DE3407218C2 - Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Das Aufrechterhalten des Dichtspalts in den Dichtungen an den Schaufelspitzen und zwischen den Stufen in einer mehrstufigen Gasturbine über dem gesamten Flugspektrum ist schwierig. Das thermische Schrumpfen der Schaufeln, beispielsweise wenn die Leistung auf Reiseflugleistung zurückgenommen wird, führt zu großen Spalten und zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Turbine. Das gilt insbesondere, wenn die Schaufelspitzendichtungen und inne­ ren Träger an dem Gehäuse befestigt statt freibeweglich gelagert sind. Es ist erwünscht, einen minimalen Spalt bei allen Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, um Verluste zu minimieren, die aus übergroßen Dichtspalten resultieren würden.

Eine Gasturbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Art ist aus der US-PS 38 26 084 bekannt. Bei dieser be­ kannten Gasturbine wird versucht, zu hohe Temperaturen an den Schaufeln eines Rotors dadurch zu vermeiden, daß über einen mi­ trotierenden ringförmigen Kanal ein konstanter Kühlluftstrom in Kühlluftbohrungen in den Schaufeln geleitet wird. Zusätzlich wird auch die Außenseite der Schaufeln mit Kühlluft beauf­ schlagt. Bei einer Leistungsrücknahme vergrößern sich jedoch auch hier die Spalte an den Schaufelspitzen, so daß es zu einer erhöhten Verlustströmung kommt, wodurch sich der Wirkungsgrad erniedrigt.

Aus der US-PS 39 89 410 ist eine Gasturbine bekannt, bei der der Leitschaufelkranz nach innen weisende Dichtflächen besitzt, die mit radial nach außen weisenden, rotorseitigen Dichtlippen zusammenwirken. Auch bei dieser bekannten Gasturbine wird sich bei einer Kontraktion des Leitschaufelkranzes der Dichtspalt vergrößern und die Leckluftströmung somit erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 so zu verbessern, daß bei allen Be­ triebsbedingungen ein minimaler Dichtspalt an den Schaufelspit­ zen aufrechterhalten wird, um Verlustströmungen zu minimieren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, daß die Menge des Kühlfluids in Abhängigkeit von der thermischen Kontraktion der Leitschaufeln geregelt wird, so daß bei einer Leistungsrück­ nahme eine geringere Menge an Kühlfluid zu den inneren Teilen des Rotors gelangt. Die bei einer Leistungsrücknahme erfolgende Temperaturerniedrigung des Rotors wird also durch eine vermin­ derte Kühlfluidmenge kompensiert. Das in dem Druckabteil be­ findliche Kühlfluid strömt bei der Gasturbine nach der Erfin­ dung über eine variablen Spalt in die Kammer und aus dieser über entsprechende Öffnungen zu den Laufschaufelkränzen. Die Menge des in die Kammer einströmenden Kühlfluids wird durch die Größe des Spalts bestimmt. Der Spalt wird dabei erfindungsgemäß durch den sich radial nach innen erstreckenden Dichtflansch und die radial nach außen weisende Dichtfläche des Dichtringes ge­ bildet. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß bei einer thermischen Kontraktion des Leitschaufelkranzes der Spalt ver­ ringert wird, da sich der Dichtring nach außen, zum Gehäuse hin bewegt. Auf diese Weise wird der Kühleffekt an den Scheiben des Rotors verringert, was zu einer Verengung der Dichtungen zwi­ schen den Rotorstufen, d. h. der zwischen den Leitschaufelkrän­ zen des Rotors angeordneten Dichtungen führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegen­ stände der Unteransprüche.

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

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Teilschnittansicht einer Gasturbine nach der Erfindung.

Ein Gehäuse 2 der Gasturbine trägt mehrere Leitschaufelkränze 4, 6 und 8, von denen der Kranz 4 die Einlaßstufe der mehrstu­ figen Turbine ist.

Mit den Leitschaufelkränzen 4, 6, 8 wechseln Laufschaufelkränze 12, 14 und 16 ab, die an ringförmigen Scheiben 18, 20 und 22 befestigt sind, welche zur Bildung eines Rotors durch zusammenwirkende Flansche 24 auf entgegengesetzten Seiten jeder Scheibe miteinander verbunden sind. Ein Flansch 26 auf der stromaufwärtigen Seite der Scheibe 18 ist an dem stromaufwärtigen Ende einer Hülse 28 befestigt und trägt diese. Die Hülse 28 erstreckt sich durch den Rotor und ist an ihrem anderen Ende an einem Rotorkegel 30 befestigt. Die Hülse 28 bildet zwischen sich und den Flanschen 24 eine Kammer 31, durch die Kühlfluid zur Kühlung des Rotors strömt. Radial einwärts der Hülse 28 befindet sich ein Druckabteil 32, das mit Kühlfluid, welches bei der Kühlung der Turbine benutzt wird, unter Druck ge­ setzt wird. Zwischen jeweils zwei benachbarten Scheiben erstreckt sich radial außerhalb der Flansche 24 eine Dichthülse 34, die an ihrer äußeren Oberfläche Dichtelemente 36 in Form von Rippen 36 trägt, welche mit einer Dichthülse 38 zusammenwirken, die durch die inneren Enden der Leitschaufelkränze 6 bzw. 8 gehal­ ten ist. Kühlluft aus der Kammer 31 passiert die Flan­ sche 24 über darin gebildete Öffnungen 40 und über Öff­ nungen 42 In den Dichthülsen 34, um durch einen Flansch 44, der an jeder Dichthülse 34 angebracht ist, über die Ober­ fläche der Scheiben 20 bzw. 22 geleitet zu werden.

Der Leitschaufelkranz 4 trägt einen Dichtring 46 an den inneren Enden der Leitschaufeln, der mit einem Dichtteil 48 zusammenwirkt, welcher durch den Flansch 26 und die mit ihm zusammenwirkende Hülse 28 gehaltert ist. Der Dicht­ teil 48 ist im Querschnitt H-förmig und hat axialen Ab­ stand voneinander aufweisende ringförmige Dichtflansche 50, die an ihren Außenumfängen Dichtelemente 52 tragen, welche mit einem inneren zylindrischen Dichtteil 54 an dem Dicht­ ring 46 zusammenwirken.

Der Dichtteil 48 trägt außerdem an den inneren Umfängen der Dichtflansche 50 Dichtrippen 56, die mit einem nach außen wei­ senden Dichtring 58 zusammenwirken. Der Spalt zwischen den beiden Dichtflanschen 50 steht mit der Kammer 31 über mehrere Durchlässe 60 in einer der Scheiben 50 und in überlappenden Flanschen 61 und 62 an dem Flansch 26 bzw. der Hülse 28 in Verbindung.

Wenn der Dichtteil 48 so wie dargestellt zwischen dem Dichtteil 54 und dem ihm gegenüberliegenden Dichtring 58 angeordnet ist, wird der Spalt an dem inneren Dichtring 58 vergrößert, wenn die Leitschaufeln erhitzt werden, und gleich­ zeitig wird der Spalt an der Dichtfläche des Dichtteils 54 verkleinert. Weiter wird, wenn die Turbinenleistung zurück­ genommen wird und die Temperatur der Leitschaufeln abnimmt, beispielsweise beim Zurücknehmen der Leistung auf die Rei­ seflugleistung, der Spalt an dem Dichtring 58 verkleinert und der Spalt an dem Dichtteil 54 vergrößert. Durch eine Verkleinerung des Spalts an dem Dichtring 58 wird der Strom von Kühlfluid in die Kammer 31 verringert.

Der Spalt an den Dichtrippen an den inneren Enden der Dichtflansche 50 dient somit als ein gesteuerter Durchlaß für den Strom von Kühlfluid zu dem Rotor, und das Kühlfluid aus dem Druck­ abteil 32 passiert den stromabwärtigen Dichtflansch 50, strömt zwischen den Dichtflansch 50 und durch den Durchlaß 60 in die Kammer 31, so daß es um die inneren Teile der Scheiben 18, 20, 22 und durch die Öffnungen 40 und 42 strömt, um zur Kühlung über die Oberfläche der Scheiben 18, 20, 22 geleitet zu werden.

Der wesentliche Effekt dieses Aufbaus der Gasturbine ist, daß, wenn die Turbinentemperatur durch eine Zurücknahme der Lei­ stung, beispielsweise von Volleistung auf Reiseflugleistung, verringert wird, der Spalt an den inneren Enden der Dicht­ flansch 50 verkleinert und der Strom von Kühlfluid in die Kam­ mer 31 verringert wird, mit dem Ergebnis, daß die Kühlung der Scheiben 18, 20, 22 reduziert wird. Da die Schei­ ben 18, 20, 22 deshalb nicht so stark gekühlt werden, wird der Spalt, der zwischen den Dichtelementen 36 und der mit ihnen zusammen­ wirkenden Dichthülse 38 in den Dichtungen zwischen den Stu­ fen vorhanden ist, fast auf demselben Wert gehalten und kann sogar reduziert werden, um das Entweichen von Kühl­ fluid an dieser Stelle zu minimieren. Mit abnehmender Kühlung der Scheiben 18, 20, 22 werden Schaufelspitzen­ dichtungen 63, die an den Spitzen der Laufschau­ feln angeordnet sind, näher bei einem sie umgebenden Ge­ häuseteil 65 gehalten, wodurch der Schaufelspitzendicht­ spalt verengt und der Luftverlust an den Schaufelspitzen­ dichtungen verringert wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad bei niedriger Leistung weiter verbessert.

Die Stirnseite des vorderen Dichtflansches 50 und die Stirn­ seite des Dichtringes 46 können in einer Linie angeordnete Durchlässe 64 bzw. 66 kleinen Durchmessers haben, um eine Mindestströmung von Kühlfluid ungeachtet des Spalts an den inneren Enden der Dichtflansche 50 zu gestatten.

Claims (4)

1. Gasturbine, mit einem Rotor mit wenigstens zwei Scheiben (18, 20); einer Dichthülse (34), die sich zwischen den Scheiben erstreckt und an ihrem äußeren Umfang Dichtelemente (36) hat; wobei eine der Scheiben (18, 20) eine Endscheibe (18) ist und einen Dichtteil (48) trägt, einem Leitschaufelkranz (4) neben der Endscheibe (18) und wenigstens einem weiteren Leitschaufelkranz (6) zwischen den Scheiben; einem Dichtring (46), der durch die inneren Enden des einen Leitschaufelkranzes (4) gehaltert ist; und einem Druckabteil (32) für Kühlfluid für den Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtteil (48) der Endscheibe (18) wenigstens einen sich radial nach innen erstreckenden Dichtflansch (50) hat und der Dichtring (46) des Leitschaufelkranzes (4) eine radial nach außen weisende Dichtfläche hat, die mit dem Dichtflansch (50) zusammenwirkt; daß eine Hülse (28) sich von dem Dichtteil (48) aus durch den Rotor erstreckt und mit dem Dichtteil (48) und der Dichthülse (34) eine Kammer (31) bildet, die die inneren Teile der Rotorscheiben (18, 20) umschließt; daß die Hülse (28) außerdem einwärts von sich das Druckabteil (32) für Kühlfluid für den Rotor begrenzt und der Dichtflansch (50) und die mit ihm zusammenwirkende nach außen weisende Dichtfläche einen sich mit abnehmender Triebwerksleistung verkleinernden Spalt bilden, über den das Druckabteil (32) mit der Kammer (31) in Fluidverbindung steht.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtteil (48) mehrere Durchlässe (60, 64) für den Strom von Kühlfluid in die Kammer (31) hat.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtteil (48) zwei gegenseitigen Abstand aufweisende Dichtflansche (50) hat, die mit der radial nach außen weisenden Dichtfläche zusammenwirken, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Dichtflanschen (50) mit der Kammer (31) in Verbindung steht.

4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitschaufelkränze (4, 6) zwischen den Schei­ ben (18, 20) eine weitere Dichthülse (38) tragen, die mit den Dichtelementen (36) der anderen Dichthülse (34) zusammenwirkt.