DE2943464A1

DE2943464A1 - Dichtungsvorrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2943464A1
Application number: DE19792943464
Authority: DE
Inventors: Olivo Leo Viola
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-10-30
Filing date: 1979-10-27
Publication date: 1980-05-14
Also published as: FR2440474B1; IT1124668B; JPS631451B2; JPS5581235A; FR2440474A1; IT7926822A0; US4309145A; GB2033020B; GB2033020A

Description

Dichtungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

Die Notwendigkeit einer Kühlung von Turbinenrotorteilen ist auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke bekannt. Diese Notwendigkeit ist während Zeitspannen besonders ausgeprägt, in denen das Triebwerk mit oder beinahe mit voller Leistung betrieben wird und die Temperatur des Hauptstromgases daher auf ihrem höchsten Punkt ist. Das direkte Auftreffen von Gas mit so hoher Temperatur auf kritische Rotorteile/ beispielsweise den Rand der Rotorscheibe, führt zu einer starken überhitzung der kritischen Teile, durch die ihre Nutzlebensdauer verringert wird.

Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, die kritischen Rotorteile aus Materialien herzustellen, die dadurch, daß sie einer übermäßigen Erhitzung ausgesetzt sind, nicht verschlechtert werden. Diese Lösung ist jedoch nicht völlig zufriedenstellend, da diese Materialien teuer sind und das Ge-

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wicht des Rotors unnötig vergrößern, wodurch die Gesamttriebwerksleistung und der Triebwerkswirkungsgrad verringert werden.

Eine andere bekannte Lösung besteht darin, einen kontinuierlichen Strom von kühlender Verdichterauslaßluft mit dem heissen Hauptgasstrom zu vermischen und dessen Temperatur zu senken, bevor er auf die kritischen Rotorteile auftrifft. Diese Lösung ist ebenfalls nicht zufriedenstellend, weil das Abzweigen großer Mengen von Verdichterauslaßluft für Kühlzwecke die Ausgangsleistung des Triebwerks und den Triebwerksbetriebswirkungsgrad beträchtlich verringert.

Die Erfindung ist auf eine einfache und wirksame Lösung des Problems des Schutzes von kritischen Rotorteilen vor nachteiligen Auswirkungen des direkten Hauptstromgases unter Aufrechterhaltung oder Erhöhung der Triebwerksausgangsleistung und des Triebwerkswirkungsgrades gerichtet.

Die Erfindung schafft vor allem einen Schutz für die kritischen Teile eines Gasturbinentriebwerksrotors vor dem direkten Auftreffen eines heißen Hauptstromgases, wenn das Triebwerk mit oder nahezu mit voller Leistung arbeitet.

Die Erfindung sorgt für diesen Schutz unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung oder Erhöhung der Triebwerksleistung oder des Triebwerkswirkungsgrads.

Ferner sorgt die Erfindung für diesen Schutz, ohne nennenswerte Änderungen der Triebwerkskonstruktion zu erfordern^

Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile, die sich aus der folgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen und den Ansprüchen ergeben, werden durch die Erfindung erreicht, die, kurz gesagt, für eine Gasturbine eine Dichtungsvorrichtung schafft, welche verhindert, daß eine hohe Temperatur aufweisendes Hauptstromgas direkt auf die Grenzfläche zwischen einer Laufschaufelwurzel und der

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entsprechenden Rotorscheibe während Perioden eines Triebwerksbetriebes mit maximaler Ausgangsleistung oder einer schnellen Erhöhung der Triebwerksausgangsleistung auftrifft. Die Dichtungsvorrichtung hat einen Flansch, der sich axial von der Wurzel der Laufschaufel aus erstreckt, und ein Dichtungstoi1, das an einer Statoranordnung befestigt ist. Wenn das Triebwerk mit maximaler Ausgangsleistung betrieben wird oder wenn die Triebwerksausgangsleistung schnell erhöht wird, bewegt sich das Dichtungsteil axial und radial nach außen und legt sich gegen den Laufschaufelflansch und bildet mit diesem eine Dichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch in einer Teillängsschnittan

sicht einen Teil eines Gasturbinentriebwerks mit einer Dichtungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilquerschnittansicht eines Teils

von Fig. 1 auf der Linie 2-2,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht (teilweise im

Schnitt) eines Teils von Fig. 1,

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht eines

teilweise weggebrochen dargestellten Teils von Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht eines Teils von Fig. 3 bei

mit maximaler Leistung arbeitendem Triebwerk und

Fig. 6 eine Ansicht eines Teils von Fig. 3 bei

normalem Triebwerksdauerbetrieb.

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In den Zeichnungen, in denen gleiche Teile gleiche Bezugszahlen tragen, zeigt Fig. 1 einen Teil einer ND(Niederdruck)-Turbine eines Gasturbinentriebwerks, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. In dieser Ausführungsform wird die Erfindung zwar in Verbindung mit einer ND-Turbine benutzt, das bedeutet jedoch keine Einschränkung der Erfindung, da diese auch in Verbindung mit jedem anderen Turbinentyp in einem Gasturbinentriebwerk benutzt werden kann.

Die ND-Turbine 10 hat ein ringförmiges äußeres Bauteil oder Gehäuse, das insgesamt mit 12 bezeichnet ist und einen Bauptstromgasströmungsweg 14 umgibt und diesen teilweise begrenzt. Die ND-Turbine 10 hat außerdem einen Einlaß 16, über den ein schnell strömendes Arbeitsfluid oder Gas eintreten kann. Stromabwärts des Einlasses 16 befindet sich eine Düsenstufe aus mehreren in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten und insgesamt axial ausgerichteten Düsen- oder Leitschaufeln 18 (von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine gezeigt ist), die sich von einer Statoranordnung oder einer Düsentraganordnung aus, die insgesamt mit 20 bezeichnet ist, insgesamt radial nach außen und in den Hauptstromgasströmungsweg 14 erstrecken. (Der hier benutzte Begriff "stromabwärts" oder ^hinterwärts" bedeutet in den Zeichnungen nach rechts). Stromabwärts von den Leitschaufeln 18 ist ein Rotor 22 angeordnet, der mehrere in gegegenseitigem Umfangsabschnitt angeordnete und insgesamt axial ausgerichtete Laufschaufeln 24 aufweist {von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine gezeigt ist), die mit einer drehbaren Turbinenrotorscheibe 26 zusammenwirken und sich von dieser aus insgesamt radial nach außen und in den Hauptstromgasströmungsweg 14 erstrecken.

Die ND-Turbine 10 arbeitet in bekannter Weise. Ein Hochenergiekraftstoff wird mit verdichteter Luft in einer Brennkammer inicnt gezeigt) gezündet und die sich ergebende Strömung eines Arbeitsfluids, das sich schnell bewegt und eine hohe Temperatur hat, wird zuerst durch eine HDtHochdruck)-Turbine inicht gezeigt) geleitet, in der dem Arbeitsfluid ein Teil der kinetischen Energie entzogen wird. Das Arbeitsfluid wird anschlies-

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send längs des Hauptstromgasströnmngsweges 14 durch den Einlaß 16 geleitet und mit den Leitschaufeln 18 in Berührung gebracht. Das Arbeitsfluid wird dabei durch die Leitschaufeln 18 (die bekanntlich ein Tragflügelprofil haben) umgelenkt und auf die Turbinenlaufschaufeln 24 geleitet, an die ein Teil der kinetischen Energie des Fluid abgegeben wird. Der dem Fluid entzogene Teil der kinetischen Energie wird benutzt, um eine Welle (nicht gezeigt) zu drehen, an der die Scheibe 26 befestigt ist. Die Welle ist außerdem mit einer Belastung, beispielsweise einem Gebläse (nicht gezeigt), verbunden und treibt diese an. Das die Turbinenlaufschaufeln 24 verlassende Arbeitsfluid kann anschließend durch weitere abwechselnde Stufen von Leit- und Laufschaufeln (nicht gezeigt) hindurchgehen, um zusätzliche Energie abzugeben.

oder Füße
Die Wurzeln/28 der Turbinenlaufschaufeln 24 sind an dem Rand 30 der Scheibe 26 an der Laufschaufel/Rotorscheibe-Grenzflache 32 befestigt. Gemäß der Erfindung haben die Turbinenlaufschaufelwurzeln 28 jeweils einen sich insgesamt axial erstreckenden Flansch 29, dessen Zweck im folgenden noch deutlicher werden wird. Gemäß Fig. 2 hat jede Laufschaufel einen mehrzähnigen Schwalbenschwanzschaft 34,der· in einem Schwalbenschwanzschlitz 36 an dem Scheibenrand 30 angeordnet und darin mit Hilfe eines Laufschaufelhaltekeils 38 festgehalten wird. Eine unregelmäßig geformte öffnung 40 ist durch den von Haus aus vorhandenen Spalt zwischen jedem LaufSchaufelschwalbenschwanzschaft 34, dem entsprechenden Scheibenrandschlitz 36 und dem entsprechenden Laufschaufelhalteteil 38 gebildet.

Fig. 1 läßt ohne weiteres erkennen, daß während des Triebwerksbetriebes ein Teil des eine hohe Temperatur aufweisenden Arbeitsfluids durch die öffnung 40 strömt. Während des normalen Beharrungszustands- oder Dauerbetriebs des Triebwerks, beispielsweise wenn dieses ein Flugzeug während dessen Reisefluges antreibt, beträgt die Temperatur des längs des Turbinenhauptstromgasströmungsweges 14 strömenden Arbeitsfluids ungefähr 760 ⁰C. Bei dieser Arbeitsfluidtemperatur reicht ein Strom von Scheibenrandkühlluft aus dem Verdichter (nicht gezeigt),

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der durch eine ringförmige Dichtung 42 hindurchgeht, aus, um den Teil des Arbeitsfluids, der durch die öffnung 40 hindurchgeht, auf eine Temperatur von ungefähr 593 ⁰C abzukühlen, die eine Überhitzung der kritischen Rotorteile (d.h. des Scheibenrandes 30, der LaufSchaufelschwalbenschwanzschäfte 34, des Schwalbenschwanzrandschlitzes 36 und des Laufschaufelhaltekeils 38), die der öffnung 40 benachbart sind, verhindert. Wenn das Triebwerk jedoch mit oder nahezu mit voller Leistung betrieben wird oder wenn die Triebwerksausgangsleistung schnell erhöht wird, beispielsweise wenn das Triebwerk ein Flugzeug während des Starts oder eines steilen Steigfluges antreibt, kann das Arbeitsfluid, das durch den Hauptstromgasströmungsweg 14 strömt, Temperaturen bis zu 954 ⁰C erreichen. Bei dieser erhöhten Arbeitsfluidtemperatur reicht der Strom von durch die Dichtung 42 hindurchgehender Scheibenrandkühlluft nicht aus, um den Teil des Arbeitsfluids, der durch die öffnung 40 hindurchgeht, ausreichend auf eine akzeptable Temperatur abzukühlen. Der Strom des Gases mit der höheren Temperatur durch die öffnung 40 hindurch trifft auf die benachbarten kritischen Rotorteile auf und verursacht dadurch das überhitzen derselben, was potentiell mit einer Verringerung ihrer Nutzlebensdauer verbunden ist.

Die Erfindung schafft eine insgesamt mit 44 bezeichnete Dichtungsvorrichtung, die verhindert, daß das eine hohe Temperatur aufweisende Hauptstromgas während Perioden eines Betriebes mit maximaler Triebwerksausgangsleistung oder eines schnellen Anstieges der Triebwerksausgangsleistung direkt auf die Laufschaufel/Botorscheibe-Grenzfläche 32 auftrifft. Gemäß den Fig, 3 und 4 besteht die Dichtungsvorrichtung 44 ans einem seamentierten, ringförmigen Dichtungsteil 46, das einen insgesamt L-förmigen Querschnitt hat. Das Dichtungsteil 46 ist an der Statoranordnung oder Düsentragvorrichtung 20 befestigt. Das Dichtungstell hat außerdem einen wabenförmigen Teil 48 (dessen Zweck im folgenden noch näher erläutert ist), der an der radial inneren Seite seines axial ausgerichteten Schenkels Sü befestigt ist,

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. ff·

Das Dichtungsteil 44 hat außerdem einen segmentierten, ringförmigen Hitzeschild 52 mit einem insgesamt Z-förmigen Querschnitt. Der Hitzeschild 52 ist ebenfalls an der Statoranordnung 20 befestigt und zwischen dem Dichtungsteil 46 und dem Hauptstromgasströmungsweg 14 angeordnet. Gemäß Fig. 4 sind die Segmente des Hitzeschildes 52 versetzt und überlappen die Segmente des Dichtungsteils 46.

Sowohl das Dichtungsteil 46 als auch der Hitzeschild 52 sind an der Statoranordnung 20 mit Hilfe von in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten und insgesamt axial ausgerichteten Schrauben 54 befestigt (von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine gezeigt ist). Eine kreisförmige Abstandsscheibe oder Unterlegscheibe 56 ist um jede Schraube 54 herum zwischen dem Hitzeschild 52 und dem Dichtungsteil 46 angeordnet, so daß mehrere Kanäle 58 gebildet sind, durch die Kühlfluid aus dem Verdichter (nicht gezeigt) in einer Weise und für einen Zweck hindurchgehen kann, der im folgenden noch deutlicher werden wird. Die versetzten und überlappenden Segmente des Hitzeschildes 52 verhindern ein Fluidlecken aus den Kühlkanälen 58.

Die Schrauben 54 gehen außerdem der Reihe nach durch ein ringförmiges Dichtungstragteil 60, ein ringförmiges Dichtungstragteil 62, mehrere Leitschaufelschäfte 64 und ein Turbinenrahmenmitte-Dichtungsteil 66 hindurch, an welch letzterem ein Versteifungsteil 68 durch Hartlöten befestigt ist. Mehrere selbsthaltende Muttern 70 (von denen nur eine gezeigt ist) sind auf dem Ende der Schrauben 54 festgezogen, um sämtliche vorerwähnte Teile in ihrer Lage festzuhalten. Mehrere Durchlässe 72 (von denen nur einer gezeigt ist) durch das Düsentragteil 62 gestatten Luft, beispielsweise HD-Ersatzluft, hindurchzugehen und die Statoranordnung 20 sowie die Leitschaufelschäfte 64 zu kühlen. Darüber hinaus gestatten mehrere Durchlässe 74 (von denen nur einer gezeigt ist) durch das Dichtungstragteil 60 Luft, beispielsweise Verdichterabzapfluft, durch die Statoranordnung 20 hindurchzugehen, um hauptsächlich das Dichtungsteil 46 und den Hitzeschild 52 zu kühlen.

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AS-

Es ist allgemein bekannt, daß sich während des Triebwerksbetriebes der relativ leichtere Statoranordnungsteil des Triebwerks aufheizt und schneller ausdehnt, wenn er dem eine hohe Temperatur aufweisenden Arbeitsfluid ausgesetzt ist, als der relativ massivere Rotorteil. Auf diesem Prinzip basiert die Arbeitsweise der Dichtungsvorrichtung nach der Erfindung.

Während Perioden eines Betriebes mit maximaler Triebwerksausgangsleistung oder eines schnellen Anstieges der Triebwerksausgangsleistung erfährt die Statoranordnung eine thermische Ausdehnung, durch die sie sich sowohl in radialer als auch in axialer Richtung nach außen bewegt, was zur Folge hat, daß der Waben- oder Verbundteil 48 des Dichtungsteils 46 die radial äußere Seite der Laufschaufelwurzelflansche 29 berührt, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der größere Rotor 22 heizt sich viel langsamer auf und deshalb bleiben die Laufschaufelwurzelflansche 29 vorübergehend in einer festen axialen Beziehung zu der Statoranordnung. Die so gebildete Dichtung hindert das eine hohe Temperatur aufweisende Hauptstromgas, direkt auf die vorerwähnten kritischen Rotorteile auf zutreffen,, die sich in der unmittelbaren Nähe der Laufschaufel/Kotorscheibe-Grenzfläche 32 befinden, wodurch nur der Scheibenrandkühlluft gestattet wird» durch die öffnung 40 hindurchzuströmen»

Der Hitzeschild 52 und das Kühlfluid innerhalb der Kühlkanäle 58 schützen das Dichtungsteil 46 vor dem direkten Auftreffen des eine hohe Temperatur aufweisenden Arbeitsfluids, wodurch ein kontrolliertes radiales thermisches Ausdehnen des Dichtungsteils 46 gestattet wird. Darüber hinaus kann die thermische Ausdehnung der Statoranordnung 20 (einschließlich des Dichtlings teils 46) kontrolliert werden, indem der Strom von Kühlfluid durch die Durchlässe 72 und 74 hindurch mit Hilfe von öffnungen {nicht gezeigt) mit veränderlichem Querschnitt oder durch jedes andere bekannte Verfahren reguliert wird.

Wenn sich der massivere Rotor 22 aufheizt _f bewegt er sich auch radial auswärts und axial hinterwärts _t wodurch eise abdichtende

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Berührung zwischen dem Dichtungsteil 46 und den Flanschen aufrechterhalten wird. Der radial innerste Teil des Hitzeschildes 52 wirkt außerdem als ein mechanischer Hebel, der Druck auf das Dichtungsteil 46 ausübt, um es in fester Berührung mit den Flanschen 29 zu halten. Die Drehung des Rotors 22 bewirkt, daß der Waben- oder Verbundteil 48 des Dichtungsteils 46 abgeschliffen wird und eine eng passende, profilierte Dichtung bildet, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist.

Wenn die Triebwerksausgangsleistung verringert wird, so daß die Temperatur des Arbeitsfluids ungefähr 760 ⁰C beträgt, kühlt sich der relativ leichtgewichtige Statoranordnungsteil schneller ab und zieht sich zusammen, wodurch das Dichtungsteil radial nach innen und axial nach vorn in eine in Fig. 6 gezeigte Position bewegt wird, so daß es die Flansche 2 9 nicht mehr berührt. Zu dieser Zeit hat sich auch der Rotor 22 radial auswärts und axial hinterwärts in eine in Fig. 6 gezeigte Position bewegt.

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Claims

Patentansprüche ;

{ 1J Dichtungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Tiauptstromgasströmungsweg und einem Rotor, der eine Rotorscheibe zur Aufnahme der Wurzel von wenigstens einer Laufschaufel aufweist, die sich insgesamt radial in den Hauptstromgasströmungsweg erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsvorrichtung (44) so ausgebildet ist, daß sie das eine hohe Temperatur aufweisende Hauptstromgas am direkten Auftreffen auf die Grenzfläche (32) zwischen der Laufschaufelwurzel (28) und der Rotorscheibe (26) nur während Perioden eines Betriebes mit maximaler Triebwerksausgangsleistung oder eines schnellen Anstieges der Triebwerksausgangsleistung hindert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für ein Triebwerk mit einer Statoranordnung, die wenigstens eine Leitschaufel aufweist, welche sich insgesamt radial in den Hauptstromgasströmungsweg erstreckt,

gekennzeichnet durch einen Flansch (29), der sich von der Wurzel (28) der Laufschaufel (24) aus axial erstreckt, und

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durch ein Dichtungsteil (46), das an der Statoranordnung (20) befestigt ist und sich während der Perioden axial und radial nach außen bewegt und den Laufschaufelflansch berührt, um mit ihm eine Dichtung zu bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Kühleinrichtungen (58, 72, 74) zum Steuern der Bewegung des Dichtungsteils (46) .·
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtungen einen oder mehrere Durchlässe (58, 72, 74) innerhalb der Statoranordnung (20) aufweisen, die einen Strom von Kühlfluid empfangen und das Kühlfluid dem Dichtungsteil (46) zuführen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 für ein Triebwerk mit einem Verdichter, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfluidstrom von dem Verdichter geliefert wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch einen Hitzeschild Ϊ52), der an der Statoranordnung (20) befestigt und zum Steuern der Bewegung des Dichtungsteils (46) zwischen diesem und der Hauptstromgasströmung angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, ά&% das Dich tungsten \4€) einen Waben- oder Verbundteil (48) aufweist, der den Flansch (29) zur Bildung der Dichtung berührt und zum Bilden einer eng passenden, profilierten Dichtung durch den Flansch abgeschliffen wird.
8. Dichtungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Hauptstromgasstromungsweg und einem Rotor, der eine Rotorscheibe zur Aufnahme der Wurzeln von mehreren in gegenseitigem Uisfangsabstand angeordneten und insgesamt axial ausgerichteten Laufschaufeln aufweist, die sich insgesamt radial in den Hauptstromgasstromungsweg erstrecken, und mit einer Statoranordnung,

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die mehrere, in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete und insgesamt axial ausgerichtete Leitschaufeln aufweist, welche sich insgesamt radial in den Hauptstromgasströmungswog erstrecken,

gekennzeichnet durch mehrere Flansche (29), von denen sich einer axial von jeder Laufschaufe^lwurzel (28) aus erstreckt, durch ein ringförmiges Dichtungsteil (46), das an der Statoranordnung (20) befestigt ist und sich während Perioden eines Betriebes mit maximaler Triebwerksausgangsleistung oder eines schnellen Anstieges der Triebwerksausgangsleistung axial und radial nach außen bewegt und die Flansche berührt, um mit ihnen eine Dichtung zu bilden,

durch einen ringförmigen Hitzeschild (52), der an der Statoranordnung befestigt und zwischen dem Dichtungsteil und dem Hauptstromgasströmungsweg (14) angeordnet ist, und durch einen oder mehrere Durchlässe (58, 72, 74) innerhalb der Statoranordnung zum Empfangen einer Zufuhr von Kühlf]uid und zum Fördern des Kühlfluids zu dem Dichtungsteil und dem Hitzeschild.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Dichtungsteil (46) aus mehreren Segmentabschnitten besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Hitzeschild (52) aus mehreren Segmentabschnitten besteht, die die Dichtungsteilsegmentabschnitte überlappen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenntzeichnet, daß das Dichtungsteil (46) einen Waben- oder Verbundteil (48) aufweist, der die Flansche (29) während der Perioden berührt, um die Dichtung zu bilden.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Waben- oder Verbundteil (48) zur Bildung einer eng passenden, profilierten Dichtung durch die Flansche (29) abgeschliffen wird.

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13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß einer (58) der Durchlässe (58, 72, 74) sich zwischen dem Dichtungsteil (46) und dem Hitzeschild (52) befindet.

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