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Die
Erfindung betrifft allgemein umlaufende Dichtungen und mehr im Einzelnen
eine umlaufende Dichtung zur Verwendung als vordere Außendichtung
eines Gasturbinentriebwerks.
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Ein
Gasturbinentriebwerk weist einen Verdichter auf, der verdichtete
Luft in eine Brennkammer einspeist, in der die Luft mit Brennstoff
vermischt und gezündet
wird, um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen. Diese Gase strömen nach hinten in eine oder
mehrere Turbinen, die ihnen Energie entziehen, um den Verdichter
zu betreiben und nutzbare Arbeit zu liefern, etwa zum Antrieb eines
Flugzeugs im Flug. Flugzeugtriebwerke weisen in der Regel eine stationäre Turbinendüse auf,
die an dem Auslass der Brennkammer angeordnet ist, um die Verbrennungsgase
in den Rotor der strömungsabwärts davon
angeordneten ersten Turbinenstufe einzuleiten. Die Turbinenstufe
leitet die Verbrennungsgase in einer Weise, dass die Turbinenschaufeln
Arbeit leisten können.
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Typischerweise
ist zwischen der stationären Turbinendüse und dem
Rotor der ersten Turbinenstufe eine äußere Dichtung angeordnet, um
die Verdichterabluft, die für
Kühlzwecke
abgezweigt wird, gegenüber
den heißen
Gasen in dem Turbinenströmungsweg
abzudichten. Bei den meisten Hochdruckturbinen erfordert aber die
vordere äußere Dichtung
die Verwendung einer Anzahl von Bypasslöchern, die das Einströmen von
Kühlluft
in den vorderen Läuferhohlraum
zwischen der Turbinendüse und
dem Rotor der ersten Turbinenstufe erlauben. Diese Luft spült den vorderen
Läuferraum
zur Sicherung gegen Ein tritt heißer Gase. Eine Unterlassung der
Aufrechterhaltung einer ausreichenden Spülströmung kann zu einer deutlich
verringerten Komponentenlebensdauer angrenzender Komponenten führen.
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Gebräuchliche
vordere Außendichtungen weisen
eine umlaufende Labyrinthdichtung auf, die aus einem umlaufenden
Dichtungselement und einem statischen Dichtungselement besteht.
Das umlaufende Element weist eine Anzahl dünner, zahnartiger Vorsprünge auf,
die sich von einem verhältnismäßig dickeren
Basiselement zu dem statischen Element hin radial erstrecken. Das
statische Element ist normalerweise aus Honigwabenmaterial. Diese
Dichtungselemente sind normalerweise rings um die Längsmittelachse
des Triebwerks angeordnet und mit einem kleinen dazwischenliegenden
Radialspalt positioniert, um den Zusammenbau der verschiedenen Komponenten
zu ermöglichen.
Beim Betrieb des Gasturbinentriebwerkes dehnt sich das umlaufende Element
radial aus und arbeitet sich in das statische Element ein, wodurch
die Abdichtung zustande kommt. Beim Betrieb eines neuen Triebwerks
zeigt die Labyrinthdichtung nur eine geringe oder keine Leckage.
Es sind deshalb Bypasslöcher
notwendig, um eine ausreichende Spülströmung in den vorderen Läuferhohlraum
zu gewährleisten.
Mit der Zeit führt aber
der fortgesetzte Betrieb des Triebwerks zu einer graduellen Verschlechterung
der Dichtungselemente. Dies bedeutet, dass mehr Kühlluft durch
die Labyrinthdichtungen in den vorderen Läuferhohlraum einströmt und die
Spülströmung durch
die Bypasslöcher unterstützt. Schlussendlich
genügt
die durch die Labyrinthdichtung durchtretende Luftmenge aus, um den
vorderen Läuferhohlraum
zu spülen,
womit die Notwendigkeit der Bypasslöcher kleiner wird oder sogar
entfällt.
Wegen des Vorhandenseins der Bypasslöcher, die beim im Betrieb des neuen
Triebwerks erforderlich sind, wird aber die Spülströmung in den Läuferhohlraum
größer als
notwendig, was für
die Gesamttriebwerksfunktion abträglich ist. In dem Dokument
US-A 3,411,794 ist
eine geschlitzte Ringdichtung beschrieben.
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Demgemäß besteht
ein Bedürfnis
nach einer vorderen Turbinenaußendichtung,
die eine ausreichende Spülung
des vorderen Läuferhohlraums
während
des anfänglichen
Triebwerkseinlaufes gewährleistet
und die mit den zunehmendem Verschleiß der Dichtung das Maß der Bypassluft
verringert.
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Den
vorstehend geschilderten Bedürfnissen wird
von der vorliegenden Erfindung abgeholfen, die ein umlaufendes Element,
das um eine Achse drehbar ist und wenigstens einen radial von dieser
nach außen
sich erstreckenden ringförmigen
Fortsatz trägt und
ein Statorelement aufweist, das eine erste Fläche trägt, die mit dem Fortsatz in
Berührung
kommen kann. Das Statorelement weist wenigstens einen in der ersten
Fläche
ausgebildeten Schlitz aus, wobei der Schlitz den Fortsatz axial
durchdringt so dass er einen Spülluftstrom
durchlässt.
Es können
mehr als ein solcher Schlitz verwendet werden und jeder Schlitz
ist mit Vorzug in Drehrichtung des umlaufenden Elementes unter einem
Winkel zur Umfangsrichtung angeordnet.
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Bei
Verwendung als vordere Außendichtung in
einem Gasturbinentriebwerk lässt
die erfindungsgemäße Dichtung
die Notwendigkeit gebräuchlicher Bypasslöcher entfallen
und dadurch, dass die Größe des Spülluftstroms
in den vorderen Läuferhohlraum des
Triebwerks besser an den Dichtungsverschleiß angepasst ist, verbessert
die vorliegende Erfindung die Triebwerksleistung über eine
längere
Betriebszeit.
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Andere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen unter
Bezugnahme auf die zugehörige
Zeichnung.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft
beschrieben, in der:
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1 ein
Längsschnitt
durch ein beispielhaftes Turbofan (ZTL)-Triebwerk, das mit der erfindungsgemäßen vorderen
Außendichtung
ausgerüstet
ist,
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2 eine
teilweise Querschnittsdarstellung der Hochdruckturbinenstufe des
Gasturbinentriebwerks nach 1 ist,
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3 eine
teilweise Querschnittsdarstellung der Hochdruckturbinenstufe eines
Gastriebwerks nach dem Stand der Technik ist,
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4 eine
Draufsicht auf die radial zuinnerst liegende Oberfläche eines
Statorelementes erfindungsgemäß der vorderen
Außendichtung
ist,
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5 eine
ausschnittsweise Seitenansicht auf die Stirnseite des Statorelements
nach 4 ist,
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6 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des gesamten Spülstroms in Abhängigkeit
von dem Dichtungszustand ist,
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7 eine
ausschnittsweise Querschnittsdarstellung der Hochdruckturbinenstufe
des Gasturbinentriebwerks mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen vorderen
Außendichtung
ist.
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Bezugnehmend
auf die Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen in allen Ansichten
gleiche Elemente bezeichnen, veranschaulicht 1 ein beispielhaftes
Turbofan (ZTL) Gasturbinentriebwerk 10. Wenngleich Turbofan-Triebwerke
im Stand der Technik allgemein bekannt sind, soll eine kurze Beschreibung
des Gesamtaufbaus des Triebwerks 10 und des Zusammenwirkens
der verschiedenen Komponenten das Verständnis der im Nachstehenden
beschriebenen Erfindung erleichtern. Außerdem ist darauf hinzuweisen,
dass ein Turbofan-Triebwerk
lediglich als Beispiel verwendet wird. Die erfindungsgemäße umlaufende
Dichtung kann auch bei irgendeiner anderen Art eines Gasturbinentriebwerks
verwendet werden und ist nicht auf Turbofan-Triebwerke beschränkt. In
der Tat kann die vorliegende Erfindung bei jeder Anwendung eingesetzt
werden, bei der Dichtungen zwischen sich relativ zueinander bewegenden
Komponenten benötigt
werden.
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Das
Triebwerk 10 weist um eine Längsmittelachse 12 herum
in axialer Strömungsverbindung
hintereinander liegend einen Bläser 14,
einen Booster 14, einen Booster 16, einen Hochdruckverdichter 18, eine
Brennkammer 120, eine Hochdruckturbine 22 und
eine Niederdruckturbine 24 auf. Die Hochdruckturbine 22 ist über eine
erste Rotorwelle 26 antriebsmäßig mit dem Hochdruckverdichter 18 verbunden, während die
Niederdruckturbine 24 über
eine zweite Rotorwelle 28 antriebsmäßig sowohl mit dem Booster 16 als
auch mit dem Bläser 14 verbunden
ist. Der Bläser 14 weist
eine Anzahl radial verlaufender Bläserschaufeln 30 auf,
die auf einer ringförmigen
Scheibe 32 angeordnet sind, wobei die Scheibe 32 und
die Schaufeln 30 um die Längsmittelachse 12 des
Triebwerks 10 umlaufen.
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Im
Betrieb des Triebwerks 10 tritt Umgebungsluft 34 in
den Triebwerkseinlauf ein und ein als primärer Gasstrom 36 bezeichneter
erster Teil der Umgebungsluft 34 strömt durch den Bläser 14,
den Booster 16 und den Hochdruckverdichter 18,
wobei er von jeder dieser Komponenten aufeinanderfolgend verdichtet
wird. Der primäre
Gasstrom 36 tritt sodann in die Brennkammer 20 ein,
in der die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und verbrannt wird,
um einen Strom heißer
Verbrennungsgase hoher Energie zu erzeugen. Der Gasstrom hoher Energie
strömt
durch die Hochdruckturbine 22, in der er expandiert, wobei
ihm Energie zum Antrieb des Hochdruckverdichters 18 entzogen
wird und strömt sodann
durch die Niederdruckturbine 24, wo er weiter expandiert,
wobei ihm Energie zum Antrieb des Bläsers 14 und des Boosters 16 entzogen
wird. Ein als Sekundär
oder -Bypassluftstrom 38 bezeichneter zweiter Teil der
Umgebungsluft 34 strömt
durch den Bläser 14 und
die Bläseraustrittsleitschaufeln 40 bevor
er aus dem Triebwerk durch einen Ringkanal 42 austritt,
in dem der sekundäre
Luftstrom 38 einen erheblichen Anteil des Triebwerksschubs
liefert.
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In 2 ist
ein Ausschnitt aus der Hochdruckturbine 22 veranschaulicht.
Die Hochdruckturbine 22 weist eine Turbinendüsenanordnung 44 und
einen Rotor 46 der ersten Turbinenstufe auf. Die Turbinendüsenanordnung 44 weist
einen inneren Düsenträger 48 auf,
an dem eine Anzahl sich längs
des Umfanges anschließender
Düsensegmente 50 gelagert sind.
Die Düsensegmente 50 bilden
gemeinsam eine vollständige,
sich über
360° erstreckende
Anordnung. Jedes Segment 50 weist zwei oder mehr umfangsmäßig beabstandete
Leitschaufeln (von denen in 2 lediglich
eine dargestellt ist) auf, die von den Verbrennungsgasen umströmt sind.
Die Leitschaufeln 52 sind so ausgelegt, dass sie die Verbrennungsgase
optimal zu dem Rotor 46 der ersten Turbinenstufe leiten.
Der innere Düsenträger 48 ist
ein stationäres
Element, das in dem Triebwerk 10 zweckentsprechend gelagert
ist und das einen im Wesentlichen konischen Abschnitt 54 aufweist.
Die Düsensegmente 50 sind
an dem axial und radial distalen Ende des konischen Abschnitts 54 gelagert.
Die Turbinendüsenanordnung 44 weist
außerdem
ein ringförmiges
stationäres
Dichtungselement 56 auf. Wie in 2 dargestellt,
ist das stationäre
Dichtungselement 56 einstückig, an dem axial und radial
distalen Ende des konischen Abschnitt 54 angeformt und
erstreckt sich radial nach innen. Das stationäre Dichtungselement 56 könnte alternativ
auch ein getrenntes Teil sein, das an dem konischen Abschnitt 46 starr befestigt
ist.
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Der
Rotor 46 der ersten Turbinenstufe ist hinter der Turbinendüsenanordnung 44 angeordnet
und von dieser axial beabstandet, so dass ein vorderer Läuferhohlraum 58 ausgebildet
wird. Der vordere Läuferraum 58 steht
in Fluidverbindung mit dem Turbinenströmungsweg, über den die heißen Verbrennungsgase
strömen.
Der Turbinenrotor 46 weist eine Anzahl Turbinenschaufeln 60 (von
denen lediglich eine in 2 dargestellt sind) auf, die
in geeigneter Weise auf einer Rotorscheibe 62 montiert
sind und radial nach außen
in den Turbinengasströmungsweg ragen.
Die Rotorscheibe 62 läuft
um die Mittelachse 12 um. An der Rotorscheibe 62 ist
ein ringförmiges umlaufendes
Dichtungselement 64 befestigt, das mit dieser umläuft.
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Das
umlaufende Dichtungselement 64 berührt das stationäre Dichtungselement 56,
um eine vordere Außendichtung 66 zur
Abdichtung der Verdichterabluft auszubilden, die für Kühlzwecke
von den heißen
Gasen in dem Turbinenströmungsweg abgezweigt
wird. Die vordere Außendichtung 66 ist vorzugsweise
eine umlaufende Labyrinthdichtung, die drei dünne zahnartige Vorsprünge 68, 70, 72 aufweist,
die an dem umlaufenden Dichtungselement 64 befestigt oder
einstückig
an diesem angeformt sind. Die Vorsprünge 68, 70, 72 sind
ringförmige
Elemente, die sich radial nach außen zu dem stationären Dichtungselement 56 hin
erstrecken. Die Labyrinthdichtung 66 weist außerdem drei
ringförmige
Statorelemente 74, 76, 78 auf, die an
dem stationären
Dichtungselement 56 befestigt und radial außerhalb
und umfangsmäßig rings
um die Vorsprünge 68, 70, 72 positioniert
sind.
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Diese
Komponenten sind axial derart angeordnet, dass jeder der Vorsprünge 68, 70, 72 axial
auf jeweils eines der Statorelemente 74, 76,78 ausgerichtet
ist. Das heißt,
der erste Vorsprung 68 fluchtet axial mit dem ersten Statorelement 74,
der zweite Vorsprung 70 fluchtet axial mit dem zweiten
Statorelement 76 und der dritte Vorsprung 72 fluchtet
axial mit dem dritten Statorelement 78. „Axial
fluchtend" oder „ausgerichtet" bedeutet, dass jeder
Vorsprung 68, 70, 72 in Axialrichtung
zwischen der Vorderseite und der Rückseite des entsprechenden
Statorelementes 74, 76, 78 angeordnet
ist. Der Außenumfang jedes
der Vorsprünge 68, 70, 72 läuft mit
geringer Toleranz in dem Innenumfang des entsprechenden Statorelementes 74, 76, 78 um,
wodurch eine Abdichtung zwischen der Kühlluft und den heißen Gasen
in dem Turbinenströmungsweg
erzielt wird. Die Statorelemente 74, 76,78 sind
vorzugsweise aus einem Honigwabenmaterial hergestellt, um die Reibung
und anschließende
Wärmeentwicklung
im Betrieb zu verringern. Wenn 2 auch drei
Paare von Vorsprüngen
und Statorelementen zeigt, so ist doch darauf hinzuweisen, dass
die vorliegende Erfindung nicht auf drei Paare beschränkt ist;
es könnten
mehr oder weniger als drei Paare verwendet werden.
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Die
Turbinendüsenanordnung 54 weist
einen zwischen dem konischen Abschnitt 54 und dem stationären Dichtungselement 56 des
inneren Düsenträgers 48 angeordneten
Beschleuniger 80 auf. Der Beschleuniger 80 ist
ein ringförmiges
Element, das ein innenliegendes Luftplenum 82 begrenzt.
Wie durch einen Pfeil A in 2 angedeutet,
wird Verdichterabluft in das Plenum 82 über Luftlöcher 84 eingespeist, die
in dem konischen Abschnitt 54 des inneren Düsenträgers 48 ausgebildet
sind. Diese Kühlluft
strömt axial
durch den Beschleuniger 80 und wird von diesem durch eine
Anzahl in dem hinteren Ende des Beschleunigers 80 ausgebildeter
Beschleunigerdüsen 86 zur
Kühlung
der Hochdruckturbinenschaufeln 60 abgegeben.
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Der
Beschleuniger 80 weist auch eine Anzahl hohler Rohre 88 auf,
die sich radial durch das Luftplenum 82 erstrecken, ohne
eine Fluidverbindung mit diesem zu ermöglichen. (Durch einen Pfeil B)
angedeutete zusätzliche
Kühlluft
strömt
radial durch die hohlen Rohre 88 und in die unmittelbar
vor dem stationären
Dichtungselement 56 angeordnete Kammer 90 ein.
Die Quelle der durch den Pfeil angedeuteten Kühlluft ist eine Leckage durch
die (nicht dargestellte) Verdichteraustrittsdruckdichtung (CDP) des
Triebwerks. Diese CDP-Kühlluft
ist etwas wärmer
als die durch den Beschleuniger 80 eingespeiste Schaufelkühlluft.
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Das
stationäre
Dichtungselement 56 weist eine Anzahl darin ausgebildeter
Sperrlöcher 92 (blocking
holes) auf. Die Sperrlöcher 92 sind
so angeordnet, dass sie es erlauben, dass CDP-Kühlluft in der Kammer 90 in
den zwischen den bei den zuhinterst liegenden Vorsprüngen der
Dichtung 66, d.h. zwischen dem zweiten Vorsprung 70 und
dem dritten Vorsprung 72 liegenden Hohlraum 94 einströmt. Demgemäß ist durch
die Dichtung 66 durchströmende Luft CDP-Luft und nicht
die kühlere
Schaufelkühlluft.
Die kühlere
Luft kann deshalb vollständig
zum Kühlen
der Turbinenschaufeln 60 ausgenützt werden.
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Wie
im Vorstehenden erwähnt,
wird das Einströmen
von Kühlluft
in den vorderen Läuferhohlraum 58 dazu
benötigt,
um den Hohlraum 58 zu spülen und so einen Heißgaseintritt
zu verhüten.
Dies wird bei gebräuchlichen
Gasturbinentriebwerken (vergleiche 3) dadurch
erreicht, dass eine Anzahl Bypasslöcher 301 in dem stationären Dichtungselement 356 radial
außerhalb
der vorderen Außendichtung 366 ausgebildet
sind, die es Kühlluft
in der unmittelbar vor dem stationären Dichtungselement 356 liegenden Kammer 390 erlauben,
in den vorderen Läuferraum 358 einzuströmen. Bei
der vorliegenden Erfindung sind in dem stationären Dichtungselement 56 jedoch keine
solchen Bypasslöcher
ausgebildet. Stattdessen ist das hinterste oder dritte Statorelement 78 mit einer
Anzahl von Schlitzen 96 versehen, die in seiner radial
zuinnerst liegenden Oberfläche 98,
d.h. in der Oberfläche
ausgebildet sind, die den umlaufenden Vorsperrung 72 berührt. Die
Schlitze 96 erstrecken sich von der vorderen Fläche 78a zu
der hinteren Fläche 78b des
dritten Statorelementes 78 derart, dass sie den Vorsprung 72 axial
durchdringen. Demgemäß kann Kühlluft in
dem Hohlraum 94 zwischen dem zweiten und dem dritten Vorsprung 70, 72 in
den vorderen Läuferhohlraum 58 einströmen und
diesen durchspülen.
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Wie
insbesondere aus 4 zu ersehen, die einen Teil
der radial zuinnerst liegenden Oberfläche 98 des dritten Statorelementes 78 zeigt,
sind die Schlitze 96 bezüglich der Mittelachse 12 winklig
angeordnet (d.h. die Schlitze 96 sind nicht parallel zu der
Achse 12). Die Schlitze 96 sind vorzugsweise längs des
Umfangs im Drehsinn des umlaufenden Dichtugnselementes 64 (wie
er durch einen Pfeil C in Figur angedeutet ist) winklig angeordnet.
Demgemäß wird aus
den Schlitzen 96 austretender Kühlluft ein Drall erteilt, der
die von der Luftreibung herrührende Wärmeaufnahme
in dem vorderen Läuferhohlraum 58 verringert.
Weil nämlich
die eintretende Spülluft eine
Geschwindigkeitskomponente in Rotordrehrichtung aufweist, ist die
Differenzgeschwindigkeit zwischen den umlaufenden Komponenten und
dem Spülluftstrom
kleiner als wie es sonst der Fall wäre. Demgemäß ist auch die Reibung zwischen
der Luft und den umlaufenden Komponenten kleiner, was bedeutet,
dass weniger Wärme
erzeugt wird. Der Winkel der Schlitze 96 mit der Drehrichtung
liegt vorzugsweise in dem Bereich von etwa 0 bis 70° und insbesondere
bei etwa 45° oder
mehr.
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Bezugnehmend
auf 5 ist zu ersehen, dass die Schlitze 96 vorzugsweise,
aber nicht notwendigerweise, im Querschnitt rechteckig sind. Die Tiefe
und Weite der Schlitze 96 sind so abgestimmt, dass sie
den Spülerfordernissen
im Hinblick auf die Dichtungsabriebtiefe des Statorelementes 78 entsprechen.
So wie er hier verwendet wird, bedeutet der Ausdruck „Dichtungsabriebtiefe" das Maß, um das
die Dicke eines Statorelementes wegen des Verschleißes verringert
wird, der durch Reiben an dem jeweiligen umlaufenden zahnartigen
Vorsprung hervorgerufen wird. Demgemäß veranschaulichen in 5 die
ausgezogenen Linien die ursprüngliche, herstellungsmäßige Dicke
des dritten Statorelementes 78, während die gestrichelte Linie 1 die
Dicke bei einer „Einlauf-Dichtung" (d.h. nach einer
anfänglichen
Einlauf zeit, d.h. zu dem Zeitpunkt, zu dem ein die Dichtung enthaltendes
Triebwerk ausgeliefert werden würde)
angibt und die gestrichelte Linie 2 die minimale Dicke
andeutet, bei der das Statorelement 78 ausgetauscht werden
muss. Die Tiefe und Weite der Schlitze 96 sind so gewählt, dass
die gesamte Querschnittsfläche
aller Schlitze 96 bei einer „Einlauf"-Dichtung
ausreichend groß ist,
um den Spülanforderungen
des vorderen Läuferhohlraums 58 zu genügen.
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Beim
Betrieb des neuen Triebwerks graben sich die Vorsprünge 68, 70, 72 eng
toleriert in die Statorelemente 74, 76, 78 ein,
so dass eine eng eingepasste Dichtung ausgebildet wird. Der vordere
Läuferhohlraum 58 wird
durch einen Luftstrom aus dem Hohlraum 94 gespült, der
durch die Schlitze 96 durchströmt. Im Verlauf des weiteren
Betriebs des Triebwerks 10 erfolgt ein zunehmender Verschleiß der Dichtung 66,
der zur Folge hat, dass sich Spalte zwischen den Vorsprüngen 68, 70, 72 und
den Statorelementen 74, 76, 78 öffnen. Demgemäß leckt
nun mehr Kühlluft
durch die Labyrinthdichtung 66 in den vorderen Läuferraum 58.
Wenn aber die Statorelemente 74, 76, 78 verschleißen, nimmt
aber auch die Größe der Schlitze 96 konstant
ab. Während
somit die Menge der durch die Dichtung 66 leckenden Spülluft zunimmt,
nimmt die Menge der durch die Schlitze 96 durchströmenden Spülluft ab.
Dieser Effekt ist in 6 veranschaulicht, die ein Diagramm wiedergibt,
welches die Gesamtspülströmung als Funktion
des Dichtungszustands veranschaulicht. Wie in dem Diagramm dargestellt,
deutet die gestrichelte Linie 3 die Größe der Spülströmung bei einer bekannten Dichtung
und einer Bypassanordnung etwa nach 3 an, während die
gestrichelte Linie 4 die Größe der Spülströmung bei einer Anordnung wiedergibt,
die lediglich eine bekannte Dichtung aufweist und die ausgezogene
Linie 5, die Spülströmung dar stellt,
die sich bei der geschlitzten Dichtung der vorliegenden Erfindung
ergibt.
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Bei
der bekannten Dichtungs- und Bypasslochanordnung der gestrichelten
Linie 3 beginnt der Spülstrom
auf dem gewünschten
Niveau P, wenn die Dichtung neu ist, doch übersteigt der Spülstrom mit zunehmendem
Verschleiß der
Dichtung rasch das gewünschte
Niveau. Dieser übermäßiger Spülstrom kann
für die
gesamte Triebwerksfunktion nachteilig sein. Bei der lediglich eine
Dichtung aufweisenden bekannten Anordnung der gestrichelten Linie 4 liegt der
anfängliche
Spülstrom
wesentlich unterhalb des gewünschten
Niveaus, wenn die Dichtung neu ist und erreicht das gewünschte Niveau
erst gegen Ende der Verschleißlebenszeit
der Dichtung. Diese Dichtung krankt somit daran, dass sie über einen
großen
Teil der Lebensdauer der Dichtung keinen Spülstrom auf akzeptablen Niveau
liefert. Bei der durch die ausgezogene Linie 5 angegebenen
vorliegenden Erfindung setzt der Spülstrom auf dem gewünschten
Niveau, wenn die Dichtung neu ist, ein. Weil aber die Größe der Schlitze 96 mit
dem Verschleiß der
Dichtung abnimmt, steigt das Spülstromniveau
im Gegensatz zu dem Fall der gestrichelten Linie 3 lediglich
geringfügig
während
der Lebensdauer der Dichtung an. Die vorliegende Erfindung vermeidet
somit weitgehend das Problem einer übermäßigen Spülströmung in dem Läuferhohlraum
wie es bei bekannten Gasturbinentriebwerken auftritt, womit sie
die gesamte Triebswerkfunktion verbessert.
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Nochmals
auf 5 bezugnehmend, liegt die Tiefe der Schlitze 96 oberhalb
der gestichelten Linie 2, der Dichtungsabriebtiefe, bei
der das Statorelement 78 ausgetauscht werden muss. Demgemäß sind zu
einem bestimmten Zeitpunkt während
der betriebsmäßigen Lebenszeit
des Statorelementes die Schlitze 96 vollständig eliminiert
und die gesamte Spülströmung in
dem vorderen Läuferhohlraum 58 rührt von
der Leckage durch die Dichtung 66 her. Alternativ kann
die Tiefe der Schlitze 96 unterhalb die gestrichelte Linie 2 reichend
ausgebildet sein, so dass während
der Betriebslebensdauer des Statorelementes 78 immer noch
eine gewisse Schlitzströmung
vorhanden bleibt. Ob die Schlitztiefe oberhalb oder unterhalb der
minimalen Dichtungsabriebtiefe liegt, hängt von den speziellen Spülströmungserfordernissen
des Triebwerks 10 ab, in dem die Dichtung 66 verwendet
wird.
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Bezugnehmend
auf 7 ist dort eine zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist das stationäre Dichtungselement 56 eine
Anzahl darin ausgebildeter Sperrlöcher 92 auf, die es
CDP-Kühlluft
aus der Kammer 90 gestatten, in den zwischen dem ersten
Vorsprung 68 und dem zweiten Vorsprung 70 definierten
Hohlraum 102 einzuströmen.
Um einen Spülluftstrom
von dem Hohlraum 102 zu dem vorderen Läuferhohlraum 58 hin
zu erreichen, ist das zweite Statorelement 76 mit einer
Anzahl Schlitze 104 versehen, die in dessen radial zuinnerst
liegenden Oberfläche 106,
d.h. in der Oberfläche
ausgebildet sind, die den zweiten umlaufenden Vorsprung 70 berührt. Wie
bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist das dritte Statorelement 78 mit
einer Anzahl Schlitze 96 versehen, die in seiner radial
zuinnerst liegenden Oberfläche 98 ausgebildet
sind. Beide Sätze
Schlitze 104, 96 erstrecken sich von der jeweiligen
Vorderfläche 76a, 78a zu
der jeweiligen hinteren Fläche 76b, 78b des
jeweiligen Statorelementes 76, 78, so dass sie
den entsprechenden Vorsprung 70 bzw. 72 axial überqueren.
Demgemäß strömt CDP-Kühlluft aus
der Kammer 90 durch die Speerlöcher 92 in den Hohlraum 102 und
dann durch die Schlitze 104 in den Hohlraum 194 und
schließ lich durch
die Schlitze 96 in den vorderen Läuferhohlraum 58 ein,
wobei sie diesen spült.
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Die
Schlitze 104 sind ähnlich
den oben beschriebenen Schlitzen 96, insoweit als sie bezüglich der
Mittelachse 12 winklig angeordnet sind und zwar vorzugsweise
umfangsmäßig im Drehsinn
des umlaufenden Dichtungselementes 64. Wie bei den Schlitzen 96 sind
die Tiefe und Weite der Schlitze 104 so gewählt, dass
ihre gesamte Querschnittsfläche
im Einlaufzustand der Dichtung ausreicht, um den Spülerfordernissen
des vorderen Läuferhohlraums 58 zu genügen. Mit
zunehmendem Verschleiß des
zweiten Statorelementes 76 nimmt auch die Größe der Schlitze 104 konstant
ab, so dass die Menge der durch die Dichtung 66 durchtretenden
Leckagespülluft
zunimmt, während
die Menge der durch die Schlitze 104 durchströmenden Spülluft abnimmt.
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Bei
einer weiteren Alternative ist es möglich, eine Konfiguration ohne
Sperrlöcher
zu haben. In diesem Falle wären
alle Statorelementen mit einer Anzahl Schlitze versehen, die in
ihren radial zuinnerst liegenden Oberflächen so ausgebildet sind, dass Spülluft aus
dem Hohlraum 108 (7) die Spülung des
Läuferhohlraums
ermöglichen.
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Im
Vorstehenden wurde eine vordere Außendichtung von Gasturbinentriebwerken
beschrieben, die einen zweckentsprechenden und nicht übermäßigen Strom
von Spülluft
in den vorderen Läuferhohlraum
während
der gesamten Betriebszeit des Triebwerks ergibt.