen, ist die Flügeldruckfläche bei 64 ausgeschnitten und der Hohlraum steht dort, wenn die weiter unten zu beschreibende Dichtung nicht eingesetzt ist, mit dem Arbeitsmittel der Turbine in Strömungsverbindung.

Die schwimmende Dichtung 66, die im wesentlichen das gleiche Profil wie der Hohlraum 56 aufweist, wird von dem Hohlraum aufgenommen und kann darin gleiten, wird aber mit Hilfe eines Stiftes 68, der von der Bodenfläche 70 der Dichtung vorsteht, in geeigneter Lage gehalten, um ein Verbiegen zu vermeiden. Dieser Stift 68 ist beweglich in einem zugehörigen Loch 72 in der Wand des Hohlraums 56 in der Schaufel geführt. Einrichtungen, die den Schaufeiinnenraum 42 mit dem Hohlraum 56 verbinden, wie beispielsweise die Löcher

eo 62, leiten die unter Druck stehende Kühlluft 78 gegen die Dichtung 66 und drücken diese gegen die benachbarte, den Strömungskanal 16 begrenzende Wand 14. Da diese Löcher 62 sich jedoch nicht bis zur Hinterkante der Schaufel eri trecken können, da diese dort zu

S5 dünn ist, muß Vorsorge dafür getroffen sein, daß die von den Löchern 62 hervorgerufene, kolbenähnliche Wirkung so gesteigert wird, daß auch das hintere Ende der Dichtung 66 an der Wand 14 anliegt.

Zu diesem Zweck ist gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Dichtung 66 mit einem Flügel 74 versehen, der seitlich oder lateral von derjenigen Dichtungsseite absteht, die der Schaufeldruckfläche zugeordnet ist Der Flügel 74 hat eine solche Kontur, daß, wenn die Dichtung in den Hohlraum 56 eingesetzt ist, der Flügel 74 durch die Schaufeldruckfläche 58 bei 64 vorsteht und in den Heißgasstrom hineinragt. Wie dem Strömungstechniker bekannt ist, übersteigt der statische Druck der Heißgasströmung an der Druckseite 58 (der konkaven Oberfläche) denjenigen auf der Saugfläche 60 (der konvexen Oberfläche) aufgrund der Krümmung der Schaufel. Die vorliegende Erfindung macht von dieser Druckdifferenz in vorteilhafter Weise dadurch Gebrauch, daß der Flügel 74 eine Oberfläche bildet, auf welche der höhere statische Druck P, der der Schaufeldruckfläche zugeordnet ist, in vorteilhafter Weise wirken kann (siehe die Pfeile in Fig.6). Weiterhin ist die Dichtungsfläche 76, die die Wand 14 berührt, bei 80 ausgeschnitten und bildet einen Kanal 82, der durch den Spalt 55 mit dem an der Saugfläche der Schaufel wirkenden Arbeitsmittel in Verbindung steht. Der Kanal 82 steht daher im wesentlichen unter dem relativ geringeren statischen Druck, der auf der Saugseite der Schaufel herrscht, und die Dichtung erfährt daher im wesentlichen die gesamte Druckdifferenz über der Schaufel, so daß eine Kraft hervorgerufen wird, die den Flügel 74 (und daher das hintere Ende der Dichtung 66) in Kontakt mit der Wand 14 drückt. Komplementäre Kräfte drücken daher die schwimmende Dichtung auf ihrer gesamten Länge nach außen, um die genannten Leckströme auf ein Minimum herabzusetzen. Das den Schaufelinnenraum kühlende Mittel drückt gegen die Dichtung 66 und drückt deren vorderes Ende nach außen, so daß der höhere statische Druck, der auf der Schaufeldruckseite herrscht, eine Kraft auf den Flügel 74 ausübt, der das hintere Dichtungsende nach außen drückt. In der Praxis sollte beachtet werden, daß die Dichtungsfläche 76, die der Wand benachbart ist, eine Kontur aufweist, die mit dem Wandprofil übereinstimmt, um auch hier zu minimalen Spalten zu kommen, wenn die Schaufel geöffnet oder geschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims

Patentansprüche:

1. Dichtung für eine verstellbare Turbinenlaufschaufel mit einem mit einer bestimmten Kontur versehenen Hohlraum im Schaufelende, die Leckströme zwischen dem Schaufelende und einer benachbarten, eine Strömungsbahn begrenzenden Wand vermindert, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Dichtung (66) ein Flügel (74) ausgebildet ist, der sich lateral über die Schaufeldruckfläche (58) hinaus erstreckt

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeldruckfläche (58) an dem Hohlraum (56) einen Ausschnitt (64) aufweist und daß die Dichtung (66) im wesentlichen der Kontur des Hohlraumes (56) angeglichen ist, wobei sich der Hügel (74) lateral über die Schaufel (to) hinaus durch den Ausschnitt (64) erstreckt

3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (56) und die Dichtung (66) sich bis zur Schaufelhinterkante erstrecken.

4. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (66) längs eines Teils ihrer Oberfläche (76) nahe der Wand (14) ausgeschultten ist (bei 80) und einen Kanal (82) bildet, der an der Schaufelspitze mit der Schaufelsaugfläche (60) in Verbindung steht.

5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der Innenraum (42) der Schaufel (IC) durch Löcher (62) mit dem Hohlraum (56) verbunden ist für einen Durchtritt eines Kühlluftstroms in den Hohlraum (56) derart, daß die Dichtung (66) nach außen prgen die Wand (14) drückbar ist