DE3519646C2 - Umlaufende Labyrinthdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Labyrinthdichtung für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Labyrinthdichtung ist aus der US 43 51 532 bekannt.

Umlaufende Labyrinthdichtungen haben eine breite Vielfalt von Anwendungen, und eine derartige Anwendung ist die Abdichtung zwischen Kammern mit unterschiedlichen Drucken in Gasturbinen­ triebwerken. Derartige Dichtungen bestehen im allgemeinen aus zwei Hauptelementen, d. h. einer umlaufenden Dichtung und einer statischen Dichtung. Die umlaufende Dichtung hat im Querschnitt parallel zur axialen Länge des Triebwerks häufig zwei Reihen von dünnen zahnähnlichen Vorsprüngen, die sich von einer rela­ tiv dickeren Basis radial in Richtung auf die statische Dich­ tung erstrecken. Die statische Dichtung oder der Stator hat normalerweise eine dünne honigwabenartige Bandkonfiguration. Diese Hauptelemente sind im allgemeinen in Umfangsrichtung um die axiale (Längs-)Ausdehnung des Triebwerks angeordnet, wobei dazwischen ein kleiner radialer Spalt gebildet ist, um eine Montage der umlaufenden und stationären Komponenten zu ge­ statten.

Wenn das Gasturbinentriebwerk in Betrieb ist, expandiert die umlaufende Dichtung in radialer Richtung stärker als der Sta­ tor und reibt in der Statordichtung. Die dünne honigwabenähn­ liche Bandkonstruktion des Stators verkleinert den Oberflächen­ bereich, auf dem die Dichtungsspitze reibt, und sie hilft so­ mit, die in die umlaufende Dichtung übertragene Wärme möglichst klein zu machen. Zusätzlich sind die Zahnspitzen der umlaufen­ den Dichtung dünner gemacht, um sie von der tragenden Basis oder Mantelstruktur thermisch zu isolieren.

Die Querschnittskonfiguration von Dichtungszähnen, wie sie aus der oben genannten US 43 51 532 oder der US 15 05 647 bekannt sind, haben allgemein die Form eines abgestumpfen Dreiecks mit geraden, geneigten Seiten, die sich an einer dünnen, ebenen Spitze treffen. Eine ähnliche Konfiguration mit gegenseitig ab­ gestuften Spitzen- und Basisabschnitten ist auch in der Figur der DE 839 145 C zu sehen, die eine Labyrinthstopfbüchse mit sich axial erstreckenden Dichtspitzen zeigt.

Diese bekannten Konfigurationen der Dichtungszähne haben für eine unzureichende Begrenzung von sich ausbreitenden Rissen ge­ sorgt, wenn diese einmal begonnen haben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Querschnittskonfiguration derart auszugestalten, daß die Ausbreitung von beginnenden Ris­ sen eingeschränkt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen beansprucht.

Die Erfindung und durch sie erzielbare Vorteile werden nun an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine vereinachte, teilweise geschnittene Quer­ schnittsansicht von einem Gasturbinentriebwerk.

Fig. 2 ist eine Teilquerschnittsansicht von einer zweistufigen Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks.

Fig. 3A ist eine Teilquerschnittsansicht von einem abgestuften Zahn für eine umlaufende Labyrinthdichtung gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3B ist eine Teilquerschnittsansicht von einem Zahn für eine bekannte umlaufende Labyrinthdichtung.

Fig. 4 ist ein Kurvenbild und zeigt die Rißlänge über Zug-Deh­ nungs-Ermüdungszyklen für eine bekannte und eine erfindungsge­ mäße Labyrinthdichtung.

In Fig. 1 ist schematisch ein Turbfan-Triebwerk 20 gezeigt. Turbofan-Triebwerke sind zwar bekannt, aber zur besseren Ver­ deutlichung der Beziehungen der verschiedenen Komponenten sei eine kurze Beschreibung der Arbeitsweise des Triebwerks 20 ge­ geben. Das Triebwerk 20 weist ein Kerntriebwerk 22, ein Fan bzw. einen Bläser 24 mit einer umlaufenden Stufe von Bläser­ schaufeln 26 und eine Fan-Turbine 28 auf, die stromabwärts von dem Kerntriebwerk 22 angeordnet und mit dem Fan 24 durch eine Welle 30 verbunden ist. Das Kerntriebwerk 22 weist einen Axial­ strömungsverdichter 32 mit einem Rotor 34 auf. Luft tritt in den Einlaß 36 von links in Fig. 1 in Richtung des ausgezogenen Pfeils ein und wird zunächst durch Bläserschaufeln 26 verdichtet.

Eine Fan-Verkleidung 38 umgibt den vorderen Teil des Triebwerks 20 und ist mit diesem durch mehrere radial nach außen verlaufen­ de Auslaßführungsschaufeln 40 verbunden, von denen nur eine ge­ zeigt ist und die im wesentlichen in gleichen Winkeln um die Verkleidung 42 des Kerntriebwerks herum beabstandet sind. Ein erster Teil der relativ kalten, einen niedrigen Druck aufwei­ senden verdichteten Luft, die die Fanschaufeln 26 verläßt, tritt in den Fan-Bypasskanal 44 ein, der zwischen der Verklei­ dung 42 des Kerntriebwerks und der Fan-Verkleidung 38 gebildet ist, und tritt durch die Fan-Düse 46 aus. Ein zweiter Teil der verdichteten Luft tritt in den Einlaß 48 des Kerntriebwerks ein, wird durch den Axialströmungsverdichter 32 weiter verdich­ tet und tritt in den Brenner 50 aus, wo die Luft mit Brenn­ stoff gemischt und verbrannt wird, um eine hohe Energie auf­ weisende Verbrennungsgase zu bilden, die eine Kern-(oder Hoch­ druck-)Turbine 52 antreiben. Die Turbine 52 treibt ihrerseits einen Rotor 34 über eine Welle 35 an, wie es bei Gasturbinen­ triebwerken üblich ist. Die heißen Verbrennungsgase strömen dann durch die Fan-(oder Niederdruck-)Turbine 28, die ihrerseits den Fan bzw. Bläser 24 antreibt. Somit wird eine Antriebskraft erhalten durch die Wirkung des Bläsers 24, der Luft aus dem Fan-Bypasskanal 24 durch die Fan-Düse 46 ausstößt, und durch den Austritt von Verbrennungsgasen aus der Kerntriebwerks­ düse 24, die teilweise durch einen Strömungskörper 56 und die Verkleidung 42 des Kerntriebwerks 22 gebildet ist. Der Druck der verschiedenen Gase in dem Triebwerk 20 variieren bekannt­ lich als eine Funktion der Position längs der axialen Mittel­ linie 58 des Triebwerks. Um die verschiedenen Abschnitte und die Drucke darin gegeneinander zu trennen bzw. zu isolieren, werden üblicherweise umlaufende Labyrinthdichtungen verwendet.

In Fig. 2 ist in einer Teilansicht ein Hochdruck-Turbinenab­ schnitt 60 gezeigt, der ein Abschnitt von Gasturbinentrieb­ werken ist, der üblicherweise umlaufende Labyrinthdichtungen verwendet. Die Hochdruckturbine 60 enthält mehrere radial ver­ laufende Schaufeln der ersten Stufe, die in Turbinenscheiben der ersten Stufe angebracht sind, wobei ein Satz dieser Schau­ feln mit 62 bzw. 64 bezeichnet ist. Die Hochdruckturbine 60 weist ferner mehrere radial verlaufende Schaufeln der zweiten Stufe auf, die in Turbinenscheiben der zweiten Stufe angebracht sind, von denen ein Satz mit 66 bzw. 68 bezeichnet ist. Die Schaufel 62 und die Scheibe 64 der ersten Stufe liegen in stromaufwärtiger Relation zu den stromabwärtigen Schaufeln 66 und der Scheibe 68 der zweiten Stufe. Die Strömung der heißen Gase in der Hochdruckturbine 60 verläuft von stromaufwärts nach stromabwärts, d. h. von links nach rechts in Fig. 2.

Die Hochdruckturbine 60 weist ferner eine umlaufende Labyrinth­ dichtung 70 und einen Stator oder eine statische Dichtung 71 auf. Die umlaufende Labyrinthdichtung 70 ist zwischen der Turbinenscheibe 64 der ersten Stufe und der Turbinenscheibe 68 der zweiten Stufe angebracht. Die stationäre Dichtung 71 ist an der Düse 73 der zweiten Stufe befestigt. Die Düse der ersten Stufe (nicht gezeigt) liegt stromaufwärts von den Schaufeln der ersten Stufe.

Die umlaufende Labyrinthdichtung 70 weist eine Basis 72 und mehrere Dichtungszähne 74 auf, die von der äußeren Umfangs­ fläche 75 der Basis 72 radial verlaufen. Der Außenumfang der Dichtungszähne 74 rotiert innerhalb einer kleinen Toleranz von dem Innenumfang des Stators 71, wodurch eine Dichtung zwischen der Kammer 61 der ersten Stufe und der Kammer 63 der zweiten Stufe gebildet wird. Die Basis 72 weist, wie in Fig. 2 ge­ zeigt ist, eine Ringkonfiguration und einen im allgemeinen bo­ genförmigen Querschnitt auf, aber häufig treten auch andere Konfigurationen in Gasturbinentriebwerken auf. Die Dichtungs­ zähne 74 können beispielsweise durch Schweißen an der Dichtung 70 befestigt oder sie können einstückig mit dieser ausgebildet sein und sie verlaufen ringförmig in Umfangsrichtung um die Basis 72 und die axiale Mittellinie 58 herum.

Jeder Dichtungszahn 74, wie er besser in Fig. 3A gezeigt ist, hat einen Körperabschnitt 77 und einen Spitzenabschnitt 78. Jeder der Körperabschnitte 77 hat im wesentlichen parallele Körperwände 79 und 80, die von der Basis radial ausgehen und sich in Umfangsrichtung um die Mit­ telachse des Triebwerks erstrecken. Der Körperabschnitt 77 weist auch Körperumfangswände 82 und 84 auf, die längs des Außenumfangs des Körperabschnitts 77 auf jeder Seite des Spit­ zenabschnitts 78 liegen.

Jeder der Spitzenabschnitte 78 weist im allgemeinen parallele und radial verlaufende Spitzenwände 86 und 88 auf, die sich von den Umfangswänden 82 bzw. 84 in radialer Richtung er­ strecken. Der Spitzenabschnitt 78 hat ferner eine Spitzenum­ fangsfläche 90, die entlang des Außenumfangs des Spitzenab­ schnitts 78 verläuft, in dem die Spitzenwände 82, 84 enden. Die Oberfläche 90 ist koaxial zu den Körperumfangswänden 82, 84. Im Gegensatz zu den Dichtungszähnen gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 3A gezeigt sind, ist in Fig. 3B ein bekannter Dichtungszahn 74' gezeigt, der eine im allgemeinen abgestumpfte Dreiecksform aufweist. Der gezeigte Winkel θ liegt im allge­ meinen in der Größenordnung von 15° und die Breite der Spit­ zenfläche 90' (t_t') liegt in der Größenordnung von 0,375 mm.

Um eine wirksame Begrenzung der Ausbreitung von Rissen zu er­ halten, sollte erfindungsgemäß das Verhältnis der Strecken zwischen den Körperwänden 79, 80 (Körperdicke t_b) und den Spitzenwänden 86, 88 (Spitzendicke t_t) wenigstens etwa 5 : 1 betragen. Vorzugsweise sollten die Spitzenwände 86, 88 die Körperumfangswände 82, 84 ohne einen Übergangs-(Hohl­ kehlen-)Radius treffen, aber für eine Ermüdungsbeständigkeit ist ein gewisser Radius an der Übergangsstelle wünschenswert, und ein Übergangs- oder Hohlkehlenradius t_r, der etwa gleich der Spitzendicke t_t ist, wurde als bevorzugter Radius gefunden.

Die Wirksamkeit von Dichtungszähnen gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Dort ist die Rißlänge als eine Funktion von Zug-Dehnungs-Ermüdungsspielen aufgetragen. Die Zug-Dehnungsver­ suche geben die Ermüdung hervorrufenden Ringbeanspruchungen wider, denen derartige Dichtungen im allgemeinen während des Triebwerksbetriebs ausgesetzt sind. Ein Segment eines üblichen Dichtungszahnes (siehe Fig. 3B) mit θ = 15°, t_t' = 0,375 mm wurde getestet im Vergleich zu einem Segment eines Dichtungszahnes gemäß der Er­ findung (siehe Fig. 3A) mit t_t = 0,375 mm, t_b = 2 mm und t_r = 0,375 mm. Das Material der Zähne war eine Nickelbasislegierung, aus der der­ artige Dichtungen üblicherweise gefertigt werden, und die An­ fangsrißlänge (X) betrug 0,5 mm. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, zeigte der Dichtungszahn gemäß der Erfindung eine Verbesserung von 3 : 1 bei den Lastspielen bis zum Bruch gegenüber dem bekannten Dichtungszahn.

Claims (5)

1. Umlaufende Labyrinthdichtung für eine Gasturbine, mit einer Basis (72), die eine äußere Umfangsfläche (75) und mehrere radial gerichtete Dichtungszähne (74) aufweist, die einstückig mit der Umfangsfläche ausgebildet sind und sich in Umfangsrichtung um die äußere Umfangsfläche der Basis (72) herum erstrecken, wobei jeder Dichtungszahn einen Spitzenabschnitt (78) und Körperabschnitt (77) aufweist, der wesentlich dicker als der Spitzenabschnitt (78) ist und der zwei radial verlaufende Körperwände (79, 80) aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei der Abstand (t_b) zwischen den Körperwänden (79, 80) die Dicke des Körperabschnitts (77) ist,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spitzenabschnitt (78) zwei radial verlaufende Spitzenwände (86, 88) aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander und zu den Körperwänden (79, 80) verlaufen, wobei der Abstand (t_t) zwischen den Spitzenwänden die Dicke des Spitzenabschnitts (78) ist und die Spitzenwände (86, 88) in einer axial verlaufenden Spitzenumfangsfläche (90) enden,
der Körperabschnitt (77) von jedem Dichtungszahn (74) zwei axial verlaufende Umfangsflächen (82, 84) aufweist, die auf jeder Seite des zugeordneten Spitzenabschnitts (78) entlang der äußeren Umfangsfläche des Körperabschnitts (77) verlaufen, und
die Spitzenwände (86, 88) mit den Umfangsflächen (82, 84) des Körperabschnitts (77) jeweils durch Hohlkehlen miteinander verbunden sind.

2. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Körperdicke (t_b) zur Spitzendicke (t_t) wenigstens 5 : 1 beträgt.

3. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwände (86, 88) mit den Körperumfangsflächen (82, 84) an einer Hohlkehle mit einem Radius (t_r) verbunden sind, der im wesentlichen gleich der Dicke der Spitzenwände (86, 88) ist.

4. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (72) ringförmig ist und einen bogenförmigen Querschnitt aufweist.

5. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Dichtung zwischen zwei Kammern (61, 63) in einem Gasturbinentriebwerk (20) bildet.