DE2939188A1 - Vorrichtung zum kuehlen einer labyrinthdichtung - Google Patents

Vorrichtung zum kuehlen einer labyrinthdichtung

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Description

SOCIETE NATIONALE D1ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION
(S.N.E.C.M.A.) 1982
2, Boulevard Victor
Paris /Frankreich
Vorrichtung zum Kühlen einer Labyrinthdichtung
Die Erfindung betrifft Labyrinthdichtungen und richtet sich, genauer gesagt, auf Verbesserungen solcher Labyrinthdichtungen, die zwei Räume voneinander trennen, welche Fluide unterschiedlichen Drucks enthalten, und die mit dünnen Stegen versehen sind, welche sich schnell relativ zu mitwirkenden Teilen der Dichtung bewegen. Beispielsweise kann es sich um eine Dichtung handeln, die zwischen einer Welle und einem Gehäuse der Brennkammer einer Gasturbine oder einer Luftfahrt-Strahlturbine angeordnet ist.
Eine solche Dichtung trennt einen stromauf gelegenen Raum von einem stromab gelegenen Raum, wobei der stromauf gelegene Raum Luft unter dem Förderdruck der letzten Kompressionsstufe der Strahlturbine bzw. des Aggregats der Gasturbine enthält, beispielsweise 20 bar bei Vollast,
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während der stromab gelegene Raum mit der Eintrittsseite der ersten bewegbaren Beschaufelung der Turbine in Verbindung steht und beispielsweise einen Druck von 10 bar aufweist. Nun reagiert der Wirkungsgrad der Turbine sehr empfindlich auf die Luftmenge, die in ihre erste Beschaufelung eingeführt wird (beispielsweise kann eine auf diese Weise eingeführte Luftmenge von 1 % der vom Verdichter gelieferten Luftmenge eine Wirkungsgradverschlechterung der Turbine von 1,5 % hervorrufen). Es ist daher wesentlich, daß die Labyrinthdichtung äußerst wirksam ist, d.h., daß das Spiel zwischen den dünnen Stegen und den mitwirkenden Abschnitten der Dichtung auf einem sehr kleinen Wert gehalten wird, was eine sehr genaue Regelung der Relativverschiebung der Bauteile während des Betriebs des Triebwerkes voraussetzt.
Die Hauptquelle für Deformationen ist thermischen Ursprungs. Die Erfindung hat zu der Erkenntnis geführt, daß diejenigen Abschnitte der Dichtung, die mit den dünnen Stegen zusammenwirken, sich während des. Betriebs erwärmen und die Tendenz besitzen, sich stromab mehr auszudehnen als stromauf. Dieses Phänomen ist ziemlich überraschend, weil man vielmehr erwartet hätte, daß die Entspannung der Luft beim Durchgang durch die Dichtung zu einer Kühlung führen würde; man kann einen Erklärungsversuch machen, indem man voraussetzt, daß sich die Luft durch Verwirbelung und Drosselung zwischen den dünnen Stegen und den mitwirkenden Teilen der Dichtung erwärmt, und zwar in dem Maße, wie sie stromabwärts fließt. Immerhin ergibt sich, daß die Erfindung in keiner Weise durch Hypothesen oder wissenschaftliche Erklärungen beschränkt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausbildung einer Labyrinthdichtung zu ermöglichen, welche die Regelung
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der Relativverschiebungen der dünnen Stege und der mitwirkenden Abschnitte der Dichtung sicherstellt. Ferner soll die Ausbildung einer Labyrinthdichtung ermöglicht werden, bei der der Träger derjenigen Dichtungsabschnitte, die mit den dünnen Stegen zusammenwirken, im wesentlichen seine geometrische Form beibehält, indem er sich während des Betriebs thermisch dehnt und zusammenzieht.
Erfindungsgemäß wird der Träger derjenigen Dichtungsabschnitte, die mit den dünnen Stegen zusammenwirken, durch eine Luftströmung gekühlt, die, bezogen auf die Dichtung, in Gegenstromrichtung (also stromaufwärts) parallel zur Umhüilungsfläche der Enden der dünnen Stege fließt und im stromauf gelegenen Raum mündet, wobei die Kühlluft von einer Luftquelle mit einem Druck geliefert wird, der über dem in dem stromauf gelegenen Raum liegt.
Die Erwärmungstendenz der Dichtung kann zweifellos entsprechend den Betriebszuständen variieren. Um die Möglichkeit zu schaffen, die Relativverschiebungen der dünnen Stege und der mitwirkenden Abschnitte der Dichtung in sämtlichen Betriebsfällen und insbesondere im Ubergangsbereich sehr genau zu regeln, wird die Kühlluftströmung vorzugsweise aus einer Leitung gespeist, die einerseits mit der Druckluftquelle und andererseits mit einem Auslaßventil in Verbindung steht, welches einen regelbaren Durchlaß besitzt. Vorteilhafterweise wird das Auslaßventil automatisch derart gesteuert, daß es sich in dem Maße öffnet, wie die Geschwindigkeit abnimmt. Für den Fall, daß die Dichtung in einem Turbinentriebwerk eingebaut ist, kann das Auslaßventil erfindungsgemäß durch die Drehzahl des Turbinentriebwerks gesteuert werden.
Wenn die Labyrinthdichtung zwischen einer Welle und einem Gehäuse der Brennkammer einer Gasturbine oder einer Luftfahrt-Strahlturbine angeordnet ist, so besteht die Druck-
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luftquelle vorzugsweise aus dem Innenraum dieses Gehäuses.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:
Figur 1 einen in Längsrichtung verlaufenden Halbschnitt durch einen Teil einer Luftfahrt-Strahlturbine mit einer Labyrinthdichtung zwischen einer Welle und einem Gehäuse der Brennkammer;
Figur 2 eine Ansicht entsprechend der nach Figur 1, wobei in größerem Maßstab die Labyrinthdichtung und deren Kühlsystem dargestellt sind;
Figur 3 eine Ansicht in noch größerem Maßstab von einer Labyrinthdichtung nach einer geringfügig abgewandelten Ausführungsform.
Die in Figur 1 dargestellte Strahlturbine umfaßt einen Verdichter 1, der die komprimierte Luft in einen Diffusor 2 liefert, welcher in einem ringförmigen Gehäuse 3 mündet. Letzteres enthält eine Verbrennungsvorrichtung H (die eine ringförmige Brennkammer sein oder eine Mehrzahl von kranzförmig angeordneten Brennkammern umfassen kann), in der ein Treibstoff verbrennt, um heiße Gase zu erzeugen, die durch eine Turbine hindurchgehen, von der der erste umlaufende Schaufelkranz 5 dargestellt ist. Die umlaufenden Schaufelkränze des Verdichters sind mit denen der Turbine durch eine Hohlwelle 6 verbunden, welche die Drehung von der Turbine auf den Verdichter überträgt. Die aus der Turbine austretenden heißen Gase werden durch eine nicht gezeigte Düse in die Atmosphäre abgegeben, wobei sie einen Antriebsstrahl
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bilden.
Die Abdichtung zwischen der Hohlwelle 6 und dem Gehäuse wird in der Nähe der Verbrennungsvorrichtung 4 von einer Labyrinthdichtung 7 gewährleistet, die einen stromauf gelegenen Raum 8, der mit der Austrittsseite des letzten Schaufelkranzes la des Kompressors in Verbindung steht, von einem stromab gelegenen Raum 9 trennt, der eine Verbindung mit der Eintrittsseite des ersten Schaufelkranzes der Turbine besitzt. Wenn die Strahlturbine mit voller Drehzahl läuft, beträgt der statische Druck der Luft größenordnungsmäßig 20 bar im stromauf gelegenen Raum 8, 10 bar im stromab gelegenen Raum 9 und 25 bar im Gehäuse 3.
Der Diffusor 2 ist mit einem zum Gehäuse gehörenden Wandabschnitt 2a verbunden, der in einem Flansch 2b endet, wobei letzterer mit dem vorderen Abschnitt des Diffusors 2 über eine Wand 10 verbunden ist, die gemeinsam mit dem Wandabschnitt 2a einen ringförmigen Auslaß-Hohlraum 11 bildet. Dessen Zweck wird noch weiter unten erläutert.
Die Labyrinthdichtung 7 umfaßt (siehe auch Figur 2) ein Rad 12, weiches auf der Hohlwelle 6 befestigt ist und auf seinem Umfang eine Mehrzahl von dünnen Stegen 13 trägt, die mit einer Dichtfläche aus sogenanntem Abriebmaterial Ik zusammenarbeitet. Bei letzterem handelt es sich um ein wabenförmiges Material, das dazu bestimmt ist, durch die Reibung der dünnen Stege 13 abgetragen zu werden, wenn die Stege mit dem Material in Berührung treten. Das Abriebmaterial 1*1 ist in an sich bekannter Weise an einem Träger 15 j einem sogenannten "Abrieb-Träger", befestigt, der seinerseits an der Wand des Gehäuses 3 sitzt. Wie es sich aus den Figuren ergibt, folgen das Abriebm? erial 14 und der Träger 15 der im wesentlichen konischen Form der Wand des Ringge-
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häuses 3·
Wenn die Strahlturbine arbeitet, fließt ein geringfügiger Anteil der Luft aus dem Raum 8 gegen den Raum 9> wobei er entsprechend dem Pfeil 16 (Figur 3) zwischen den dünnen Stegen und dem Abriebmaterial hindurchtritt;'dabei besitzen das Abriebmaterial und der "Abrieb-Träger" die Tendenz, sich mehr stromab als stromauf zu erwärmen. Würde diese Tendenz nicht bekämpft, so würde sich die Konizität des Abriebmaterials und dessen Trägers bei Vollast vergrößern, und zwar derart, daß das Spiel zwischen den dünnen Stegen und dem Abriebmaterial zunähme.
Um dieser Tendenz entgegenzuwirken, besteht der Träger 15 aus drei konischen Reifen 17,18 und 195 die parallel zur Außenfläche des Abriebmaterials IH liegen. Letzteres ist seinerseits parallel zur Umhüllungsfläche der Enden 13a der dünnen Stege 13. Die Reifen 17 bis 19 bilden zwischen sich Durchgänge, in denen die Kühlluft fließt, und zwar derart, daß die Außenfläche des Reifens 17, welcher direkt das Abriebmaterial lH trägt, von der Luft umspült wird, die vom stromab gelegenen Ende gegen das stromauf gelegene Ende fließt, also im Gegenstrom zu derjenigen Luft, die aus dem Raum 8 gegen den Raum 9 zwischen den dünnen Stegen 13 und dem Abriebmaterial 14 hindurchströmt. Die Fördermenge der Kühlluft wird geregelt in Abhängigkeit von der Drehzahl der Strahlturbine, wie es noch weiter unten beschrieben werden soll. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit, eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur des Reifens 17 zu erzielen und dementsprechend die Relativverformungen und die Schwankungen des Radialspiels zwischen den dünnen Stegen und dem Abriebmaterial zu begrenzen/und dies für sämtliche Arbeitsbereiche der Strahlturbine.
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Die konische Innenwand 20 des Ringgehäuses 3 ist an der kleinen Basis mit einem Flansch 20a versehen, der sich an den Flansch 2b des Wandabschnitts 2a anpaßt. Ferner weist der konische Reifen 19 des Trägers 15 an seiner kleinen Basis einen Flansch 19a auf, der sich an den Flansch 20a anpaßt. Die drei Flansche 2b, 20a und 19a sind gemeinsam durch Bolzen 21 befestigt, welche kranzförmig angeordnet sind. Die großen Basen der konischen Reifen 17 und 19 schließen sich an zylindrische Abschnitte 17a und 19b an, die über Bolzen 22 miteinander verbunden sind. Die kleine Basis des konischen Reifens 18 ist mit einem Flansch 18a versehen, der sich an einen zylindrischen Abschnitt l8b anschließt, welcher sich an den Innenrand des Flanschs 19a anpaßt, wobei der Flansch 18a zwischen Muttern 21a und 21b eingespannt ist, welche auf die Verlängerungen der Bolzen 21 aufgeschraubt sind.
Der Flansch 20a ist mit einer Mehrzahl von radialen Kanälen 23 versehen, die im Ringgehäuse 3 münden und zwischen den Bolzen 21 hindurchgehen. Diese Kanäle 23 stehen stromauf mit dem Hohlraum 11 über Öffnungen 2k in Verbindung, die durch den Flansch 2b hindurchgehen, während sie stromab mit Öffnungen 25 verbunden sind, die die Flansche 20a und 19a durchdringen. Die Öffnungen 25 münden zwischen den Flanschen 19a und l8a in einem Ringkanal 26, der zwischen dem Flansch l8a und einer Abschirmung 27 aus Blechkonstruktion gebildet wird. Die Abschirmung ist eingespannt zwischen der Mutter 21a und einem Ring 21c, welcher den Schaft des Bolzens 21 umgibt. Der Ringkanal 26 steht mit einem konischen Raum zwischen den Reifen 18 und 19 in Verbindung, wobei dieser Raum, inwdem er um die große Basis des konischen Reifens herumgeht, mit einem konischen Raum 29 zwischen dem Reifen 18 und dem Reifen 17 verbunden ist. Die Räume oder Abstände
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zwischen den Reifen werden von Querstreben 30 aufrechterhalten, die beispielsweise aus Kugeln oder aus Abschnitten von kalibriertem Draht bestehen und an den Reifen festgeschweißt sind. Die Querstreben sind nicht in Figur 2, jedoch in Figur 3 dargestellt. In der letztgenannten Figur tragen diejenigen Bauteile, die die gleiche Rolle wie die in Figur 2 spielen, die gleichen Bezugsziffern, jedoch erhöht um den Wert 100.
Der Diffusor 2 ist von einer Mehrzahl radialer Arme 31 durchsetzt, die in gleichen Winkelabständen zueinander liegen und ihrerseits von radialen Durchlässen 32 durchdrungen sind. Es besteht ferner die Möglichkeit, daß die radialen Arme von der Leitapparat-Beschaufelung gebildet werden, wodurch gleichzeitig das Schaufelgitter Ib nach Figur 1 überflüssig wird. Die radialen Schaufeln sind dann in gleicher Weise mit den Durchlässen 32 versehen. Letztere stehen, beispielsweise über an beiden Enden gelenkig angeschlossene Rohre 33, mit einer Sammelleitung 3^ in Verbindung, die über ein Auslaßventil 35 in die Atmosphäre mündet. Das Auslaßventil wird durch die Drehzahl der Strahlturbine geregelt, und zwar durch Einrichtungen, die in Figur 1 lediglich schematisch durch eine von der Hohlwelle 6 ausgehende Steuerlinie 36 angedeutet sind.
Die Kühlluft wird durch den Kanal 23 dem Ringgehäuse 3 der Verbrennungsvorrichtung entnommen, und zwar bei einem Druck von 25 bar. Dies ist gegenüber einer geläufigeren Anordnung vorzuziehen, bei der die Entnahme stromauf des letzten Leitschaufelgitters Ib des Kompressors 1 (Figur 1) erfolgt. Es hat sich nämlich erfindungsgemäß herausgestellt, daß im Gegensatz zu dem, was man erwarten würde, die Temperatur der Luft im Ringgehäuse merklich niedriger ist als die Lufttemperatur stromauf des Leitschaufelgitters Ib. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels, bei dem ein Druck von
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25 bar innerhalb des Ringgehäuses herrscht, beträgt die Temperaturdifferenz etwa 50°. Ein Teil der Luft, der auf diese Weise aus dem Ringgehäuse durch den Kanal 23 entnommen wird, gelangt durch die Öffnungen 24 in den Auslaß-Hohlraum 11 und von dort durch die Durchlässe 32 und die Rohre 33 in die Sammelleitung 34. Von hier aus tritt er durch das Auslaßventil 35 in die Atmosphäre, sofern das Auslaßventil zumindest teilweise geöffnet ist. Der Rest der Luft strömt durch die Öffnung 25 und den Ringkanal in den Raum 28, in welchem er vom stromauf gelegenen Ende gegen das stromab gelegene Ende fließt, geht dann um das Ende des Reifens 18 herum und fließt vom stromab gelegenen Ende gegen das stromauf gelegene Ende innerhalb des Raumes 29, wobei er die konische Außenfläche des Reifens 17 überstreicht und kühlt. Ferner sei auf folgendes hingewiesen. Da der von dem Raum 29 gebildete Kühlluftkanal parallel zu der konischen Umhüllungsfläche der Enden 13a der schmalen Stege 13 verläuft, kann man dem Reifen 17 eine konstante Dicke über seiner gesamten Länge geben. Aufgrund dieser Anordnung in Verbindung mit der Gegenstrom-Zirkulation der Kühlluft kann der Reifen 17 bei seinen thermischen Dehnungen und Kontraktionen parallel zu sich selbst verbleiben. Ferner sei hervorgehoben, daß die Tatsache, daß die Kühlluft mit Sicherheit in den stromauf gelegenen Raum 8 abgegeben wird, die Möglichkeit dafür bietet, die Luft parallel zur Umhüllungsfläche der Enden der schmalen Stege zirkulieren zu lassen.
Die Luft, die auf diese Weise den Reifen 17 gekühlt hat, strömt in den Raum 8 am stromauf gelegenen Ende des Abriebmaterials 14 ein, und zwar mit einem Druck, der noch geringfügig höher als der in dem Raum 8 ist. Der größte Teil dieser Luft (etwa 75 %) tritt durch die Labyrinthdichtung 7 entsprechend dem Pfei" l6 hindurch, und der
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Rest strömt in Richtung des Pfeils 37 gegen das stromauf gelegene Ende des Raums 8 und wird erneut in die Verdichter-Strömung stromauf des letzten Leitschaufelgitters Ib eingeführt.
Wenn die Strahlturbine mit voller Drehzahl arbeitet, ist das Auslaßventil 35 geschlossen, so daß die gesamte Luft, die durch den Kanal 23 entnommen wird, der Kühlung der Labyrinthdichtung dient. Bei einem Verzögern öffnet sich das Auslaßventil in dem Maße, wie sich die Drehzahl vermindert, und zwar bis zur vollständigen Öffnung beim Stillstand. Der Luft im Kanal 23 wird auf diese Weise ein Durchgang geöffnet, der wesentlich durchlässiger ist als die Durchströmung des Abrieb-Trägers 15. Im Stillstand entweicht die gesamte Luft durch das geöffnete Auslaßventil 35 zur Atmosphäre, anstatt sich ihren Weg durch den Abrieb-Träger zu erkämpfen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele darstellen und abgewandelt werden können, insbesondere durch Substitution technischer Äquivalente, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen würde. Insbesondere ist die Erfindung nicht allein auf konische "Abrieb-Träger" anwendbar; sie läßt sich in gleicher Weise auf Träger anderer Formen anwenden, beispielsweise auf zylindrische Träger. Außerdem kann im Falle von Bypass-Strahltriebwerken das Auslaßventil in die Sekundärströmung münden.
Zusammenfassend schafft die Erfindung eine Labyrinthdichtung, die zwischen einer Welle 6 und einem Brennkammer-Gehäuse 3 einer Gasturbine sitzt.
Der Träger 17 derjenigen Abschnitte l^J der Dichtung, die mit den dünnen Stegen 13 zusammenwirken, wird von einem Luft-
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strom gekühlt, der vom stromab gelegenen Ende zum stromauf gelegenen Ende der Dichtung parallel zu der Umhüllungsfläche der Enden 13a der schmalen Stege fließt und entsprechend den Pfeilen 16 und 37 in dem stromauf gelegenen Raum 8 mündet. Die Kühlluft wird dem Gehäuse 3 durch eine Leitung 23 entnommen, die über den Strömungsweg 24,11,32,33,31I mit einem Auslaßventil 35 in Verbindung steht, welches durch die Drehzahl der Gasturbine gesteuert wird.
Die Erfindung ist anwendbar auf Luftfahrt-Strahlturbinen.
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Leerseite

Claims (6)

  1. Dipl.-!ng. H. :.;·ϊ.01.EHLICiI
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    27. September 1979
    SOCIETE NATIONALE D1ETUDE ET DE
    CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION
    (S.N.E. CM. A. ) 1982
    2, Boulevard Victor
    Paris /Frankreich
    PATENTANSPRÜCHE
    ( 1/ Vorrichtung zum Kühlen einer Labyrinthdichtung, die um eine einen Luftverdichter mit einer Turbine verbindende Welle herum angeordnet ist, um einen Luft-Raum oder stromauf gelegenen Raum von einem Gas-Raum oder stromab gelegenen Raum zu trennen, wobei die Labyrinthdichtung dünne Stege aufweist, die sich relativ schnell bezüglich einer verschleißbaren stationären Fläche bewegen, dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Ringkanal (29), der einen Träger (17) des Abriebmaterials (1*0 der Labyrinthdichtung (7) umgibt und dieselbe Rotationsform wie die Umhüllungsfläche der dünnen Stege (13) der Labyrinthdichtung besitzt, mit seinem stromab gelegenen Ende an einen Lufteinlaß (23) angeschlossen ist, welcher in einer Wand (20) eines Gehäuses (3) einer Verbrennungsvorrichtung (4) vorgesehen ist, während das andere Ende des Ringkanals (29) stromauf der Labyrinthdichtung in dem Luft-Raum (8) von geringerem Druck mündet, der die
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    Welle (6) des Verdichters (1) umgibt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lufteinlaß (23) mit einem Auslaßventil (35) von regelbarer Durchlaßgröße in Verbindung steht.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (35) automatisch derart steuerbar ist, daß es in dem Maße öffnet, wie die Geschwindigkeit abnimmt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (35) von der Drehzahl der Gasturbine oder der Luftfahrt-Strahlturbine steuerbar ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (35) in die Atmosphäre mündet.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 in Anwendung auf eine Luftfahrt-Strahlturbine mit Bypass-nStrömung, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (35) in die Bypass-Strömung mündet.
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