DE3514392A1

DE3514392A1 - Drehdichtung

Info

Publication number: DE3514392A1
Application number: DE19853514392
Authority: DE
Inventors: Ambrose Andreas Wyoming Ohio Hauser; Rolf Robert Cincinnati Ohio Hetico; Thomas George Greendale Ind. Wakeman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1985-04-20
Publication date: 1985-11-07
Also published as: JPH0475434B2; SE456928B; SE8502035L; FR2563601A1; US4513975A; IT8519864A0; GB2158166A; FR2563601B1; CA1257623A; GB2158166B; IT1184980B; JPS60231072A; GB8503618D0; SE8502035D0

Description

9551.2-13DV-08552 General Electric Company

Drehd ichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Dreh- bzw. Rotationsdichtungen und insbesondere auf umlaufende Labyrinthdichtungen zur Verwendung in Gasturbinenmotoren.

Umlaufende Labyrinthdichtungen weisen im allgemeinen zwei relativ $ zueinander drehbare Teile auf. Der eine Teil weist üblicherweise

f? ein oder mehrere Umfangszähne auf, die in bezug auf eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche auf dem zweiten Teil koaxial angeordnet sind. Dichtungen dieser Art werden dazu verwendet, eine Fluidströmung zwischen Hohlkammern, die zwischen feststehenden und umlaufenden Teilen gebildet sind, zu verhindern bzw. zu begrenzen, ohne die Drehbewegung des umlaufenden Teils zu behindern.

Ein Nachteil dieser Dichtungen tritt in Erscheinung, wenn die Temperatur des durch die Dichtung leckenden Strömungsmittels eine schnelle Änderung durchläuft, wie beispielsweise während transienter bzw. flüchtiger Betriebsbedingungen, üblicherweise spricht das eine Teil schnell auf eine Änderung in der Temperatur an, wodurch ein thermisch induziertes, radiales Wachstum entsteht. Gleichzeitig erwärmt sich das andere Teil langsamer, wodurch das thermische Wachstum dieses Teils langsamer ist. Insgesamt können viele Faktoren zu den unterschiedlichen Geschwindigkeiten im thermischen Ansprechverhalten der zwei Teile beitragen.Beispielsweise kann ein abreibbarer Mantel auf der "

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Strömungsbahnoberfläche des feststehenden Teils ein Material mit einem kleineren Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit verwenden als das Material des umlaufenden Teils.

Für eine im Gleichgewicht befindliche Betriebstemperatur ist der Abstand oder der Spalt zwischen den umlaufenden und feststehenden Teilen üblicherweise auf einen kleinen Wert festgelegt. Selbst im Gleichgewichtszustand kann sich jedoch dieser Spalt mit Temperaturänderungen auf der Rückseite der feststehenden Dichtung ändern.

Während transienter bzw. flüchtiger Bedingungen, wenn das Strömungsmittel schnell seine Temperatur ändert, kann das unterschiedliche Wachstum zwischen umlaufenden und feststehenden Teilen zu einer Reibung zwischen den Teilen führen. Derartige Reibeingriffe haben eine Abnutzung der feststehenden Dichtungsoberfläche oder der ümfangszähne zur Folge, wodurch der Spielraum im stationären Betrieb vergrößert wird. Ein vergrößerter Spielraum verschlechtert die Leistungsfähigkeit der Dichtung.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte umlaufende Dichtung zu schaffen. Ferner soll eine neue und verbesserte umlaufende Labyrinthdichtung geschaffen werden, bei der während eines transienten thermischen Betriebs die auftretenden Reibeingriffe vermindert werden. Es sollen auch ein neues und verbessertes Verfahren und Mittel in einer umlaufenden Labyrinthdichtung geschaffen werden, um das thermische Ansprechverhalten von einem der Teile zu vergrößern.

Erfindungsgemäß wird eine umlaufende Dichtung angegeben, in der ein erstes Teil mit wenigstens einem Dichtungszahn mit einem zweiten Teil zusammenarbeitet, um eine Strömungsmittelströmung dazwischen zu verhindern bzw. zu hemmen. Das zweite Teil weist einen abreibbaren Mantel und ein Gehäuse auf. Die Verbesserung betrifft eine Leitung zum Leiten eines Teiles des Strömungsmittels durch das Gehäuse für eine Wärmeübertragung dazwischen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Ansicht der umlaufenden Labyrinthdichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Ansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine umlaufende Labyrinthdichtung 10 gezeigt. Derartige Labyrinthdichtungen haben ein breites Anwendungsgebiet und sind insbesondere adaptierbar für eine Verwendung in Gasturbinenmotoren bzw. -Triebwerken. Die Dichtung weist einen Rotor oder ein erstes Teil 12, im allgemeinen scheibenförmig, und einen Stator oder ein zweites Teil 14 auf, das im allgemeinen ringförmig ist. Das erste Teil 12 ist drehbar relativ zu dem zweiten Teil 14. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel läuft das erste Teil 12 um eine Triebwerksmittelachse 16 um, und das zweite Teil 14 ist feststehend.

Das erste Teil 12 weist mehrere Dichtungszähne 18 auf, die sich im allgemeinen radial nach außen erstrecken in Richtung auf die innere Oberfläche 20 des zweiten Teils 14. Jeder Zahn 18 ist einstückig mit dem ersten Teil 12 ausgebildet und ist im allgemeinen ringförmig.

Das zweite Teil 14 enthält ein Gehäuse 40 und einen abreibbaren Mantel 42. Der Mantel 42 weist eine Anzahl von Stufen 22 auf, so daß der eine Dichtungszahn 18 der nach innen gerichteten Oberfläche 20 von jeder Stufe 22 entspricht. Der abgestufte Aufbau des zweiten Teils 14 stellt nur ein Ausführungsbeispiel dar und es sind andere geometrische Konfigurationen für das zweite Teil 14 möglich. Der beschriebene Aufbau bildet eine Anzahl von Bereichen 24a, 24b, ..., die durch die Innenfläche 20 des zweiten Teils 14 und benachbarte Dichtungszahne 18 des ersten Teils 12 begrenzt sind. Das Gehäuse 40 weist eine radial nach außen gerichtete Oberfläche 36 auf.

Das zweite Teil 14 weist auch eine Leitung 26 auf, die Bereiche 24a, 24b verbindet. Wie in Fig. 1 und insbesondere in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Leitung 26 eine ringförmige Hohlkammer 30, die mit der Oberfläche 36 in thermischem Kontakt steht, mehrere erste Kanäle 28, die den Bereich 24a mit der Hohlkammer verbinden, und mehrere zweite Kanäle 32 auf, die die Hohlkammer 30 mit dem Bereich 24b verbinden. In einem bevorzugten Ausführungsbespiel sind die ersten Kanäle 28 in Umfangsrichtung versetzt in bezug auf die zweiten Kanäle 32.

In einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) kann eine Leitung 26 nicht benachbarte Bereiche verbinden. Beispielsweise könnte Strömungsmittel aus dem Bereich 24a in eine Hohlkammer 30 strömen und dann in einen Bereich 24c, 24d oder einen nachfolgenden Bereich geleitet werden. Dies würde den Vorteil eines größeren Druckabfalls zwischen Bereichen haben, was eine sicherere Strömung des Strömungsmittels dazwischen zur Folge hat.

Im Betrieb arbeitet das erste Teil 12 mit dem zweiten Teil 14 zusammen, um die Strömung des Strömungsmittels dazwischen zu hemmen bzw. zu verhindern. Auf diese Weise wird das durch den Pfeil 34 dargestellte Strömungsmittel daran gehindert, von dem Bereich 24a zum Bereich 24b zu strömen. Während stationärer Betriebsbedingungen, in denen die Temperatur des Strömungsmittels im allgemeinen stabil ist, gestattet ein Spalt oder ein Abstand zwischen dem Dichtungszahn 18 und der Oberfläche 20 eine Leckage von etwas Strömungsmittel. Während transienter Bedingungen jedoch, bei denen sich die Temperatur des Strömungsmittels 34 ändert, erfahren die ersten und zweiten Teile 12 und 14 ein thermisches Wachstum. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Konstanten der Teile 12 und 14 ist dieses Wachstum unterschiedlich. Beispielsweise kann der abreibbare Mantel 42 das Vermögen des Gehäuses 40 verkleinern, mit der gleichen Geschwindigkeit wie das erste Teil 12 in radialer Richtung zu wachsen. Dieses unterschiedliche Wachstum kann Reibeingriffe bzw. Abriebe zur Folge haben, die eine Verschlechterung der Grenzfläche zwischen dem Zahn 18 und der Oberfläche 20 zur Folge hat, wodurch der Spalt während stationärer Bedingungen vergrößert wird.

Die Leitung 26 ist so ausgelegt, daß sie einen Teil des Strömungsmittels 34 durch das zweite Teil 14 vom Bereich 24a zum Bereich 24b leitet, um die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs zwischen dem Strömungsmittel 34 und dem zweiten Teil 14 zu vergrößern. Wenn beispielsweise die Wärme des Strömungsmittels größer wird, hilft das durch die Leitung 26 strömende Strömungsmittel, damit sich das zweite Teil 14 schneller erwärmt. Ferner sorgt die Positionierung der Hohlkammern 30 für eine im allgemeinen gleichförmige Erwärmung des zweiten Teils 14. Durch Vergrößern der Wärmeübertragungsfläche des zweiten Teils 14 wird die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs zwischen dem Teil 14 und dem Strömungsmittel 34 vergrößert und die Zeit, in der eine Gleichgewichtstemperatur dazwischen erreicht wird, wird verkürzt. Wenn das Strömungsmittel 34 vom Bereich 24a zum Bereich 24b durch den Spalt zwischen dem Dichtungszahn 18 und der Oberfläche 20 strömt, tritt ein Druckabfall auf. Der Bereich 24b ist deshalb auf einem kleineren Druck als der Bereich 24a, und dieser Druckunterschied sorgt dafür, daß Strömungsmittel durch die Leitung 26 strömt.

Die Oberfläche 36 des Gehäuses 40 ist normalerweise Kühlluft ausgesetzt oder wenigstens Luft mit einer anderen Umgebungstemperatur als das Strömungsmittel 34. Selbst bei stationären Triebwerksbetriebsbedingungen beeinflußt die Strömung des Strömungsmittels durch die Leitung 26 den Spalt. Infolgedessen verändert die Leitung des Strömungsmittels 34 durch das Gehäuse 40 das thermische Ansprechverhalten des zweiten Teils 14 bei allen Arbeitsbedingungen des Triebwerks bzw. des Motors.

Die beschriebenen umlaufenden Labyrinthdichtungen sind jedoch nicht nur bei Motoren bzw. Triebwerken von Gasturbinen anwendbar, sondern in gleicher Weise bei Dichtungen in irgendwelchen umlaufenden Maschinen. Ferner gelten die hier beschriebenen Verfahren allgemein, um die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs zwischen dem Strömungsmittel und einem Dichtungsteil zu vergrößern und um die Zeit zu verkürzen, in der ein thermisches Gleichgewicht zwischen Dichtungsteilen erreicht wird.

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- Leerseite

Claims

Dr. Horst Schüler6000 Frankfurt/Main 1 3514392(069) 235555PATENTANWALTKaiserstrasse 4104-16759 mapat dEUROPEAN PATENTATTORNEYTelefonmainpatent frankfurtTelex(069)251615Telegramm(CCITT Gruppe 2 und 3)Tetekopierer225/0389 Deutsche Bank AG282420-602 Frankfurt/M.BankkontoPostscheckkonto Ihr Zeichen/Your ref. : Unser Zeichen/Our ref.: 9551 . 2-1 3DV-08552 Datum/Date : 17. April 1985 Vo/Bt GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. Patentansprüche

1. Umlaufende Dichtung mit einem ersten Teil, das wenigstens einen Dichtungszahn aufweist und einem zweiten Teil, das einen abreibbaren Mantel und ein Gehäuse aufweist, wobei die Teile zusammen eine Strömung des Strömungsmittels zwischen den Teilen hindurch hemmen bzw. verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (26) einen Teil des Strömungsmittels durch das Gehäuse (40) hindurchleitet für einen Wärmeübergang dazwischen.

2. Dichtung nach Anspruch 1,

d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Dichtung eine Labyrinthdichtung ist und einen Rotor, der wenigstens einen Dichtungszahn aufweist^und einen Stator aufweist, der den abreibbaren Mantel und das Gehäuse aufweist, wobei der Rotor und der Stator zusammen eine Strömung von Strömungsmittel von einem ersten Bereich (24a) zu einem zweiten Bereich (24b) hemmt bzw. verhindert, und daß die Leitung (26) einen Teil des Strömungsmittels durch

ORIGINAL INSPECTED

das Gehäuse (40) hindurch von dem ersten zum zweiten Bereich (24a, 24b) leitet für einen Wärmeübergang zwischen dem Strömungsmittel und dem Gehäuse.

3. Dichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mit dem abreibbaren Mantel und dem Gehäuse radial außen angeordnet ist.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (26) eine ringförmige Hohlkammer (30), die in

"" thermischem Kontakt mit der Oberfläche des Gehäuses (40) ist, mehrere erste Kanäle (28) , die den ersten Bereich (24a) mit der Hohlkammer (30) verbinden, und mehrere zweite Kanäle (32) aufweist, die die Hohlkammer (30) mit dem_ zweiten Bereich (24b) verbinden.

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5. Dichtung nach Anspruch 4,

^v dadurch gekennzeichnet, daß '* die ersten Kanäle (28) in ümfangsrichtung versetzt sind

in bezug auf die zweiten Kanäle (32).

6. Verfahren zum Verbessern des thermischen Ansprechverhal- _ tens eines Teils einer umlaufenden Labyrinthdichtung für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die Dichtung ein erstes Teil mit wenigstens einem Dichtungszahn und ein zweites Teil mit einem abreibbaren überzug aufweist und der Zahn und der überzug zusammenarbeiten zum Hemmen bzw. Verhindern des Hindurchströmens von Strömungsmittel, wobei das thermische Wachstum des zweiten Teils durch den Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit des Überzugs begrenzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsfläche des zweiten Teils vergrößert wird.