DE3039856A1

DE3039856A1 - Dichtungsvorrichtung fuer einen laeufer, insbesondere randdichtung fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3039856A1
Application number: DE19803039856
Authority: DE
Inventors: Edmund David Trousdell; Peter Edward Tolland Conn. Voyer
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-11-01
Filing date: 1980-10-22
Publication date: 1981-05-14
Also published as: IT1134079B; GB2062769A; IL61298A; IT8025624A0; JPS5681201A; FR2468728A1; IL61298A0; US4464096A; SE8007522L; FR2468728B1; GB2062769B; DE3039856C2; JPS6315446B2

Description

Dichtungsvorrichtung für einen Läufer, insbesondere Randdichtung für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere ein Dichtungsteil, das zwischen den Plattformen eines Kranzes von Laufschaufeln und einer Läuferscheibe angeordnet ist.

Ein Gasturbinentriebwerk hat einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein Läufer erstreckt sich axial durch den Verdichtungsabschnitt und den Turbinenabschnitt. Jeder Läufer hat wenigstens eine Läuferscheibe und mehrere tragflügeiförmige Laufschaufeln. Ein Arbeitsmediumströmungsweg erstreckt sich axial zwischen den Laufschaufeln. Die Laufschaufeln haben Plattformen, die gemeinsam eine Abgrenzung für den Strömungsweg bilden. Auf

130020/0686

dem Strömungsweg durch die Laufschaufeln geleitete Arbeitsmediumgase empfangen Energie von den Laufschaufeln in dem Verdichtungsabschnitt und geben Energie an die Laufschaufeln in dem Turbinenabschnitt ab.

Weil die Plattformen der Laufschaufeln Abstand von einander und von den Scheibenseitenwänden haben, wodurch dazwischen Spalte bleiben, lecken in einigen Konstruktionen die Arbeitsmediumgase aus dem vorgeschriebenen Strömungsweg in einem Gebiet hohen Druckes, wobei sie durch die Spalte, unter die Plattformen in die Zwischenräume zwischen den Plattformen und der Scheibe und von dort aus in einem Gebiet niedrigen Druckes in den Strömungsweg strömen. Vorrichtungen, die so dichtungswirksam sind, daß sie diese Leckage blockieren, sind erforderlich, um nachteilige Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Triebwerks zu vermeiden.

Ein Beispiel einer Vorrichtung, die die Leckage von Arbeitsmediumgasen zwischen benachbarten Plattformen blockiert, ist aus der US-PS 3 972 645 bekannt. Diese Patentschrift beschreibt eine Leiter-Randdichtung mit in umfangsmäßigen Abständen angeordneten Quersprossen, welche an entgegengesetzten Enden durch sich in Längsrichtung erstreckende Bänder, welche mit den Quersprossen am Ende einstückig sind, miteinander verbunden sind.

Ein einfaches Zusammenbauen der Randdichtung und der Laufschaufeln mit der Läuferscheibe ist bekanntlich erwünscht und wird bei der bekannten Randdichtung durch sowohl einen radialen Spalt als auch einen axialen Spalt zwischen der Dichtung und der Lauferscheibe erreicht. Noch wichtiger ist, daß eine wirksame Abdichtung zwischen benachbarten Laufschaufelplattformen durch die bekannte Leiter-Dichtungsvorrichtung erreicht wird. Trotzdem suchen Wissenschaftler und Ingenieure weiterhin nach wirksameren Randdichtungen, die ebenso leicht eingebaut werden können.

130020/0686

Hauptziel der Erfindung ist es, die Dichtungswirksamkeit einer Dichtungsvorrichtung zu steigern, die sich in Umfangsrichtung zwischen einem Kranz von Laufschaufelplattformen und einer Läuferscheibe erstreckt. Dabei soll die Leckage von Arbeitsmediumgasen zwischen den Plattformen und benachbarten Laufschaufeln sowie zwischen dem Kranz von Laufschaufeln und der Scheibe blockiert werden. Außerdem soll die Dichtungsvorrichtung während des Zusammenbaus leicht in ihre richtige Lage gleiten.

Gemäß der Erfindung drückt eine Randdichtung zwischen einer Läuferscheibe und den Plattformen von benachbarten Laufschaufeln auf Betriebskräfte hin gegen die Läuferscheibe und gegen die Laufschaufelplattformen, um die Leckage von Arbeitsmediumgasen zwischen benachbarten Laufschaufelplattformen und zwischen Laufschaufelplattformen und der Läuferscheibe zu blockieren.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die zwischen der Läuferscheibe und den Schaufelplattformen angeordnete Randdichtung. Die Läuferscheibe hat eine Plattformnut. Eine stromaufwärtige Seitenwand und eine stromabwärtige Seitenwand begrenzen die Nut. Die Randdichtung hat ein stromaufwärtiges Band nahe der stromaufwärtigen Seitenwand und ein stromabwärtiges Band nahe der stromabwärtigen Seitenwand. Die Randdichtung hat in wenigstens einer Ausführungsform einen gekrümmten Mittelteil. Die flachgedrückte Länge der Randdichtung ist größer als die nichtflachgedrückte Länge der Randdichtung. Die Länge der nichtflachgedrückten Randdichtung ist im eingebauten Zustand kleiner als die Breite der Nut zwischen den Seitenwänden.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Steigerung der Dichtungswirksamkeit, die sich aus der Blockierung der Leckage von Arbeitsmediumgasen ergibt. Gleichzeitig ergibt sich eine Steigerung des Triebwerkswirkungsgrades. Die Leckage von Arbeitsmediumgasen wird durch die Randdichtung blockiert/ die sich unter Betriebskräften gegen die Läuferscheibe und die

130020/0686

Laufschaufelplattformen legt. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit des Zusammenbaus, der sich aus dem axialen Spalt zwischen der Randdichtung und entsprechenden Seitenwänden beim Zusammenbau ergibt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Vorderansicht eines

Teils eines Läufers, von welchem Teile weggebrochen sind, um die Randdichtung nach der Erfindung sichtbar zu machen,

Fig. 2A eine Schnittansicht auf der Linie 2A-2A

in Fig. 1, die die Randdichtung nach der Erfindung im Ruhezustand zeigt,

Fig. 2B eine Schnittansicht, die der Ansicht in

Fig. 2A entspricht und die Randdichtung nach der Erfindung im unter Drehkräften expandierten Zustand zeigt,

Fig. 3A eine abgewickelte Schnittansicht in der

Richtung 3A-3A gemäß Fig. 2A, wobei Teile der Laufschaufelplattformen weggebrochen sind, und

Fig. 3B eine abgewickelte Schnittansicht von

Fig. 2B entsprechend der Ansicht in Fig. 3A, die die Randdichtung nach der Erfindung im unter Drehkräften expandierten Zustand zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk. Ein Teil des Läufers 10 des Triebwerks ist gezeigte Der Läufer 10 hat eine Läuferscheibe 12 mit ei-

130020/0686

nem Rand 14 und mehrere Laufschaufeln 16, die sich von dem Rand nach außen erstrecken. Ein Strömungsweg 17 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich zwischen den Laufschaufeln 16. Jede Laufschaufel hat einen Flügelprofxlabschnitt 18, einen Plattformabschnitt 20 und einen Wurzelabschnitt 22. Ein Schlitz 26, der sich umfangsmäßig um den Rand der Scheibe erstreckt und in der Form den Wurzelabschnitten entspricht, ist dem Rand angepaßt·, um die Wurzelabschnitte der Laufschaufeln aufzunehmen. Eine Plattformnut 28, die sich in Umfangsrichtung um den Schlitz 26 erstreckt, ist dem Rand angepaßt, um die Plattformabschnitte der Laufschaufeln aufzunehmen. Die Plattformabschnitte von benachbarten Laufschaufeln haben einen gegenseitigen Umfangsabstand, so daß zwischen ihnen ein Spalt C verbleibt. Eine Randdichtung 32 ist in der Plattformnut unterhalb der Laufschaufelplattformen angeordnet. Die Randdichtung besteht aus einem flexiblen Material, das sich in einem Drehkraftfeld biegt. Ein zufriedenstellendes Material ist geglühtes AMS (Aerospace Material Specification) 5504.

Gemäß Fig. 2A wird die Plattformnut durch eine stromaufwärtige Seitenwand 34 und durch eine stromabwartige Seitenwand 36 begrenzt. Die Randdichtung hat ein stromaufwartiges Band 38, das sich in Umfangsrichtung unter benachbarten Laufschaufelplattformen an der stromaufwärtigen Seitenwand erstreckt, und ein stromabwärtiges Band 40, das sich in Umfangsrichtung unter den benachbarten Laufschaufelplattformen an der stromabwärtigen Seitenwand erstreckt. Wenigstens zwei Umfangsabstand aufweisende Quersprossen, wie die dargestellte einzelne Quersprosse 42, erstrecken sich axial unterhalb benachbarter Plattformen zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Band der Randdichtung* Das stromaufwärtige Band hat einen vorderen Rand 44 und das stromabwartige Band hat einen hinteren Rand 46. Die nichtflachgedrückte

130020/0686

Länge 1 ist der kürzeste Abstand zwischen dem vorderen Rand und dem hinteren Rand der Randdichtung und ist im eingebauten Zustand eine axiale Strecke, die zu der Triebwerksmittellinie parallel ist. Die flachgedrückte Länge L ist der Abstand zwischen dem vorderen Rand und dem hinteren Rand einer flachgedrückten Randdichtung. Die flachgedrückte Länge ist also gleich der linearen Strecke über der konturierten Randdichtung. Die Längendifferenz zwischen der flachgedrückten Länge L und der nichtflachgedrückten Länge 1 ist größer als der Spalt A, d.h. (L-I) > A.

Fig. 3A zeigt eine abgewickelte Ansicht der in Fig. 2A gezeigten Vorrichtung sowie die nichtflachgedrückte Länge 1 der Randdichtung.

Fig. 2B zeigt in einer Fig. 2A entsprechenden Ansicht die Läuferscheibe 12, die Randdichtung 32 und die Laufschaufel 14 während des Betriebes mit sich in einem im wesentlichen flachgedrückten Zustand befindlicher Randdichtung.

Fig. 3B zeigt eine abgewickelte Ansicht der Vorrichtung von Fig. 2B und die im wesentlichen flachgedrückte Länge L der Randdichtung.

Während des Betriebes eines Gasturbinentriebwerks werden Arbeitsmediumgase auf dem Arbeitsmediumströmungsweg 18 geleitet. Der Läufer dreht sich mit hoher Drehzahl und tauscht Energie mit den Arbeitsmediumgasen aus. Die Drehung der Läuferscheibe 12 führt zu einem Drehkraftfeld, welches bewirkt, daß der Wurzelabschnitt 22 der Laufschaufel fest gegen den oberen Teil des Schlitzes 26 drückt. Das Drehkraftfeld bewirkt außerdem, daß die Randdichtung fest gegen die Unterseite des Plattformabschnittes 20 drückt. Bei der Betriebsdrehzahl des Läufers drückt sich die Randdichtung an der Unterseite der Plattform flach. Wenn sich die Dichtung flachdrückt, werden das stromaufwärtige Band 38 und das stromab-

130020/0686

-TO-

wärtige Band 40 an die Seitenwände angedrückt. Das stromaufwärtige Band drückt fest gegen die stromaufwärtige Seitenwand 34 und das stromabwärtige Band drückt fest gegen die stromabwärtige Seitenwand 36. In Abhängigkeit von dem gewählten Material kann es in einem geringen Ausmaß zum Wegkrümmen der Randdichtung von der Unterseite der Plattform kommen, wobei es in geringem Ausmaß zur Verformung des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Randes der Randdichtung oder zu einer Kombination von beiden kommen kann.

Die Randdichtung kann sich/ wie gezeigt, unter mehreren LaufSchaufelplattformen erstrecken und erstreckt sich vorzugsweise über den größten Teil des Lauferumfangs. Beim Einbau der Randdichtung im nichtflachgedrückten Zustand bildet der Spalt A einen axialen Abstand zwischen den Rändern 44, der Randdichtung und den Seitenwänden 34, 36 der Scheibe. Dieser Abstand ermöglicht der Randdichtung und den Laufschaufeln, in dem Umfangsschlitz 26 und der Nut 28 mit einem Minimum an Haftung zu gleiten. Ein einfaches Zusammenbauen der Randdichtung und der Laufschaufeln wird ermöglicht.

Es ist klar, daß mit jeder Randdichtung 32, bei der die im wesentlichen flachgedrückte Länge L die nichtflachgedrückte Länge 1 um eine Strecke übersteigt, die größer als der Spalt A ist, d.h. (L-I) > A, der Abdichtungsvorteil erzielt wird. Bei der Implementierung dieses Konzepts kann die Quersprosse 42 in der axialen Richtung mit einer konkaven Form (wie dargestellt) oder mit einer konvexen, nach außen weisenden Form gekrümmt sein. In anderen Konstruktionen kann die Quersprosse eine Reihe von Ebenen haben, die sich in der axialen Richtung erstrecken und spitze oder stumpfe Winkel miteinander bilden. Ebenso können das sich in Umfangsrichtung erstreckende stromabwärtige Band und das sich in Ümfangsrichtung erstreckende stromaufwärtige Band sich axial .erstreckende Krümmungen oder Ebenen haben, die in der Lage, sind, unter Dreh kräften die größere Länge zu erzeugen'.' '

130020/0686

Claims

Patentansprüche ;

(1.J Dichtungsvorrichtung für einen Läufer mit einer Läuferscheibe mit einem Rand, die in einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden und durch eine stromaufwärtige sowie eine stromabwärtige Seitenwand begrenzten Schlitz die Wurzeln von mehreren sich nach außen erstreckenden, mit Plattformen versehenen Laufschaufeln aufnimmt,

gekennzeichnet durch eine Randdichtung (32) , die zwischen den LaufSchaufelplattformen (20) und der Läuferscheibe (12) angeordnet und in axialem Abstand von wenigstens einer Seitenwand (36) angeordnet ist, so daß zwischen ihnen ein Spalt (A) verbleibt, wobei die Randdichtung ein stromaufwärtiges Band (38) hat, das sich in Umfangsrichtung unter benachbarten Laufschaufelplattformen an der stromaufwärtigen Seitenwand (34) erstreckt, ein stromabwärtiges Band (40) , das sich in Umfangsrichtung unter benachbarten Laufschaufelplattformen an der stromabwärtigen Seitenwand (36) erstreckt, und wenigstens zwei in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Quersprossen (42) , die sich axial unter benachbarten Plattformen zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Band der Randdichtung (32) erstrecken, und wobei die Rand-

130020/0686

_ 2 —

dichtung so ausgebildet ist, daß sie im Ansprechen auf Drehkräfte gegen die stromaufwartige Seitenwand, die stromabwärtige Seitenwand und die LaufSchaufelplattformen gepreßt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randdichtung (32) , gemessen in der axialen Richtung, eine nichtflachgedrückte Länge (1) und eine entsprechende flachgedrückte Länge (L), die größer als die nichtflachgedrückte Länge ist, hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Quersprossen (42), gemessen in der axialen Richtung, eine nichtflachgedrückte Länge (1) und eine entsprechende flachgedrückte Länge (L), die größer als die nichtflachgedrückte Länge ist, haben.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quersprossen (42) jeweils eine gekrümmte Oberfläche haben.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Oberflächen jeweils eine konkave Seite haben, die den Plattformen (20) der benachbarten beiden Laufschaufeln (16) zugewandt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quersprossen (42) einen gekrümmten Mittelteil haben, der während des Betriebes der Läuferscheibe, an der die Randdichtung (32) vorgesehen ist, auf Drehkräfte hin flachgedrückt werden kann.
7. Randdichtung für ein Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:

ein erstes Band (38), das sich in einer ersten Richtung erstreckt,

130020/0 6 86

ein zweites Band (40) , das mit Abstand von dem ersten Band angeordnet ist und sich in der Richtung des ersten Bandes erstreckt,

wenigstens zwei Quersprossen (42) mit Enden, von denen sich jede in einer zweiten Richtung im wesentlichen rechtwinkelig zu der ersten Richtung erstreckt und an einem Ende mit dem ersten Band und am anderen Ende mit dem zweiten Band integral verbunden ist,

wobei die Randdichtung (32) , gemessen in der zweiten Richtung, eine nichtflachgedrückte Länge (1) und eine entsprechende flachgedrückte Länge (L) hat, die größer als die nichtflachgedrückte Länge ist.
8. Randdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die flachgedrückte Länge (L) der Quersprosse (42) in der zweiten Richtung größer ist als die nichtflachgedrückte Länge (1) der Quersprosse in der zweiten Richtung.

130020/0686