DE2931766C2

DE2931766C2 - Dichtungseinrichtung für die freien Schaufelenden eines Verstell-Leitapparates einer Gasturbine

Info

Publication number: DE2931766C2
Application number: DE2931766A
Authority: DE
Inventors: Anton 8000 München 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: 1982-08-05
Also published as: FR2462557B1; GB2055983B; GB2055983A; DE2931766A1; US4385864A; JPS5634908A; FR2462557A1; JPS6147292B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für die freien Schaufelenden eines Verstell-Leitapparates einer Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Dichtungseinrichtung.

Bislang ist an den freien Schaufelenden eines Verstell-Leitapparates einer Gasturbine eine Spaltdichtung vorgesehen worden, die so bemessen ist, daß die 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, 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

to 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

is Abmessungen des abzudichtenden Spaltes verringern können, nicht durch eine Berührungsdichtung so gehemmt werden dürfen, daß unter Umständen die Betriebsfähigkeit des Leitapparates nachhaltig beeinflußt wird.

Es ist zwar bereits bekannt (DE-AS 20 39 064), die Leitschaufeln des Leitapparates einer Gasturbine jeweils einzeln durch Federkraft gegen einen massiven Stator anzudrücken, doch dient diese Anordnung der Unterdrückung von Schaufelschwingungen. Da bei der bekannten Anordnung die gesamte Leitschaufel beweglich ist, gelangt sie zwar mit dem innenliegenden Schaufelende in Anlage gegen den Stator und verhindert somit Spaltverluste in diesem Bereich, aber gleichzeitig bewegt sie sich mit ihrem radial außenlie genden Ende vom zugeordneten Außengehäuse unter Bildung eines neuen Spaltes weg, so daß die bekannte Anordnung im Prinzip ungeeignet ist, irgendeine Verbesserung des Wirkungsgrades der Gasturbine herbeizuführen. Bei entsprechender Formgebung der Schaufel ist es sogar möglich, daß der außenliegende, durch die federnde Beweglichkeit der Schaufel erst gebildete Spalt größer ist als der übliche, innenliegende Dichtungsspalt ähnlicher Gasturbinen, so daß durch die bekannte Anordnung zwar deren Zweck, nämlich die Verhinderung von Schaufelschwingungen, erreicht wird, aber gegebenenfalls unter Inkaufnahme einer Wirkungsgradverschlechterung.

Ausgehi-nd von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Dichtungseinrichtung dahingehend weiterzubilden, daß der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert wird. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine derartige Dichtungseinrichtung zu finden.

Die erste Teilaufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Hierbei ist zwischen einem Statorteil und den freien Schaufelenden ein Dichtungsring angeordnet, der in radial beweglicher, 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 diese 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 und sind die Segmente der Feder an ihren gegenüberliegenden Rändern überlappbar.

Da im Gegensatz zur obengenannten, bekannten Anordnung die Leitschaufel ihrerseits radial festgelegt

ist treten nicht, wie bei der bekannten Anordnung, im radial außenliegenden Bereich der Leitschaufel beim Betrieb zusätzliche Dichtungsprobleme auf.

Durch das Andrücken der Segmente an die Schaufelenden entsteht Reibung beim Verstellen der Schaufeln. Um den Reibungswiderstand an den Schaufelenden möglichst gering zu halten, sind die Schaufelenden gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit einer geringfügig kleineren Krümmung als die Außenflächen der Segmente versehen, so daß jede Außenfläche des betreffenden Segmentes das ihr gegenüberliegende Schaufelende nur partiell berührt Durch diese Maßnahme wird zwar außerhalb der aneinanderliegenden Flächen der Segmente und der Schaufelenden wieder ein Spalt gebildet dieser Spalt ist aber se gering, daß der Strömungsdurchtritt an dieser Stelle vernachlässigbar klein ist und die angestrebte Wirkungsgradverbesserung somit erreicht wird, ohne daß infolge der vollen Anlage des Schaufelendes etwa bei Wärmedehnungen irgendwelche Betriebsstörungen auftreten.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist von je zwei sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Segmente die eine einen sich nach außen erweiternden Vorsprung und die andere eine entsprechend geformte, sich nach innen erweiternde Ausnehmung auf, in die dann der Vorsprung eingehängt ist wobei der Vorsprung in der Ausnehmung Spiel hat. Ferner ist 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, um die Abdichtung und somit den Wirkungsgrad noch weiter zu verbessern.

Die obengenannte, zweite Teilaufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 7 gelöst. Der bei der Segmentierung des Dichtungsringes auftretende Trennspalt zwischen den Segmenten soll nä.nlich möglichst so bemessen sein, daß sowohl bei dem umfangsmäßig erweiterten als auch verkleinerten Dichtungsring die Segmente an ihren Stirnflächen zur Anlage kommen, um den unerwünschten Durchtritt von Gas und somit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades zu vermeiden. Die zweckmäßige Trennspalte 13 zwischen den Segmenten kann rechnerisch ermittelt werden; diese ermittelte Trennspaltbreite kann aber erfindungsgemäß dadurch realisiert werden, daß man die Segmentierung des Dichtungsringes mittels Drahterodierens durchführt.

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

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

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

F i g. 3 einen Querschnitt eines Teilbereiches der in F i g. 1 dargestellten Dichtungseinrichtung, wobei der Schnitt entlang der Linie IH-III in Fig. 1 verläuft,

F i g. 4 einen Längsschnitt einer modifizierten Dichtungseinrichtung und

Fig.5 einen Längsschnitt einer alternativen Modifi

kation der Dichtungseinrichtung nach F i g. 1.

Eine in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Dichtungseinrichtung 1 nach der Erfindung für die freien Schaufelenden 2 eines Verstell-Leitapparates 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

ίο 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 der Segmente 4 mit den Schaufelenden zur Anlage

is kommen, wodurch eine Dichtung zwischen den Schaufelenden 2 und den Segmenten 4 gebildet wird. Die Slrömungsrichtung des Gases ist durch den Pfeil 9 angegeben. Die Segmente 4 liegen mit ihren stromabwärtsseitigen in Umfangsrichtung verlaufenden Stirn- flächen 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

2s 4 hat die eine einen sich nach außer 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 8Λ bzw. 8ß eingelassen. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist die Tiefe der Nut 84, die in der Stirnfläche mit der Ausnehmung 7 liegt, größer als die Tiefe der Ausnehmung 7 und ist die Nut 8ß, die in der Stirnfläche mit dem Vorsprung 6 verläuft, tiefer als der Vorsprung 6 lang ist. In jeden von je zwei sich gegenüberliegenden Nuten 8Λ und 85 gebildeten Raum ist ein Blechstück 8 bzw. 8Ceingeschoben, das annähernd so breit ist wie die beiden Nuten 8Λ und8özusammen 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 8Λ und 8ß eingeschobenen Bleche 8C bilden zusammen mit den Segmenten 4 eine Dichtung, die den radialen Strö mungsdurchtritt 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 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 Dichtungsrin ges (Angehalten werden können, erfolgt die Segmentie rung durch Drahterodieren.

Die Außenflächen der Segmente 4 sind in Axialrichtung gekrümmt und die Schaufelenden weisen ebenfalls

eine Krümmung auf. Die Krümmung der Außenflächen der Segmente 4 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 Schaufelcnden 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.

In Fig.4 ist eine modifizierte Dichtungseinrichlung dargestellt, wobei dieselben Bezugszeichen wie in Fi g. 1 für die Teile der modifizierten Dichtungseinrichtung verwendet worden sind, die mit entsprechenden Teilen der Dichtungseinrichtung nach F i g. 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 /wischen den sich gegenüberstehenden Seilenwänden der Nut 14 und Stirnflächen des Dichtungsringes 12 eine Glcitdichtung gebildet ist.

In F i g. 5 ist eine weitere Modifikation der Dichtungseinrichtung ersichtlich, wobei wiederum dieselben Bezugszeichen für die in den F i g. 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 3 verlötet. Eine Bohrung 18 im Statorteil 3 im Bereich der Erhöhung 17 ermöglicht die Zufuhr von Druckluft bzw. Druckgas in den Metallbalg 15.

Die Dichtungseinrichtung nach der Erfindung sorgt also dafür, daß das Strömungsmedium zwischen den Schaufelenden des Verstell-Leitapparates 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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dichtungseinrichtung für die freien Schaufelenden eines Verstell-Leitapparates einer Gasturbine, wobei die Schaufelenden und die benachbarte Strömungskanalstruktur federnd aneinander gedrückt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanalstruktur durch einen auf einem Statorteil (3) gehaltenen Dichtungsring gebildet ist, der in radial bewegliche, gegeneinander abgedichtete und mit dem Statorteil (3) eine Dichtung bildende Segmente (4) unterteilt ist, die im Betrieb federnd an die freien Schaufelenden (2) gedrückt sind.

2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (4) mittels einer sich auf dem Statorteil (3) abstützenden Feder (5) an die freien Schaufelenden (2) 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) sich an ihren gegenüberliegenden Rändern überlappen können.

4. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (4) mittels Druckluft oder -gas an die freien Schaufelenden (2) gedrückt sind.

5. Dichtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Segmente (4) in Axialrichtung eine bezüglich der Schaufelenden (2) geringfügig größere Krümmung aufweisen, so daß die Außenfläche eines Dichtungsring-Segments (4) das ihr gegenüberliegende Schaufelende (2) nur teilweise berührt. ·

6. Dichtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Dichtung zwischen den Dichtungsring-Segmenten (4) jedes Segment (4) an seiner einen, in Axialrichtung verlaufenden Stirnfläche einen sich nach außen erweiternden Vorsprung (6) und an seiner anderen, entgegengesetzten Stirnfläche eine sich nach innen erweiternde Ausnehmung aufweist, in die der Vorsprung (6) des unmittelbar benachbarten Segments mit Spiel eingehängt ist, und daß in den Stirnflächenbereich benachbarter Segmente (4) eine in Axialrichtung verlaufende Nut (8A, SB) entsprechend zumindest der Tiefe der Ausnehmung (7) bzw. der Länge des Vorsprungs (6) eingelassen ist, wobei in den durch die sich gegenüberliegenden Nuten (8Λ, SB) gebildeten Raum ein Flachstück (8) eingeschoben ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Dichtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dichtungsring durch Drahterodieren in die Segmente (4) unterteilt wird.