DE69915587T2

DE69915587T2 - Ineinanderschiebbare brückendichtung

Info

Publication number: DE69915587T2
Application number: DE69915587T
Authority: DE
Inventors: Charles Gary LIOTTA; Harry Elias LAMPES
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: CN1277660A; NO320452B1; ES2216607T3; EP1046002A1; MY121444A; KR20010031673A; CA2307769C; BR9906985A; WO2000012920A1; US6237921B1; RU2224155C2; DE69915587D1; PL340399A1; CN1103007C; CA2307769A1; PL190652B1; NO20002324D0; JP2002523712A; EP1046002B1; JP4594527B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Dichtungen darin.
Ein Gasturbinentriebwerk ist eine Anordnung von verschiedenen Stator- und Rotorkomponenten, die verschiedene Typen von Dichtungen erfordern, um eine unerwünschte Leckage von entweder heißen Verbrennungsgasen darin oder verdichteter Luft zu verhindern.
Axial angrenzende Statorkomponenten verwenden üblicherweise eine Ringdichtung, die axial dazwischen zusammengedrückt ist. Die Ringdichtung kann ein vollständiges 360°Teil sein oder sie kann in Umfangsrichtung an einer Stelle geteilt sein, um Ringbelastungen und Beanspruchungen darin zu eliminieren. Die geteilte Dichtung ist radial elastisch, so daß sie sich mit einer angrenzenden Statorkomponente frei ausdehnen kann, ohne daß Ringbehinderung oder -beanspruchung daraus entsteht. Ringdichtungen sind auch axial elastisch, so daß sie zunächst zwischen angrenzenden Komponenten axial zusammengedrückt werden können, um dazwischen eine Dichtung zu bewirken.
Ringdichtungen haben verschiedene Querschnittskonfigurationen, wie beispielsweise E-Dichtungen oder W-Dichtungen. Diese Formen sorgen für die erforderliche axiale Flexibilität, um gute Dichtungen um den Umfang des Dichtungsringes herum auszubilden. Jedoch unterbricht der Umfangsspalt den Ring, um einen Spalt zu bilden, der ein Leckageort ist, auch wenn er klein ist.
Eine andere Version der Ringdichtung enthält ein Umfangssegment, das den Umfangsspalt überspannt, um eine dort auftretende Leckage zu verringern oder zu eliminieren. Da diese Schleif- oder Gleitdichtung zwei Komponenten aufweist, ist sie entsprechend komplexer und teurer in der Herstellung. Das Dichtungssegment kann in geeigneter Weise an dem Dichtungsring befestigt sein, um den Umfangsspalt zu allen Zeiten zu überspannen. Das Segment ist üblicherweise an dem Ring durch Schweißen befestigt, was noch zusätzlich zu der Konstruktionskomplexität und den Kosten beiträgt und entsprechende wärmebeeinflußte Zonen hervorruft. Die geschweißten Verbindungen sind notwendigerweise Spannungserhöher, die aufgenommen werden müssen, um eine übermäßige Beanspruchung dort zu verhindern, die die Lebensdauer der Schleifdichtung in unerwünschter Weise verkürzen würde.
US-A-4 759 555 beschreibt einen Dichtungsring, der einen serpentinenförmigen Querschnitt hat und ein Umfangssegment mit komplementärer Serpentinenform aufweist, das den von dem Dichtungsring gebildeten Umfangsspalt überspannt, wobei das Umfangssegment mit dem Dichtungsring an einem Ende durch Schweißen verbunden ist.
Dem entsprechend ist es erwünscht, Schleifdichtungen zu verbessern, um Schweißen oder andere mechanische Spannungserhöher zu eliminieren und auch ansonsten ihr Design und ihre Fertigung zu vereinfachen.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Eine Dichtung enthält einen Dichtungsring mit einer Umfangsteilung, die einen Spalt bildet. Eine bogenförmige Brücke erstreckt sich über den Spalt und ist mit dem Dichtungsring verschachtelt. Die Brücke enthält ein Ankerende, das an dem Dichtungsring allein mit Reibung angreift, um eine unterschiedliche Umfangsbewegung dazwischen zu hemmen. Die Brücke enthält auch ein Schleif- bzw. Gleitende, das an dem Dichtungsring auf einer gegenüberliegenden Seite des Spaltes mit weniger Reibung als das Ankerende angreift, um eine unterschiedliche Umfangsbewegung dazwischen zu gestatten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon deutlicher in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine vergrößerte axiale Schnittansicht durch einen Teil von einer Gasturbinentriebwerks-Turbinendüsenhalterung ist, die eine verschachtelte Brückendichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält;
2 eine Endansicht von einer gesonderten Brückendichtung ist, die in 1 dargestellt ist;
3 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Ansicht von der verschachtelten Brücke und dem Dichtungsring und entsprechenden Umfangsspalten in dem gestrichelten Kreis ist, der in 2 mit 3 bezeichnet ist;
4 ein Querschnitt von einer verschachtelten Brückendichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
Detailliert Beschreibung der Erfindung
In 1 ist ein Teil von einem Beispiel einer Hochdruck-Turbinendüse 10 von einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk dargestellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung abgedichtet sein kann. Die Düse enthält mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Düsenschaufeln 12, von denen nur der radial innere Abschnitt dargestellt ist und die heiße Verbrennungsgase 14, die von einem stromaufwärtigen Brenner (nicht gezeigt) empfangen werden, drehen und beschleunigen. Die Schaufeln sind einstückig an einem radial inneren Band 16 befestigt, das seinerseits an einem ringförmigen Halterungsflansch 18 angebracht ist.
Um das innere Düsenband 16 mit dem Halterungsflansch 18 dichtend zu verbinden, ist eine ringförmige verschachtelte Brückendichtung 20 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dazwischen elastisch axial zusammengedrückt, um dort eine radiale Leckage zu verringern oder zu verhindern.
Die Anwendung der in 1 dargestellten Dichtung 20 ist gerade eine von vielen, die in dem Gasturbinentriebwerk gefunden werden können, wie es üblicherweise bekannt ist. Die vorliegende Erfindung ist besonders auf Verbesserungen in der Dichtung 20 selbst gerichtet, die aber ansonsten in üblicher Weise an jeder geeigneten Stelle in dem Gasturbinentriebwerk oder einer anderen Einrichtung verwendet wird.
Die Dichtung 20 ist in 1 eingebaut und in 2 gesondert gezeigt und ist eine Anordnung von Komponenten, die einen Dichtungsring 22, der eine einzelne Umfangstrennung hat, die einen entsprechenden Umfangsspalt 24 bildet, und eine bogenförmige Brücke 26 aufweist, die sich in Umfangsrichtung über den Ringspalt 24 erstreckt, um dort eine Leckage zu verhindern. Wie in 1 gezeigt ist, hat der Dichtungsring 22 einen serpentinenförmigen Querschnitt, und die Brücke 26 hat einen komplementären serpentinenförmigen Querschnitt, der irgendeine bekannte Form haben kann, um axial angrenzende Statorkomponenten abzudichten.
Wie in den 2 und 3 genauer gezeigt ist, enthält die Brücke 26 ein proximales oder Ankerende 28, das mit dem Dichtungsring 22 auf der einen Seite des Spaltes 24 verschachtelt ist oder dieses in Umfangsrichtung überlappt. Die Brücke enthält auch ein gegenüberliegendes distales oder Schleifende 30, das mit dem Dichtungsring 22 auf einer gegenüberliegenden Seite des Spaltes 24 verschachtelt ist oder dieses in Umfangsrichtung überlappt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung greift die Brücke 26 an dem Dichtungsring 22 allein mit Reibung an, mit einer größeren Reibung an dem Ankerende 28, um eine unterschiedliche Umfangsbewegung dazwischen zu hemmen oder zu verhindern, und mit weniger Reibung an dem Schleifende 30, um eine im wesentlichen ungehinderte unterschiedliche Umfangsbewegung dazwischen zu gestatten. Der Dichtungsring 22 selbst kann konfiguriert sein, um angrenzende Teile in einer üblichen Art und Weise zu dichten, wobei sein Umfangsspalt 24 durch die Brücke 26 geschlossen ist, um dort eine Leckage zu verhindern. Auf diese Weise sorgt die Brücke 26 für eine Schleifverbindung an dem Ringspalt 24, um eine ungehinderte Expansion und Kontraktion des Dichtungsringes 22 zu gestatten, während gleichzeitig der Spalt 24 gedichtet wird.
Was am signifikantesten ist, es ist keine Schweiß-, Löt- oder andere mechanische Verbindung zwischen dem Ring 22 und der Brücke 26 erforderlich, die die Komplexität des Designs vergrößern und unerwünschte Spannungserhöher einführen würde, die damit verbunden sind. Die Brücke und der Dichtungsring werden einfach miteinander verbunden durch ihre ineinandergreifende bzw. verschachtelte Konfiguration, wobei nur Reibung verwendet wird.
Wie in 1 gezeigt ist, haben sowohl der Dichtungsring 22 als auch die Brücke 26 komplementäre serpentinenförmige Querschnitte, die radial symmetrisch und elastisch kompressibel sind in der axialen Richtung zwischen dem angrenzenden Innenband 16 und dem Halterungsflansch 18 in einer dazwischen angeordneten Tasche, die besonders dafür konfiguriert ist.
Der Dichtungsring 22 und die Brücke 26 haben jeweils zwei radial verlaufende und axial entgegengesetzte Rückwärtsbiegungen 32, die zusammen den serpentinenförmigen Querschnitt definieren und für Dichtungsflächen sorgen für einen Kontakt der aneinander angrenzenden Teile 16, 18. Die Rückwärtsbiegungen 32 sind durch mehrere radial offene Schlitze oder Vertiefungen 34 gebildet, um den axial elastisch kompressiblen Querschnitt zu bewirken. Die Dichtung 20 ist deshalb axial flexibel, aber radial starr im Querschnitt aufgrund der serpentinenförmigen Konfiguration, die im allgemeinen eine Hutform hat.
Der verschachtelte Dichtungsring 22 und die Brücke 26, wie sie in 1 dargestellt sind, sind vorzugsweise aus einem dünnen Metallblech geformt, die mit einem im wesentlichen identischen serpentinenförmigen Querschnitt ineinander greifen. Das Metallblech ist flexibel und kann auf einfache Weise zu der in 1 dargestellten Serpentinenform geformt werden, wobei übliches Gerät verwendet wird.
Wie in 2 gezeigt ist, überlappt das Brückenankerende 28 in Umfangsrichtung den Dichtungsring oder ist mit diesem in Eingriff auf einer größeren Ausdehnung als das Brückenschleifende 30, um das Ankerende mit Reibung zu befestigen, während das Gleit- bzw. Schleifende relativ zu dem Dichtungsring unter radialer Expansion und Kontraktion gleiten bzw. schleifen kann.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel überlappt das Brückenankerende in Umfangsrichtung den Dichtungsring auf mehr als einem Quadranten oder Viertelkreis, und das Brückenschleifende überlappt den Dichtungsring auf weniger als einem Quadranten. Da die Brücke 26 an dem Dichtungsring allein durch Reibung und seine verschachtelte Anordnung befestigt ist, ist es unerwünscht, eine übermäßige Reibung am Schleifende 30 zu haben, die die im wesentlichen ungehinderte Expansion und Kontraktion des Dichtungsringes mit einer entsprechenden Vergrößerung und Verkleinerung in der Größe des Endspaltes 24 verhindern würde.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in 2 dargestellt ist, hat die Brücke 26 die Form von einem zweiten Vollring mit einer zweiten Umfangsteilung, die einen Brückenspalt 36 bildet, wie es genauer in 3 gezeigt ist. In dieser Konfiguration ist die Dichtung 20 eine Zweischicht- bzw. Zweilagen-Konfiguration, wobei sich sowohl der Ring 22 als auch die Brück 26 über im wesentlichen 360° erstrecken, aber abgesehen von den entsprechenden Endspalten 24, 36.
In dieser Zweilagen-Konfiguration ist der Brückenspalt 36 in Umfangsrichtung neben dem Ringspalt 24 innerhalb eines einzigen Quadranten daneben angeordnet: In Uhrzeigerrichtung, wie es gezeigt ist, oder in Gegenuhrzeigerrichtung dazu. Auf diese Weise ist die Umfangsausdehnung des Schleifendes 30 relativ kurz zwischen den zwei Spalten 24, 36, um eine im wesentlichen ungehinderte Schleifbewegung zwischen dem Schleifende 30 und dem angrenzenden Dichtungsring 22 sicher zustellen.
In entsprechender Weise erstreckt sich das Ankerende 28 der Brücke über wenigstens drei Quadranten und einen Teil des vierten Quadranten, um den Reibeingriff zwischen dem Dichtungsring möglichst groß zu machen, um eine unterschiedliche Umfangsbewegung dazwischen während des Betriebs zu verhindern. Die einzige unterschiedliche Umfangsbewegung zwischen der Brücke und dem Dichtungsring 22 tritt an dem Schleifende 30 auf.
Die Zweilagen-Dichtung 20 kann auf einfache Weise gefertigt werden unter Verwendung von üblichem Gerät, wobei der Dichtungsring 22 und die Brücke 26 zunächst zu einem serpentinenförmigen Querschnitt geformt werden, wobei ihre Endspalte 24, 36 miteinander ausgerichtet sind. Dann kann eine geeignete Umfangskraft ausgeübt werden, um den Ring und die Brücke relativ zueinander in Umfangsrichtung zu drehen, um die Endspalte 24, 36 in Umfangsrichtung zu trennen und einen vollen Ring zu schließen, der dazwischen verschachtelt ist. Da jedoch die Dichtung 20 während des Betriebs primär in axialer Kompression belastet wird, gibt es, wenn überhaupt, eine kleine darauf ausgeübte Umfangskraft, die die relative Umfangslage der Spalte 24, 36 ändern könnte.
Reibung alleine reicht aus, um den Dichtungsring 22 und seine Brücke 26 zusammengebaut zu halten, während auch eine im wesentlichen ungehinderte radiale Expansion und Kontraktion der Dichtung gestattet wird, um die Erzeugung von unerwünschten Beanspruchungen darin zu verhindern. Da weiterhin der Ring 22 und die Brücke 26 einfach ineinandergreifen, ohne Schweißen, Löten oder andere mechanische Diskontinuität, ist die entstehende Einrichtung relativ einfach und frei von Spannungserhöhern, die anderenfalls ihre Endfestigkeit beeinträchtigen würden.
Wie oben ausgeführt ist, kann die Dichtung 20 irgendeinen üblichen Querschnitt haben und sich trotzdem der Vorteile der Reibungsverschachtelung erfreuen. Beispielsweise stellt 4 ein anderes Ausführungsbeispiel der Dichtung dar, die mit 38 bezeichnet ist und einen Querschnitt in der üblichen Form von einem E oder W hat. Obwohl die Querschnittskonfiguration der in 4 dargestellten Dichtung 38 leicht unterschiedlich ist von der Konfiguration der in 1 dargestellten Dichtung 20, sind die gleichen Bezugszeichen entsprechend den gleichen Teilen verwendet, zu denen der Dichtungsring 22 und die Brücke 26 gehören, die durch unterschiedliche Versionen der Rückwärtsbiegungen 32 und der radialen Schlitze 34 gebildet sind.
Während der in 2 dargestellte Dichtungsspalt 24 innerhalb der Brücke 26 für die Dichtung 20 verdeckt sein würde, würde ein entsprechender Ringspalt für die in 4 dargestellte Dichtung 38 freiliegend sein. Dementsprechend liegt der Brückenspalt 36 für die in 2 dargestellte Dichtung 20 frei, wogegen der entsprechende Brückenspalt für die in 4 dargestellte Dichtung 38 durch den Dichtungsring 22 verdeckt sein würde.
In beiden Ausführungsbeispielen bildet jedoch der Dichtungsring 22 die äußerste Lage bzw. Schicht, die an den entsprechenden Abschnitten von dem Innenband 16 und dem Halterungsflansch 18 angreift, um dort Dichtungen auszubilden. Die entsprechenden Brücken sind demgegenüber allein zum Überbrücken des Dichtungsringes und der Spalte 24 vorgesehen und bilden normalerweise nicht auf andere Weise eine Dichtung mit dem angrenzenden Band 16 und dem Flansch 18.
Der Dichtungsring 22 und die Brücke 26 können irgendeine andere geeignete Querschnittskonfiguration haben, um eine Dichtung zu bilden, wobei diese zwei Komponenten allein durch Reibung zusammen gehalten sind, um eine im wesentlichen ungehinderte unterschiedliche thermische Expansion und Kontraktion des Dichtungsringes während des Betriebs zu gestatten.

Claims

Dichtung (20) enthaltend: einen Dichtungsring (22) mit einem serpentinenförmigen Querschnitt und einer hindurchführenden Umfangslücke, die einen Spalt (24) bildet, eine bogenförmige Brücke (26), die sich in Umfangsrichtung über den Spalt erstreckt und einen serpentinenförmigen Querschnitt hat, der zu dem Ring komplementär ist zum Verschachteln von einem Ankerende (28) der Brücke mit dem Dichtungsring auf dem einen Ende des Spaltes und zum Verschachteln in einem gegenüberliegenden Schleifende (30) der Brücke mit dem Dichtungsring auf einer gegenüberliegenden Seite des Spaltes, und wobei die Brücke (26) allein mit Reibung an dem Dichtungsring angreift, mit einer grösseren Reibung an dem Ankerende, um eine veränderliche Umfangsbewegung zu hemmen, und mit weniger Reibung an dem Schleifende (30), um eine veränderliche Umfangsbewegung zu gestatten.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei der Dichtungsring (22) und die Brücke (26) in dem serpentinenförmigen Querschnitt symmetrisch sind und darüber elastisch kompressibel sind.
Dichtung nach Anspruch 2, wobei der Dichtungsring (22) zwei Rückwärtsbiegungen (32) hat, die zusammen den serpentinenförmigen Querschnitt definieren und Dichtungsflächen für angrenzende Teile bilden.
Dichtung nach Anspruch 3, wobei der Dichtungsring (22) und die Brücke aus Metallblech sind und zusammen in einem im wesentlichen identischen serpentinenförmigen Querschnitt verschachtelt sind.
Dichtung nach Anspruch 2, wobei das Ankerende (28) der Brücke den Dichtungsring (22) in einem grösseren Ausmass in Umfangsrichtung überlappt als das Schleifende (30) der Brücke.
Dichtung nach Anspruch 5, wobei das Ankerende (28) der Brücke den Dichtungsring (22) auf mehr als einem Quadranten in Umfangsrichtung überlappt und das Schleifende (30) der Brücke den Dichtungsring auf weniger als einem Quadranten überlappt.
Dichtung nach Anspruch 5, wobei die Brücke (26) einen Ring mit einer Umfangslücke aufweist, die einen Brückenspalt (36) bildet.
Dichtung nach Anspruch 7, wobei der Brückenspalt (36) in Umfangsrichtung neben dem Ringspalt (24) angeordnet ist.
Dichtung nach Anspruch 8, wobei der Brückenspalt (36) innerhalb eines Quadranten des Ringspaltes (24) angeordnet ist.
Dichtung nach Anspruch 9, wobei der Ring (22) und die Brücke (26) mehrere radial offene Schlitze aufweisen, um den elastisch kompressiblen Querschnitt zu bewirken.