-
Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der Gasturbinenmotoren und betrifft
insbesondere eine Dichtungsvorrichtung mit einer Labyrinthdichtung
für einen
drehenden Teil des Motors, der sich im Bereich der Brennkammer befindet.
-
Diese
Erfindung betrifft insbesondere Motoren, bei denen eine Labyrinthdichtung
die Dichtigkeit zwischen dem aus dem Hochdruckverdichter austretenden
Gasstrom und dem Zwischenraum unter der Brennkammer, der von dem
Diffusorgehäuse
direkt hinter dem Hochdruckverdichter und der Welle des Motors begrenzt
wird.
-
Eine
Labyrinthdichtung besteht aus einem zylindrischen Teil, das fest
mit dem Rotor verbunden ist und koaxial zur Drehachse des Motors
verläuft.
An diesem Teil sind eine Vielzahl von Elementen, Zungen genannt,
in Form von Umfangsplättchen
angebracht, die im rechten Winkel zur Motorachse liegen, eine spitz
zulaufende freie Kante haben und parallel zueinander angeordnet
sind. Die Plättchen
wirken mit einem zylindrischen Teil zusammen, das fest mit dem Stator
verbunden ist. Jedes Plättchen
wird in geringem Abstand zu diesem mit dem Stator verbundenen Teil
gehalten und bildet eine Verengung für jeden Flüssigkeitsabfluss, der sich
aus einem Druckunterschied diesseits und jenseits der Dichtung ergibt.
Das zwischen den beiden Teilen bestehende Spiel bestimmt die Menge
des Lecks durch die Labyrinthdichtung. Um zu verhindern, dass die
drehbaren Plättchen
im Falle einer Berührung
beschädigt
werden, ist das mit dem Stator verbundene zylindrische Element mit
einem Verschleißteil
aus einem Werkstoff überzogen,
der geeignet ist, sich vorzugsweise gegenüber dem Werkstoff, der die
Plättchen
bildet, zu verformen. Es handelt sich beispielsweise um einen wabenartigen
Werkstoff oder einen Werkstoff der Art, wie er mit dem einschlägigen Begriff
Abriebstoff bezeichnet wird.
-
Bei
der oben angeführten
Labyrinthdichtung wird dieses Mittel dazu genützt, die aus dem Verdichter
austretende Luftmenge zu kontrollieren, die diesen durchströmt und zu
den Lüftungsmitteln
für die Turbinenscheibe
geleitet wird, die sich unmittelbar hinter der Brennkammer befindet.
Diese Luft stammt aus dem Zwischenraum zwischen der beschaufelten Rotorscheibe
des Hochdruckverdichters und dem Diffusor. Der in dem Zwischenraum
unmittelbar hinter dieser Entnahme herrschende Druck wird durch
die Verengung bestimmt, die von dem Labyrinth gebildet wird. Es
ist festzustellen, dass der Druck für den Rotor schädlichen
Fluktuationen unterliegt, wenn das Spiel Veränderungen erfährt, die
durch eine nicht kontrollierte Ausdehnung der Plättchen der Dichtung verursacht
werden. Es besteht also ein Bedarf, das radiale Spiel des Labyrinths
zu beherrschen.
-
Während bestimmter
Betriebsphasen des Motors wie beispielsweise der Beschleunigung
kann die aus dem Verdichter kommende Luft in einem sehr kurzen Zeitraum
einen bedeutenden Temperaturanstieg erfahren. Der mit dem Stator
verbundene Teil der Dichtung ist einer hohen Temperatur ausgesetzt, während die
mit dem Rotor verbundenen Elemente der Dichtung, die tiefer im Motor
sitzen, dem weniger ausgesetzt sind. So ergibt sich in dem Maße, wie
die beiden Teile der Dichtung sich nicht in gleicher Weise ausdehnen,
eine Tendenz zu einer bedeutenden Öffnung des Spiels. Man ist
also bestrebt, das radiale Spiel des Labyrinths zu steuern.
-
In
der Patentschrift
US 4 554 789 ist
ein Mittel zur Minimierung des Wärmeausdehnungsunterschieds
zwischen den beiden Organen der Dichtung beschrieben, das es auf
diese Weise ermöglichen soll,
während
aller Betriebsphasen des Motors ein reduziertes Spiel zu bewahren.
Es wird Luft hinter dem Diffusor des Verdichters entnommen und durch Öffnungen,
die in dem inneren Diffusorgehäuse
der Brennkammer ausgeführt
sind, in einen ringförmigen Hohlraum
geführt,
der das mit dem Stator verbundene Element der Dichtung umgibt. Die Öffnungen
sind dergestalt angeordnet, dass sie Kühlungsluftströme erzeugen,
die durch Auftreffen auf die Außenwand der
Verschleißteile
der Dichtung kühlen.
In den Übergangsphasen
zwischen den Betriebsarten erwärmt diese
Luft, die dann eine höhere
Temperatur hat, diese Wand. So erfüllt diese Luft die Funktion
einer Klimaanlage und gewährleistet
eine Steuerung der Ausdehnung des Spiels. Sodann wird die Luft von
diesem Hohlraum durch kalibrierte Öffnungen direkt in den Zwischenraum
zwischen dem Stator und den Plättchen
des Rotors geführt,
wo sie die Kühlung
der Letzteren gewährleistet.
-
Es
ist zu beobachten, dass der Ring, der die Verschleißteile trägt, einen
hinteren Flansch aufweist, mit dem er an einem Flansch befestigt
ist, der fest mit der Wand des Diffusorgehäuses in der Brennkammer verbunden
ist.
-
Ferner
ist die Patentschrift
US 5 333
993 bekannt, die eine Labyrinthdichtung betrifft, die zwischen
dem Hochdruckverdichter und der Hochdruckturbine angeordnet ist.
Um das mit dem Stator verbundene Organ der Dichtung, das die wabenförmigen Elemente
trägt,
ist ein Zwischenraum mit nicht gekühlter Luft ausgeführt. In
diesem Zwischenraum sind Ringe um dieses Tragteil herum angeordnet.
Sie sind aus einem Werkstoff ausgeführt, der einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist als das Dichtungssegment. Auf diese Weise wird während der
Beschleunigungsphasen des Motors ein minimales Spiel zwischen den
Plättchen
und dem wabenförmigen
Werkstoff gewährleistet.
-
Mit
dieser Erfindung wird eine Lösung
angestrebt, mit der die thermische Reaktion der Dichtung während der
Betriebsübergangsphasen
des Motors beherrscht wird, um die Lebensdauer der Dichtung zu erhöhen.
-
Ferner
liegt dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine höhere Stabilität des Luftabflusses durch
die Dichtung hindurch zu gewährleisten,
so dass die Druckschwankungen bei der Entnahme am Verdichter eingeschränkt werden.
-
Diese
Aufgaben werden gemäß dieser
Erfindung mit einer Labyrinthdichtung für einen Gasturbinenmotor gelöst, der
von vorn nach hinten einen Hochdruckverdichter, einen Diffusor und
ein feststehendes Wandelement aufweist, welches mindestens einen
Teil der Innenhülle
der Brennkammer bildet, wobei diese Dichtung ein Statorteil umfasst,
das an dem Wandelement durch ein Befestigungsmittel mit Flanschen
angebracht ist und ein ringförmiges
Verschleißteil
trägt,
wobei dieses Verschleißteil
mit einem Rotorelement zusammenwirkt, das mit Umfangsplättchen versehen
ist und mit dem Rotor des Verdichters fest verbunden ist, um die
Dichtigkeit des Labyrinths herzustellen, wobei die Labyrinthdichtung dadurch
gekennzeichnet ist, dass zumindest einer der Flansche dieses Befestigungsmittels
eine ausreichende Masse aufweist, um während der Beschleunigungen
des Motors die Dehnungsgeschwindigkeit des Statorteils und die Dehnungsgeschwindigkeit des
Rotorelements einander anzugleichen.
-
Auf
diese Weise ermöglicht
es die Erfindung durch ein einfaches Mittel, das Problem der Kontrolle des
Spiels in der Labyrinthdichtung zu lösen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform enthält das Wandelement
Lüftungsöffnungen,
die in unmittelbarer Nähe
des Befestigungsmittels angeordnet sind. Dadurch, dass die Luft
unmittelbar hinter der letzten Stufe des Verdichters entnommen wird und
die kalibrierten Öffnungen
sinnvoll angeordnet werden, wird die Dehnung des Stator verbundenen Elements
während
der Betriebsübergangsphasen des
Motors problemlos kontrolliert.
-
Vorteilhafterweise
weist das mit dem Stator verbundene Teil der Dichtung einen ersten
Teil auf, der das Verschleißteil
ummantelt und nach hinten von einem zweiten, ringförmigen Teil
fortgesetzt wird, das fest mit einem radialen Befestigungsflansch
an seiner Außenseite
verbunden ist, wobei dieser äußere Befestigungsflansch
mit einem inneren Befestigungsflansch zusammenwirkt, der fest mit
dem genannten Wandelement verbunden ist, um das Befestigungsmittel
zu bilden.
-
Der
zweite Teil des mit dem Stator verbundenen ringförmigen Teils, das Befestigungsmittel
und das Wandelement bilden einen ersten Hohlraum. Insbesondere wird
der erste Hohlraum durch die Lüftungsöffnungen
versorgt.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal bildet der erste Teil des mit dem Stator verbundenen
ringförmigen
Teils mit diesem Wandelement einen nach vorn offenen Durchgang,
wobei die von den Lüftungsöffnungen
kommende Luft in den ersten Hohlraum und dann in diesen Durchgang
geführt
wird, bevor sie vor der Labyrinthdichtung abgelassen wird. Durch
diese Vorrichtung wird ein ständiges
Bestreichen des ersten Teils, der das Tragelement des Verschleißteils bildet,
gewährleistet,
was dazu beiträgt,
dieses Teil gegenüber
den Temperaturschwankungen zu stabilisieren, die sich aus Erwärmungen
aufgrund möglicher Reibungen
ergeben.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal wird der zweite, ringförmige Teil hinter dem Flansch
von einem dritten Teil fortgesetzt, wobei dieser zweite Teil und
dieser dritte Teil eine Führungsleitung
für Leckluft des
Verdichters bilden, die von der Wand des Mantels der Brennkammer
entfernt ist. Insbesondere bildet der dritte Teil mit dem Wandelement
des Mantels der Brennkammer einen zweiten Hohlraum.
-
Die
Erfindung sowie weitere Vorteile gehen näher aus der folgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hervor, die anhand von Zeichnungen erfolgt, wobei
-
Die
einzige Figur in einem axialen Schnitt eine Teilansicht eines Gasturbinenmotors
mit einer erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung
zeigt.
-
Der
in der einzigen Figur dargestellte Motor weist von links nach rechts,
d. h. von vorn nach hinten, bezogen auf die Strömungsrichtung der Gasströme, einen
Rotor 2 mit einer Verdichterscheibe 4 auf, an
der die Schaufeln weggelassen wurden. Es handelt sich hier um den
Hochdruckverdichter, der mit einem Diffusor kommuniziert, welcher
von feststehenden Schaufeln 6 gebildet wird. Von dieser
Stufe ab wird die Luft in den abgeschlossenen Raum 7 eingeführt, der
die Brennkammer 8 beinhaltet. Es ist nur einen Teil des
vorderen Endes der Kammer 8 zu sehen. Der abgeschlossene
Raum 7 der Kammer umfasst eine Innenwand 10, die
sich an die Stufe 6 unter den Plattformen 61 anschließt. Die
Wand 10 ist fest mit einer hinteren Wand 11 verbunden,
die nur teilweise zu sehen ist und die sich bis zum Eintritt der Stufe
der (nicht dargestellten) Hochdruckturbine fortsetzt. Die Turbine
sitzt auf der gleichen Rotorwelle 2, die sie antreibt.
Sie wird ihrerseits durch die aus der Brennkammer kommenden Gase
angetrieben.
-
Eine
Dichtung 41 ist in der Nähe der Luftbahn zwischen der
Scheibe 4 und den Schaufeln 6 des Diffusors ausgeführt. Die
Leckluft F wird nach hinten geführt,
wo sie insbesondere zur Kühlung
von mit der Turbine verbundenen Teilen verwendet wird. Die Menge
dieses Luftstroms wird dadurch eingeschränkt, dass eine Labyrinthdichtung 20 in
dem Zwischenraum unter der Brennkammer angeordnet ist.
-
Diese
Dichtung 20 umfasst ein ringförmiges Rotorelement 28,
das an seiner Außenseite
mit mehreren radialen Plättchen 28A versehen
ist, in diesem Fall fünf,
die am Umfang und parallel zueinander angeordnet sind. Es könnte auch
nur ein einziges Plättchen
vorgesehen sein. Die Dichtung umfasst ferner ein Statorelement 22.
Dieses weist einen ersten Teil 22A auf, der ein Verschleißteil 23 trägt. Das
Verschleißteil,
das in einem oder in mehreren Teilen ausgeführt sein kann, umhüllt die
Plättchen 28A mit
einem bestimmten Abstand, der das Spiel der Dichtung darstellt.
Im Betrieb strömt
die Luft je nach Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der
Dichtung von dem Hochdruckbereich vorn zu dem Bereich mit geringerem
Druck nach hinten. Diese Leckmenge ist abhängig von dem Spiel. Das Verschleißteil 23 ist aus
einem sogenannten Abrieb-Werkstoff hergestellt, dessen mechanischer
Widerstand ausreichend gering ist, um nachzugeben oder zu erodieren,
wenn die Plättchen
versehentlich aneinander reiben.
-
Das
Statorelement umfasst einen zweiten Teil 22B und einen
dritten Teil 22C. Sie sind ringförmig und der eine in der Verlängerung
des anderen angeordnet. Ein radialer Umfangs-Befestigungsflansch 25 ist
an der Außenseite
des Elements 22 angeschweißt oder auf beliebige andere
Art befestigt. Der Flansch 25 ist durch Bolzen 27 an
einem radialen Umfangs-Befestigungsflansch 26 befestigt,
der fest mit der Innenseite des Wandelements 10 verbunden ist.
Zusammen bilden die Flansche und Bolzen das Befestigungsmittel 24 zur
Befestigung des Statorelements 22 an dem Wandelement 10.
Vorteilhafterweise sind die Elemente 22B und 22C so
miteinander geformt, dass sie mit der Wand des Rotors 2 einen ringförmigen Kanal
mit einer bestimmten Öffnung umgrenzen.
Diese Ausrundung gewährleistet
die Führung
der Leckluft, die von dem Verdichter kommt und nach hinten zirkuliert,
sowie eine möglichst
wenig gestörte
Strömung.
Sie verringert das Erwärmen der
Luft.
-
Wie
in der Figur zu sehen ist, grenzen die Elemente 22B, 10 und 24 zwischen
sich einen ersten ringförmigen
Hohlraum C1 ein. Die Höhe
dieses Hohlraums C1 zwischen den Wänden 22B und 10 ist durch
die Höhe
des Befestigungsmittels 24 bestimmt. Hinter dem Befestigungsmittel 24 bilden
die Wandelemente 22C und 10 zwischen sich einen
zweiten Hohlraum C2. Diese Innenverkleidung bietet den zusätzlichen
Vorteil, die in der Nähe
des Rotors zirkulierende Luft zu isolieren.
-
In
der Wand 10 sind unmittelbar vor dem Flansch 26 kalibrierte
Lüftungsöffnungen
oder -Löcher 10A vorgesehen.
Sie sind so ausgerichtet, dass sie den Hohlraum C1 speisen. Diese
Löcher 10A sind vorteilhafterweise
so geneigt, dass sie den Strom in eine anfängliche Vor-Rotation versetzen.
Sie sind so nahe wie möglich
an dem Flansch angeordnet, um diesen Flansch zu kühlen, der
das Verschieben des Labyrinths zur Regulierung des Spiels steuert.
Die Luft, die in dem Hohlraum C1 zirkuliert ist, wird zu dem Durchgang
geführt,
der zwischen den Wandelementen 10 und dem Statorelement 22A gebildet
ist. So gewährleistet
der Hohlraum C1 die Lüftung
oberhalb des abriebfähigen
Tragelements, um das Tragelement zu kühlen. Die Schwenkbewegung des
Letzteren ist so beschränkt,
dass sich ein praktisch gleichbleibendes Spiel an den fünf Plättchen oder Zungen
ergibt. Die Erwärmung
der Labyrinthdichtung wird durch die Kontakte zwischen den Zungen
und dem Abriebwerkstoff abgeführt.
-
Die
Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung
ist wie folgt.
-
Während der
Beschleunigungsphasen des Motors hat die aus dem Verdichter kommende
Luft eine hohe Temperatur. Dadurch, dass ein massiver Flansch 25 oder 26 gewählt wird,
der eine große
thermische Trägheit
besitzt, wird die Reaktionszeit der Ausdehnung des Statorelements 22A verlängert. Daraus
ergibt sich, dass das Spiel zwischen dem Stator 22A und
dem Element 23 die Tendenz hat, sich weniger zu öffnen, was
dazu führt,
dass die Leckmenge geringer und die Leistung höher ist.
-
Die
Luftmenge wird durch eine Anordnung und ein Kalibrieren der Lüftungsöffnungen
10A dergestalt gesteuert, dass die Ausdehnung des Stators mit der
des Rotors einhergeht. Insbesondere der Durchlassquerschnitt des
Hohlraums C1 ist größer oder
zumindest gleich dem Querschnitt der Löcher 10A, um die Durchlässigkeit
des Systems nicht zu vermindern. Die Löcher 10A regeln die
Kühlungs-Durchflussmenge
für das
Labyrinth. Durch den ersten Hohlraum C1 ist ferner entlang der Teile 22B und 24 eine
bessere Homogenisierung der Temperatur möglich.
-
Im
Dauerbetrieb wird die Kühlung
des Statorelements durch das Bestreichen des ringförmigen Bereichs
um das Statorelement 22A herum unter der Wand 10 gewährleistet.