DE2931766A1

DE2931766A1 - Dichtungseinrichtung fuer die freien schaufelenden eines verstelleitapparates von gasturbinen

Info

Publication number: DE2931766A1
Application number: DE19792931766
Authority: DE
Inventors: Anton Zacherl
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1979-08-04
Filing date: 1979-08-04
Publication date: 1981-02-05
Also published as: JPS6147292B2; GB2055983B; DE2931766C2; FR2462557A1; US4385864A; JPS5634908A; FR2462557B1; GB2055983A

Description

MTU MOTOREN- UND TüRBINEN-ϋΝΓΟΝ
MÜNCHEN' GMBH

München, 25. Juli 1979

Dichtungseinrichtung für die freien Schaüfelenden eines Verstelleitapparates von Gasturbinen

Die Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für die freien Schaufe!enden eines Verstelleitapparates von Gasturbinen.

Bislang ist an den freien Schaufelenden des Verstelleitapparates einer Gasturbine eine Spaltdichtung vorgesehen " worden, die so bemessen ist, daß die Spaltbreite beeinflussende Wärmedehnung der Schaufeln und/oder anderer Teile der Gasturbine nicht unterdrückt werden. Bei Versuchen hat sich nun gezeigt, daß die Spaltbreite der Dichtung einen nicht unerheblichen Einfluß auf den Wirkungsgrad der Turbine ausübt und zwar wurde festgestellt,

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daß sich der Wirkungsgrad mit kleiner werdendem Dichtspalt erhöht. Aufgrund dieses Zusammenhanges zwischen der Spaltbreite und dem Wirkungsgrad ist es wünschenswert, daß anstelle einer Spaltdichtung eine Berührungsdichtung an den Schaufelenden des Leitapparates verwendet wird. Dem Wunsch nach einer Berührungsdichtung an den Schaufelenden des Leitapparates steht aber die Forderung entgegen, daß Wärmedehnungen der Schaufeln und/oder anderer Teile der Gasturbine, die die Abmessungen des abzudichtenden Spaltes verringern können, nicht durch eine Berührungsdichtung so gehemmt werden dürfen, daß unter Umständen die Betriebsfähigkeit des Leitapparates nachhaltig beeinflußt wird.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Dichtungseinrichtung für die freien Schaufelenden des Verstelleitapparates der Gasturbine so zu gestalten, daß der Strömungsdurchtritt an den freien Schaufelenden nahezu vollständig unterbunden werden kann, wobei keine schädliche Hemmung der die Abmessungen des abzudichtenden Spaltes verändernden Wärmedehnungen auftreten so31.

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Die Aufgabe der Erfindung ist dadurch gelöst, daß zwischen einem Statorteil und den freien Schaufelenden ein Dichtungsring angeordnet ist, der in radial bewegliche gegeneinander abgedichtete, mit dem Statorteil eine Dichtung bildende Segmente unterteilt ist, die federnd gegen die freien Schaufelenden gedrückt sind, so daß die Segmente an ihren Außenflächen mit den freien Schaufelenden zur dichtungsbildenden Anlage kommen. Hierbei können die Segmente entweder mittels einer Feder, die sich auf dem Statorteil abstützt,, oder mittels Druckluft oder -gas an die freien Schaufelenden gedrückt sein. Bei Verwendung einer Feder ist die Feder vorzugsweise als ringförmige in Segmente unterteilte Wellenfeder ausgebildet xind sind die Segmente der Feder an ihren sich gegenüberliegenden Rändern überlappbar.

Zur Bildung der Dichtung zwischen den Segmenten können insbesondere von je zwei sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Segmente die eine einen sich nach außen exweiternden Vorsprung und die andere eine entsprechend geformte sich nach innen erweiternde Ausnehmung aufweisen, in die dann der Vorsprung eingehängt ist, wobei der Vorsprung in der Ausnehmung Spiel hat. Ferner ist

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in jede von jeweils zwei sich gegenüberstehenden Stirnflächen eine Nut eingelassen, deren Tiefe zumindest
der Tiefe der Ausnehmung bzw. der Länge des Vorsprungs
entspricht, wobei in den durch die sich gegenüberliegenden Nuten gebildeten Raum ein Flachstück eingeschoben
ist.

Der bei der Segmentierung des Dichtungsringes auftretende Trennspalt zwischen den Segmenten soll möglichst so bemessen sein, daß sowohl bei dem umfangsmäßig erweiterten als auch verkleinerten Dichtungsring die Segmente an ihren Stirnflächen zur Anlage kommen. Um diese rechnerisch
ermittelbare Trennspaltbreite realisieren zu können, wird die Segmentierung des Dichtungsringes mittels Drahterodieren durchgeführt.

Durch das Andrücken der Segmente an die Schaufelenden
entsteht natürlich Reibung beim Verstellen der Schaufeln. Um den Reibungswiderstand an den Schaufelenden möglichst gering zu halten, sind die Schaufelenden mit einer geringfügig kleineren Krümmung als die Außenflächen der Segmente versehen, so daß jede Außenfläche des betreffenden Segmentes das ihr gegenüberliegende Schaufelende nur

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partiell berührt. Durch diese Maßnahme wird zwar außerhalb der anexnanderlxegenden Flächen der Segmente und der Schaufelenden wieder ein Spalt gebildet, dieser Spalt ist aber so gering, daß der Strömungsdurchtritt an dieser Stelle vernaehlässigbar klein ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf diese Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Dichtungseinrichtung nach der Erfindung im eingebauten Zustand, wobei aus Symmetriegründen nur der oberhalb der Turbinenachse liegende Teil dargestellt ist/

Fig. 2 eine um 90° gedrehte Ansicht in Richtung des in Fig. 1 dargestellten Pfeiles A von zwei miteinander verbundenen Segmentenden der Dichtungseinrichtung nach Fig. 1;

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Fig. 3 einen Querschnitt eines Teilbereiches der in Fig. 1 dargestellten Dxchtungsexnrichtung, wobei der Schnitt entlang der Linie IH-III in Fig. verläuft;

Fig. 4 einen Längsschnitt einer modifizierten Dichtungseinrichtung und

Fig. 5 einen Längsschnitt einer alternativen Modifikation der I3ichtungseinrichtung nach Fig. 1.

Eine in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Dichtungseinrichtung 1 nach der Erfindung für die freien Schaufelenden 2 eines Verstelleitapparates einer Gasturbine für Fahrzeuge ist zwischen den freien Schaufelenden 2 und einem innenliegenden Statorteil 3 angeordnet, das zur Aufnahme der Dichtungseinrichtung 1 ausgespart ist. Die Dichtungseinrichtung 1 weist einen Dichtungsring -auf., der in Segmente 4 unterteilt ist, die radial beweglich sind und durch eine segmentierte Wellenfeder 5, die zwischen den Segmenten 4 und dem Boden der Aussparung des Statorteiles 3 angeordnet ist, gegen die Schaufelenden 2 gedrückt werden, so daß die Außenflächen

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der Segmente 4 mit den Schaufelenden zur Anlage kommen> wodurch eine Dichtung zwischen den Schaufelenden 2 und den Segmenten 4 gebildet wird. Die Strömungsrichtung des Gases ist durch den Pfeil 9 angegeben. Die Segmente 4 liegen mit ihren stromabwärtssextxgen in Dmfangsrichtung verlaufenden Stirnflächen an der gegenüberliegenden Wand der Aussparung des Statorteiles 3 an, so daß auch eine Dichtung zwischen den Segmenten 4 und dem Statorteil 3 gebildet wird. Von je zwei sich gegenüberliegenden in Axialrichtung verlaufenden Stirnflächen der Segmente 4 hat die eine einen sich nach außen erweiternden Vorsprung 6 mit der Kontur eines Baumes und die andere eine entsprechend geformte Ausnehmung 7, wobei der Vorsprung 6 in die Ausnehmung 7 eingehängt ist. Ferner ist in jede von jeweils zwei sich gegenüberstehenden in Axialrichtung verlaufenden Stirnflächen der Segmente 4 eine sich über die ganze Breite des betreffenden Segmentes 4 erstreckende Nut 8A bzw. 8B eingelassen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Tiefe der Nut 8A, die in der Stirnfläche mit der Ausnehmung 7 liegt, größer als die Tiefe der Ausnehmung 7 und ist die Nut .8B-, die in der Stirnfläche mit dem Vorsprung 6 verläuft, tiefer als der Vorsprung 6 lang ist. In jeden

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von je zwei sich gegenüberliegenden Nuten 8A und 8B gebildeten Raum ist ein Blechstück 8C eingeschoben, das annähernd so breit ist wie die beiden Nuten 8A und 8B zusammen tief sind.

Durch das Vorsehen von Vorsprüngen 6 mit der Kontur eines Baumes und von entsprechend geformten Ausnehmungen 7 an den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Segmente 4 wird eine Dichtung gebildet, die den Durchtritt der Strömung in Axialrichtung verhindert. Die in die Nuten 8A und 8B eingeschobenen Bleche 8C bilden zusammen mit den Segmenten 4 eine Dichtung, die den radialen Strömungsdurchtritt zwischen den Segmenten 4 verhindert.

Die in die Ausnehmungen 7 eingehängten VorSprünge 6 sind im Umfang etwas kleiner als die Ausnehmungen, so daß sie Spiel haben, damit die Segmente 4 radial beweglich sind. Die Segmente 4 können so weit nach außen und nach innen bewegt werden, bis die Vorsprünge 6 an den entsprechenden Stellen der Ränder der Ausnehmungen 7 zur Anlage kommen. Da die Länge der Radialbewegung der Segmente 4 bzw. die Umfangserweiterung des Dichtungsringes durch die Wärmedehnung der Schaufeln

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und anderer Teile der Gasturbine vorgegeben ist, kann der erforderliche Trennspalt zwischen je zwei Segmenten berechnet werden. Damit die theoretischen Abmessungen des Trennspaltes bei der Segmentierung des Dichtungsringes eingehalten werden können, erfolgt die Segmentierung durch Drahterodieren.

Die Außenflächen der Segmente 4 sind in Axialdichtung gekrümmt und die Schaufelenden weisen ebenfalls eine Krümmung auf. Die Krümmung der Außenflächen der Segmente ist aber geringfügig größer als die Krümmung der Schaufelenden, so daß die Außenflächen der Segmente 4 und die Schaufelenden nur im Mittelbereich der Segmente 4 zur Anlage kommen. Durch die Berührung der Außenflächen der Segmente 4 mit den Schaufelenden nur im Mittelbereich der Segmente 4 ist der Reibungswiderstand an den Schaufelenden wesentlich kleiner als wenn die gesamten Außenflächen mit den Schaufelenden zur Anlage kämen.

Die Segmente der Feder 5 sind an den sich gegenüberliegenden Rändern so gestaltet, daß sich beim Zusammendrücken der Feder die Ränder überlappen können.

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In Fig. 4 ist eine modifizierte Dichtungseinrichtung dargestellt, wobei dieselben Bezugszeichen wie in Fig. für die Teile der modifizierten Dichtungsexnrxchtung verwendet worden sind, die mit entsprechenden Teilen der Dichtungseinrichtung nach Fig. 1 identisch sind.

Die Modifikation besteht im wesentlichen darin, daß anstelle der Verwendung einer Feder die Segmente 4 an der Unterseite mit Druckluft bzw. -gas beaufschlagt werden. Die Druckluft bzw. das Druckgas ist durch eine Bohrung 10 im Statorteil 3 einem Druckraum 11 zuführbar, der oben und unten durch die Unterseite der Segmente 4 bzw., den Boden der im Statorteil 3 geformten Aussparung und seitlich durch zwei Dichtungsringe 12 begrenzt wird« Jeder Dichtungsring 12 besteht aus einer Packung von aneinanderliegenden.Einzelringen mit rechteckigem Querschnitt. Ein innenliegender Randbereich von jedem Dichtungsring 12 steckt fest in einer Ringnut 13, die im Boden der Aussparung im Statorteil 3 geformt ist. Ein außenliegender Randbereich von jedem Dichtungsring 12 greift in eine an der Unterseite des betreffenden Segmentes 4 geformte Nut 14 ein, wobei zwischen den

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sich gegenüberstehenden Seitenwänden der Nut 14 und Stirnflächen des Dichtungsringes 12 eine Gleitdichtung gebildet ist.

In Fig. 5 ist eine weitere Modifikation der Dichtungseinrichtung ersichtlich, wobei wiederum dieselben Bezugszeichen für die in den Fig. 1 und 5 gleichen Teile der Dichtungseinrichtung verwendet worden sind.

Bei dieser Dichtungseinrichtung wird anstelle der Feder für jedes Segment 4 je ein Metallbalg 15 aus einem hochwarmfesten Werkstoff verwendet, der in' der Aussparung im Statorteil 3 angeordnet ist. Der Metallbalg 15 hat gegenüber der Feder 5 den Vorteil, daß er wesentlich höhere Temperaturen festigkeitsmäßig ertragen kann als die Feder 5. Der Balg 15 ist mit einem Ende in eine Vertiefung 16 an der Unterseite des jeweiligen Segmentes 4 eingelötet und mit dem anderen Ende über eine Erhöhung 17 am Boden der Aussparung im Statorteil gestülpt und am Statorteil 5 verlötet. Eine Bohrung 18 im Statorteil 3 im Bereich der Erhöhung 17 ermöglicht die Zufuhr von Druckluft bzw. Druckgas in den Metallbalg 15.

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Die Dichtungseinrichturig nach der Erfindung sorgt also dafür, daß das Strömungsmedium zwischen den Schaufelenden des Verstelleitapparates und dem Statorteil 3 kaum mehr hindurchtreten kann ganz gleich, ob sich die Schaufelenden von dem Statorteil 3 entfernen oder sich ihm nähern, und in welcher Stellung, bezogen auf die Gasrichtung, sich die Schaufeln befinden, denn die Segmente 4 werden immer durch den Federdruck den Schaufelenden nachgeführt bzw. von den Schaufelenden 2 gegen den Federdruck nach innen gedrückt.

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Claims

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Patentansprüche

Dichtungseinrichtung für die freien Schaufelenden eines Verstellleitapparates von Gasturbinen, d adurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Statorteil (3) und den freien Schaufelenden ein Dichtungsring angeorndet ist, der in radial bewegliche gegeneinander abgedichtete jund mit dem Statorteil (3) eine Dichtung bildende Segmente (4) unterteilt ist, die federnd an die freien Schaufelenden gedrückt sind, so daß die

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■ Segmente (4) an ihren Außenflächen mit den freien Schaufelenden zur dichtungsbildenden Anlage kommen.
2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (4) mittels einer Feder ( 5), die sich auf dem Statorteil (3) abstützt, an die freien Schaufelenden gedrückt sind.
3. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (5) als ringförmige in Segmente unterteilte Wellenfeder ausgebildet ist und daß die Segmente der Feder (5) an ihren sich gegenüberliegenden Rändern überlappbar sind.
4. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (4) mittels Druckluft oder -gas an die freien Schaufel-enden gedrückt sind.

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5. Dichtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Dichtung zwischen den Segmenteij (4) von je zwei sich gegenüberliegenden in Axialrichtung verlaufenden Stirnflächen der Segmente (4) die eine einen sich nach außen erweiternden Vorsprung (6) und die andere eine entsprechend geformte sich nach innen erweiternde Ausnehmung aufweist, in die der Vorsprung (6) eingehängt ist, wobei der Vorsprung (6) in der Ausnehmung (7) Spiel hat, und daß in jede von diesen Stirnflächen Segmente (4) eine Nut (8A; 8B) eingelassen ist, deren Tiefe zumindest der Tiefe der Ausnehmung (7) bzw. der Länge des Vorsprungs (6) entspricht, wobei in den durch die sich gegenüberliegenden Nuten (8ä und 8B) gebildeten Raum ein Flachstück (8) eingeschoben ist.
6. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 5, d a du r c h g eke nn ζ ei c hne t, daß die Segmentierung des Dichtungsringes durch Drahterodieren erfolgt ist.

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7. Dichtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Segmente (4) eine geringfügig größere Krümmung in Axialrichtung als die Schaufelenden (2) haben, so daß jede Außenfläche des betreffenden Segments (4) das ihr gegenüberliegende Schaufelende (2) nur partiell berührt.

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