DE957355C - Zwischenstufendichtung fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 31. JANUAR 1957

G 17671 Ia/46f

Die Erfindung bezieht sich auf Turbinen, insbesondere auf eine Verbesserung an Turbinenaggregaten.

Es sind Strahlturbinenanlagen bekannt, bei welchen Axialverdichter Verwendung finden, die die Luft verdichten und in eine Verbrennungskammer zuführen, wo die Verbrennung stattfindet und die hierbei erzeugten heißen Gase durch die Turbine getrieben werden, von wo sie nach außen durch eine Auspuff düse gelangen. Da die heißen Gase verschiedene Teile der Maschine zerstören können, ist es wünschenswert, die heißen Gase in einem Bereich zu konzentrieren und eine Leckage der heißen Gase an andere Teile der Maschine zu verhindern. Außerdem bedingen die Leckagen eine Verminderung des Wirkungsgrades der Maschine, der unter normalen Umständen erzielt werden könnte. Die Erfindung bezweckt, verschiedene Bauelemente der Maschine vor dem Einfluß der heißen Gase zu schützen und die Beeinträchtigungen des Wirkungsgrades der Maschine durch die Leckagen der heißen Gase zu vermeiden.

Insbesondere das Turbinenrad und der Turbinenrotor müssen vor der Einwirkung der heißen Auspuffgase geschützt werden. Hierzu wird eine Dichtung zwischen dem Durchgang der heißen Gase und dem Turbinenrad vorgesehen. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Ausbildung einer

Dichtung zwischen dem Strömungsweg der heißen Gase und dem Turbinenrad, welche es ermöglicht,-die Leckagen der heißen Gase zu vermeiden und einen Schutz für Turbinenrad und Rotor zu bilden. An den bekannten Strahlturbinen wird der eine Teil einer Dichtung zwischen den beiden Stufen einer zweistufigen Turbine an einem Leitkranz befestigt, während der andere Teil der Dichtung mittels eines Dichtungsträgers gehaltert wird, der auf ίο die Hohlwelle aufmontiert ist, welche die Turbinenräder verbindet. Um die Dichtung in der richtigen Stellung zu halten, muß der Teil der Dichtung, der auf der Hohlwelle montiert ist, zu jeder Zeit konzentrisch zur Hohlwelle liegen. Es ist bekannt, diesen Teil der Dichtung auf die Hohlwelle mit Schrumpfsitz aufzubringen. In der Hohlwelle und dem Dichtungsträger besteht jedoch ein sehr starkes Wärmegefälle, das dadurch hervorgerufen wird, daß die beiden Teile der Dichtung ao eine sehr unterschiedliche thermische Trägheit aufweisen und daß der eine Teil der Dichtung viel schneller abkühlt als der andere. Ebenfalls ist der eine der Dichtungsteile häufig dein direkten Gasstrom ausgesetzt und weist einen sehr großen Wärmeleitungskoeffizienten an seiner Oberfläche auf, während' der andere Teil der Dichtung vor der direkten Einwirkung des Gasstromes geschützt liegt und eine relativ niedrige Wärmeleitung bewirkt. Das Temperaturgefälle zwischen den beiden Teilen der Dichtung ist so groß, daß der Preßsitz bzw. der Schrumpfsitz des einen Dichtungsteiles auf der Hohlwelle keine Konzentrizität der beiden Teile aufrechterhalten kann. Hierdurch ergibt sich eine Lockerung zwischen den beiden Dichtungsteilen. Diese Ablösung des Dichtungsteiles bedingt nun eine Schwingung des Dichtungsträgers bei hohen Drehzahlen, wodurch sich zusätzliche Maschinendefekte ergeben und außerdem die Leckage der heißen Gase in Richtung auf die Turbinenräder vergrößert wird. Diese Einflüsse führen zu einer Zerstörung der betroffenen Maschinenteile und zu einer Verminderung des Wirkungsgrades der Maschine. Die Erfindung bezweckt nun die Ausbildung eines Dichtungsträgers für eine Strahlturbine, bei dem die obenerwähnten Schwierigkeiten fortfallen.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Herstellung einer vollkommenen Konzentrizität zwischen den Dichtungseinrichtungen und dem Turbinenrotor, wobei dieser Vorteil unabhängig von der unterschiedlichen thermischen Trägheit der Dichtungseinrichtungen und des größeren Turbinenrotors erzielt wird. Hierdurch ergibt sich eine bedeutend schnellere Aufheizung und Kühlung der Zwischenstufendichtung als bei den größeren Turbinenrädern.

Diese und andere Vorteile werden im nachfolgenden an Hand der Zeichnung in der Beschreibung erläutert, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind.

Fig. ι "ist ein Querschnitt durch eine Tttr-. binenanilage mit Verdichter, Brennkammer und Turbine;

Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Linien 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Querschnitt, welcher das Ineinandergreifen der Dichtungsteile veranschaulicht.

Die Turbinenanlage 10 besteht aus einem Verdichter 12, einer Brennkammer 14, einer Turbine 16 und einer Auspuff düse 18. Die dargestellte Ausführungsform der Erfindung weist eine zweistufige Turbine mit den beiden Turbinenrädern 20 und 22 auf. Weiterhin sind zwei Leitkränze 24 und 26 sowie die Laufschaufeln 28 und 30 dargestellt.

Da die heißen Gase von der Brennkammer in die Turbine gelangen, müssen sie den Leitkranz und die Laufschaufeln passieren. Um nun verschiedene Teile der Maschine vor den Einwirkungen der heißen Gase zu schützen, wird eine Zwischenstufen-Labyrinthdichtung 32 vorgesehen, welche zwischen den beiden Turbinenrädern der zweistufigen Turbine liegt. Ein konzentrisch zur Hohlwelle liegendes bandförmiges Teil 34 der Dichtung wird an dem Leitkranz 26 der zweiten Stufe befestigt, während der rotierende Teil 36 der Dichtung an dem Dichtungsträger 38 befestigt wird.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind an der inneren Begrenzungsfläche des Dichtungsträgers 38 eine Mehrzahl von in gleichen Abständen angeordnete Stützansätze 40 vorgesehen, die dazu dienen, den Dichtungsträger 38 auf der ringförmigen Hohlwelle 42 zu befestigen. Die Hohlwelle verbindet die Räder der Turbine miteinander. Der Dichtungsträger 38 und die Hohlwelle 42 sind verschiedenen Temperatureinflüssen unterworfen und weisen daher auch verschiedene thermische Ausdehnungen auf. Durch die Anbringung der Stützansätze 40 werden die thermischen Spannungen wesentlich stärker herabgesetzt als in den Fällen, in denen der kreisförmige Dichtungsträger 38 über seine ganze Umfangsfläche mit dem ringförmigen Teil 42 Kontakt gibt. Die Anzahl der in gleichen Abständen angeordneten Stützansätze 40 ist außerordentlich wichtig, um festzulegen, ob eine Verminderung oder ein Anwachsen der durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungen hervorgerufenen Spannungen zwischen dem Dichtungsträger 38 und dem ringförmigen Glied 42 stattfindet. Durch die Anbringung einer Mehrzahl von in gleichen Abständen vorgesehenen Stützansätzen in kreisförmiger Anordnung wird die Belastung des Dichtungsträgers in eine endliche Anzahl von Belastungsstellen aufgeteilt. Wird die Anzahl der Stützansätze vergrößert, so wächst die maximale Spannung sehr schnell. Werden z. B. vier Stützansätze verwendet, so beträgt die maximale Spannung im Material des Dichtungsträgers bzw. des Ringes 38 nur ein Zehntel der Spannung, die sich einstellen würde, wenn der kreisförmige Dichtungsträger 38 einen kontinuierlichen Kontakt mit dem ganzen Umfange des ringförmigen Teiles (Hohlwelle) bilden würde. Dies bedeutet, daß große radiale Verschiebungen des Dichtungsträgers 38, welche als eine Folge der großen Temperaturdifferenzen entstehen, mit relativ geringen

Materialspannungen ausgeglichen werden können, wenn die Anzahl der Stützglieder ziemlich niedrig ist. Werden z. B. zwölf in gleichen Abständen vorgesehene radiale Stützansätze verwendet, so ist die bei der thermischen Ausdehnung entstehende Materialspannung im wesentlichen dieselbe wie bei einem kreisförmigen Dichtungsträger, der einen kontinuierlichen Kontakt über das ringförmige Teil längs der ganzen Kontaktfläche aufweist,
ίο Um die gewünschte Konzentrizität in allen Richtungen sicherzustellen und außerdem verschiedene· thermische Ausdehnungen bzw. Zusammenziehungen zu gestatten, werden sechs in gleichen Abständen angeordnete Stützansätze vorgesehen, welche die großen thermischen Ausdehnungen der leichten Teile einerseits ermöglichen und gleichzeitig andererseits hierbei große Materialspannungen vermeiden. Es kann natürlich auch eine kleinere Anzahl von Stützansätzen 40 Verwendung finden, aber dies erfordert eine Vergrößerung der Steifigkeit und des Gewichtes des Dichtungsträgers 38, damit eine Konzentrizität in allen Richtungen sichergestellt wird. Da zusätzliche Gewichte im Flugdienst in jedem Falle vermieden werden müssen, werden sechs Stützansätze für diesen Zweck bevorzugt.

Die heißen Gase, welche von der Verbrennungskammer durch die Turbine strömen, weisen eine genügend hohe Temperatur auf, um verschiedene Maschinenteile zu zerstören, wenn dieselben der Wirkung der heißen Gase ausgesetzt sind. Die maximale Leistung der Turbine wird dann erreicht, wenn eine möglichst große Menge- der heißen Gase durch den Leitkranz 26 der zweiten Stufe des zweiten Turbinenrades fließt. Weiterhin wird dann eine maximale Kühlung an der Oberfläche des Turbinenrades erzielt, wenn die Kühlluft nicht durch die heißen Gase verdünnt wird, welche durch Leckagen in den Kühlraum eingedrangen ist. Die Zwischenstufen-Labyrinthdichtung 32 ist so ausgebildet, daß keine Leckagen stattfinden. Obgleich der Dichtungsteil 34 stationär ist und der Dichtungsteil 36 mit dem Rotor sich dreht, behält der Dichtungsträger 38 seine kon

zentrische Lage zur Hohlwelle 42, so daß eine 45 irgendwie bemerkenswerte Leckage der heißen Gase vermieden wird. Die Stützansätze 40 auf der Innenoberfläche des Dichtungsträgers 38 bewirken eine konzentrische Stellung der Dichtung relativ zum Rotor. Der Dichtungsträger 38 kann sich nicht 50. auf dem Turbinenrotor lockern, so daß auch aus diesem Grunde eine Leckage durch die Dichtung 32 unterbleibt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Zwischenstufendichtung für eine Gasturbine, wobei ein Teil der Dichtung an dem zwischen den Stufen befindlichen Leitkranz befestigt ist, während der andere Teil der Dichtung auf dem Rotor aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Rotor angeordnete Teil der Dichtung mittels einer Mehrzahl getrennter Stützansätze auf dem Rotor befestigt ist.

2. Dichtung nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützansätze zwischen dem Rotor und dem genannten Dichtungsteil sich in radialer Richtung zum Turbinenrotor erstrecken.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den auf dem Rotor befestigten Teil der. Dichtung ein zylindrischer Träger vorgesehen ist und daß die Stützansätze von diesem zylindrischen Träger aus sich nach innen, erstrecken.

4. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sechs in gleichen Abständen angeordnete Stützansätze kreisförmig angeordnet sind.

5. Anwendung der Dichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen an jeder Hohlwelle eines mehrstufigen Gasturbinenrotors, dessen · Stufen durch eine oder mehrere Hohlwellen miteinander verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 957 575, 956812.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen