DE4100225A1 - Vorrichtung zur abdichtung eines aus zwei ineinander geschobenen, rotationssymmetrischen gehaeuseteilen einer gasturbine gebildeten spaltes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abdichtung eines aus zwei ineinander geschobenen, rotationssymmetrischen Gehäuseteilen einer Gasturbine gebildeten Spaltes, in welchem ein kolbenringartiger Dichtring angeordnet ist.

Aus der DE-OS 36 09 578 ist es bekannt, zwischen der Außenwand eines Diffusors einer Gasturbine und dem Gasturbinengehäuse selbst einen kolbenringartigen Dichtring zur Reduzierung der Leckage aus dem das Verdichterturbinengehäuse verlassenden und in den Diffusor eintretenden Gasstrom einzusetzen. Der diesen Dichtring dennoch passierenden Leckagestrom kann jedoch z. B. im Bereich der Arbeitsturbine wieder in die Gasströmung des Kreisprozesses gelangen. Dabei kann es zu Störungen in der Gasströmung, wie z. B. Wirbelbildung, kommen. Ferner muß die wieder in den Kreisprozeß gelangende Gasströmung erneut be­ schleunigt werden, was ebenso zu Verlusten bei der Nutzleistung führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschriebenen Art zu schaf­ fen, mit welcher der Wirkungsgrad einer Gasturbine verbessert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Allgemein gilt, daß Leckageverluste bei Gasturbinen zu einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades des Kreisprozesses führt. Diese Wirkungsgradverluste sind aber dann besonders groß, wenn dem Leckagegasstrom ein irgendeiner Stelle die Möglichkeit ge­ geben ist, wieder in die am Kreisprozeß beteiligte Gasströmung (Hauptgasströmung) einzutreten. Die Leckagegasströmung muß zum einen wieder beschleunigt werden und zum anderen erzeugt sie in der am Kreisprozeß teilnehmenden Gasströmung Wirbel und Turbu­ lenzen, die natürlich die am Arbeitsturbinenrad abgegebene Nutzleistung vermindern und demzufolge den Wirkungsgrad ver­ ringern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt nun, daß ein einen Dichtring passierender Leckagegasstrom nicht mehr in die am Kreisprozeß beteiligte Gasströmung zurückgelangen kann, sondern über die Entlüftungsleitung entweder direkt ins Freie oder in einen Bereich im Abgastrakt gelangen kann, in welchem keine Beeinträchtigung einer Gasströmung mehr auftreten kann. Verluste durch Wirbel- und Turbulenzbildung etc. in der oben beschriebenen Weise können mit der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung daher nicht mehr auftreten. Die Verluste bleiben somit rein auf die immer vorhandene und kaum vermeidbare Leckage aus dem am Kreisprozeß beteiligten Gasstrom beschränkt. Diese Ver­ luste sind aber im Vergleich zu den mit der Rückkehr des Leckage­ stromes in den Hauptgasstrom verbundenen Verlusten vernachlässigbar. Es kann also mit der Erfindung ein maximaler Wirkungsgrad erzielt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung eine Gasturbine im Bereich des Diffusors und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Fig. 1 längs der Linie II-II.

Fig. 1 zeigt mit 1 einen zwischen einem den Verdichter an­ treibenden Turbinenrad 2 und einem Arbeitsturbinenrad 3 einer Gasturbine angeordneten Diffusor. Da der Diffusor 1 bezüglich der Mittellängsachse 4 rotationssymmetrisch ausgebildet ist, ist der Einfachheit halber nur der oberhalb der Mittellängs­ achse 4 liegende Teil des Diffusors 1 dargestellt. Der Diffusor 1 besteht aus einer Innenwand 5 (Innendiffusor), welche mit einer Außenwand 6 (Außendiffusor) einen Ringraum 7 begrenzt. Auf Abstand gehalten werden die Innen- 5 und die Außenwand 6 dabei über drei über den Umfang verteilte Stützrippen 8, welche in Führungsbohrungen 9 in der Außenwand 6 sowie in der In­ nenwand 5 eingeformte Vertiefungen 10 eingesetzt sind. Zwischen dem Boden der Vertiefungen 10 und den Unterseiten der Stütz­ rippen 8 ist ein geringer Abstand 11 zum Ausgleich von Wärme­ dehnungen der Stützrippen 8 vorgesehen. Die Stützrippen 8 sind über je einen Stift 12 mit der Außenwand 6 fest verbunden. Zur Vermeidung von Strömungsverlusten an den Stützrippen 8, besit­ zen diese im Bereich des Ringkanals 7 ein strömungsgünstiges Querschnittsprofil 13. Stromab dieser Stützrippen 8 ist in dem Ringkanal 7 ferner ein verstellbares Strömungsleitgitter ein­ gesetzt, welches aus 17 über den Umfang verteilten Leitschau­ feln 14 besteht. Diese Leitschaufeln 14 sind verbunden mit Verstellwellen 15, von denen jede in je einer von an der Au­ ßenwand 6 des Diffusors 1 angeformten Führungsbuchsen 16 ein­ gesetzt ist. An ihrem der Leitschaufel 14 abgewandten Ende ist an jeder der Verstellwellen 15 ein Zahnsegment 17 mittels eines Sicherungsstiftes 18 befestigt, welches in einem ringförmigen Zahnkranz 19 kämmt, der den Außenring eines Drahtlagers 20 bildet. Eine Verdrehung dieses um die Mittellängsachse 4 ver­ drehbaren Zahnkranzes 19 bewirkt damit über die Zahnsegmente 17 und die Verstellwellen 15 eine Verstellung der Leitschaufeln 14 im Ringkanal 7. Der Innenring 21 dieses Drahtlagers 20 ist mit einem Lagerträger 22 verschraubt, welcher wiederum an der Stelle 23 an dem Turbinengehäuse 24 befestigt ist. Der Lager­ träger 22 ist ringförmig ausgebildet und besitzt über den Um­ fang verteilt mehrere Bohrungen 25, welche zur Aufnahme der Führungsbuchsen 16 der Außenwand 6 dienen. Diese Aufnahmeboh­ rungen 25 gehen auf der Seite 26 in Aufnahmeschlitze 31 über (s. auch Fig. 2), deren Breite b minimal größer ist als der Durchmesser d der Führungsbuchsen 16. Über diese Aufnahme­ schlitze 31 werden bei der an späterer Stelle noch näher be­ schriebenen Montage des Diffusors 1 die Führungsbuchsen 16 in die Aufnahmebohrungen 25 geschoben. Zur Zentrierung der Füh­ rungsbuchsen 16 in den Aufnahmebohrungen 25 sind Haltebuchsen 27 vorgesehen, deren Innendurchmesser im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser d der Führungsbuchsen 16 und deren Außen­ durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Aufnah­ mebohrungen 25 ist (s. auch Fig. 2). Die axiale Lagesicherung der Haltebuchsen 27 erfolgt über einen an deren Außenumfang vorgesehenen Haltebund 28, welcher auf dem Lagerträger 22 auf­ liegt. Um eine Verschiebung der Haltebuchsen 27 nach außen (Pfeil 29) zu verhindern, sind zwischen den Zahnsegmenten 17 und den Haltebuchsen 27 mit geringem Spiel s (zum Ausgleich auftretender Wärmedehnungen) zu den Haltebuchsen 27 Zwischen­ scheiben 30 angeordnet. Anstelle dieser Zwischenscheiben 30 können auch die Haltebuchsen 27 so hoch ausgeführt sein, daß sie gegen die Unterseite der Zahnsegmente 17 anlaufen. Der Diffusor 1 ist somit axial in dem Lagerträger 22 und radial durch die Anzahl der Führungs- bzw. Haltebuchsen 16 bzw. 27 gesichert. Sämtliche Heißgas führenden Bauteile (Innenwand 5, Außenwand 6), auch die Leitschaufeln 14 und die Stützrippen 8 bestehen aus einem keramischen Werkstoff.

Der Einbau des Diffusors 1 in das Turbinengehäuse 24 läuft in folgenden Schritten ab. Zuerst werden die einzelnen Leitschau­ feln 14 mit ihren Verstellwellen 15 in die Führungsbuchsen 16 der Außenwand 6 eingesetzt. Hieran im Anschluß wird der zu diesem Zeitpunkt noch vom Turbinengehäuse 24 getrennte Lager­ träger 22 über die Aufnahmeschlitze 31 auf die Führungsbuchsen 16 der Außenwand 6 aufgeschoben, so daß sich nun sämtliche Führungsbuchsen 6 in den Aufnahmebohrungen 25 des Lagerträgers 22 befinden. Die anschließende Zentrierung der Führungsbuchsen 16 in den Aufnahmebohrungen 25 erfolgt durch die Haltebuchsen 27, welche in Richtung des Pfeiles 32 über die Führungsbuchsen 16 in den Ringraum zwischen Führungsbuchsen 16 und Lagerträger 22 geschoben werden. Nach Aufsetzen der Zwischenscheiben 30 werden mittels der Sicherungsstifte 18 die Zahnsegmente 17 auf den Verstellwellen 15 befestigt. Nun kann das Drahtlager 20, welches schon vor dem Einsetzen der Führungsbuchsen 16 in die Bohrungen 25 auf den Lagerträger 22 geschoben wurde, an dem Lagerträger 22 befestigt werden. Hierzu wird dessen Innenring 21 mit dem Lagerträger 22 verschraubt und zwar so, daß der den Außenring des Drahtlagers 20 bildende Zahnkranz 19 in die Ver­ zahnung der einzelnen Zahnsegmente 17 eingreift. Erst jetzt wird die Innenwand 5 (Innendiffusor) des Diffusors 1 eingesetzt und über die Führungsbohrungen 9 die drei über den Umfang ver­ teilten Stützrippen 8 in die Vertiefungen 10 der Innenwand 5 eingeschoben und mit den Sicherungsstiften 12 an der Außenwand 6 befestigt. Der so vormontierte Diffusor 1 samt Lagerträger 22 wird nun als ganze Einheit in das Turbinengehäuse 24 einge­ setzt, d. h. an den Stellen 23 an das Turbinengehäuse 24 ange­ schraubt.

Sowohl die Außenwand 6 des Diffusors 1 als auch das Gehäuse 35 des den Verdichter antreibenden Turbinenrades 2 werden im An­ schlußbereich gemeinsam von einem Gasturbinengehäuseabschnitt 36 umgeben. Der Spalt 37 zwischen Verdichterturbinengehäuse 35 und Gasturbinengehäuseabschnitt 36 sowie der Spalt 38 zwischen Außenwand 6 des Diffusors 1 und dem Gasturbinengehäuseabschnitt 36 werden von je zwei kolbenringartigen Dichtringen 39 und 40 bzw. 41 und 42 abgedichtet. Jeweils zwischen den beiden Dicht­ ringen 39 und 40 bzw. 41 und 42 ist in dem Gasturbinengehäuse­ abschnitt 36 je eine Entlüftungsleitung 43 bzw. 44 abgezweigt, welche beide in eine gemeinsame Entlüftungsleitung 45 überge­ hen, die in die Wandung des Gasturbinengehäuses 24 integriert ist und an der Stelle 46 aus der Gehäusewandung ins Freie aus­ mündet. Die Hauptaufgabe der Dichtringe 39-42 besteht nun dar­ in, ein maximales Druckgefälle zu den Räumen 47 und 48 zwischen den Dichtringen aufrecht zu erhalten. Ist dieses maximal, so ist auch die Dichtwirkung maximal. An der Stelle 49 z. B. liegt der Druck an, welcher beim Austritt aus der in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkammer herrscht und an der Stelle 50 der Druck nach dem Verdichterturbinenrad 2, also der Druck am Diffusoreingang. Da die Drücke an den beiden genannten Stellen 49 und 50 aber relativ hoch sind, läßt es sich auch bei opti­ maler Abdichtung über die Dichtringe 39 und 40 bzw. 41 nicht vermeiden, daß geringe Leckgasströme über die Dichtringe 39, 40 und 41 in die Zwischenräume 47 und 48 übertreten (Pfeile 51 und 52). Da nun aber erfindungsgemäß über die Entlüftungsleitungen 43, 44 und 45 eine Verbindung mit der Umgebung hergestellt ist und in den Zwischenräumen 47 und 48 natürlich ein höherer Druck als Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) vorliegt, strömt das Gas aus den Zwischenräumen 47 und 48 direkt ins Freie und kann so­ mit an keiner Stelle wieder in den Hauptgasstrom eintreten.

Das stromabwärtige Ende der Außenwand 6 des Diffusors 1 ist zwischen dem am Turbinengehäuse 24 befestigten Lagerträger 22 und dem an den Diffusor 1 angrenzenden Arbeitsturbinengehäuse 53 angeordnet. Dabei ist der Spalt 54 zwischen Lagerträger 22 und Außenwand 6 über die beiden kolbenringartigen Dichtringe 55 und 56 und der weitere Spalt 57 zwischen der Diffusoraußenwand 6 und dem Arbeitsturbinengehäuse 53 über die beiden weiteren kolbenringartigen Dichtringe 58 und 59 abgedichtet. Von dem durch die beiden Dichtringe 55 und 56 gebildeten Zwischenraum 60 aus ist in dem Lagerträger 22 ein Entlüftungskanal 61 abge­ zweigt, welcher an der Befestigungsstelle des Lagerträgers 22 an dem Turbinengehäuse 24 in eine Entlüftungsleitung 62 über­ geht, die wiederum in die vom stromaufwärtigen Ende des Diffusors 1 kommende Entlüftungsleitung 45 einmündet, so daß auch der Zwischenraum 60 mit der Umgebung in Verbindung steht. Leckgase, die also aus dem Kreisprozeß z. B. über den Dichtring 56 in den Zwischenraum 60 gelangen (Pfeil 63), können damit ungehindert ins Freie abfließen. In der Außenwand 6 des Diffusors 1 ist ferner eine Verbindungsbohrung 64 vorgesehen, welche den Raum 65 zwischen den beiden Dichtringen 58 und 59 mit dem Raum 60 zwischen den beiden Dichtringen 55 und 56 ver­ bindet. Somit können also auch Leckgase, welche z. B. den Dichtring 58 (Pfeil 66) oder den Dichtring 59 (Pfeil 67) pas­ sieren, über die Verbindungsbohrung 64, den Zwischenraum 60 und die Entlüftungsleitungen 61 und 62 direkt ins Freie gelangen, ohne zuvor wieder in den am Kreisprozeß der Gasturbine betei­ ligten Gasstrom zu gelangen. Sämtliche Dichtringe bestehen aus einem keramischen Werkstoff.

Anstelle einer Abfuhr der Leckgase direkt ins Freie ist es na­ türlich ebenso denkbar, die Leckgase in den Abgastrakt der Gasturbine einzuleiten und zwar an einer Stelle, an der eine Wirkungsgradverschlechterung nicht mehr auftreten kann.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Abdichtung eines aus zwei ineinander ge­ schobenen, rotationssymmetrischen Gehäuseteilen einer Gastur­ bine gebildeten Spaltes, in welchem ein kolbenringartiger Dichtring angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spalt (37, 38, 54, 57) mindestens ein weiterer kolbenringartiger Dichtring (39 oder 40, 41 oder 42, 55 oder 56, 58 oder 59) vorgesehen ist und daß zwischen zwei benach­ barten Dichtringen (39 und 40, 41 und 42, 55 und 56, 58 und 59) in einem Gehäuseteil (36, 22) eine Leckgas abführende Entlüf­ tungsleitung (43, 44, 61, 64) abgezweigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuseteil das Gasturbinengehäuse (24) selbst und das andere Gehäuseteil die Außenwand (6, 35, 53) einer Turbinen­ stufe (1) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungsleitung (43, 44, 45, 61, 62) in der Wandung des Gasturbinengehäuses (24) geführt ist und ins Freie mündet.

4. Vorrichtung, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungsleitung in dem Gasturbinengehäuse geführt ist und stromab der Arbeitsturbine in den Abgastrakt der Gas­ turbine einmündet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen das Verdichterturbinengehäuse (35) und das an dieses an­ schließende Gehäuse eines Diffusors (1) umgebenden Gasturbi­ nengehäuseabschnitt (36), wobei in dem durch Gasturbinengehäu­ seabschnitt (36) und Verdichterturbinenradgehäuse (35) und in dem durch Gasturbinengehäuseabschnitt (36) und Diffusorgehäuse (6) gebildeten Spalt (37 bzw. 38) je zwei nebeneinander ange­ ordnete kolbenringartige Dichtringe (39 und 40 bzw. 41 und 42) vorgesehen sind, zwischen denen in dem Gasturbinengehäuseab­ schnitt (36) je eine Entlüftungsleitung (43 bzw. 44) abgezweigt ist, welche beide in dem Gasturbinengehäuse (24) zu einer ge­ meinsamen Entlüftungsleitung (45) zusammengeführt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende der Außenwand (6) des Diffusors (1) der Gasturbine zwischen dem Arbeitsturbinengehäuse (53) und einem mit dem Gasturbinengehäuse (24) verbundenen Lagerträger (22) für den Diffusor (1) angeordnet ist, daß in dem aus La­ gerträger (22) und Diffusoraußenwand (6) gebildeten Spalt (54) nebeneinander zwei kolbenringartige Dichtringe (55, 56) ange­ ordnet sind, daß zwischen dem aus Diffusoraußenwand (6) und Arbeitsturbinengehäuse (53) gebildeten weiteren Spalt (57) zwei weitere kolbenringartige Dichtringe (58, 59) angeordnet sind, und daß der Raum (60) zwischen den kolbenringartigen Dichtringen (55, 56) im Spalt (54) mit dem Raum (65) zwischen den weiteren kolbenringartigen Dichtringen (55, 56) im weiteren Spalt (57) über eine Verbindungsbohrung (64) verbunden ist und daß zwischen den beiden kolbenringartigen Dichtringen (55, 56) im Spalt (54) die Entlüftungsleitung (61) in dem Lagerträger (22) abgezweigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe aus einem keramischen Werkstoff bestehen.