DE2947439C2 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Gasturbinen­ triebwerk ist aus der DE-OS 23 27 244 bekannt.

Ein großer Faktor in der Leistung eines Gasturbinentriebwerks ist die Wirksamkeit von Dichtungsvorrichtungen, die in einem großen Bereich von Betriebszuständen arbeiten müssen. Insbe­ sondere muß eine Verdichteraustrittsdruckdichtung bei hohen Drücken und gewöhnlich bei relativ hohen Betriebstemperaturen wirksam arbeiten. Die Verdichteraustrittsdruckdichtung wird verwendet, um zu verhindern, daß verdichtete Luft zwischen ei­ nem rotierenden Verdichterabschnitt eines Triebwerks und einem nichtrotierenden Brennkammerabschnitt leckt. Zum Optimieren der Triebwerksleistung ist ein enger Spalt an dieser Dichtung zum Minimieren des Leckens von Luft äußerst erwünscht. Jedwede Luft, die durch die Dichtung leckt, geht nicht durch den Ver­ brennungszyklus des Triebwerks und trägt deshalb nicht zu der Leistung bei, die durch die Verbrennungsprodukte erzeugt wird.

Die Verdichteraustrittsdruckdichtung soll nicht nur übermäßi­ ges Luftlecken verhindern, sondern muß auch eine Relativdre­ hung zwischen einem oberen und einem unteren Abschnitt in der Dichtung gestatten und in einem Gebiet des Triebwerks in der Nähe des Verdichteraustrittsauslasses arbeiten, wo die Tempe­ raturen über 593°C erreichen können.

Gegenwärtig ist es üblich, in diesem Gebiet Labyrinthdichtun­ gen zu benutzen. Eine Labyrinthdichtung hat einen oder mehre­ re Umfangszähne, die einer Umfangsdichtungsfläche benachbart sind, wobei die Zähne und die Dichtungsfläche relativdrehbar sind. Labyrinthdichtungen können für eine hohe Drosselung der Gasströmung sorgen und sie gestatten bei einer geringen Leckage eine freie Drehung zwischen dem oberen und dem un­ teren Abschnitt der Dichtung. Dieser Typ von Dichtung hat vie­ le andere bekannte Vorteile und wird an verschiedenen Dich­ tungsstellen in Gasturbinentriebwerken umfangreich benutzt.

Die Wirksamkeit von Labyrinthdichtungen ist von dem Spalt zwi­ schen den Dichtungszähnen und der benachbarten Dichtungsfläche abhängig. Triebwerksteile können zwar maschinell genau bear­ beitet werden, um minimale Spalte und eine äußerst wirksame Dichtung zu erzielen, im praktischen Betrieb des Triebwerks kommt es jedoch aufgrund unterschiedlichen thermischen Wachs­ tums zwischen den Dichtungszähnen und der Dichtungsfläche zu einer Dichtungsspaltverschlechterung. Das ist bekannt und wird in gewissem Ausmaß durch weit verbreitete Benutzung von Waben- oder Verbundmaterial oder anderen abschleifbaren, leicht ver­ formbaren Materialien zur Bildung der Dichtfläche, mit der die Labyrinthzähne zusammenwirken, beseitigt. Wenn die Dichtungs­ zähne mit größerer Geschwindigkeit wachsen als die Dichtungs­ fläche, wird durch diese Lösung die Dichtungsfläche ohne Be­ schädigung der Dichtungszähne verformt. Dadurch wird automa­ tisch der minimale Spalt hergestellt, der verfügbar ist, wenn die Dichtungsfläche in ihrer Position maximalen Wachstums ist und wenn die Dichtungszähne in ihrer Position minimalen Wachs­ tums sind.

Zum Minimieren des thermischen Wachstums oder der Wärmeaus­ dehnung sind Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden, bei denen Labyrinthdichtungen gekühlt werden, indem Kühlluft über die äußere Fläche der Dichtungsvorrichtung geleitet wird, wie es aus der eingangs genannten DE-OS 23 27 244 bekannt ist. Es sind weitere Systeme entwickelt worden, bei denen Luft direkt in den Zwi­ schenraum zwischen den Zähnen der Labyrinthdichtung einge­ leitet wird, wie es aus der US-PS 3 989 410 bekannt ist. Ferner beschreibt die US-PS 33 65 172 eine Dichtung, bei der Kühlluft mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente eingeleitet wird. Die Verwendung von Kühlluft, wie bei diesen Systemen, führt zu ei­ ner starken Verbesserung; Wirksamkeit der Dichtungsvorrich­ tungen durch Verringerung der Wärmeausdehnung, wodurch er­ möglicht wird, einen engeren Dichtungsspalt aufrechtzuerhalten und dadurch das Lecken durch die Dichtung zu verringern.

Bei den bekannten Systemen mit Verdichteraustrittsdruckdich­ tungen wird jedoch die verfügbare Kühlluft nicht in der wirk­ samst möglichen Weise ausgenutzt. Außerdem haben sich Probleme ergeben wegen der durch Reibung verursachten, an der Kühlluft ausgeführten Arbeit durch den rotierenden Teil der Dichtungs­ vorrichtung in dem Gebiet, wo die Kühlluft gegen schnell ro­ tierende Teile der Dichtung geleitet wird. Dadurch wird die Kühllufttemperatur und deshalb die Dichtungstemperatur erhöht. Außerdem wird in bekannten Systemen die Kühlluft der Grenz­ schichtluft an der Basis der letzten Laufschaufel des Ver­ dichters entnommen und diese Grenzschichtluft kann bis zu 55°C wärmer als die Nichtgrenzschichtluft sein. Schließlich muß, ungeachtet dessen, wo die Kühlluft herkommt, das Strömungsprofil durch die gesamte Dichtung und um die die Dichtung umgebenden Tragvorrichtungen zirkulieren. Jedwede Ge­ biete ohne Luftströmung innerhalb der Dichtung oder um die Dichtung herum werden unzureichend gekühlt, wodurch die Gefahr eines Materialversagens aufgrund unnötig hoher Temperaturen erhöht wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gasturbinentriebwerk der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Kühlluft besser ausgenutzt und eine niedrige Kühllufttemperatur beibehalten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß verdichtete Luft entnommen wird, die aus dem Verdichterdiffusor austritt. Luft aus dieser Quelle ist die kälteste Luft, die für die Verwendung in diesem Gebiet ausreichend verdichtet ist. Weiterhin wird durch die Kühlluftführung der Anstieg der Kühllufttemperatur verringert, der durch Reibung verursacht wird, so daß die Kühlluft mehr Wärmeenergie aus der Dichtung abführen kann. Die Kühlluft wird auch in einem günstigen Strömungsprofil verteilt, so daß praktisch keine "tote Flecken" ohne Luftströmung in der Dichtung oder in den umgebenden Tragvorrichtungen entstehen können.

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

Fig. 1 eine Vertikalquerschnittansicht einer Dichtungskühlvorrichtung nach der Er­ findung und der umgebenden Teile eines Gasturbinentriebwerks und

Fig. 2 eine Querschnittansicht der Erfindung längs der Linie 3-3 von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Verdichteraustrittsdruckdichtung 10 an ihrer üblichen Stelle innerhalb eines üblichen Gasturbinentrieb­ werks. Die Dichtung 10 ist insgesamt zwischen dem Verdichter 11 und einer Brennkammer 16 angeordnet, die nacheinander durch­ strömt werden. In dem Gasturbinentriebwerk verdichtet ein Ver­ dichterabschnitt Triebwerksansaugluft und eine Verdichter­ austrittsdruckdichtung hält diese verdichtete Luft in dem schuberzeugenden Strömungsweg des Triebwerks und gestattet dabei längs dieses Strömungsweges eine Relativdrehung von Ver­ dichterteilen in bezug auf die nichtrotierende Brennkammer 16.

In Fig. 1 ist eine hintere Verdichterlaufschaufel 12 des Ver­ dichterabschnittes 11 vorderhalb der Verdichteraustrittsdich­ tung 10 gezeigt. Ansaugluft wird durch Verdichterlaufschau­ feln verdichtet, die sich um eine zentrale Drehachse des Tur­ binentriebwerks drehen, und dann durch eine Auslaßleitschau­ fel 14 und einen Verdichterablaßdiffusor 15 geleitet, um die verdichtete Luft zu verteilen und in die Brennkammer 16 zu lei­ ten. In dem Brennkammerabschnitt des Triebwerks wird die verdich­ tete Luft mit Brennstoff vereinigt und gezündet, um einen schuberzeugenden Antriebsgasstrom zu erzeugen.

Die Verdichteraustrittsdruckdichtung 10 ist vorgesehen, um ver­ dichtete Luft daran zu hindern, in die zentralen Gebiete 19 des Gasturbinentriebwerks zu entweichen, und um gleichzeitig das Drehen eines Verdichterrotors 18 in bezug auf die Auslaßleit­ schaufel 14 und die Brennkammer 16, die sich nicht drehen, zu ge­ statten. Die Verdichterlaufschaufeln 12, von denen eine in Fig. 1 gezeigt ist, sind an dem Verdichterrotor 18 befestigt und dieser dreht die Verdichterlaufschaufeln, um Ansaugluft zu verdichten, die durch den Verdichterabschnitt 11 des Trieb­ werks hindurchströmt. Die Auslaßleitschaufel 14 dreht sich nicht und beseitigt eine Drehgeschwindigkeitskomponente der verdichteten Luft, bevor diese in die Brennkammer eintritt. Der Verdichterablaßdiffusor 15 verteilt die Luft, was eine Strö­ mungsgeschwindigkeitsverringerung und eine Druckerhöhung zur Folge hat.

Die Verdichteraustrittsdichtung 10 besteht aus einer Reihe von Umfangslabyrinthzähnen 20, die einem Dichtungsaußensta­ tor 22 benachbart sind, der eine Dichtungsfläche bildet. Äuße­ re Kanten 24 der Zähne 20 werden am Anfang so eingebaut, daß sie sehr satt an dem Stator 22 anliegen. Bei Drehung des Ver­ dichterrotors 18 und der daran befestigten Labyrinthzähne 20 um die Triebwerksachse erzeugen die Außenkanten 24 der Zähne eine leichte Rille in der Innenfläche des Dichtungsstators 22. Das sehr satte Anliegen der Zähne 20 an dem Dichtungsstator 22 innerhalb dieser Rillen ergibt einen hohen Grad an Dros­ selung des Gasdurchflusses zwischen den rotierenden Zähnen 20 und dem feststehenden äußeren Dichtungsstator 22.

Bei einer derartigen Dichtung soll das unterschiedliche ther­ mische Wachstum zwischen den zusammenwirkenden Teilen dieser labyrinthartigen Dichtung minimiert und dadurch eine enge­ re Passung zwischen den Zähnen 20 und dem Dichtungsstator 22 zur Verbesserung der Dichtungswirksamkeit unter Betriebsbe­ dingungen aufrechterhalten werden.

Gemäß Fig. 1 ist der Strömungsweg der verdichteten Luft, die zum Kühlen der Dichtungsvorrichtung 10 benutzt wird, mit mehreren Teilen dargestellt. Zuerst wird diese Luft stromabwärts des Verdichterablaßdiffusors 15 ent­ nommen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Luft in diesem Gebiet ungefähr 55°C kälter als die Verdichtergrenzschichtluft, die in bekannten Systemen benutzt wird. Die Kühlluft wird durch Einlässe 30 in eine offene Kammer 32 gelei­ tet, welche den Dichtungsstator 22 radial umgibt.

Aus dieser offenen Kammer 32 wird die Luft über Durchlässe 34 in einem Dichtungsträger 23 und über einen offenen Schlitz 21 in dem Dichtungsstator 22 in den Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Labyrinthzahn 20 der Verdichteraus­ trittsdichtung geleitet. Der erste und der zweite Zahn befin­ den sich bezüglich der Luftströmung durch die Turbine am wei­ testen stromaufwärts. Die Durchlässe 34 sind in besonderer Weise unter einem Winkel gegen einen Radius zur Trieb­ werksachse abgewinkelt ausgerichtet, damit eine tangentiale Geschwin­ digkeitskomponente in der Richtung der Rotordrehung erzeugt wird. Die Richtung der Winkelausrichtung ist in Fig. 2 ge­ zeigt, aus der ohne weiteres zu erkennen ist, daß die Durch­ lässe 34 bewirken, daß die Kühlluft in der Richtung der Ro­ tordrehung in die Dichtung eingeleitet wird. Die Labyrinth­ zähne 20 sind an dem Rotor 18 befestigt, so daß sie sich mit diesem drehen. Die Labyrinthzähne 20 drehen sich daher wäh­ rend des Triebwerksbetriebes, während sich der Dichtungssta­ tor 22 nicht dreht. Durch Ausrichten der Durchlässe 34 unter einem Winkel wird die Kühlluft in der Richtung der Drehung der Zähne 20 eingeleitet, wodurch der durch Luftreibung zwi­ schen der eingeleiteten Luft und den Zähnen hervorgerufene Widerstand verringert wird. Die tangentiale Geschwindigkeits­ komponente verringert die aufgrund des Luftreibungswiderstands an der Kühlluft ausgeführte Arbeit und verringert deshalb den resul­ tierenden Anstieg der Temperatur der Kühlluft. Schließlich wird die innere Dichtungskonstruktion auf einer niedrigeren Temperatur gehalten.

Die Kühlluft ist bestrebt, durch die Durchlässe 34 zu strömen, weil das Gebiet stromabwärts des Verdichterablaßdiffusors 15 unter einem höheren statischen Druck steht als die zentralen Gebiete 19 der Gasturbine jenseits der Verdichteraustrittsdich­ tung 10. Die Kühlluft ist bestrebt, stromabwärts durch das Gebiet zwischen den Zahnaußenkanten 24 und dem Dichtungs­ stator 22 zu lecken. Ein kleiner aber kontinuierlicher Strom von Leckluft reicht aus, um die Dichtungsteile zu kühlen und die innere Dichtungskonstruktion auf einer relativ niedrige­ ren Temperatur zu halten. Das ermöglicht der Dichtung, eine engere Passung zwischen den Außenkanten 24 der Dichtungszähne und dem Dichtungsstator 22 wegen der verringerten Wärmeaus­ dehnung und der verringerten Differenz im thermischen Wachs­ tum aufrechtzuerhalten.

Ein weiteres wesentliches Merkmal ist die Art und Weise, in welcher ein Hohlraum 35 stromaufwärts der Verdichteraus­ trittsdichtung 10 mit Luft versorgt wird, um eine Überhitzung der Rotorkonstruktion 18 bei fehlender Durchströmung zu ver­ meiden. Gemäß Fig. 1 ist eine ringförmige Reihe von Einlaßkanälen bzw. -löchern 36, von denen nur einer gezeigt ist, vorgesehen, um ei­ ne kleine Luftmenge in diesen vorderen Hohlraum 35 einzuleiten. Luft wird in dieser Richtung strömen, weil der statische Druck stromabwärts des Diffusors 15 höher ist als an dem Auslaß des Verdichters stromaufwärts der Leitschaufel 14. Diese Kanäle bzw. Löcher 36 sind unter einem Winkel angeordnet, damit eine tangentiale Ge­ schwindigkeitskomponente in der Richtung der Rotordrehung in ähnlicher Weise wie die tangentiale Geschwindigkeitskomponen­ te durch die Durchlässe 34 erzeugt wird. Das tangentiale Ein­ leiten von Luft verringert die Größe des durch Luftreibung zwischen der eingeleiteten Luft und dem rotierenden Verdich­ terrotor 18 hervorgerufenen Widerstandes. Dadurch werden der Umfang der Arbeit, die an der eingeleiteten Luft ausgeführt wird, und die sich daraus ergebende Erhöhung der Tempera­ tur der Luft und infolgedessen der Temperatur des Rotors 18 verringert und die zum Belüften des Hohlraums erforderliche Luftmenge wird minimiert.

Diese Belüftungsvorrichtung für den vorderen Hohlraum bietet einen weiteren Vorteil gegenüber einem bekannten Dichtungskühlsystem, bei dem ein Luftstrom durch den vor­ deren Hohlraum 35 wegen der Leckströmung durch die Verdichter­ austrittsdruckdichtung erzeugt wird. Dort wird, wenn die Wärmeausdehnung der Labyrinthzähne 20 der Dich­ tung so erfolgt, daß ein kleinerer Spalt zwischen den äußeren Kanten 24 der Zähne und dem Dichtungsstator 22 hervorgerufen wird, der Leckstrom an Luft beträchtlich verringert. Die Durchströmung des Hohlraums 35 kann sich null nähern und es kann zu einer Überhitzung des Rotors 18 kommen. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Er­ findung bleibt wegen der Einlaßlöcher 36 die Menge der in den Hohlraum 35 zu dessen Belüftung eingeleiteten Luft relativ konstant und wird durch eine Spaltänderung in der Verdichter­ austrittsdruckdichtung nicht nachteilig beeinflußt. Wenn der Dichtungsspalt abnimmt und einen vorübergehenden Abfall in der Dichtungsleckströmung verursacht, bleibt deshalb der vordere Hohlraum 35 belüftet und die beeinflußten Teile des Rotors 18 werden nicht überhitzt. Die kombinierten Wirkungen des Kühl­ luftstroms durch die Durchlässe 34 und die Einlaßlöcher 36 die­ nen dazu, sowohl den Verdichterrotor 18 als auch die Verdich­ teraustrittsdichtung 10 auf annehmbaren Temperaturen zu halten und dadurch die Leistung des Hochdruckturbinendichtungs- und Rotorkühlkreises zu verbessern.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich.

Beispielsweise ist die Erfindung zwar in Verbindung mit einer Verdichteraustrittsdruckdichtung der Labyrinthbauart in einem Gasturbinentriebwerk beschrieben worden, sie ist jedoch auch bei anderen Dich­ tungsgebieten in einem Gasturbinentriebwerk und bei Dichtungskonstruktionen anwendbar, bei denen es sich nicht um Dich­ tungen der Labyrinthbauart handelt. Sie kann auch be­ nutzt werden, um die Leistungsfähigkeit von verschiedenen Dichtungen in jeder Art von Turbomaschine zu erhöhen.

Claims (3)

1. Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter, einem Verdichter­ diffusor und einer Brennkammer, die der Reihe nach von Luft durchströmt werden, mit einer Labyrinthdichtung für Verdichterluft zwischen einem Rotor des Verdichters und einem Brennkammergehäuse stromabwärts des Verdichters, einer den Stator der Labyrinth­ dichtung umgebenden Kammer und einem Hohlraum stromaufwärts der Labyrinthdichtung, der mit der Verdichteraustrittsluft in Strömungsverbindung steht, einen Teil des Verdichterrotors radial umgibt und stromaufwärts vom Auslaß des Verdichter­ diffusors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Brennkammergehäuse eine Wand der die Labyrinth­ dichtung umgebenden Kammer (32) bildet,
• - ein Teil der aus dem Verdichterdiffusor austretenden Luft durch Einlässe (30) in dieser Wand in die Kammer (32) einleitbar und auf einen den Einlässen (30) gegenüber­ liegenden Dichtungsträger (23) gerichtet ist,
• - diese Luft aus der Kammer (32) heraus in den Dichtungsspalt einleitbar ist und
• - ein weiterer Teil der aus dem Verdichterdiffusor austretenden Luft stromauf der Kammer (32) durch Kanäle (36) in den Hohlraum (35) leitbar ist.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft aus der Kammer (32) über Durchlässe (34) in dem Dichtungsträger (23) und über Schlitze (21) in einem Stator (22) der Labyrinthdichtung (10) in den Dichtungsspalt einleitbar ist.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (34) und/oder die Kanäle (36) gegen einen Radius zur Drehachse des Gasturbinen­ triebwerks abgewinkelt ausgerichtet sind.