DE3532636A1

DE3532636A1 - Gasturbinentriebwerk und dafuer vorgesehene dichtvorrichtung

Info

Publication number: DE3532636A1
Application number: DE19853532636
Authority: DE
Inventors: Robert H. Glastonbury Conn. Weidner
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1984-11-13
Filing date: 1985-09-12
Publication date: 1986-05-15
Anticipated expiration: 2005-09-13
Also published as: GB2166805B; FR2573130B1; JPS61118506A; DE3532636C2; JPH0676764B2; US4650394A; GB2166805A; GB8521932D0; FR2573130A1

Description

Dip!.-Ing. Rolf Mengss
Erhardtstraße 12
Mönchen £

IhrZeichen/Yourref

UnserZeichen/Ourref ^U

Datum/Daie 12.09.1985

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Gasturbinentriebwerk und dafür vorgesehene Dichtvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke, die einen Strömungsweg für Arbeitsmediumgase haben. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Dichtung, die aus einem Kranz von Dichtsegmenten gebildet ist, welche sich umfang smäß ig um eine Achse des Triebwerks erstrecken, zum Beschränken der Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg. Die Erfindung wurde zwar während Arbeiten auf dem Gebiet von Axialgasturbinentriebwerken gemacht, sie findet jedoch auch Anwendung auf anderen Gebieten, bei denen umlaufende Maschinen benutzt werden.

Ein Axialgasturbinentriebwerk hat einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch diese Abschnitte. Eine Statorbaugruppe erstreckt sich um den ringförmigen Strömungsweg, um die Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg zu beschränken und die Gase auf dem Strömungsweg zu lei-

Wenn die Gase auf dem Strömungsweg strömen, werden sie in dem Verdichtungsabschnitt unter Druck gesetzt und in dem Verbrennungsabschnitt mit Brennstoff verbrannt, wodurch den Gasen Energie hinzugefügt wird. Die heißen, unter Druck stehenden Gase expandieren in dem Turbinenabschnitt, um Arbeit zu erzeugen. Ein Hauptteil dieser Arbeit wird für nutzbare Zwecke benutzt, beispielsweise zum Antreiben einer Freifahrturbine oder zum Erzeugen von Schub für ein Flugzeug.

Ein verbleibender Teil der durch den Turbinenabschnitt erzeugten Arbeit wird für diese Zwecke nicht benutzt. Stattdessen wird er benutzt, um die Arbeitsmediumgase zu verdichten. Eine Rotorbaugruppe erstreckt sich zwischen dem Turbinenabschnitt und dem Verdichtungsabschnitt, um diese Arbeit von dem Turbinenabschnitt auf den Verdichtungsabschnitt zu übertragen. Die Rotorbaugruppe in dem Turbinenabschnitt hat Laufschaufeln, die sich nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg erstrecken. Die Laufschaufeln haben Flügelprofilteile, welche in bezug auf die ankommende Strömung abgewinkelt sind, um Arbeit aus den Gasen zu empfangen und die Rotorbaugruppe um die Drehachse anzutreiben.

Eine äußere Luftabdichtung umgibt die Laufschaufeln, um die Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg zu beschränken. Die äußere Luftabdichtung ist Teil der Statorbaugruppe und besteht au., mehreren bogenförmigen Segmenten. Die Statorbaugruppe hat weiter ein äußeres Gehäuse und ein Gebilde zum Abstützen der Segmente der äußeren Luftabdichtung an dem äußeren Gehäuse. Das äußere Gehäuse und das Abstützgebilde positionieren die Dichtsegmente in unmittelbarer Nähe der Laufschaufeln, um die Leckage der Gase vorbei an den Spitzen der Laufschaufeln zu

. /to-

blockieren. Infolgedessen sind die Segmente in innigem Kontakt mit den heißen Arbeitsmediumgasen, empfangen Wärme aus den Gasen und werden gekühlt, um die Temperatur der Segmente innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.

Ein radialer Anfangsspalt ist zwischen den Dichtsegmenten und den Spitzen der Laufschaufeln vorgesehen, um eine zerstörerische Berührung zwischen diesen Teilen während des Triebwerksbetriebes zu vermeiden. Der Spalt wird benötigt, weil die äußere Luftabdichtung, das äussere Gehäuse und die Laufschaufeln sich bei Temperaturänderungen der heißen Arbeitsmediumgase mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten radial bewegen können.

Die Größe des radialen Spalts ist von den Betriebsbedingungen des Triebwerks abhängig und verändert sich während des Triebwerksbetriebes. Zum Minimieren dieses Spalts beim Reiseflug oder bei anderen stationären Betriebsbedingungen des Triebwerks wird dem äußeren Gehäuse Kühlluft zugeführt, damit dieses sich zusammenzieht. Das sich zusammenziehende Gehäuse verlagert die Dichtsegmente nach innen zu einem kleineren Durchmesser und verkleinert den Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen und der äußeren Luftabdichtung, was eine vorteilhafte Auswirkung auf den Triebwerkswirkungsgrad hat.

Beispiele von solchen Konstruktionen sind in den US-Patentschriften 4 069 320 und 4 337 016 beschrieben.

Gemäß diesen US-Patentschriften ist jedes Dichtsegment mit Umfangsabstand von den benachbarten Segmenten angeordnet, wodurch ein Spalt G für jedes Paar Segmente zwischen den Seiten der Segmente verbleibt. Der Spalt G für jedes Segmentpaar hat einen Anfangswert G . Der An-

max

fangswert G kompensiert ToleranzVeränderungen, wie beispielsweise Veränderungen in der Segmentlänge, die durch Fertigungstoleranzen verursacht werden, so daß sich das äussere Gehäuse zusammenzieht und der äußeren Luftabdichtung zwangsläufig einen kleineren Durchmesser gibt, wobei es zu keiner zerstörerischen Berührung zwischen den Seiten der Segmente kommt. Der kleinste Mindestspaltwert G . tritt in dem Betriebszustand des Triebwerks auf, in welchem die Seiten der Segmente am engsten zusammengebracht werden, und wird wahrscheinlich zwischen denjenigen Paaren von Segmenten auftreten, die die größe Umfangslänge und den kleinsten Anfangswert G haben.

max

Wie weiter oben erwähnt werden die Dichtsegmente gekühlt, um die Temperatur der Segmente während des Betriebes des Triebwerks innerhalb zulässiger Grenzen zu halten. Gemäß der US-PS 4 337 016 steht ein Primärströmungsweg für diese Kühlluft in Strömungsverbindung mit den Dichtsegmenten. Das äußere Gehäuse, welches Durchlässe für den Primärströmungsweg hat, bildet eine äußere Begrenzung für den Strömungsweg. Eine Dichteinrichtung, wie beispielsweise eine Prallplatte, erstreckt sich zwischen dem Arbeitsmediumströmungsweg und dem Primärströmungsweg für Kühlluft, um eine innere Begrenzung für den Primärströmungsweg zu schaffen. Die Prallplatte ist mit Abstand von jedem Segment angeordnet, so daß zwischen ihnen ein Hohlraum verbleibt. Sekundärströmungswege, wie beispielsweise ein Sekundär strömung sweg, der sich durch den Hohlraum erstreckt, leiten Kühlluft zu jeder äußeren Luftabdichtung. Mehrere erste Löcher erstrecken sich durch die Prallplatte, um den Primärströmungsweg in Strömungsverbindung mit dem Sekundärströmungsweg zu bringen. Die ersten Löcher dienen zum genauen Dosieren der Kühlluftströmung zu dem Sekundärströnmngsweg. Mehrere zweite Löcher erstrecken sich durch jedes äußere Luftabdichtsegment von dem Hohlraum aus zu der

sich radial erstreckenden Seite eines der Segmente, welches den Spalt G begrenzt. Die Löcher bringen den Spalt G in Strömungsverbindung mit dem Sekundärströmungsweg.

Kühlluft wird durch den Primärströmungsweg, die ersten Löcher, den Sekundärströmungsweg in dem Hohlraum und die zweiten Löcher in dem Dichtsegment zu dem Umfangsspalt G geleitet. Die Kühlluft steht unter einem Druck, der grosser als der Druck des benachbarten Arbeitsmediumströmungsweges ist, um sicherzustellen, daß die Kühlluft in den Strömungsweg strömt und daß die Arbeitsmediumgase nicht in die Löcher in den Dichtsegmenten strömen. Die Größe jedes zweiten Loches bestimmt den Durchsatz an Kühlluft durch das Loch in den Spalt G für einen gegebenen Betriebszustand des Triebwerks. Typisch wird ein empirisches Verfahren benutzt, um die Lochgröße zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet den Schritt, die Größe der Löcher in jedem Segment zu vergrößern, bis sämtliche Dichtsegmente während des Betriebes eines experimentellen Triebwerks ausreichend gekühlt werden. Als Ergebnis von Toleranzveränderungen werden einige Segmente in Serientriebwerken überkühlt, um sicherzustellen, daß sämtliche Segmente in dem Triebwerk ausreichend gekühlt werden.

Die Verwendung von Kühlluft vergrößert die Betriebslebensdauer der äußeren Luftabdichtung im Vergleich zu ungekühlten äußeren Luftabdichtungen. Die Verwendung von Kühlluft verringert jedoch den Betriebswirkungsgrad des Triebwerks, weil ein Teil der nutzbaren Arbeit des Triebwerks benutzt wird, am die Kühlluft in dem Verdichter unter Druck zu setzen. Eine Verkleinerung der Menge an Kühlluft, die zum Erzielen einer zufriedenstellenden Betriebslebensdauer für Bauteile wie die äußere Luftabdichtung erforderlich ist, vergrößert die Arbeit, die für andere Zwecke verfügbar ist, beispielsweise zum Erzeugen von Schub oder zum Antreiben einer Freifahrturbi-

ne, und steigert den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks.

Wissenschaftler und Ingenieure versuchen deshalb, Kühlluft den Bauteilen wie den Segmenten der äußeren Luftabdichtung auf wirtschaftlichere Weise zuzuführen und die Überkühlung dieser Bauteile zu minimieren.

Gemäß der Erfindung weist ein Gasturbinentriebwerk, das mehrere bogenförmige Dichtsegmente hat, die sich umfangsmäßig um eine Achse des Triebwerks erstrecken, um einen Arbeitsmediumströmungsweg zu begrenzen, und in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, damit ein Spalt G zwischen ihnen verbleibt, außerdem eine Lochplatte, die in dem Spalt zwischen den Segmenten angeordnet ist, und eine Einrichtung zum variablen Drosseln der Strömung durch die Lochplatte, welche auf die Größe des Spalts anspricht, auf.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Lochplatte einstückig mit einem Segment eines Segmentpaares gebildet, und die Einrichtung zum variablen Drosseln der Strömung ist einstückig mit dem anderen Segment gebildet.

Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, daß die Menge an Kühlfluid, die benötigt wird, um den Spalt G zu kühlen, zunimmt, wenn die Größe des Spalts zunimmt, und abnimmt, wenn die Größe des Spalts abnimmt, und daß die größte Menge an Kühlluft zwischen denjenigen Segmentpaaren benötigt wird, deren Seiten während des Triebwerksbetriebes am weitesten voneinander entfernt sind, wie es beispielsweise zwischen denjenigen Segmentpaaren auftreten kann, die den größten Wert von G und die kleinste Umfangslänge haben, und bei demjenigen Betriebszustand des Triebwerks, der den Durchmesser der äußeren Luftabdichtung und das relative thermische Wachstum zwischen den Segmenten veranlaßt, die Segmente am weitesten auseinander zu bewegen.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist eine Dichtung für einen Arbextsmediumstromungsweg eines Gasturbinentriebwerks, die aus einem Kranz von bogenförmigen Dichtsegmenten besteht, welche sich umfangsmäßig um eine Achse des Triebwerks erstrecken. Jedes bogenförmige Dichtsegment ist mit Umfangsabstand von einem benachbarten bogenförmigen Dichtsegment angeordnet, wodurch ein Spalt G zwischen ihnen verbleibt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist eine Lochplatte, die in dem Spalt G angeordnet ist, welcher sich zwischen den Dichtsegmenten erstreckt. Die Lochplatte hat eine öffnung für Kühlfluid. Ein weiteres Merkmal ist eine Einrichtung zum variablen Drosseln der Kühlluftströmung durch die Öffnung in der Lochplatte. In einer Ausführungsform ist die Lochplatte einstückig mit einem Segment eines Segmentpaares ausgebildet. Das andere Segment des Segmentpaares dient zum variablen Drosseln der Strömung durch die Öffnung. In einer weiteren Ausführungsform bildet eine zweite Platte, die außerhalb der Lochplatte angeordnet ist, einen Verteiler, der in Strömungsverbindung mit den öffnungen in der Lochplatte ist.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist der Triebwerkswirkungsgrad, der sich dadurch ergibt, daß die Kühlluftströmung zu dem Spalt G so zugemessen wird, daß die Kühlluftströmung der Größe des Spalts G entspricht. Ein weiterer Vorteil ist die wirksame Ausnutzung der Kühlluft dadurch, daß der Kühlluft eine radiale Geschwindigkeitskomponente gegeben wird, um die Kühlluft zu veranlassen, sich in dem Spalt G radial nach außen zu bewegen. In einer Ausführungsform ist ein Vorteil die Kühlungswirksamkeit, die aus den Umfangs- und Radialkomponenten der Geschwindigkeit resultiert, welche die Kühllluft nach außen zu der Zwischenschicht des benachbarten Segments der äußeren Luftabdichtung leiten.

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

Fig. 1 · eine vereinfachte Längsschnittansicht

eines Teils eines Gasturbinentriebwerks, die eine Turbinenlaufschaufel eines Kranzes von Turbinenlaufschaufeln und ein bogenförmiges Dichtsegment einer äußeren Luftabdichtung, welche sich umfangsmäßig um den Turbinenlaufschaufelkranz erstreckt, zeigt,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von

Fig. 1,

Fig. 3 eine Endansicht eines Paares benachbarter

bogenförmiger Dichtsegmente nach der Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 eine vereinfachte perspektivische Teilansicht in ähnlicher Ansicht wie in Fig. 3 der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform, wobei der Übersichtlichkeit halber Teile des Paares benachbarter bogenförmiger Segmente weggebrochen worden sind,

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht ähnlich

der in Fig. 4 einer weiteren Ausführungsform der in den Fig. 1 und 4 gezeigten Vorrichtung,

Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht einer

weiteren Ausführungsform der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 3 einer

weiteren Ausführungsform der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht der in

Fig. 7 gezeigten Ausführungsform insgesamt nach der Linie 8-8 in Fig. 1, wobei der Übersichtlichkeit halber Teile entfernt worden sind, und

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der in Fig.

gezeigten Ausführungsform.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Axialgasturbinentriebwerks 10, die einen Teil eines Turbinenabschnitts 12 und eine Drehachse A des Triebwerks zeigt. Der Turbinenabschnitt 12 enthält einen ringförmigen Strömungsweg 14 für Arbeitsmediumgase, der um die Achse A angeordnet ist. Eine Statorbaugruppe 16 begrenzt den Arbeitsmediumströmungsweg. Die Statorbaugruppe hat ein äußeres Gehäuse 18. Das äußere Gehäuse 18 erstreckt sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg 14. Mehrere Laufschaufeln, von denen nur die einzelne Laufschaufel 22 dargestellt ist, erstrecken sich radial nach außen durch den Arbeitsmediumströmungsweg 14 bis in unmittelbare Nähe des äußeren Gehäuses 18.

Ein Statorgebilde, das aus mehreren bogenförmigen Dichtsegmenten gebildet ist, die durch das einzelne Dichtsegment 24 dargestellt sind, erstreckt sich um eine Achse A , um den ringförmigen Strömungsweg 14 zu begrenzen. In der gezeigten Ausführungsform bilden die bogenförmigen Dichtsegmente 24 eine äußere Luftabdichtung 26, welche die Spitzen der Laufschaufeln 22 umgibt. Die äußere Luftabdichtung ist durch einen variablen Spalt C in radialem Abstand von der Laufschaufel 22 angeordnet, um eine re-

iative Radialbewegung zwischen der Laufschaufel und der äußeren Luftabdichtung zuzulassen. Die äußere Luftabdichtung ist mit Abstand radial einwärts von dem äußeren Gehäuse 18 angeordnet, so daß zwischen ihnen ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Hohlraum 28 vorhanden ist.

Jedes bogenförmige Dichtsegment 24 erfaßt mittels eines stromaufwärtigen Hakens 30 und eines stromabwärtigen Hakens 32 einen stromaufwärtigen Halter 34 bzw. einen stromabwärtigen Halter 36, die sich von dem äußeren Gehäuse 18 aus nach innen erstrecken. Die Halter 34, 36 sind an dem äußeren Gehäuse 18 befestigt, um die äußere Luftabdichtung 26 in radialer Richtung um die Laufschaufeln 22 abzustützen und zu positionieren. Jeder Halter 34, 36 kann in Segmente geteilt sein, um die Umfangsfestigkeit des Halters zu reduzieren.

Eine stromaufwärtige Schiene 38 erstreckt sich nahe dem stromaufwärtigen Halter 34 umfangsmäßig um das äußere Gehäuse 18. Eine stromabwärtige Schiene 42 erstreckt sich nahe dem stromabwärtigen Halter 36 umfangsmäßig um das äußere Gehäuse 18. Eine Einrichtung für Stoßkühlluft in Form eines Kühlluftrohres 46 und eines Kühlluftrohres 48 erstreckt sich umfangsmäßig um die Schienen 38, 42. Die Kühlluftrohre 46, 48 sind in Strömungsverbindung mit einer Kühlluftquelle (nicht dargestellt) und lassen durch Löcher 52 Kühlluft auf die Schienen 38, 42 auftreffen.

Ein erster Strömungsweg 54 für Kühlluft erstreckt sich einwärts des äußeren Gehäuse 18. Der erste Strömungsweg 54 wird durch das äußere Gehäuse 18 begrenzt und erstreckt sich durch das Triebwerk außerhalb des Arbeitsmediumströmungsweges 14. Der erste Strömungsweg 54 erstreckt sich in den Hohlraum 28 zwischen der äußeren Luftabdichtung 26 und dem äußeren Gehäuse 18. Eine sich

in Umfangsrichtung erstreckende Aufblase- oder Prallplatte 56 ist zwischen der äußeren Luftabdichtung 26 und dem stromaufwärtigen sowie dem stromabwärtigen Halter 34 bzw. 36 festgehalten. Die Prallplatte 56 begrenzt den Hohlraum 28 und ist mit radialem Abstand von der äußeren Luftabdichtung 26 angeordnet, so daß sie einen zweiten Hohlraum 58 begrenzt. Ein Sekundärströmungsweg 60 für Kühlluft erstreckt sich axial und in Umfangsrichtung um die äußere Luftabdichtung 26 in dem Hohlraum 58. Mehrere Prallöcher 62 in der Prallplatte 56 bringen den ersten Strömungsweg 54 in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungsweg 60.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 hat jedes Dichtsegment 2 4 der äußeren Luftabdichtung 26 eine Vorderkante 64 und eine Hinterkante 66. Die Vorderkante 64 ist mit radialem Abstand von einem benachbarten Teil der Statorbaugruppe angeordnet, so daß ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Hohlraum 68 zwischen ihnen vorhanden ist. Der Hohlraum 68 bildet einen dritten Strömungsweg 70 für Kühlluft, der sich axial und in Umfangsrichtung unter dem Vorderkantenbereich erstreckt. Ein Leckweg 72 erstreckt sich durch Toleranzspalte und zwischen benachbarten Dichtsegmenten 24. Der Leckweg 72 bringt den Hohlraum 68 und den dritten Strömungsweg 70 in Strömungsverbindung mit dem ersten Strömungsweg 54. Wenigstens ein Lüftungsweg 74 erstreckt sich zwischen dem Hohlraum 68 und dem Hohlraum 58, um den dritten Strömungsweg 70 in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungsweg 60 zu bringen.

Die Hinterkante 66 ist mit radialem Abstand von dem benachbarten Statorgebilde angeordnet, so daß ein ringförmiger Hohlraum 76 zwischen ihnen vorhanden ist. Der ringförmige Hohlraum 76 erstreckt sich umfangsmäßig unter dem Kranz von Dichtsegmenten 2 4 der äußeren Luftab-

dichtung 26 und bildet einen vierten Strömungsweg 78 für Kühlluft, der sich in Umfangs- und in radialer Richtung erstreckt. Wenigstens ein Belüftungsweg 82 erstreckt sich zwischen dem zweiten Hohlraum 58 und dem Hohlraum 76, um den Strömungsweg 60 mit dem vierten Strömungsweg 78 in Strömungsverbindung zu bringen.

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht der äußeren Luftabdichtung 26 nach der Linie 2-2 in Fig. 1, um ein Paar benachbarte bogenförmige Dichtsegmente 24 (d.h. das Dichtsegment 24a und das Dichtsegment 24b) zu zeigen. Jedes Dichtsegment hat ein metallisches Formstück 84. Das metallische Formstück 84 hat eine Oberfläche 86, die sich um-

fangsmäßig um die Achse A erstreckt. Die stromaufwär- ^ ^ sm

tigen Haken 30 und die stromabwärt igen Haken 32 (nicht dargestellt) erstrecken sich von dem metallischen Formstück nach außen. Ein keramisches Deckmaterial 88 ist an dem metallischen Formstück 84 befestigt. Das keramische Deckmaterial 88 hat eine keramische Oberflächenschicht 88a und eine keramische Metallzwischenschicht 88b, mittels welcher durch eine zugeordnete Verbindungsschicht 88c die Keramikschicht an dem metallischen Formstück 84 befestigt ist. Das keramische Deckmaterial 88 hat eine bogenförmige Dichtfläche 92, die sich umfangsmäßig um die Achse A erstreckt. In der gezeigten Ausführungsform fallen die beiden Achsen A und A des Segments mit der Achse A des Triebwerks zusammen.

Das zweite Dichtsegment 24b ist mit Urnfangsabstand von dem ersten Dichtsegment 24a angeordnet, so daß zwischen ihnen ein Umfangsspalt G vorhanden ist. Der Spalt G verändert sich unter Betriebsbedingungen des Triebwerks in seiner Größe. Eine Lochplatte 94 ist in dem Spalt G angeordnet und erstreckt sich axial zwischen den Segmenten und lateral über die Umfangsbreite des Spalts G. Die la-

-ή-

terale Breite und die Umfangsbreite des Spalts G sind äquivalent, weil der Krümmungsradius nahezu 150-mal größer als die maximale Breite des Spalts G ist. Demgemäß werden die Begriffe "umfangsmäßig erstreckend" und "lateral erstreckend" gegeneinander austauschbar benutzt.

Fig. 4 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht des ersten Dichtsegments 24a und des zweiten Dichtsegments 24b. Teile der Segmente sind weggebrochen worden, um die Beziehung der Dichtsegmente zu der Lochplatte 94 in einem Betriebszustand zu zeigen, in welchem der Spalt G einen maximalen Wert G hat. Das erste Dichtsegment 24a hat eine erste Seite 96, die den Spalt G begrenzt. Die erste Seite 96 hat eine erste axial ausgerichtete Nut 98. Das zweite Dichtsegment 24b hat eine erste Seite 102, die der ersten Seite 96 zugewandt ist. Die erste Seite 102 begrenzt den Spalt G und hat eine axial ausgerichtete Nut 104, die der Nut 98 in dem ersten Dichtsegment 24a zugewandt ist. Die Lochplatte 94 ist in den einander zugewandten Nuten 98, 104 angeordnet.

Wie dargestellt hat die Lochplatte 94 Öffnungen, und zwar eine erste Öffnung 1U6, eine zweite Öffnung 108, eine dritte Öffnung 112 und eine vierte Öffnung 114. Diese Öffnungen erstrecken sich in einer im wesentlichen radialen Richtung. Die erste Öffnung 106 ist in Strömungsverbindung mit dem Hohlraum 68 und dessen Strömungsweg 70 für Kühlluft und über diesen mit dem ersten Strömungsweg 54 für Kühlluft und dem zweiten Strömungsweg 60 für Kühlluft. Die zweite Öffnung 108 und die dritte Öffnung 112 sind in direkter Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungsweg 60. Die vierte Öffnung 114 ist in Strömungsverbindung mit dem Hohlraum 76 und dessen Strömungsweg 78 für Kühlluft und über diesen mit dem zweiten Strömungsweg 60.

Die Nut 98 in dem ersten Segment 24a hat eine erste Wand 116 und eine erste Oberfläche 118, welche sich zwischen der ersten Wand und der ersten Seite 96 erstreckt. Die Nut in dem zweiten Segment 24b hat eine erste Wand 122 und eine erste Oberfläche 124, welche sich zwischen der ersten Wand und der ersten Seite 102 erstreckt. Die Oberflächen 118, 124 versetzen die Segmente 24a, 24b in die Lage, die Öffnungen unter wenigstens einer Betriebsbedingung des Triebwerks zu überlappen. Bei der gezeigten Auslegung werden die Segmente 24a, 24b immer die Öffnung 106 überlappen. Das erfolgt aufgrund von zwei Zwangsbedingungen. Erstens, der Abstand W^ von der rechten (ersten) Seite der Lochplatte 94 zu dem linken (zweiten) Ende der Öffnung 106 ist größer als die Summe der Strecke W von der ersten Wand 116 des ersten

ga

Segments zu der ersten Seite 96 des ersten Segments und G , d.h. W- ist größer als die Summe von W und G

(W₁ > W^„ +G ). Zweitens, die Strecke W₀ von der ι ga max ζ

linken (zweiten) Seite der Lochplatte 94 zu dem rechten (ersten) Ende der Öffnung 106 ist größer als die Summe

von W , und G (W„ > W , + G ). Infolgedessen vergb max 2 gb max ^³

setzen die Oberfläche 118 des ersten Dichtsegments und die Oberfläche 124 des zweiten Dichtsegments das erste und das zweite Dichtsegment in die Lage, die öffnung unter allen Betriebsbedingungen des Triebwerks zu überlappen.

Fig. 5 ist eine perspektivische Teilansicht ähnlich der in Fig. 3 einer weiteren Ausführungsform des in den Fig. 1 und 3 gezeigten Gebildes, die eine Lochplatte 126 aufweist, welche an dem ersten Dichtsegment 24a angeformt ist. Die Lochplatte 126 bildet eine Schulter 128 an dem ersten Diehtsegment 24a. Die Schulter 128 erstreckt sich von der ersten Seite 96 des ersten Dichtsegments 24a aus und hat eine erste Wand 132, die zu der ersten Seite 96 im wesentlichen parallel ist. Eine erste öffnung 134 liegt zwischen der ersten Wand 132 und der ersten Seite 96 des ersten Dichtsegments 24a. Die erste Öffnung 134

erstreckt sich von der Vorderkante 64 des Segments aus über eine Strecke L nach hinten, die ungefähr gleich 10% der axialen Länge L des Segments ist. Die erste öffnung 134 wird durch eine erste Kante 136 an der Schulter 128 begrenzt, welche zu der ersten Seite im wesentlichen rechtwinkelig ist, und durch zwei zweite Kanten 138, die zu der ersten Seite im wesentlichen parallel sind, um eine rechteckige, schlitzartige Form zu bilden.

Die erste Öffnung 134 ist in Strömur.gGverbindung mit dem Hohlraum 68 und dessen dritten Strömungsweg 70 unter dem Bereich der Vorderkante und über diesen über die Zwischenwege 72 und 74 mit dem ersten Strömungsweg 54 und dem zweiten Strömungsweg 60 für Kühlluft. Die Lochplatte 126 hat eine zweite öffnung 142. Die öffnung 142 ist dreieckförmig, damit sie eine Überlappung der öffnung durch eine Oberfläche 144 ergibt, die sich nichtlinear mit einer Änderung der Größe des Spalts G während des Betriebs des Triebwerks verändert. In dieser Ausführungsform bildet das zweite Dichtsegment 24b die zweite Oberfläche 144, die die erste Öffnung 134 und die zweite öffnung 142 überlappt.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Ausführungsform nach Fig. 5 mit einer rechteckigen öffnung 134 in der Schulter 128. Die öffnung 134 erstreckt sich von der ersten Seite 96 zu der ersten Wand 132 und von der ersten Kante 136 zu der Vorderkante 64, so daß die Überlappung der öffnung durch das benachbarte Dichtsegment 24b kontinuierlich veränderlich ist, wenn sich der Spalt G verändert. Die zweite Öffnung 142 ist eine rechtwinklige Öffnung wie die erste Öffnung 134 und erstreckt sich von der ersten Kante 136' zu der Hinterkante 66.

Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform des in Fig. 6 gezeigten Aufbaus, mit einer zweiten Platte 146 und einer ersten Platte 128, die eine an dem ersten Segment 24a angeformte Schulter ist. Die Schulter 128 hat wenigstens eine öffnung (nicht dargestellt) zum Regulieren der Kühlluftströmung in den Spalt G. Die zweite Platte 146 hat radialen Abstand von dem zweiten Segment 24b, so daß ein Verteiler 148 dazwischen vorhanden ist, der in Strömungsverbindung mit dem Hohlraum 68 ist, um Kühlluft nach hinten zu leiten. Wie dargestellt hat die zweite Platte 146 keine Öffnungen, die sich durch sie hindurch erstrecken.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform, die eine zweite Platte 146 aufweist, welche Öffnungen hat, die durch die einzelne Öffnung 152 dargestellt sind. Die erste Platte 128 ist eine an dem ersten Dichtsegment 24a angeformte Schulter. Eine Schulteroberfläche 154 an der ersten Platte 128 erstreckt sich von der ersten Seite 96 zu der ersten Wand 132. Die Schulteroberfläche 154 ist dem Arbeitsmediumströmungsweg zugewandt. Eine öffnung 156 erstreckt sich zwischen der ersten Wand 132 und der ersten Seite 96. Ein Durchlaß erstreckt sich von dem Verteiler 148 zu dem Spalt G, um diesem Kühlfluid zuzuführen.

Die erste Seite 102 des zweiten Dichtsegments 24b erstreckt sich axial längs des zweiten Dichtsegments benachbart zu der Dichtoberfläche 92b. Die erste Seite 102 des zweiten Dichtsegments 24b hat Umfangsabstand von der ersten Seite 96 des ersten Dichtsegments 24a, so daß dazwischen der Spalt G verbleibt. Das zweite Dichtsegment 24b hat eine erste Wand 160, die Umfangsabstand von der ersten Wand 132 des ersten Dichtsegments 24a aufweist, so daß zwischen Ihnen ein Spalt G¹ verbleibt. Die erste Wand 160 ist mit Umfangsabstand von der ersten Seite 102 des zweiten Dichtsegments

24b angeordnet. Die zweite Oberfläche 144 erstreckt sich zwischen der ersten Wand und der ersten Seite, um eine Ausnehmung zu bilden. Die zweite Oberfläche 144 überlappt die Schulteroberfläche 154 des ersten Dichtsegments 24a und erstreckt sich über die Öffnung 156 in dem ersten Dichtsegment.

Die erste Wand 132 des ersten Dichtsegments 24a und die erste Wand 160 des zweiten Dichtsegments 24b haben axial ausgerichtete Nuten 162a und 162b ebenso wie die Seiten der bogenförmigen Dichtsegmente, die in Fig. 4 gezeigt sind. Die zweite Platte 146 ist in dem Spalt G¹ angeordnet und erstreckt sich axial zwischen den Dichtsegmenten über den Spalt G¹ und in die einander zugewandten Nuten 162a, 162b. Die zweite Platte 146 und die Wände 132, begrenzen einen Sammelraum 164, der sich axial zwischen den Wänden und einwärts der zweiten Platte 146 erstreckt. Schlitze 166a und 166b in den Dichtsegmenten 24a und 24b bringen den Sammelraum 164 in Strömungsverbindung mit dem Sekundärströmungsweg 60 für Kühlluft in dem Hohlraum 58 und über diesen und die Löcher 62 mit dem Strömungsweg für Kühlluft.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform, die einen zweiten Durchlaß 168 aufweist. Der zweite Durchlaß 168 hat eine Öffnung und erstreckt sich von der Öffnung aus durch die Schulter 128, um den Spalt G in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungsweg 60 für Kühlluft zu bringen. Die Öffnung 172 hat eine Umfangsbreite S und eine axiale Länge S, , so daß die Breite wenigstens dreimal größer als die Länge ist, um eine schmale, rechteckige Öffnung zu bilden. Der zweite Durchlaß 168 ist gegen die Oberfläche 154 der Schulter 128 abgewinkelt, um die Kühlluftströmung mit einer

Geschwindigkeitskomponente in der radialen Richtung und einer Geschwindigkeitskomponente in der ümfangsrichtung zu der Seite 102 des zweiten Dichtsegments 24b zu leiten. Darüber hinaus kann sich der erste Durchlaß 158 mit dem zweiten Durchlaß 168 abwechseln, um die Kühlluft sowohl mit Umfangs- als auch mit radialer Geschwindigkeitsrichtung zu der und gegen die andere Seite 96 zu leiten, welche den Spalt G unter Betriebsbedingungen des Triebwerks begrenzt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 strömen während des Betriebes des Gasturbinentriebwerks 10 Kühlluft und heiße Arbeitsmediumgase in den Turbinenabschnitt 12 des Triebwerks. Die heißen Arbeitsmediumgase strömen auf dem ringförmigen Strömungsweg 14. Kühlluft strömt auf dem ersten Strömungsweg 54 und tritt in den Turbinenabschnitt außerhalb des Strömungsweges der heißen Arbeitsmediumgase ein. Bestandteile des Turbinenabschnitts einschließlich des äußeren Gehäuses 18, der äußeren Luftabdichtung 26 und des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Halters 34 bzw. 36 für die äußere Luftabdichtung 26 werden durch die Arbeitsmediumgase erhitzt und durch die Kühlluft gekühlt.

Diese Bestandteile des Triebwerks sprechen thermisch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf das Erhitzen durch die Arbeitsmediumgase und auf das Kühlen durch die Kühlluft an. Zu den Faktoren, welche ihr thermisches Ansprechen beeinflussen, gehören die Wärmekapazität der Bauteile und das Freiliegen der Bauteile gegenüber heißen Gasen und gegenüber der Kühlluft. Beispielsweise sind Bauteile wie die äußere Luftabdichtung 26 und die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Halter 34, 36 näher bei dem Arbeitsmediumströmungsweg als das äußere Gehäuse 18. Darüber hinaus haben die äußere Luftabdichtung 26 und die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Halter 34, 36 eine Wärmekapazität, die kiel-

• an-

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ner ist als die des äußeren Gehäuses 18. Infolgedessen sprechen die äußere Luftabdichtung 26 und die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Halter 34, 36 schneller auf Änderungen in der Gaswegtemperatur an als das äußere Gehäuse 18. Eine Zunahme der Temperatur der heißen Arbeitsmediumgase, die während der Beschleunigung und des Anlaufs auftritt, bewirkt, daß sich die äußere Luftabdichtung 26 und die Halter 34, 36 ausdehnen, wodurch der Umfangsspalt G zwischen den benachbarten bogenförmigen Dichtsegmenten 24 verkleinert wird.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 4 ist ein Anfangsspalt G für jedes Paar bogenförmiger Dichtsegmente 24a max

24b der äußeren Luftabdichtung 26 vorhanden, um dieses relative Wachstum zuzulassen. Der Anfangsspalt nimmt Toleranzveränderungen zwischen den bogenförmigen Dichtsegmenten 24 auf, um zu gewährleisten, daß selbst zwei benachbarte Dichtsegmente maximaler Länge einen ausreichenden

Spalt G . zwischen sich nach dem maximalen Ausmaß an thermm

mischen Wachstum haben, um eine zerstörerische Berührung zwischen den Dichtsegmenten zu vermeiden, wenn sich der Spalt G verändert.

Mehrere Kühlluftquellen sind in Strömungsverbindung mit dem Umfangsspalt G. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 gehören zu diesen Kühlluftquellen der zweite ringförmige Hohlraum 58 zwischen der Prallplatte 56 und dem Dichtsegment 24, der dritte ringförmige Hohlraum 68 an dem vorderen Teil des Dichtsegments und der vierte ringförmige Hohlraum 76 an dem hinteren Teil des Dichtsegments. Der dritte ringförmige Hohlraum 68 sammelt einen Teil der Kühlluft, der aus dem ersten Strömungsweg 54 auf dem Leckweg 72 entweicht, und sammelt Kühlluft aus dem Belüftungsweg 74 aus dem zweiten Hohlraum 58. Die gesammelte Kühlluft in dem

Hohlraum 68 strömt auf dem dritten Strömungsweg 70, der sich umfangsmäßig und radial um das Innere des Triebwerks erstreckt.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 4 wird ein Teil der in dem Hohlraum 68 gesammelten Kühlluft mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente zu dem Spalt G durch die Lochplatte 94 über die Öffnung 106 geleitet. Der zweite Hohlraum 58 zwischen der Prallplatte 56 und dem bogenförmigen Dichtsegment 24 sammelt Kühlluft, die auf das Dichtsegment aufgeprallt ist, und fördert die Kühlluft zu den Belüftungswegen 74 und 82 und den öffnungen 108 und 112 in der Lochplatte 94. Der Teil der Kühlluft, der durch die Öffnungen 108 und 112 in der Lochplatte strömt, wird mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente zu dem Spalt G geleitet. Der vierte ringförmige Hohlraum 7 6 sammelt einen Teil der Kühlluft aus dem Belüftungsweg 82. Die gesammelte Kühlluft strömt auf dem vierten Strömungsweg 78, der sich umfangsmäßig und radial um das Innere des Triebwerks erstreckt. Der Teil der Kühlluft, der durch die vierte öffnung 114 in der Lochplatte strömt, wird mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente zu dem Spalt G geleitet.

Wenn die Arbeitsmediumgase auf dem ringförmigen Strömungsweg außerhalb der Laufschaufeln 22 strömen, sind die Gase bestrebt, die Kühlluft durch den Spalt G zu treiben und sie nach außen zu der Lochplatte 94 zu drücken. Die Ausrichtung der Öffnungen und die Strömung der Luft durch die Öffnungen gibt der Kühlluft eine radiale Geschwindigkeitskomponente. Die Geschwindigkeit der Kühlluft in der radialen Richtung gibt der Kühlluft ein Moment, welches bewirkt, daß sich eine Kühlluftsäule in dem Spalt G radial einwärts erstreckt, welche der Druckwirkung der Ar-

beitsmediumgase entgegenwirkt und für eine Kühlung des kritischen Bereiches der Dichtsegmente sorgt, der sich in der Zwischenschicht 88b des keramischen Deckmaterials 88 nahe dem metallischen Formstück 84 befindet.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 hat der Spalt G einen Wert G₁ unter Betriebsbedingungen, der zwischen dem Minimalwert G . und dem Maximalwert G liegt. Die Menge an Kühlluft, die zum ausreichenden Kühlen der Wände der Dichtsegmente an dem Spalt benötigt wird, ist proportional zu der Spaltgröße. Wenn die Größe des Spalts zunimmt, wird daher mehr Kühlluft benötigt, um die Bauteile ausreichend zu kühlen. Entsprechend wird, selbst wenn keine Änderung in der Temperatur der Arbeitsmediumgase auftritt, bei einer Verkleinerung der Größe des Spalts weniger Kühlluft benötigt, um eine ausreichende Kühlung der benachbarten Dichtsegmente zu bewirken.

Die benachbarten Dichtsegmente 24a und 24b bilden eine Einrichtung zum variablen Drosseln der Strömung der Kühlluft durch jede Öffnung in der Lochplatte, um die Kühlluftströmung zu dem Spalt G zu dosieren. Wie weiter oben erwähnt ist der Druck der Kühlluft in dem dritten ringförmigen Hohlraum 68, dem zweiten Hohlraum 58 und dem vierten ringförmigen Hohlraum 76 höher als der Druck der Gase in dem Arbeitsmediumströmungsweg und führt zu einer Druckdifferenz an der Lochplatte 94. Die Druckdifferenz ergibt eine Kraft, welche die Lochplatte 94 nach außen gegen die erste Oberfläche 118 an dem ersten Dichtsegment 24a und die erste Oberfläche 124 an dem zweiten Dichtsegment 24b drückt, was zur Folge hat, daß die Dichtsegmente jeweils die Lochplatte verschiebbar berühren. Wenn sich die Oberflächen 118, 124 in bezug auf die Öffnungen 106, 108, 112 und 114 in Umfangsrichtung bewegen, verändert sich der Grad der Drosselung

der Öffnungen direkt mit dem Überlappungsgrad. Die Dichtsegmente selbst bilden daher durch die Oberflächen 118 und 124 eine Einrichtung zum variablen Drosseln der Strömung durch die Öffnungen in der Lochplatte.

Die Oberfläche 118 ist an der Seite 96 des ersten Dichtsegments 24a angeformt, und die Oberfläche 124 ist an der Seite 102 des zweiten Dichtsegments 24b angeformt. Weil die Seiten 96, 102 den Spalt G begrenzen, haben die Oberflächen eine Position relativ zu der öffnung, die der Größe des Spalts G entspricht, wenn sich der Spalt G ändert. Deshalb bildet die Konstruktion eine Einrichtung zum variablen Drosseln der Kühlluftströmung zu dem Spalt, um die Kühlluftströmung auf eine Weise zuzumessen, die der Größe des Spalts G entspricht.

Das Zumessen der Kühlluftströmung, um sie dem Kühllufterfordernis enger anzupassen, hat eine vorteilhafte Auswirkung auf den Triebwerkswirkungsgrad und auf die Betriebslebensdauer der Bauteile. Beispielsweise wird die Kühlluftströmung unter Betriebsbedingungen vergrößert, während denen der Spalt G in der Größe zunimmt, um zu gewährleisten, daß zusätzliche Kühlluft, die benötigt wird, um den breiteren Spalt zu kühlen, dem Spalt zugeführt wird. Das führt zu einer größeren Betriebslebensdauer oder zu einem größeren Betriebswirkungsgrad im Vergleich zu Konstruktionen, bei denen die Kühlluftströmung zu dem Spalt konstant ist. Wenn der Spalt kleiner wird, bewegen sich die Oberflächen näher zueinander und blokkieren einen größeren Teil der öffnungen, um die Kühlluftströmung auf das Ausmaß zu verringern, das erforderlich ist, um den kleineren Spalt ausreichend zu kühlen. Es ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad des Triebwerks im Vergleich zu Konstruktionen, bei denen eine konstante Kühlluftmenge dem Spalt selbst dann zugeführt wird, wenn der Bedarf an Kühlluft ab-

-vr-

nimmt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform, die eine Lochplatte aufweist, welche als eine integrale Schulter 128 an dem Dichtsegment 24a ausgebildet ist. Die Schulter 128 hat eine Öffnung 134, die ein rechteckiger Schlitz in dem Vorderkantenbereich 64 ist. Der Schlitz 134 ist mit dem dritten ringförmigen Hohlraum 68, der in Fig. 2 gezeigt ist, auf dieselbe Weise in Verbindung, auf die die erste Öffnung 106, die in Fig. 4 gezeigt ist, mit dem Hohlraum 68 in Strömungsverbindung ist. Die Relativbewegung zwischen dem ersten Dichtsegment 24a und dem zweiten Dichtsegment 24b bewirkt eine im wesentlichen lineare Veränderung in der Kühlluftströmung durch die Öffnung, bis das Dichtsegment die Öffnung vollständig überlappt. Stattdessen könnte der Schlitz eine maßgeschneiderte Form haben, wie beispielsweise die Dreieckform der Öffnung 142, um die Strömung auf im wesentlichen nichtlineare Weise maßzuschneidern, wenn sich die Überlappung der Dichtsegmente ändert.

Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der in Fig. 5 gezeigten Konstruktion mit einer schlitzartigen Öffnung 134, die sich von der Vorderkante 64 nach hinten erstreckt, und mit einer schlitzartigen Öffnung 142, die sich von der Hinterkante aus nach vorn erstreckt. Wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5 strömt Kühlluft mit einer radialen Geschwindigkpitskomponente durch die Öffnung. In dem Hinterkantenbereich hat die Kühlluft eine radiale Geschwindigkeitskomponente, die das Weglenken der Strömung der heißen Arbeitsmediumgase von dem Schlitz an einem Punkt stromaufwärts der Hinterkante unterstützt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 7 steuert eine zweite Platte 146, die sich zwischen den Dichtsegmenten 24a und 24b erstreckt, weiter die Kühlluftströmung in der radialen Rieh-

tung zwischen den benachbarten Dichtsegmenten. Die zweite Platte 146 kann mit mehreren Öffnungen versehen sein, wie sie in Fig. 8 gezeigt sind, oder ohne Öffnungen, wie die in Fig. 7 gezeigte Platte. In jeder Ausführungsform wird die zweite Platte durch den Druck der Kühlluft radial außerhalb der Platte radial nach innen in Berührung mit den benachbarten Dichtsegmenten gedrückt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 8 strömt Kühlluft aus dem Hohlraum 58 über die Schlitze 166a und 166b zu dem Verteiler 164 und von diesem aus durch die Zumeßöffnungen 152 zu dem inneren Verteiler 148. Die Schlitze 158 in der Schulter 138 messen weiter die Kühlluft dem Spalt G zu. Die Kühlluft hat eine Geschwindigkeitskomponente V in der radialen Richtung und eine Geschwindigkeitskomponente V in der Umfangsrichtung. Die Geschwindigkeitskomponente in der Umfangsrichtung bewirkt, daß die Kühlluft auf die Seiten der äußeren Luftabdichtung 26 auftrifft.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Konstruktionen, die mehrere Durchlässe 168 aufweist, welche sich durch das erste Dichtsegment 24a zu dem zweiten Hohlraum 58 erstrecken. Der Verteiler 148 ist in dem Vorderkantenbereich 64 in Strömungsverbindung mit dem dritten ringförmigen Hohlraum 68. Der Durchlaß 158 bringt den Verteiler 148 in Strömungsverbindung mit den Spalten und erzeugt eine radiale Geschwindigkeitskomponente sowie eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente zum Leiten der Kühlluft zu der Seite 96 des ersten Dichtsegments 24a. Die Kühlluft, die durch den Durchlaß 168 geströmt ist, hat auch eine Geschwindigkeitskomponente in der radialen Richtung und eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente, welche die Kühlluft zu der Seite 102 des zweiten Segments 24b drücken. Infolgedessen wird die Kühlluft zu den Seiten 96, 102 geleitet, die den Spalt G begrenzen.

- Lee nte -

Claims

Patentanwalt
Dipl.-Ing. Rolf Menges

Erhardtstra'ic 12
D.-8000 München 5.

IhrZeichen/Yourref. Unser Zeichen/Our ref Dalum/Date

U 888 12.09.1985

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Patentansprüche :

1J Gasturbinentriebwerk mit einer Achse (A) mit einem ringförmigen Strömungsweg (14) für Arbeitsmediumgase, mit einem Strömungsweg (54) für Kühlfluid, der radialen Abstand von dem Arbeitsmediumströmungsweg hat, und mit mehreren bogenförmigen Dichtsegmenten (24), die sich in Umfangsrichtung um die Achse erstrecken und den Arbeitsmediumströmungsweg (14) begrenzen, wobei die bogenförmigen Dichtsegmente (24) wenigstens ein Paar bogenförmige Dichtsegmente (24a, 24b) umfassen, das ein erstes Dichtsegment (24a) und ein zweites Dichtsegment (24b) aufweist, das Umfangsabstand von dem ersten Dichtsegment (24a) aufweist, so daß ein Spalt (G) zwischen ihnen vorhanden ist, der sich in seiner Größe während Betriebsbedingungen verändert, gekennzeichnet durch:

eine Lochplatte (94), die in dem Spalt (G) angeordnet ist und sich axial zwischen dem Segmentpaar (24a, 24b) und über den Spalt (G) erstreckt und eine Öffnung (106) in Strömungsverbindung mit dem Strömungsweg (70) für Kühlfluid hat, um Kühlluft mit einer radialen Geschwindigkeitskompo-

nente durch die Lochplatte zu leiten, und eine Einrichtung (118, 124) zum variablen Drosseln der Strömung durch die öffnung (106), die die öffnung unter Betriebsbedingungen variabel überlappen kann und eine Position relativ zu der Öffnung hat, welche der Größe des Spalts (G) entspricht.
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte (94) eines der beiden Dichtsegmente (24a, 24b) des Paares unter Betriebsbedingungen verschiebbar berührt.
3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dichtsegment (24a) eine erste Seite (96) hat, die den Spalt (G) begrenzt, und eine axial ausgerichtete Nut (98) in der ersten Seite, daß das zweite Dichtsegment (24b) eine erste Seite (102) hat, die den Spalt (G) begrenzt, und eine axial ausgerichtete Nut (104), welche der Nut (98) in dem ersten Dichtsegment (24a) zugewandt ist, wobei die Lochplatte (94) in den Nuten angeordnet ist und unter Betriebsbedingungen nach außen gegen die Dichtsegmente (24a, 24b) gedrückt wird, um die Dichtsegmente in Umfangsrichtung verschiebbar zu berühren, und daß die Einrichtung (118, 124) zum variablen Drosseln der Strömung eines der Dichtsegmente aufweist, welches in der Lage ist, die Öffnung (106) unter wenigstens einer Betriebsbedingung des Triebwerks zu überlappen.
4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte (126) an dem ersten Dichtsegment (24a) angeformt ist und an dem ersten Dichtsegment eine Schulter (128) bildet.
5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-

net, daß das erste Dichtsegment (24a) eine Vorderkante (64), eine Hinterkante (66), welche um eine Länge L von der Hinterkante (64) entfernt ist, und eine erste Seite (96) hat, die axial ausgerichtet ist und sich von der Vorderkante (64) zu der Hinterkante (66) erstreckt, daß die Schulter (128) von der ersten Seite (96) vorsteht und eine axial ausgerichtete erste Wand (132) mit Umfangsabstand von der ersten Seite (96) hat, und daß sich die öffnung (134) in Umfangsrichtung von der ersten Seite (96) zu der ersten Wand (132) und in der axialen Richtung von einer der Kanten über eine Länge L erstreckt, die gleich oder größer als 10% der Länge L ist (L_Q > 0,10L).
6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die öffnung (134) in der axialen Richtung von der Vorderkante (64) aus erstreckt.
7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dichtsegment (24b) eine erste Seite (102) hat, die der ersten Seite (96) des ersten Dichtsegments (24a) zugewandt ist, daß die öffnung (172) eine Umfangsbreite S und eine axiale Länge S hat, wobei die Breite S wenigstens dreimal größer als die Länge S ist, daß

w e

die bogenförmigen Dichtsegmente (24a, 24b) eine äußere Luftabdichtung (26) bilden, die sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstreckt, und den Strömungsweg für Kühlfluid begrenzen und daß sich ein Durchlaß (168) durch die Schulter (128) erstreckt, um die öffnung (172) in Strömungsverbindung mit dem Strömungsweg für Kühlfluid zu bringen, und gegen die Oberfläche (154) der Schulter (128) abgewinkelt ist, um die Kühlfluidströmung mit einer Geschwindigkeitskomponente in der radialen Richtung und mit einer Geschwindigkeitskomponente in der Umfangsrichtung zu einer der Seiten (102) zu leiten.
8. Vorrichtung zum Begrenzen des ringförmigen Strömungsweges für Arbeitsmediumgase eines Axialgasturbinentriebwerks, das außerdem einen Strömungsweg für Kühlluft hat, welcher radialen Abstand von dem Arbeitsmediumströmungsweg aufweist, gekennzeichnet durch:

mehrere bogenförmige Dichtsegmente (24), die sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstrecken, wobei jedes Dichtsegment Umfangsabstand von dem benachbarten Dichtsegment hat, so daß ein Umfangsspalt (G) zwischen ihnen vorhanden ist, wobei die bogenförmigen Dichtsegmente aufweisen

ein erstes Dichtsegment (24a), das eine Dichtoberfläche (92a) hat, die dem Arbeitsmediumströmungsweg (14) zugewandt ist, eine erste Seite (96), die der Dichtoberfläche benachbart ist und sich axial längs des ersten Dichtsegments erstreckt,

einen Vorsprung, der sich von der ersten Seite (96) aus erstreckt und eine Schulter (128) bildet, mit

einer ersten Wand (132), die Umfangsabstand von der ersten Seite (96) hat,

einer Schulteroberfläche (154), die sich zwischen der ersten Seite (96) und der ersten Wand (132) erstreckt und dem Arbeitsmediumströmungsweg (14) zugewandt ist, und ein zweites Dichtsegment (24b) mit einer Dichtoberfläche (92b), welche dem Arbeitsmediumströmungsweg (14) zugewandt ist, einer ersten Seite (102), die sich axial längs des zweiten Dichtsegments erstreckt und Umfangsabstand von der ersten Seite (96) des ersten Dichtsegments (24a) hat, so daß zwischen ihnen der Spalt (G) vorhanden ist, und

einer zweiten Oberfläche (144), die die Schulteroberfläche (154) des ersten Dichtsegments (24a) über-

läppt;

wobei das erste Dichtsegment (24a) wengistens eine öffnung (152, 158) hat,die sich zwischen der ersten Wand (132 ) und der ersten Seite ( 102 ) erstreckt, um ein Kühlfluid dem Spalt (G) zuzuführen, wobei die Öffnung durch die Schulterfläche (154) des ersten Dichtsegments (24a) begrenzt und durch die zweite Oberfläche (144) des zweiten Dichtsegments (24b) unter wenigstens einer Betriebsbedingung des Triebwerks überlappt wird, so daß eine Zunahme der Größe des Spalts (G) die Überlappung verkleinert und die Kühlfluidstromung durch die öffnung vergrößert und eine Abnahme der Größe des Spalts (G) die Überlappung vergrößert und die Kühlfluidstromung durch die öffnung verkleinert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dichtsegment (24a) eine axial ausgerichtete Nut (162a) in seiner ersten Wand (132) hat, daß das zweite Dichtsegment (24b) eine erste Wand (160) hat, die sich von der zweiten Oberfläche (144) des zweiten Dichtsegments aus erstreckt und Ümfangsabstand von der ersten Seite (102) des zweiten Dichtsegments (24b) hat, um eine Ausnehmung zu bilden, und ümfangsabstand von der ersten Wand (132) des ersten Dichtsegments, so daß zwischen ihnen ein Spalt (G¹) verbleibt, daß die erste Wand (160) des zweiten Dichtsegments eine axial ausgerichtete Nut (162b) hat, die der axial ausgerichteten Nut (162a) in der ersten Wand (132) des ersten Dichtsegments zugewandt ist, daß eine zweite Platte (146) in dem Spalt (G¹) angeordnet ist, die sich axial zwischen den Dichtsegmenten (24a, 24b) über den Spalt (G¹) und in die einander zugewandten Nuten (162a, 162b) erstreckt, um einen Sammelraura (164) zu begrenzen, welcher sich axial zwischen den Wänden und einwärts der zweiten Platte erstreckt und in Strömungsverbindung mit dem Strömungsweg für Kühlluft ist, und daß das erste Dichtsegment einen Durch-

laß (158) hat, der in Strömungsverbindung über die Öffnung (156) in dem ersten Dichtsegment mit dem Spalt (G) und in Strömungsverbindung mit dem Sammelraum (164) ist, so daß der Sammelraum als Verteiler (148) zum Verteilen des Kühlfluids auf mit dem Spalt (G) in Fluidverbindung stehende öffnungen dient.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Platte (146) eine zweite Lochplatte ist, die wenigstens eine Öffnung (152) in Strömungsverbindung mit dem Sammelraum (164) und mit dem Strömungsweg für Kühlluft hat, um die Kühlfluidströmung in den sich axial erstreckenden Sammelraum zu dosieren.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens eines der Dichtsegmente (24a, 24b) die öffnung (152) in der zweiten Lochplatte (146) unter wenigstens einer Betriebsbedingung des Triebwerks überlappt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (158), der mit dem Spalt (G) in Strömungsverbindung ist, radial ausgerichtet ist.
13. Bogenförmiges Dichtsegment, gekennzeichnet durch eine Dichtfläche (92), welche in eine erste Richtung weist und eine Krümmung um eine Achse (A ) hat, durch eine der Dichtfläche benachbarte erste Seite (96), die sich axial erstreckt, durch einen Vorsprung, der von der ersten Seite vorsteht und eine Schulter (128) bildet, die eine erste Wand (132) mit Umfangsabstand von der ersten Seite (96) hat und eine Schulterfläche hat, welche der Achse zugewandt ist und sich zwischen der ersten Seite und der ersten Wand erstreckt, und wenigstens eine öffnung (134, 142), die sich zwischen der ersten Wand und der ersten Seite er-

streckt und durch die Schulterfläche begrenzt ist.
14. Dichtsegment nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Vorderkante (64), eine Hinterkante (66), die einen Abstand L von der Vorderkante hat, wobei sich die erste Seite (96) von der Vorderkante zu der Hinterkante erstreckt und wobei sich die öffnung (134, 142) in· Umfangsrichtung von der ersten Seite zu der ersten Wand und in axialer Richtung von einer der Kanten (64) über eine
Strecke L erstreckt, welche gleich oder größer als 10% des Abstands L ist (L > 0,10L).
15. Dichtsegment nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (142) dreieckförmig und durch eine Kante begrenzt ist, welche die Basis der Dreieckform begrenzt und zu der Wand parallel ist.