DE3006099A1

DE3006099A1 - Dichtungsanordnung zwischen gemeinsam umlaufenden, jedoch radial gegeneinander beweglichen maschinenteilen

Info

Publication number: DE3006099A1
Application number: DE19803006099
Authority: DE
Inventors: Kenneth Richard Langley
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-02-21
Filing date: 1980-02-19
Publication date: 1980-08-28
Also published as: GB2042652A; FR2449834B1; DE3006099C2; GB2042652B; JPS55115660A; IT1140682B; US4432555A; IT8020085A0; FR2449834A1

Description

PATBNTANWAtT

BIM« ING. B.

EDSEB- STBAgClI 1*

8900 AUGSBUBG

TELEFOS 81β*Τβ 033802

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R-1Q44

Augsburg, den I3. Februar 19-80

Rolls-Royce Limited,
65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Dichtungsanordnung zwischen gemeinsam umlaufenden, jedoch radial gegeneinander beweglichen Maschinenteilen

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zwiscnen zwei gemeinsam umlaufenden Maschinenteilen, zwischen denen eine radiale Relativbewegung zulässig ist.

Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine Dichtungsanordnung zwischen einer

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Turbinen- oder Verdichterlaufradscheibe eines Gasturbinentriebwerks und einer daran angeordneten Abdeckplatte oder einem anderen, zusammen mit der Laufrads cheibe umlaufenden Bauteile

Bei manchen Gasturbinentriebwerkskonstruktionen werden die Turbinenschaufeln mit unter hohem Druck stehender Kühlluft gekühlt, die durch in den Schaufeln gebildete Kühlkanäle hindurchströmt. Diese unter Druck stehende Kühlluft wird durch den Raum zwischen der betreffenden Turbinenlaufradscheibe und einer luftdicht daran befestigten Abdeckplatte an die eine Stirnseite der Turbinenlaufradscheibe herangeführt und gelangt dann durch einen Honlraum zwischen dem Schaufelfuß der betreffenden Schaufel und dem Rads eheibenumfang in die durch die Schaufeln hindurchverlaufenden Kühlkanäle hinein.

In der Praxis erweist es sich als senwierig, eine gasdichte Abdichtung zwischen der Abdeckplatte und der Laufradscheibe herzustellen, wenn gleichzeitig eine unterschiedliche radiale Wärmedehnung der beiden Bauteile zugelassen werden soll.

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BAD

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Es ist bereits bekannt, einen flexiblen verformbaren Metalldraht als Dichtungselement zwischen miteinander' zusammenwirkenden paralellen Flächen der Laufradscheibe und der Abdeckplatte anzuordnen und die Laufradscheibe und die Abdeckplatte mittels einer Klemmvorrichtung" zusammenzuspannen. Eine solche Dichtungsanordnung erfordert gewöhnlich, daß der Luftdruck außerhalb der Abdeckplatte 'größer als der Druck der Kühlluft ist, um die Abdeckplatte in Richtung zur Laufradscheibe hin vorzuspannen. Diese Druckverhältnisse sind jedoch nicht immer praktikabel oder wünschenswert.

Außerdem haben bei der eben erwähnten bekannten Dichtungsanordnung der Druck der Kühlluft innerhalb der Abdeckplatte und die auf die Abdeckplatte wirkende Fliehkraft das Bestreben, die Abdeckplatte von der Laufradscheibe wegzudrängen. Dieses Problem ist besonders akut, wenn die Abdeckplatte, um eine in ihrem radial inneren Teil verdickte Laufradscheibe abdecken zu können, eine konische Form haben muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der. eingangs genannten Art zu entwickeln, deren Dichtwirkung durch die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte nicht nachteilig beeinflußt, sondern eher unterstützt

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene- Anordnung gelöst.

Wenn es sich bei den beiden gemeinsam umlaufenden Maschinenteilen um eine Turbinen- oder Verdichterlaufradscheibe eines Gasturbinentriebwerks und eine daran angeordnete Abdeckplatte handelt, ist die Laufradscheibe an ihrer der Abdeckplatte zugewandten Stirnfläche vorzugsweise mit einer den Dichtungsring aufnehmenden Ausnehmung versehen, die eine sie radial außen begrenzende Stützfläche aufweist, an welcher der Dichtungsring längs der genannten Berührungslinie an seinem Außenumfang anliegt, wenn sein Außenrand bei axialer Einspannung des Dichtungsringes zwischen der Laufradscheibe und der Abdeckplatte radial auswärts gedrängt wird. Die Gestaltung und Bemessung des Dichtungsringes ist so gewählt, daß die Wirkungslinie der sich bei umlaufender Anordnung einstellenden, am Dichtungsring angreifenden Fliehkraft in einer zwischen der Abdeckplatte und der Berührungslinie liegenden Ebene verläuft, so daß die Fliehkraft ein Drehmoment auf den Dichtungsringquerschnitt ausübt, das diesen um die Berührungslinie herum zu drehen sucht.

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Vorzugsweise ist der Dichtungsring an seiner der Laufradseheibe zugewandten Stirnseite mit einer konzentrischen Ringnut versehen, in welche ein verformbares Dichtungselement eingelegt ist, das mit der Laufradscheibenstirnfläche oder mit in Umfangsrichtung abwechselnden Stirnflächenabschnitten der Laufradscheibe und der Schaufelfüße oder Schaufelschäfte von auf der Laufradscheibe angeordneten Schaufeln dichtend zusammenwirkt» Ein bevorzugtes Material für den Dichtungsring ist Stellite-Stahl, während das verformbare Dichtungselement vorzugsweise als Metalldraht aus Silber oder einer Silberlegierung ausgebildet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die im Dichtungsring gebildete Ringnut derart geformt und derart relativ zu der umfangsmäßigen Berührungslinie angeordnet, daß die radial äußere Mutwand eine konische Fläche ist, die sich zur Laufradscheibe hin radial erweitert, so daß die bei umlaufender Anordnung auf das Dicntungselement wirkende Fliehkraft dieses in Anlage an die Laufradscheibe drängt und daß die zu der konischen, radial äußeren Nutwandung normale Vektorkomponente der auf das Dichtungselement wirkenden Fliehkraft in einer zwisenen der Berührungslinie und der Abdeckplatte gelegenen Ebene verläuft.

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Die Klemmvorrichtung weist vorzugsweise eine Anzahl von mit gegenseitigen Abständen am Außenumfang der Laufradscheibe angeordneten Haken auf, welche dazu komplementäre, am Außenrand der Abdeckplatte gebildete Ansätze übergreifen. Diese Haken können als hintersehnittene Vorsprünge entweder der Laufradscheibe oder der Schaufelfüße bzw. Schaufelschäfte der auf der Laufradscheibe angeordneten Laufschaufeln ausgebildet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der ürfindung wird nachstenend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen

Fig. 1 einen sehematischen Axialhalbschnitt

durch ein mit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ausgestattetes Turbinenlaufrad eines Gasturbinentriebwerks , und

die Pig. 2, 3 jeweils eine vergrößerte Darstellung und 4 der in Fig. 1 von einem strichpumc-

tierten Kreis umschlossenen üiinzelheit, nämlich der Dichtungsanordnung, während der einzelnen Phasen des Zusammenbaus zeigen.

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- ίο -

Fig. 1 zeigt ein Turbinenlaufrad mit einer in./üblicher Weise auf einer Welle befestigten Laufradscheibe 10, an ■ . deren verdickter Nabe 11 der radial innere Randteil einer ringartigen Abdeckplatte 12 befestigt ist, .deren radial· : äußerer Randteil am Radscheibenrand abdichtend mit. der Radscheibenstirnfläche 13 zusammenwirkt. Zwischen der Aodeckplatte 12 und der Laufrads ehe i be 10 ist ein. äohlraum 14 gebildet, durch welchen unter hohem Druck stehende Kühlluft zu den Schaufelfüßen der auf der Laufradseheibe_: angeordneten Laufschaufeln 15 zuströmt.

Die am Rads eheibenumfang befestigten Laufschaufeln 15 haben Tannenbaum-Füße, und zwischen der Unterseite der Schaufelfüße 17 und dem Grund der die Schaufelfüße aufnehmenden Haltenuten der Laufradscheibe 10 ist jeweils ein Luftkanal 16 gebildet, mit welchem nicht dargestellte, in den Schaufeln gebildete Kühlkanäle in Verbindung stehen, so daß durch die Kanäle 16 Kühlluft in die Schaufelkühlkanäle eintreten kann. Eine an der stromabwärtigen Radscheibenstirnfläche angeordnete Verschlußplatte 18 verhindert einen Austritt der Kühlluft an der stromabwärtigen Laufradseite. Diese Verschlußplatte 18 stützt sich derart an einem simsartigen' Ringansatz 9 an der stromabwärtigen Laufradstirnseite ab, daß sie einer axialen Rückwärtsverschiebung der Schaufeln relativ ^ur Laufradscheibe 10 entgegenwirken kann.

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Gemäß den Fig. 2 bis 4 ist die Laufradscheibe 10 Haken 19 versehen, die durch Herstellung einer Hinterschnei dung 20 an einer Vielzahl von axialen Radscheibenvorsprungen gebildet sind. Die Haken 19 sind mit gleichen gegenseitigen Winkelabständen auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet.

Die Abdeckplatte 12 ist mit einer gleichen Anzahl von zu den Haken 19 komplementären Randansätzen 22 versehen, die ebenfalls mit gleichen gegenseitigen Winkelabständen am Außenrand der Abdeckplatte angeordnet sind und die nach Art eines Bajonettverschlusses mit den Haken 19 in eingriff bringbar sind. Mit anderen Worten, die Abdeckplatte 12 kann auf die Laufradscheibe 10 aufgesetzt werden, während die Randansätze 22 der Abdeckplatte jeweils in die Zwischenräume zwischen den benachbarten Haken 19 der Laufradscheibe greifen, wonach die Abdeckplatte relativ zur Radscheibe 10 gedreht wird, um die Randansätze 22 in die Hinterschnei düngen 20 der Haken 19 einzuführen.

Die stromaufwärtige Radscheibenstirnfläche ist mit einer axialen Vertiefung 2 3 versehen, die radial außen durch eine zylindrische Randfläche 2 4 begrenzt ist. In die Vertiefung 23 der Radscheibenstirnflache ist ein konischer

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Dichtungsring 25 eingesetzt, wie am besten aus ii'ig. 2 hervorgeht. Dieser Dichtungsring 25 ähnelt einer Tellerfeder und ist in seiner rückwärtigen Stirnfläche mit einer konzentrischen Ringnut- 26 versehen, in welche- ein teigförmiges verformbares Dichtungselement 27 eingelegt ist, das aus Metalldraht-, beispielsweise aus einer Silberlegierung, hergestellt ist.

Fig. 2 zeigt die Abdeckplatte 12, die Laufrads eheibe IO und den Dichtungsring. 25 unmittelbar vor dem Zusammenbau von Abdeckplatte und Laufradscheibe» Nach dem Zusammenbau ist der konische Dichtungsring 25 gernäß Fig. 4 auf Grund seiner axialen Einspannung zwischen der Abdeckplatte und der Laufradscheibe etwas verformt, wodurch sein Außenumfang in Anlage an die zylindrische, eine Stützfläche bildende Randfläche 24 der Stxrnflächenvertiefung 23 der Radscheibe gedrängt wird. Die Berührung zwischen dem Dichtungsringumfang und der Stützfläche 2k findet entlang einer umfangsmäßigen Berührungslinie P statt, und die Tellerfederwirkung des Dichtungsringes 25 stellt außerdem sicher, daß der Dichtungsring stirnseitig längs einer weiteren Berührungslinie D an der Laufradscheibe 10 anliegt.

Der Dichtungsring 25 ist so gestaltet und bemessen, daß bei mit hoher Drehzahl umlaufender Anordnung die am Dichtungsring 25 angreifende Fliehkraft in einer mit 28 bezeichneten Ebene (Fig. 4) wirkt, die zwischen der Berührungslinie P mit der Stützfläche 24 und der Abdeckplatte 12 gelegen ist. Die Fliehkraft erzeugt demzufolge ein auf dem Dichtungsringquerschnitt wirkendes und diesen um die Berührungslinie P zu drehen suchendes Drehmoment, so daß sich an der Stelle A zwischen dem Dichtungsring 25 und der Abdeckplatte 12 sowie an der Stelle C zwischen dem verformbaren Dichtungselement 27 und der Stirnfläche der Laufradscheibe 10 und der Schaufelfüße jeweils eine gut dichtende Anlage ergibt.

Die im Dichtungsring 25 gebildete Ringnut ist derart gestaltet und derart bezüglich der umfangsmäßigen Berührungslinie P zwischen dem Dichtungsring und der Laufradscheibe 10 angeordnet, daß die radial äußere Nutwandung eine konische Fläche ist, die sich zur Laufradscheibe 10 hin erweitert. Mit anderen Worten, der größere Durchmesser der konischen .Nutaußenwandung liegt an der Laufradscheibe, so daß, wenn die Anordnung umläuft, die am Dichtungselement angreifende Fliehkraft das Dichtungselement 27 in Anlage an die Radscheibenstirnfläche drängt. Außerdem ist die Anordnung so getroffen, daß die bezüglich der konischen iiutwandung normale Vektor-

komponente der auf das elastische Dichtungselement 27 wirkenden Fliehkraft in einer Ebene verläuft, die zwischen der Abdeckplatte und der umfangsmäßigen Berührungslinie P gelegen ist.

Die Haken 19 erzeugen an der Stelle D eine Reaktionskraft, die einem Wegdrücken der Abdeckplatte 12 von der Laufrads cheibe 10 entgegenwirkt.

Die Haken 19 brauchen nicht unbedingt an der Radscheibenstirnfläche angeordnet zu sein. Stattdessen können auch die Schaufeln 15 mit hakenartigen, die Randansätze der Abdeckplatte 12 übergreifenden Vorsprüngen versehen sein. Im letzteren Fall erzeugt die auf die konische Abdeckplatte wirkende Fliehkraft eine "Vektorkomponente, die eine einer axialen Rückwärtsverschiebung der Schaufeln relativ zur Laufradscheibe entgegenwirkende Reaktionskraft bildet. Die Verschlußplatte 18 und/oder die Form der Schaufelfüße und der sie aufnehmenden Haltenuten der Laufradscheibe können so abgewandelt werden, daß sie geeignete, unerwünschten Axialverschiebungen der Schaufeln relativ zur Laufradscheibe entgegenwirkende Reaktionskräfte erzeugen, d.h. falls die von der Abdeckplatte erzeugte Reaktionskraft auf die Schaufeln die nach hinten gerichtete Kraftkomponente der auf die Schaufeln wirkenden aerodynamischen Kräfte übersteigt, kann

die Verschlußplatte l8 so modifiziert werden, daß sie eine nach hinten wirkende Reaktionskraftkomponente auf die Schaufeln ausübt.

G3003S/Ö82A

Claims

Patent an sp rü ehe

./ Dichtungsanordnung zwischen zwei gemeinsam umlaufenden Maschinenteilen, zwischen denen eine gegenseitige Radialbewegung zulässig ist, gekennzeichnet durch eine die beiden Maschinenteile (10, 12) zusammenspannende Klemmvorrichtung (19, 22) und durch einen radial auswärts gearän_eten konischen Dichtungsring (25), der mindestens an einem !b'lächenoereich eines (10) der beiden Maschinenteile längs einer umfangsmäßigen Berührungslinie (P) anliegt und der so geformt und bemessen ist, daß die bei umlaufender Anordnung auf ihn wirkende Fliehkraft ein den Ringquerschnitt um diese Berührungslinie zu drehen suchendes Drehmoment erzeugt.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Maschinenteile eine Turbinen- oder Verdichterlaufradscheibe (10) eines Gasturbinentriebwerks und ein daran angrenzendes Bauteil (12) sind, daß weiter an der dem angrenzenden Bauteil zugewandten Stirnseite der Laufradscheibe eine den Dichtungsring (25) aufnehmende Aussparung (23) mit einer diese radial außen begrenzenden Stützfläche (24) gebildet ist,

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-z-

an welchem der durch axiale Einsp-annung zwischen den beiden Maschinenteilen radial auswärts gedrängte Dichtungsring längs der Beruhrungslinie (P^ .anliegt.
3. Diefrtungsanordnung nach Anspruch 2,, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (25) an seiner der Laufradscheibe (10) zugewandten Stirnfläche mit einer , konzentrischen Ringnut (26) versehen ist, in welche ein mit der Stirnfläche der Laufradscheibe zusammenwirkendes verformbares Dichtungselement (27) eingelegt ist.
4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3> dadurch ge-, kennzeichnet, daß die im Dichtungsring (25) gebildete Ringnut (26) derart geformt und derart relativ zu der umfangsmäßigen Berührungslinie (P) angeordnet ist, daß die radial äußere Nutwandung eine konische Ringfläche ist, deren größerer Durchmesser sich an der, der Laufradscheibe (10) zugewandten Nutmündung befindet, so daß bei umlaufender Anordnung die Fliehkraft das verformbare Dichtungselement (27) gegen die Laufradscheibenstirnfläche drängt und daß tue zu der konischen, radial äußeren Nutwandung normale Vektorkomponente der auf das Dichtungselement (27) wirkenden Fliehkraft in einer zwischen der Berührungslinie (P) und dem an die Laufradscheibe an-

grenzenden Bauteil (12) liegenden Ebene verläuft.
5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (19, 22) eine Anzahl von am Laufradscheibenaußenrand mit gegenseitigen Umfangsaöständen angeordneten Haken (19-) aufweist, die mit komplementären, am Rand des an die · Laufradscheibe angrenzenden Bauteils (12) gebildeten Ansätzen (22-) zusammenwirken.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haken (19) durch Vorsprünge der Laufradscheibe (10) und daran gebildete Hintersehneidungen (20) gebildet sind.
7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haken (19) an auf der Laufradscheibe (10) angeordneten Laufschaufeln (15) gebildet sind.

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