DE3609578A1

DE3609578A1 - Seal in a gas turbine

Info

Publication number: DE3609578A1
Application number: DE19863609578
Authority: DE
Inventors: Erwin Schmidt; Franz Neubrand
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1986-03-21
Filing date: 1986-03-21
Publication date: 1987-08-27

Abstract

A seal in a gas turbine with a diffuser arranged between a gas generator turbine wheel and a working turbine wheel is described which consists of an oxide-ceramic ring resembling a piston ring, in particular of zirconium dioxide ceramic. It is preferred for the sealing ring to be arranged between the housing and the diffuser on the end thereof pointing towards the compressor turbine wheel.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung bei einer Gasturbine mit einem zwischen einem Gaserzeugerturbinen rad und einem Arbeitsturbinenrad angeordneten Diffusor, der von einem selbständigen, zur Turbinenachse koaxialen, ringförmigen, an einer Stirnseite am Turbinengehäuse be festigten Träger gehalten wird und wobei eine Abdichtung gegenüber dem aus dem Gaserzeuger-Turbinenrad austretenden Gasstrom durch eine Radialdichtung erfolgt.The invention relates to a seal in a Gas turbine with one between a gas generator turbine wheel and a working turbine wheel arranged diffuser, that of an independent, coaxial to the turbine axis, annular, be on one end of the turbine housing solidified carrier is held and being a seal compared to that emerging from the gas generator turbine wheel Gas flow takes place through a radial seal.

Bei einer der artigen aus DE-PS 32 20 148 bekannten Gasturbine erfolgt eine Abdichtung zwischen dem an einer Stirnseite am Turbi nengehäuse befestigten Träger im Bereich der anderen Stirn seite dieses Trägers gegenüber dem Turbinengehäuse durch eine Radialdichtung in Form einer Lamellendichtung. Dadurch, daß der Träger nur einseitig am Gehäuse befestigt ist und an der anderen Stirnseite des Trägers eine Radialdichtung vorliegt, kann der Träger bzw. der mit ihm verbundene Diffusor Wärmedehnungen ausführen, ohne daß es zu Spannungen im Mate rial kommt. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, daß einmal die Lamellendichtung relativ empfindlich ist und leicht zerstört wird und daß zum anderen die Lamellendichtung nur eine begrenzte thermische Widerstandsfähigkeit hat, so daß ihr Einbau zwischen Diffusorträger und Gehäuse, d.h. also ver hältnismäßig entfernt vom heißen Gasstrom erfolgen muß. At one of the like gas turbine known from DE-PS 32 20 148 a seal between that on one end of the turbo Support attached in the other forehead side of this carrier opposite the turbine housing a radial seal in the form of a lamellar seal. Thereby, that the carrier is only attached to the housing on one side and a radial seal on the other end of the beam is present, the carrier or the diffuser connected to it Carry out thermal expansions without causing tension in the mate rial is coming. A disadvantage of this solution, however, is that once the lamella seal is relatively delicate and light is destroyed and that on the other hand the lamellar seal only has a limited thermal resistance, so that their installation between diffuser support and housing, i.e. so ver must be relatively far from the hot gas stream.

Dies wiederum hat zur Folge, daß im Bereich der Befesti gung des Trägers am Turbinengehäuse im allgemeinen eine weitere Dichtung vorgesehen werden muß.This in turn has the consequence that in the area of the fastening supply of the support on the turbine housing in general further seal must be provided.

Demgegenüber macht es sich die Erfindung zur Aufgabe, die Dichtung so zu gestalten, daß sie mechanisch und thermisch widerstandsfähiger ist und bei niedrigeren Kosten eine bessere Lebensdauer aufweist.In contrast, it is the task of the invention Design the seal so that it is mechanical and thermal is more resilient and one at lower cost has a better lifespan.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen be schriebene Erfindung gelöst.This task is by the be in the claims Written invention solved.

Die Dichtung besteht aus einem Oxid-Keramikring mit offenem Stoß. Bevorzugt wird dabei wegen der besonders hohen ther mischen Belastbarkeit und den guten mechanischen Eigenschaf ten ein Dichtring aus Zirkondioxid-Keramik. Die Spaltweite bei dem offenen Stoß soll so bemessen sein, daß möglichst wenig Gase durch den Stoß hindurchtreten können; bevorzugt wird eine Spaltbreite im Stoß im eingebauten Zustand von 0 bis 0,2 mm. Eine besonders gute Abdichtung erzielt man durch einen keramischen Dichtring mit überlappendem Stoß. Ein solcher keramischer Dichtring ist auch einfacher zu montieren und wird daher bevorzugt. Auch komplizierte Stoß formen lassen sich einfach durch das für Keramikmaterialien wohlbekannte Ultraschall-Bohren herstellen. Bei diesem Ultra schall-Bohren wird ein Werkzeug, dessen Profil dem herzu stellenden Loch entspricht, durch Ultraschall in Längsrich tung zum Schwingen gebracht. Im Bereich der Stirnfläche die ses Profils zerspanen die Körnchen einer ständig im Umlauf befindlichen fast immer Borkarbit enthaltenden Schleif mittelsuspension das Material des Werkstücks. Da keine ro tierende Bewegung erfolgt, sind auch sehr komplizierte For men in einem Arbeitsgang herstellbar. Bei komplizierten Stoßfugen der hergestellten Dichtringe kann es mitunter von Vorteil sein, wenn die aneinander gleitenden Stoßflächen mit einem temperaturbeständigen reibungsvermindernden Belag, z.B. Nickel, Nickeloxyd oder dergleichen beschichtet sind.The seal consists of an oxide ceramic ring with an open Shock. Is preferred because of the particularly high ther mix resilience and good mechanical properties a sealing ring made of zirconium dioxide ceramic. The gap width in the open joint should be such that as possible few gases can pass through the impact; prefers becomes a gap width in the joint in the installed state of 0 to 0.2 mm. A particularly good seal is achieved thanks to a ceramic sealing ring with an overlapping joint. Such a ceramic sealing ring is also easier to mount and is therefore preferred. Even complicated bump can be easily formed by the for ceramic materials manufacture well-known ultrasonic drilling. With this ultra Sonic drilling becomes a tool whose profile suits it corresponding hole, by ultrasound in the longitudinal direction tion made to vibrate. In the area of the face This profile cuts the granules constantly in circulation abrasive containing almost always boron carbide the material of the workpiece by means of suspension. Since no ro movement is also very complicated for men can be produced in one operation. For complicated Butt joints of the sealing rings produced can sometimes be from Be an advantage if the abutting surfaces slide together with a temperature-resistant friction-reducing Topping, e.g. Nickel, nickel oxide or the like coated are.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildung näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated below with reference to the figure explained. It shows

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Kraftfahrzeuggasturbine mit Diffusor, Fig. 1 a section of an automotive gas turbine with a diffuser,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Kraftfahrzeuggasturbine mit anderer Dichtungsanordnung und Fig. 2 shows a section of a motor vehicle gas turbine with a different sealing arrangement and

Fig. 3-6 besondere Stoßausführungen für den Dichtring. Fig. 3-6 special butt designs for the sealing ring.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausschnitt aus einer Zweiwellen- Kraftfahrzeug-Gasturbine dargestellt. Der mit 2 bezeichnete Diffusor ist zwischen einem Verdichterturbinenrad 1 und einem Arbeitsturbinenrad 3 angeordnet. Das Verdichterturbinenrad 1 ist mit einer Welle 4 mit dem Verdichter für die Verbrennungs luft und das Arbeitsturbinenrad 3 mit einer Welle 5 mit dem Getriebe des Kraftfahrzeuges drehfest verbunden. Der Ver dichter, das Getriebe sowie die Brennkammer der Gasturbine sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Die Strömungs richtung der von der Brennkammer kommenden heißen Verbren nungsgase ist durch Pfeile angedeutet. Der Diffusor 2 be steht im wesentlichen aus einer Innenwand 6 und aus einer Außenwand 7, die einen Ringkanal 8 einschließen. Die Innen wand 6 des Diffusors geht in eine dem Verdichterturbinen rad 1 gegenüber liegende Stirnwand 9 über. Stützrippen 10 durchsetzen den Ringkanal 8 und zentrieren die Innenwand 6. In Strömungsrichtung hinter den Stützrippen 10 ragen ver stellbare Leitschaufeln 11 einer an der Außenwand 7 ange ordneten Leitschaufelverstelleinrichtung 12 in den Ring kanal 8.In Figs. 1 and 2, a section of a two-shaft gas turbine motor vehicle is shown. The diffuser labeled 2 is arranged between a compressor turbine wheel 1 and a working turbine wheel 3 . The compressor turbine wheel 1 is rotatably connected to a shaft 4 with the compressor for the combustion air and the power turbine wheel 3 with a shaft 5 to the transmission of the motor vehicle. The compressor, the gearbox and the combustion chamber of the gas turbine are not shown in the drawings. The flow direction of the hot combustion gases coming from the combustion chamber is indicated by arrows. The diffuser 2 be essentially consists of an inner wall 6 and an outer wall 7 , which include an annular channel 8 . The inner wall 6 of the diffuser merges into an end wall 9 lying opposite the compressor turbine wheel 1 . Support ribs 10 pass through the ring channel 8 and center the inner wall 6 . In the flow direction behind the support ribs 10 protrude ver adjustable guide vanes 11 on the outer wall 7 arranged guide vane adjusting device 12 in the ring channel 8 .

In Fig. 1 stellt ein ringförmiger Träger 13 die Verbindung zwischen dem Gehäuse 14 und dem Diffusor 11 her und hält diesen mit Hilfe der Stützrippen 10 und Teilen des Leit apparates 12 frei in der Gasströmung zwischen dem Ver dichterturbinenrad 1 und dem Arbeitsturbinenrad 3. An das Gehäuse 14 ist ein an der einen Stirnseite des ringförmigen Trägers 13 gebildeter Flansch 15 angeschraubt. Ein Draht lager 16 ist von einem Zahnkranz 17 umgeben, der mit den Zahnrädern 18 der Leitschaufelverstelleinrichtung 12 zu sammenwirkt. Im Bereich der anderen Stirnseite des Trägers 13 ist in einer Nut 18 der oxid-keramische Dichtring 19 aus Zirkondioxid-Keramik gelagert, der am Gehäuse 14 der Gas turbine anliegt.In Fig. 1, an annular carrier 13 makes the connection between the housing 14 and the diffuser 11 and keeps it free with the aid of the support ribs 10 and parts of the guide apparatus 12 in the gas flow between the compressor turbine wheel 1 and the working turbine wheel 3 . A flange 15 formed on one end face of the annular carrier 13 is screwed onto the housing 14 . A wire bearing 16 is surrounded by a ring gear 17 which cooperates with the gears 18 of the guide vane adjusting device 12 . In the area of the other end face of the carrier 13 , the oxide-ceramic sealing ring 19 made of zirconium dioxide ceramic is supported in a groove 18 and bears against the housing 14 of the gas turbine.

In Fig. 2 ist eine Variation der Dichtung gezeigt, die sich aufgrund der höheren thermischen und mechanischen Belastbar keit des oxid-keramischen Dichtrings ergibt. Der ringförmige Träger 13 dient hier nur noch zum Halten des Leitschaufelver stellapparates 18, der seinerseits das stromabwärtige Ende des Diffusors 2 stützt. Das stromaufwärtige Ende des Diffusors 2 ist mit einer Nut 20 versehen, in der der kolbenringförmige Dichtring 21 aus Oxid-Keramik liegt. Über diesen Dichtring stützt sich das stromaufwärtige Ende des Diffusors an einer entsprechend ausgebildeten Gehäusefläche 23 ab.In Fig. 2 a variation of the seal is shown, which results from the higher thermal and mechanical resilience speed of the oxide-ceramic sealing ring. The ring-shaped carrier 13 is used here only for holding the guide vane adjusting apparatus 18 , which in turn supports the downstream end of the diffuser 2 . The upstream end of the diffuser 2 is provided with a groove 20 in which the piston ring-shaped sealing ring 21 made of oxide ceramic is located. The upstream end of the diffuser is supported on an appropriately designed housing surface 23 via this sealing ring.

Thermische Längsbewegungen des Diffusors bzw. des mit ihm verbundenen Trägers können durch das Gleiten des kolben ringförmigen Dichtringes am Turbinengehäuse aufgefangen werden. Spannungen können dadurch weitgehend abgebaut wer den. Um den offenen Stoß des Dichtringes möglichst gasun durchlässig zu halten, ist es empfehlenswert, den Stoß in an sich bekannter Weise überlappend auszuführen. In den Fig. 3 bis 6 werden Ausschnitte aus Dichtringen in achs senkrechter Aufsicht dargestellt, die mit verschiedenen überlappenden Stößen versehen sind. Der Ring gemäß Fig. 5 ist mit zwei Schlitzen 51 und 52 versehen, zwischen denen gleitend ein Keramik- oder Metallzwischenstück 53 angeordnet ist, das den Stoß überbrückt und die Stoßstelle weitgehend gasdicht macht. Die Montage der Dichtringe in der Turbine erfolgt analog der Montage von Kolbenringen, so daß keine besonderen Schwierigkeiten auftreten. Die neue Dichtung ist temperaturfest und langlebig und kann aufgrund ihrer guten Eigenschaften zu einer Vereinfachung der Turbinenkonstruktion dienen.Longitudinal thermal movements of the diffuser or of the carrier connected to it can be absorbed by the sliding of the piston ring-shaped sealing ring on the turbine housing. As a result, tensions can largely be reduced. In order to keep the open joint of the sealing ring as gas-permeable as possible, it is recommended that the joint be overlapped in a manner known per se. In FIGS. 3 to 6 sections of sealing rings in the perpendicular axle supervision are shown, which are provided with different overlapping bursts. The ring of FIG. 5 is provided with two slots 51 and 52, between which a ceramic or metal intermediate piece 53 is arranged slidably, which bridges the joint and makes the joint largely gas-tight. The assembly of the sealing rings in the turbine is carried out analogously to the assembly of piston rings, so that no particular difficulties arise. The new seal is temperature-resistant and durable and, due to its good properties, can serve to simplify the turbine construction.

Claims

1. Seal on a gas turbine with one between one Gas generator turbine wheel and a working turbine wheel arranged diffuser from an independent to the door line axis coaxial annular on one end face on Turbine casing is fixed to the carrier and where with a seal against that from the gas generator door gas stream escaping through a radial seal he follows, characterized, that the seal from an oxide ceramic ring with an open Shock exists.

2. Seal according to claim 1, characterized, that the seal is made of zirconia ceramic.

3. Seal according to claim 1 or 2, characterized, that the seal between the diffuser and the turbines Housing is arranged.

4. Seal according to claims 1 to 3, characterized, that the seal is designed with an overlapping joint.