DE60020450T2 - Rotierende Dichtung - Google Patents

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Gulcharan Singh West Chester Brainch
John Christopher Lawrenceburg Brauer
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type

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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein umlaufende Dichtungen und mehr im Einzelnen eine umlaufende Dichtung zur Verwendung als vordere Außendichtung eines Gasturbinentriebwerks.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft beschrieben, in der:
  • 1 ein Längsschnitt durch ein beispielhaftes Turbofan (ZTL)-Triebwerk, das mit der erfindungsgemäßen vorderen Außendichtung ausgerüstet ist,
  • 2 eine teilweise Querschnittsdarstellung der Hochdruckturbinenstufe des Gasturbinentriebwerks nach 1 ist,
  • 3 eine teilweise Querschnittsdarstellung der Hochdruckturbinenstufe eines Gastriebwerks nach dem Stand der Technik ist,
  • 4 eine Draufsicht auf die radial zuinnerst liegende Oberfläche eines Statorelementes erfindungsgemäß der vorderen Außendichtung ist,
  • 5 eine ausschnittsweise Seitenansicht auf die Stirnseite des Statorelements nach 4 ist,
  • 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des gesamten Spülstroms in Abhängigkeit von dem Dichtungszustand ist,
  • 7 eine ausschnittsweise Querschnittsdarstellung der Hochdruckturbinenstufe des Gasturbinentriebwerks mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen vorderen Außendichtung ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. Umlaufende Dichtung (66), die aufweist: – einen umlaufendes Element, das zum Umlauf um eine Achse (12) eingerichtet ist und wenigstens einen von ihm aus radial nach außen sich erstreckenden ringförmigen Vorsprung (68, 70, 72) aufweist; und – ein Statorelement (74, 76, 78), das eine erste Oberfläche (98), die so angeordnet ist, dass sie mit dem Vorsprung (68, 70, 72) in Berührung steht, eine nach vorne weisende Oberfläche (76a, 78a) und eine nach hinten weisende Oberfläche (76b, 78b) aufweist, wobei eine Anzahl Schlitze (76) in der ersten Oberfläche (98) ausgebildet sind und dadurch gekennzeichnet, das jeder der Schlitze (96) von der nach vorne weisenden Oberfläche (76a, 78a) zu der nach hinten weisenden Oberfläche (76b, 78b) über den Bereich des Vorsprungs (68, 70, 72) sich erstreckt.
  2. Dichtung (66) nach Anspruch 1, bei der die Schlitze (96) nicht parallel zu der Achse (12) sind.
  3. Dichtung (66) nach Anspruch 2, bei der die Schlitze (96) in Umfangsrichtung in Richtung des Drehsinns des umlaufenden Elementes (64) schräg liegend angeordnet sind.
  4. Dichtung (66) nach Anspruch 1, bei der das Statorelement (74, 76, 78) ein ringförmiges Element ist, das radi al außerhalb von rings um den Vorsprung (68, 70, 72) angeordnet ist.
  5. Dichtung (66) nach Anspruch 1, bei der das umlaufende Element (64) zusätzliche ringförmige Vorsprünge (68, 70, 72) aufweist, die von ihm aus radial nach außen sich erstrecken, die außerdem zusätzliche Statorelemente (74, 76, 78) aufweist, die radial außerhalb rings um die zusätzlichen Vorsprünge (68, 70, 72) herum angeordnet sind.
  6. Dichtung (66) nach Anspruch 5, bei der jedes der Statorelemente (74, 76, 78) an einem stationären Element (56) befestigt ist.
  7. Dichtung (66) nach Anspruch 6, bei der das stationäre Element (56) wenigstens ein darin ausgebildetes Loch (92) zur Einspeisung von Kühlluft in einen Hohlraum (94) aufweist, der zwischen der zwischen dem ersten Vorsprung (68, 70, 72) und einem daran anschließenden Vorsprung der zusätzlichen Vorsprünge (68, 70, 72) definiert ist.
  8. Dichtung (66) nach Anspruch 5, bei der jedes der zusätzlichen Statorelemente (74, 76, 78) eine erste Oberfläche (98, 106) aufweist, die so angeordnet ist, dass sie mit einem entsprechenden zusätzlichen Vorsprung (68, 70, 72) in Berührung steht und wenigstens eines der zusätzlichen Statorelemente (74, 76, 78) wenigstens einen in seiner ersten Oberfläche (98, 106) ausgebildeten Schlitz (96, 104) aufweist, wobei der Schlitz (96, 104) den entsprechenden zusätzlichen Vorsprung (68, 70, 72) axial überquert.
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