NO763537L - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anordning ved tetning

i en maskin med roterende deler.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning ved tetning av en strømningsbane for et medium i en maskin med roterende deler.

Design og konstruksjon av effektive maskiner med roterende deler, særlig av gassturbinmotorer, har historisk krevd nøyaktig begrensning av arbeidsmediumgassene til maskinens strømningsbane for å bevare aerodynamiske egenskaper og for å beskytte maskinens indre komponenter mot termisk nedbrytning.

Typiske konstruksjonsdetaljer i et område radialt innad for arbeidsmediumstrømningsbanen i en gassturbinmotor er vist i US-patentskrift 3.515.112. I en konstruksjon av typen ifølge dette patentskrift hindres radialt innadrettet strømning av arbeidsmediumgasser til de indre områder av maskinen ved å la luft strømme utad mellom maskinens stator eller stasjonære element og rotoren eller det roterende element. Luften som strømmer utad benevnes utblåsningsluft og tilføres til hulrommet med et trykk som er større enn trykket til de lokale arbeidsmediumgasser i strømningsbanen. Utblåsningsluftens strømningshastighet gjennom hulrommet er bestemt av den minimiserte kombinasjon av trykkfor-skjell og strømningsareal mellom utblåsningstilførselen og strøm-ningsbanen. Dersom f.eks. de minimiserte strømningsbetingelser i konstruksjonen ifølge ovennevnte patentskrift foreligger tvers over dens labyrinttetning, vil strømningshastigheten tvers over tetningen bestemme strømningshastigheten gjennom hulrommet. Dersom de minimiserte betingelser for trykkdifferanse og areal foreligger tvers over den smale passasje mellom de innbyrdes roterende

komponenter ved platekanten, vil tilsvarende strømningshastigheten gjennom hulrommet bli begrenset av strømningshastigheten gjennom

kanalen.

Inne i hulrommet pumpes utblåsningsluften ved det roterende element radialt utad som reaksjon på friksjonskrefter mellom luften og rotorens radialt utadragende flater. Dersom pumpingen overskrider hastigheten for tilførsel av utblåsningsluften til labyrinttetningen, dannes det en sirkulasjonssone i hulrommet. Overskuddet av pumpet luft i forhold til utblåsningsluften tvin-ges tvers over kanalen som fører til arbeidsmediumstrømnings-banen og radialt innad langs det stasjonære element. Når den sirkulerende luft beveger seg over kanalen iblandes en del av arbeidsmediumgassene luften i hulrommet og sirkuleres sammen med denne. Når dette inntreffer, øker temperaturen til luften i hulrommet, og holdbarheten til de lokale komponenter påvirkes ugunstig.

Det søkes stadig etter nye løsninger for maskiner med roterende deler for å minimisere ytelsestapene som vilkårlig påføres maskinen, ved å la betydelige mengder utblåsningsluft strømme mellom de innbyrdes roterende deler for å hindre iblanding av arbeidsmediumgassene.

Et primært formål med den foreliggende oppfinnelse er å bedre virkningsgraden for gassturbinmotorer. Ett mål er å minimisere mengden utblåsningsluft som er nødvendig for å hindre at arbeidsmediumgasser kommer inn i de indre hulrom. For å nå dette mål er det ønskelig med en reduksjon av den radiale ut-strømning av luft gjennom ulike grensesjikt, og ifølge et trekk tas det sik'te på å vende den radiale trykkgradient som vanligvis utøves mot grensesjiktet av indre trykkrefter inne i hulrommet. Et dermed forbundet formål er å øke klaringen mellom det stasjonære og det roterende element i maskinen uten å innvirke negativt på ytelse eller holdbarhet.

Ifølge oppfinnelsen akselereres luft i hulrommet mellom

et roterende element og et stasjonært element i en maskin med roterende deler til en tangential hastighet som er omtrent lik den tangentiale hastigheten for det roterende element i en tilsvarende radial stilling.

Et primært trekk ved oppfinnelsen er en luftinnsprøytings-dyse som er orientert slik at luften som strømmer ut fra den strømmer i rotasjonsretningen for det roterende element. Ifølge en utførelsesform er dysen avfaset innover slik at det tilføres en innadrettet hastighetskomponent til luften som strømmer gjennom den. Et annet trekk er den betydelige klaring mellom det roterende element og det stasjonære element i maskinen ved hul-

rommets ytre ende.

En prinsipiell fordel med oppfinnelsen er økt syklus-effektivitet, noe som er et resultat av en reduksjon av mengden utblåsningsluft som må strømme gjennom hulrommet for å hindre iblanding av arbeidsmediumgasser. Dessuten er klaringen mellom det roterende og det stasjonære element i gassturbinmotoren økt i området ved skivekanten for å sikre at destruktiv påvirkning mellom de innbyrdes roterende elementer ikke opptrer. Komponent-enes holdbarhet ved hulrommet økes ved en reduksjon av temperaturen i hulrommet når iblandingen av mediumgasser stoppes.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et forenklet tverrsnitt av et parti av tur-binseksjonen i en gassturbinmotor.

Fig. 2 viser et snitt langs linjen 2-2 i fig. 1.

Fig. 3 er et diagram som viser forholdet mellom radius og tangential hastighet for luften i det midtre område av hulrommet. Fig. 4 er et diagram som viser forholdet mellom radius og luftstrømningshastighet gjennom grensesjiktet opptil det roterende element.

En gassturbinmotor er en typisk maskin med roterende deler hvor oppfinnelsen fordelaktig kan anvendes. Et parti av en slik motors turbinseksjon er vist i fig. 1. Statorenheten er dannet

r

av et sylindrisk hus hvorfra det rager innad én eller flere rekker skovler 16. En membran 18 løper radialt innover fra skovlene. Rotorenheten består av minst én skive 2 0 hvorfra det rager utover en rekke rotorblader 22. En av skivens sideflater 24 vender mot membranen, men er atskilt fra denne. Et hulrom 26 er dannet mellom denne sideflate og membranen 18. En labyrinttetning 28 stenger den radialt indre ende av hulrommet. Rekken av blader og skovler er anordnet alternerende tvers over en ring-formet strømningsbane 3 0 som avgrenser hulrommets 2 6 ytre ende radialt. En kanal 32 løper mellom hulrommet og strømningsbanen. Strømningsbanen 30 fører arbeidsmediumgassene, som inneholder forbrenningsprodukter fra et forbrenningskammer 34, aksialt nedstrøms gjennom motoren. Et antall dyser 36, som fremgår bedre av fig. 2, er anordnet langs omkretsen av kanalen 32. Relativt kald luft kan strømme til dysene fra motorens kompresjonsseksjon gjennom rørorganer 38. Hver dyse har et nitti graders bend i rotorens rotasjonsretning.

Ved drift av motoren strømmer luften gjennom dysene 3 6 og ut av disse tangentialt i forhold til rotorens rotasjonsretning, noe som bevirker at luften i hulrommet 26 hvirvler. I ideell til-stand akselereres hvirvelluften til den tangentiale hastigheten for skivesideflaten 24 på et tilsvarende radialt sted. Drift under ideelle betingelser hindrer som diskutert nedenfor radial utstrømning av luft gjennom skivegrensesjiktet.

Som nevnt ovenfor føres ved kjente løsninger relativt kald luft gjennom hulromme£ 26 for utblåsning av varme mediumgasser fra dette. Utblåsningsluftens strømningshastighet må være større enn strømningshastigheten for luften som pumpes radialt gjennom skivegrensesjiktet for stort sett å eliminere iblanding. Med fordel reduseres den mengde utblåsningsluft som er nødvendig for å hindre iblanding ved fornuftig bruk av utblåsningsluften for å minske strømningshastigheten til luft som pumpes gjennom grensesjiktet.

En reduksjon av strømningshastigheten i grensesjiktet opp-nås ved forandring av nettosummen av de radiale krefter som virker på hver partikkel i grensesjiktet. Fenomener med frie og tvungne hvirvler benyttes for å oppnå denne reduksjon.

I et strømningsfelt med frie hvirvler, som er kjennetegn-ende for luft i hulrommets 26 sentrale område, er den radiale trykkgradient i størrelse lik, men motsatt rettet den radiale akselerasjon som virker på hver partikkel:

hvor P er luftens densitet,

^ er den radiale.trykkgradient, og dP

a er den radiale akselerasjon.

Den radiale akselerasjon kan uttrykkes ved hjelp av tangentialhastighet og radius:

hvor V"Ter luftens tangentialhastighet, og r er radius fra rotasjonssentrum til det lokale område.

Dersom den radiale trykkgradient i sentrum av hulrommet settes lik den radiale akselerasjon, kan gradienten uttrykkes ved hjelp av luftens lokale tangentialhastighet:

Den radiale trykkgradient i det sentrale område av hulrommet, dP utøves sideveis mot grensesjiktet ved sideflaten 24..

I motsetning til luften i det sentrale område av hulrommet, ut-settes imidlertid luften i grensesjiktet for tvungne hvirvler.

I felter med tvungne hvirvler er luftens tangentiale hastighet lik vinkelhastigheten til den tilstøtende konstruksjon:

hvor w er den tilstøtende konstruksjons vinkelhastighet.

Ved summering av de radiale krefter på en partikkel i grensesjiktet er den netto radiale kraft følgende:

hvor F er den netto radiale kraft pr. enhet masse på en partikkel i grensesjiktet.

Luft i hulrommet akselereres til en tangentialhastighet

(VT) som er lik den lokale tangentialhastighet (wr) for sideflaten 24 ved strømning av utblåsningsluft gjennom dysene 36.

Som resultat blir den netto radiale kraft i det lokale område av grensesjiktet null, og den radiale utstrømning av luft stopper.

Opphør av den radiale utstrømning i nærheten av kanalen 3 2 eliminerer resirkulasjon som vanligvis bevirker at en del av arbeidsmediumgassene kommer inn i hulrommet og muliggjør en tilsvarende reduksjon av utblåsningsluft som er nødvendig for å motvirke iblanding. Ifølge en utførelsesform er den radiale klaring mellom de innbyrdes roterende komponenter i labyrinttetningen redusert for å minske tilførselen av utblåsningsluft, selv om små mengder luft strømmer kontinuerlig for å begrense lufttemperaturen i hulrommet.

Som det fremgår av fig. 2 er hver av dysene skråstilt radialt innover ca 15° fra en tangentlinje. Denne skråstilling reduserer aerodynamiske forstyrrelser forårsaket av baksiden av en tilstøtende dyse. Skråstilling av dysene aksialt innover i for- hold til motorens akse kan bevirke en liknende fordel. Det vesent-lige trekk ved hver dyse er imidlertid å bevirke tangential hvirvling av luften i hulrommet. Dessuten kan enhver anordning som

er i stand til å frembringe tangential hvirvling slik som be-skrevet ovenfor anvendes istedenfor dysene ifølge den foretrukne utførelsesform.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte til hindring av innføring av arbeidsmediumgasser fra en strømningsbane for en maskin med roterende deler innad i et hulrom som befinner seg radialt innenfor arbeidsmed-iets strø mningsbane, mellom maskinens roterende og stasjonære elementer, karakterisert ved at luft føres tangentialt inn i hulrommets radialt ytre ende for akselerering av luften i hulrommet til en tangential hastighet som er stort sett lik rotorens tangentialhastighet på et tilsvarende radialt sted.

2. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved en hvirvelanordning for akselerasjon av luft i et hulrom til en tangential hastighet som er omtrent lik et roterende elements tangentiale hastighet på et tilsvarende sted.

3. Apparat i samsvar med krav 2, karakterisert ved at hvirvelanordningen omfatter et antall dyser som er anbrakt langs omkretsen av hulrommet og som er innrettet til å lede luft som strømmer gjennom dem under bruk av motoren i stort sett tangential retning.

4. Apparat i samsvar med krav 3, karakterisert ved at dysene løper fra det stasjonære element.

5. Apparat i samsvar med krav 3 eller 4, karakterisert ved at dysene er skråstilt radialt innover.

6. Apparat i samsvar med krav 5, karakterisert ved at dysene er skråstilt ca 15° i forhold til en tangentlinje.

7. Apparat i samsvar med krav 3 eller 4, karakterisert ved at dysene er skråstilt aksialt bakover i forhold til rotasjonsmaskinens lengdeakse.