DE68912116T2

DE68912116T2 - Segmentierte dichtungsplatte für turbinenmotor.

Info

Publication number: DE68912116T2
Application number: DE90900628T
Authority: DE
Inventors: Derek Harris; Stacey Light
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2009-11-17
Also published as: DE68912116D1; JPH03505247A; EP0401342A1; EP0401342A4; EP0401342B1; US4932207A; WO1990007641A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Turbinen und insbesondere auf Dichtungen, die verwendet werden, um bei Turbinen, mit radialen Ausgangsverdichtern und radialen Eingangsturbinen den Verdichter und Turbinenabschnitte zu isolieren.

Hintergrund der Erfindung

In vielen Turbinen-Aggregaten des Typs mit radialen Ausgangsverdichtern, die mit radialen Eingangsturbinen verbunden sind, sind der Verdichter und das Turbinenrad aus Gründen der Kompaktheit Rücken an Rücken angeordnet. Zur thermischen Isolation ist normalerweise ein enger ringförmiger Spalt zwischen den beiden eingehalten. Das heißt, der Spalt ist vorgesehen, um zu verhindern, daß übermäßige Wärmemengen vom Turbinenrad zum Verdichter infolge der Aufheizung des Turbinenrades durch die heißen Verbrennungsgase übertragen wird.
Während der Spalt eine solche Aufgabe löst, erzeugt er gleichzeitig dadurch Schwierigkeiten, daß er abgedichtet werden muß, um zu verhindern, daß komprimiertes Gas von der Verdichterseite der Maschine zur Turbinenseite der Maschine durch diesen Spalt an der Schnittstelle zwischen dem Rotor und dem Stator der Maschine strömt. Außerdem muß die Abdichtung eines solchen Spaltes so sein, daß die Dichtung selbst nicht übermäßig große Mengen Hitze von der Turbinenseite zur Verdichterseite der Maschine überträgt.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist es bekannt, eine aus zwei Komponenten hergestellte ringförmige Dichtung vorzusehen. Eine erste ist eine vordere Dichtungsplatte, die durch geeignete Mittel mit dem Stator des Motors auf der Verdichterseite verbunden ist und die sich in Richtung des Zwischenraumes zwischen dem Verdichter und der Turbine erstreckt und dabei fast die Grenze des Zwischenraumes an seinem radial inneren Rand berührt. Diese Dichtungsplatte hält Gasströmungen von der Verdichterseite zur Turbinenseite der Maschine in der gewünschten Menge niedrig (häufig ist eine geringe Menge an Gasströmung bevorzugt zur Rotorkühlung vorzusehen). Dennoch ist sie nicht geeignet, einen Wärmeübergang von der Turbinenseite zur Verdichterseite der Maschine zu verhindern.
Um eine solche Wärmeübertragung zu minimieren weisen bekannte Dichtungen zusätzlich ein sogenanntes Diaphragma auf, das ein relativ dünnes ringförmiges Metallstück ist, welches auf der vorderen Dichtungsplatte nahe bei dessen äußerer radialen Peripherie angeordnet ist, und sich von dort radial nach innen erstreckt, wobei die radial innere Kante in geeigneter Weise an der Dichtungsplatte angeordnet ist. Der Hauptkörper des Diaphragmas ist von der Dichtungsplatte beabstandet und bildet dadurch ein Luftloch zwischen den beiden, das Wärmeübertragung von der Turbinenseite zur Verdichterseite deutlich behindert.
Während des Betriebs der Maschine werden an der Turbinenseite extrem hohe Temperaturen erzeugt. Infolgedessen unterliegen die Dichtplatte und das Diaphragma einer Temperaturwechselbeanspruchung, und insbesondere das Diaphragma erfährt deutliche Wärmeausdehnungen während des Prozesses. Weiterhin existiert radial über die Dichtung ein beträchtlicher Temperaturgradient. Diese beiden Faktoren führen zur Verwindungen des Diaphragmas während unterschiedlicher Betriebsbedingungen und erzeugen Risse, die möglicherweise zum Ausfall führen. Um bei solch einer Verwindung den Kontakt zwischen dem Turbinenrad und dem Diaphragma zu verhindern, muß zwischen beiden ein relativ großer Abstand eingehalten werden. Natürlich führt die Einhaltung eines relativ großen Abstandes zu einer Vergrößerung des Leckdurchflußweges zwischen der Turbine und der Dichtplatte. Das natürliche Ergebnis ist anwachsende Leckage und sinkender Wirkungsgrad der Maschine.
Das US-Patent US-A-4482303 offenbart ein scheibenförmiges Bauteil, das im wesentlichen den Raum zwischen dem Verdichter und der Turbine ausfüllt. Das Bauteil hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und dient damit zusätzlich zu der zwischen dem Verdichter und der Turbine vorgesehenen Dichtung als Wärmeisolator. Das US-Patent US- A-4009568 offenbart ein Turbinengerüst, bei dein der Verdichter und die Turbine weiter auseinanderliegen mit einem dazwischen angeordneten Lager. An der Lagerstütze gesichert ist eine konische Trägerplatte für eine hintere Dichtplatte der Turbine. Die Trägerplatte ist so geformt, daß sie eine Wärmeausdehnung der hinteren Dichtplatte gestattet, um Gasleckage zu minimieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die grundsätzliche Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Turbinenaggregat zu schaffen. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Turbinenaggregat des Typs mit radialem Ausgangsverdichter und radialer Eingangsturbine mit einer verbesserten Dichtplatte zu schaffen, wobei der Abstand zwischen der Dichtplatte und der Turbine minimiert werden kann, um Funktionsverluste zu reduzieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung löst die vorstehende Aufgabe an einem Turbinenaggregat mit radialem Ausfluß, Kreiskolbenverdichter und einem radialen Einströmturbinenrad. Einrichtungen kuppeln den Verdichter und das Turbinenrad in geringem Abstand in einer Rücken-an-Rücken-Beziehung, so daß das Turbinenrad den Verdichter antreibt. Ein Gehäuse umgibt den Verdichter und das Turbinenrad, und eine stationäre Dichtung ist an dem Gehäuse angeordnet. Die stationäre Dichtung erstreckt sich in den Raum zwischen dem Verdichter und dem Turbinenrad und weist einen zum Verdichter benachbarten Hauptdichtungs- und Stützabschnitt und einen zum Turbinenrad benachbarten Isolierabschnitt auf und ist auf dem Hauptstützabschnitt im wesentlichen aber hiervon beabstandet befestigt. Der Isolierabschnit weist eine Vielzahl von Segmenten auf, die auf eine kreisförmige Anordnung verteilt und untereinander winkelbeweglich sind, mit Einrichtungen zum Abdichten zueinander angrenzender Segmente.
Als Ergebnis des Vorstehenden, ist zwar das notwendige Luftloch zur thermischen Isolation vorgesehen, aber die Abschnitte können sich in Umfangs- und Radialrichtungen thermisch ausdehnen. Weil sie zueinander bewegbar sind, kann die thermische Ausdehnung ohne Verwindung erfolgen der Abstand zum Turbinenrad kann unbeschränkt minimiert werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Segmente im wesentlichen tortenförmig und die zwischen ihnen vorgesehenen Dichtungseinrichtungen haben eine Nut- und Federverbindung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Segmente durch Mittel an dem Hauptabschnitt befestigt, die zusätzlich eine Wärmeausdehnung in radialer Richtung erlauben.
Die die Wärmeausdehnung erlaubenden Einrichtungen weisen ebenfalls Nut- und Federverbindungen auf.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Einrichtungen auf einer Seite des Hauptabschnitts und des Gehäuses angeordnet, um Winkelbewegungen der Segmente auf dem Hauptabschnitt zu begrenzen.
In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die begrenzenden Einrichtungen radiale Schlitze in mindestens einigen der Sekmente mit in den Schlitzen vorhandenen Stiften aufweisen. Die Stifte werden je nach Wunsch entweder von dem Haupabschnitt oder dem Gehäuse getragen.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes der Segmente ein Laminat mit einer dem Turbinenrad zugewandten Lage und einem hierzu gegenüberliegenden Stützblatt.
Wie vorstehend erläutert, können die Abdichtungseinrichtungen eine Nut- und Federverbindung umfassen und wenn die Segmente Laminate sind, kann eine Seitenkante jedes Stützblattes benutzt werden, um eine Feder zu bilden und die andere Seitenkante jedes Stützblattes kann zusammen mit der hierzu beabstandeten, dem Turbinenrad zugewandten Lage eine Nut bilden.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Stützblatt aus zwei Lagen aufgebaut, wovon eine der Lagen an der dem Turbinenrad zugewandten Lage anliegt und die Feder bildet und die andere Lage des Stützblattes von der dem Turbinenrad zugewandten Lage beabstandet ist, um eine Wand der Nut zu bilden.
Weitere Aufgaben und Vorteile werden mit Hilfe der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Gasturbine;
Figur 2 ist eine vergrößerte Teilschnittdarstellung der Stator- Rotorverbindung dieses Aggregats;
Figur 3 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß montierte Dichtscheibe;
Figur 4 ist die Draufsicht auf ein in der Dichtscheibe verwendetes Segment; und
Figur 5 ist eine Explosionsdarstellung des Segments.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel eines Gasturbinenaggregats, das mit einer erfindungsgemäßen Dichtscheibe versehen werden kann, ist in Figur 1 dargestellt und weist ein stationäres Gehäuse auf, das grundsätzlich mit 10 bezeichnet ist. Innerhalb des Gehäuses ist ein Rotor, grundsätzlich mit 14 bezeichnet, zur Rotation um eine Achse 12 drehbar gelagert. Der Rotor 14 besteht aus einem radialen Turbineneinströmrad 16, mit einer Nabe 18 und Schaufeln 20, die angeordnet sind, um heiße Verbrennungsgase direkt radial durch eine ringförmige Düse 22 zu erhalten. Der Rotor 14 weist weiterhin einen drehbaren Verdichter 24 mit einer Nabe 26 und Umfangsschaufeln 28 auf. Das Turbinenrad 16 und der Verdichter 24 sind durch geeignete Mittel miteinander gekuppelt und beinhalten beispielsweise einen Stift 30 zur gemeinsamen Drehung. Es ist erkennbar, daß ein ringförmiger, radial einwärts gerichteter Zwischenraum 22 zwischen dem Turbinenrad 16 und dem Verdichter 24 besteht.
Während des Betriebs wird die durch einen Einlaß 34 der Maschine strömende Luft durch die Schaufeln 28 komprimiert und radial auswärts durch einen Diffusor 36 geleitet. Die verdichtete Luft wird dann durch eine Ringkammer 40 geleitet, die einen ringförmigen Kombustor 42 umgibt. In das Innere des Kombustors 42 wird Luft zugeführt und in bekannter Weise mit durch Injektoren 44 eingespritztem Kraftstoff gemischt, um Verbrennungsgase zu produzieren. Der Kombustor 42 weist einen in Fluidverbindung mit der Düse 22 stehenden Auslaß auf.
Um den Raum zwischen dem Diffusor 36 und der Düse 22 sowie den Zwischenraum 32 abzudichten, wird eine grundsätzlich mit 46 bezeichnete Dichtungsanordnung verwendet. Diese Dichtungsanordnung 46 kann auf einem Teil 50 des Gehäuses mit herkömmlichen Mitteln befestigt werden.
Wie Figuren 2 und 3 zeigen, kann jede Dichtungsanordnung aus drei Basiskomponenten zusammengesetzt sein. Die erste ist eine ringförmig konfigurierte, vordere Dichtscheibe 60, die auf der Verdichterseite der Maschine vorgesehen ist. Die vordere Dichtscheibe 60 ist die Komponente, die an dem Gehäuse 10 angeordnet ist und die die anderen beiden Komponenten der Dichtungsanordnung 46 trägt. Eine axiale Öffnung, die am radial äußeren Ende der vorderen Dichtscheibe 60 vorgesehene Umfangsnut 62, kann eine Dichtung 64 aufweisen, um das Gehäuseteil 50, das vorzugsweise Teil des Diffusors 36 ist, abzudichten. An ihrem radial inneren Ende trägt die vordere Dichtscheibe 60 eine innere Dichtscheibe 66.
Die beiden können in irgendeiner geeigneten Weise miteinander verbunden sein, aber ihre Verbindung muß abgedichtet sein. Die innere Dichtscheibe 66 ist ebenfalls ringförmig und weist eine radiale innere umlaufende Kante 68 auf, die in dichter Nähe zu der Verbindung zwischen dem Rotor 16 und dem Verdichter 24, das ist die radial innere Grenze 70 des Zwischenraumes 32, steht.
An ihrer radial äußeren Kante weist die innere Dichtscheibe 66 eine radial auswärts geöffnete Nut 72 auf.
Die dritte Komponente der Dichtungsanordnung 22 ist eine Vielzahl von Segmenten 24, die in einer kreisförmigen Gruppierung angeordnet sind, wie Figur 3 zeigt. Die Segmente 74 können als tortenförmig oder trapezförmig mit exakten Haupt- und Nebenbasen angesehen werden. Die Segmente 74 sind an den Dichtscheiben 60 und 66 an der Turbinenseite der Maschine in der Nähe des radial äußeren Umfangs der Turbine 16 angeordnet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes Segment 24 aus einem dreilagigen Laminat hergestellt. Eine Lage 80 liegt dem Turbinenrad 16 gegenüber und grenzt direkt hieran. Zwei andere Lagen 82 und 84 bilden ein Stützblatt und sind wie Figur 4 und 5 zeigen gegeneinander versetzt. Im allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Lagen 80, 82 und 84 alle aus demselben Material hergestellt, um Spannungen zu vermeiden, die infolge thermischer Ausdehnung von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten resultieren. Zusätzlich ist die totale Bogenlänge der korrespondierenden Segmente niemals gleich 360º, obwohl diese Größe angestrebt wird. Als Konsequenz, wie in Figur 3 gezeigt, berühren sich die Seitenkanten 86 und 88 der Lage 80 nicht, wodurch Wärmeausdehnung in Umfangsrichtung möglich ist. Dasselbe Verhältnis gilt zwischen den Seitenkanten 90 und 92 der Lage 82 und den Seitenkanten 94 und 96 der Lage 84.
Wie aus Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, sind die inneren Kanten 8 98 und 100 der Lage 82 bzw. 84 zueinander ausgerichtet. Gleichzeitig sind die radial äußeren Kanten 102 und 104 der Lagen 80 und 82 ausgerichtet, während die radial äußere Kante 106 der Lage 84 sich radial auswärts hinter beiden Kanten 102 und 104 erstreckt und einen zentralen sich radial nach außen öffnenden Schlitz 108 aufweisen kann.
Die Seitenkanten 86 und 96 der Lagen 80 und 84 sind so ausgerichtet, wie die Seitenkanten 88 und 94 dieser Lagen. Im Gegensatz hierzu liegt die Seitenkante 92 der Lage 82 winkelig hinter den Ecken 86 und 96 zurück, während die Seitenkante 90 der Lage 82 über die Kanten 98 und 94 hervorsteht.
Als Ergebnis ist eine geöffnete Umfangsnut auf der rechten Seite jedes Segments 74 ausgebildet und eine Umfangsfeder 112 wird entlang der linken Seite der Lage 82 gebildet, wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist. Die Feder 112 ist so ausgebildet, daß sie gleitend in der Nut der benachbarten Segmente aufgenommen wird und die Verbindung zwischen beiden wesentlich abdichtet.
Die unteren Kanten 98 und 100 sind gleitbar in der Nut 72 der inneren Dichtscheibe 66 aufgenommen, um an dieser Stelle ebenso eine Abdichtung vorzusehen. Schließlich können die radial äußeren Kanten 106 der Lage 84 in eine axiale Stirnfläche 104 (Figur 2) an der vorderen Dichtscheibe 60 aus laufen, um an diesem Ort ebenfalls abzudichten.
Durch Ausformen der vorderen Dichtscheibe 60 in einer Art, daß ihre Oberfläche 120, die der Turbinenseite der Maschine gegenüberliegt, leicht konkav ist, ist ein durch Luft isolierender Zwischenraum oder eine Tasche 120 vorgesehen, die in der zuvor beschriebenen Art abgedichtet ist.
Stifte 124, die auf der vorderen Dichtscheibe 60 angeordnet sind, können in die Schlitze 108 eingreifen, um Bewegungen der Segmente 74 in die Umfangsrichtung zu begrenzen, so daß sie sich nicht alle an einen Ort der Ringanordnung "verwürgen" während eine Wärmeausdehnung der Segmente 74 in radialer Richtung stattgegeben wird. Selbstverständlich ist es nicht notwendig, daß alle Segmente 74 mit Schlitzen 108 für die Stifte 48 versehen werden.
Es ist leicht einzusehen, daß eine erf indungsgemäße Dichtungsanordnung 46 die Segmente 74 benutzt, um Umfangsaugdehnungen der Grenze des Luftraumes 22, der der Turbinenseite der Maschine gegenüberliegt, zu erlauben. Die Nut- und Federverbindung an den unteren Kanten der Segmente an der inneren Dichtscheibe 66 und die gestifteten Verbindungen an dessen oberen Ende sind ebenfalls für eine Ausdehnung in radialer Richtung vorgesehen. Die Nut- und Federverbindung gleicht Wärmeausdehnungen benachbarter Segmente in Umfangsrichtung aus, wodurch die Umfangsspannung verringert und daraus resultierendes Reißen eleminiert wird. Weil die Seite der Dichtanordnung 76, die der Turbinenseite der Maschine gegenüberliegt in zwei Abschnitte unterteilt ist, nämlich den durch die Segmente 74 bestimmten Abschnitt und den durch die innere Dichtscheibe 66 bestimmten Abschnitt, und da beide Abschnitte in bezug zueinander relativ beweglich sind, werden Verwindungen infolge von Temperaturgradienten in radialer Richtung ebenfalls vermieden. Als Konsequenz kann die lichte Weite zwischen der Lage 80 und dem Turbinenrad 60 minimiert werden, wodurch die Größe des Leckpfades zwischen der Turbine und der Dichtscheibe reduziert werden kann, was den Wirkungsgrad der Maschine erhöht.

Claims

1. Gasturbine mit: einem Radial-Umlaufverdichter (24); einem Radialturbinenrad (16); Einrichtungen (30) zur Verbindung des Verdichters (24) und des Turbinenrades (16) Rücken an Rücken mit geringem Abstand, so daß das Turbinenrad den Verdichter antreiben kann; und einem Gehäuse (10), das den Verdichter (24) und das Turbinenrad (16) umgibt; einer feststehenden Dichtung (46), die an dem Gehäuse (10) befestigt ist und sich in die Lücke zwischen Verdichter (24) und Turbinenrad (16) erstreckt, wobei die Dichtung einen Hauptdichtungs- und Stützabschnitt (60) und einen Isolierabschnitt umfaßt; dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptdichtungs- und Stützabschnitt (60) an den Verdichter angrenzt und der Isolierabschnitt an das Turbinenrad angrenzt und an dem Hauptstützabschnitt (60) befestigt, jedoch im wesentlichen von dem Hauptstützabschnitt (60) beabstandet ist; daß der Isolierabschnitt eine Vielzahl von Segmenten (74) aufweist, die auf eine kreisförmige Anordnung verteilt und untereinander winkelbeweglich sind, und Einrichtungen zum Abdichten aneinander angrenzender Segmente.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, bei der die Segmente (74) im wesentlichen die Form von Kreisbogenabschnitten aufweisen.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Segmente (74) an dem Hauptabschnitt (60) durch Einrichtungen befestigt sind, die eine thermische Ausdehnung in radialer Richtung zulassen.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, bei der die Einrichtungen, die eine thermische Ausdehnung zulassen, Nut- (72) und Federverbindungen (98, 100) umfassen.

5. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner mit Einrichtungen (124) auf einer Seite des Hauptabschnittes (60) und des Gehäuses (10) zur Begrenzung der Winkelbewegungen der Segmente (74).

6. Gasturbine nach Anspruch 5, bei der die begrenzenden Einrichtungen Stifte (124) umfassen, die durch den Hauptabschnitt (60) oder das Gehäuse (10) gehalten werden, um in radiale Schlitze (108) in wenigstens einigen der Segmente (74) zu ragen.

7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Einrichtungen zum Abdichten benachbarter Segmente Nut- und Federverbindungen (112) umfassen.

8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der jedes der Segmente (74) ein Laminat mit einer dem Turbinenrad (16) zugewandten Lage (80) und einem gegenüberliegenden Stützblatt (82, 84) ist.

9. Gasturbine nach Anspruch 8, bei der die Einrichtungen zum Abdichten benachbarter Segmente Nut- und Federverbindungen umfassen, wobei eine Seitenkante (90) von jedem Stützblatt eine Feder (112) und die andere Seitenkante (92) des Stützblattes zusammen mit der dem Turbinenrad zugewandten Lage (80) eine Nut bildet.

10. Gasturbine nach Anspruch 9, bei der das Stützblatt aus zwei Lagen gebildet ist, von denen eine Lage (82) an der dem Turbinenrad zugewandten Lage (80) anliegt und die Feder (112) bildet, und die andere Lage (84) des Stützblattes von der dem Turbinenrad zugewandten Lage (80) beabstandet ist, um die Nut zu bilden.

11. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hauptdicht- und Stützabschnitt (60) eine ringförmige innere Dichtplatte (66) umfaßt, die seinen radial inneren Rand bildet.