Gasturbinentriebwerk Gegenstand der Erfindung ist ein Gasturbinen triebwerk mit einer auf der Einlassseite der Gasturbine in einem Lager drehenden Turbinenwelle, gekenn zeichnet durch zwei in Axialrichtung in Abstand voneinander ortsfest angeordnete Wände zwischen dem Lager und dem zur ersten Stufe der Turbine gehörenden Laufrad und durch eine Labyrinthdichr tung bei jeder dieser beiden Wände.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dar.
Fig. 1 ist ein teilweiser Längsschnitt eines Gas turbinentriebwerkes nach der Erfindung, Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus Fig. 1 in grösserem Massstab.
Fig. 3 ist ein teilweiser Schnitt <I>nach</I> der Linie 3-3 von Fig. 1, und Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines nachgiebigen Ringes. .
Das Garturbinentriebwerk weist ein als Träger eines vorderen Wellenlagers dienendes Gasturbinen einlassgehäuse 10 auf, dessen vorderes Ende an einem die Brennkammern umhüllenden Mantel 11 und des sen hinteres Ende am Gasturbinengehäuse 12 ange schraubt ist. Am Gehäuse 10 sind die äusseren Enden von Hohlstegen 13 befestigt, deren innere Enden an einem starren Tragring 14 befestigt sind. Ein Ring 16, der die hinteren Enden von zwei koaxialen Blechzylindern 17, 18 trägt, ist am Ring 14 ange schraubt.
Die hinteren Brennkammerendteile 19 sind an die die Gasturbinenleitschaufeln 23 tragenden Wände 21, 22 angeschlossen. Diese Endteile 19 erstrecken sich zwischen den Hohlstegen 13 hindurch; der Klarheit halber ist aber der Hoh stegmittelteil weggebrochen und die Brennkammerendteile im Schnitt gezeigt.
Die Wände 21, 22 bilden mit den Schaufeln 23 Einlassdüsen der ersten Gasturbinen stufe, zu welcher auch die Schaufeln 26 eines auf einer Turbinenwelle 28 sitzenden Turbinenlaufrades 27 :gehören. Ein am Tragring 14 befestigter Ringteil 24 trägt die eben erwähnten Einlassdüsen. Die Nabe des Laufrades 27 .liegt an einer Distanzbüchse 29 an, die sich an einem Bund 31 der Turbinenwelle 28 abstützt.
Eine am Ringteil 24 befestigte Ringscheibe 32 dient als Trennwand vor dem Laufrad 27. Die Turbinenwelle 28 läuft vorn auf .einem Rollenlager 33 und hinten auf einem nicht gezeigten ähnlichen Lager. Ein auf die Turbinenwelpe 28 aufgeschraubter Ring 36 drückt den inneren Laufring des Rollen Nagers 33 gegen einen inneren Labyrimthabdichtungs- ring 34, der sich mit einer Ringschulter am Wellen bund 31 abstützt.
Der äussere Laufring .des Rollen- lagers 33 wird mittels anschliessend beschriebenen Zwischenteilen von einer Ringscheibe 37 getragen, die an einem radial nach innen ragenden Flansch 38 des Tragringes 14 befestigt ist. Zu de eben erwähn ten Zwischenteilen gehört ein nachgiebiger Ring 39 (s. a. Fig. 3 und 4), der in .die Bohrung der Ring scheibe 37 eingesetzt ist, und ein Ringansatz 41 eines Ringkörpers 40.
Dieser letztere hat zwei Ringansätze 42, 43 von verschieden grossem Durchmesser, welche praktisch spielfrei Dichtungsrippen 44 bzw. 46 um geben, die an entsprechenden Teilen des mit der Welle 28 drehenden Labyrinthabdichtungsringes 34 vorhanden sind, zwecks Bildung zweier Labyrinth dichtungen.
Zur Ermöglichung einer nachgiebigen Radial abstützung des Rollenlagers 33 und des Ringkörpers 40 ist der in .den Ringspalt zwischen der Ringscheibe 37 und dem Ringansatz 41 eingesetzte Ring 39 mit äusseren Längsrippen 47 und mit zu diesen in Um fangsrichtung versetzten inneren Längsrippen 48 ver sehen, wobei nur diese Längsrippen 47,
48 an der Ringscheibe 37 bzw. am Ringansatz 41 anliegen. Dank diesem. Aufbau ist wohl die Lage des Lagers gegeben, aber nicht starr, sondern so weit nachgiebig, dass geringfügige Radialbewegungen der aus dem Rollenlager 33, der Turbinenwelle 28, dem Labyrinth- abdichtungsring 34 und dem Ringkörper 40 bestehen den Baugruppe möglich sind.
Der Ringkörper 40 hat eine äussere Ringschulter 49, mit welcher er an einer hinteren Stirnfläche der Ringscheibe 37 anliegt. Er hat ferner eine innere Ringschulter 51, an welcher der äussere Laufring des Rollenlagers 33 anliegt.
Vor der Ringscheibe 37 hat der Ringansatz 41 des Rin körpers 40 eine äussere Ringnut, in welche ein Spreng ring 52 eingreift, zwecks Verhinderung einer axialen Verschiebung des Ringkörpers 40, auf gleicher axialer Höhe hat der Ringansatz 41 eine innere Umfangsnut, in, welche ein Sprengring 53 eingreift, der den äusseren Laufring des Rollenlagers 33 gegen axiale Verschie bung sichert.
Zur Verhinderung einer Drehung des nachgie bigen Ringes 39 und des Ringkörpers 40 dient ein Riegelbolzen 54, dessen Kopf 55 in einer Tasche 56 des Ringansatzes 41 sitzt, und der sich durch einen Einschnitt 57 des Ringes 39 sowie durch einen Ein schnitt 58 am hinteren Rand des inneren nabenför- migen Teils der Ringscheibe 37 hindurch erstreckt.
Eine an ;der Ringscheibe 37 angeschraubte und an eine Schmieröldruckleitung 61 angeschlossene Spritz düse 59 .spritzt aus ihrer Bohrung 62 Schmieröl in das Rollenlager 33.
In eine Ringnut 64 am hinteren Ende des Ring körpers 40 ist ein Kolbenring 63 eingesetzt, der an der zylindrischen Innenfläche der Ringscheibe 32 anliegt zwecks Bildung einer Abdichtung zwischen der Kammer 65, die zwischen dem Turbinenrad 27 und der Ringscheibe 32 liegt, und der Kammer 66, die vor der Ringscheibe 32 liegt;
das Gas, das unter Umgehung dieser Abdichtung durch die äussere Labyrinthdichtung 43, 46 hindurchleckt, gelangt durch im Ringkörper 40 vorhandene Löcher 67 in die Kammer 66 und kann von dieser aus durch im Trag ring 14 vorhandene Löcher 68 und durch das Innere der Hohlstege 13 in die Atmosphäre abfliessen.
Eine ähnliche Abdichtung ist zwischen der Kam mer 66 und dem Rollenlager 33 angeordnet. Zu ihr gehört ein Kolbenring 69, der in einer Ringnut 71 des Ringkörpers 40 einsgesetzt ist und an einem Ring 72 anliea , welcher mittels eines tiefgezogenen Blech ringes 73 gasdicht mit der Ringscheibe 37 verbunden ist.
Die beiden Kolbenring Dichtungen lassen eine Axialbewegung und auch :geringfügige radiale Lage veränderungen der Turbinenwella 28 und der Laby rinfihdichtungen zu, verhindern aber eine Umgehung dieser letzteren durch Öl und. Gas.
Ein scheibenförmiger Ansatz 76 des Ringkörpers 40 erstreckt sich radial einwärts bis in unmittelbare Nähe der glatten Aussenoberfläche des Labyrinth abdichtungsringes 34 und dient zum Abfangen -des durch das Rollenlager 33 hindurchgeströmten Öls. Zwischen dem .äusseren Laufring dieses Rollenlagers und dem ölabfangansatz 76 sind in den Ringansatz 41 etwa zwölf Taschen 77 eingearbeitet;
jeder solchen Tasche ist ein radiales Blindloch 78 und ein achs paralleles Bohrloch 79 zugeordnet (untere Hälfte von Fig. 1), das an der Stirnfläche des Ringansatzes 41 ausmündet, damit das abgefangene Öl in den inner halb des Blechzylinders 18 gelegenen Sammelraum 80 gelangen kann, aus dem es durch eine nicht dar gestellte Pumpe in ein Ölreservoir zurückbefördert wird.
Der zwischen der inneren Labyrinthdichtung 42, 44 und dem Ölabfangansatz 76 gelegene Ringraum 81 steht durch mehrere annähernd radial verlaufende Bohrungen 82 mit dem den Ringkörper 40 umge benden und innerhalb des Blechringes 73 gelegenen Raum 83 in Verbindung, damit das durch die ge nannte Labyrinthdichtung hindurchleckende Gas in diesen Raum 83 gelangen kann, von dem aus es durch ein in der Ringscheibe 37 eingesetztes Rohr stück 84 in den Sammelraum 80 entweichen kann.
Der Raum 65 steht mit dem zwischen den zur ersten Turbinenstufe gehörenden Leitschaufeln 23 und den Laufradschaufeln 26 gelegenen Abschnitt des Strömungskanals der Gasturbinenbetriebsgase in Ver bindung; es herrscht also in ihm der gleiche Druck wie am Austritt der Leitschaufeln 23. In diesen Raum 65 wird eine geringe Menge von Luft eingelassen, die vom Kompressor unter Umgehung der Brennkam mern direkt in den Ringraum zwischen dem Mantel 11 und dem Blechzylinder 17 gelangt ist.
Diese Luft hält die Betriebsgase von den Labyrinthdichtungen fern und strömt mit ihnen durch die Laufradschaufel- kanäle ab.
Ein Blechring 87 erstreckt sich mit seinem kegc- ligen Teil in den Raum 65; sein zylindrischer Aussen teil ist zusammen mit der Ringscheibe 32 und dem Ringteil 24 mit Hilfe von Schrauben 88 an Tragring 14 .befestigt.
Zwischen den Schrauben 88 sind in den Bauteilen 14, 24 und 32 übereinstimmende Bohr löcher 89 vorhanden. Bei jedem dieser Bohrlöcher ist in der hinteren Stirnfläche der Ringscheibe 32 eine Radialnut 91 eingearbeitet. Luft, welche, wie vorbeschrieben wurde, an der Aussenoberfläche der Brennkammern 19 vorbeigeströmt ist, wird aus die sen Radialnuten 91 auf das Laufrad 27 geblasen.
Sie kühlt diese letztere etwas ab; ihr Hauptzweck besteht aber darin, das unreine und :heissere Turbinen betriebsgar von der Zone fernzuhalten, in welcher die Labyrinthdichtungen und das Rollenlager 33 an geordnet sind.
Im Raum 65 herrscht ein hoher Druck, dessen von der Flughöhe abhängender Wert leicht 10,5 kg/cm2 erreichen kann. Im Sammelraum 80 herrscht atmo sphärischer Druck.
Im Raum 66, der durch die Lö cher 67 mit dem zwischen den beiden Labyrinth dichtunsgen gelegenen Raum in Verbindung steht, herrscht ein etwas höherer Druck als im Sammelraum 80, damit für die innere Labyrinthdichtung 42, 44 ein kleines Druckgefälle zur Verfügung steht und Gewähr besteht, dass etwas Luft in dieser Dichtung zum Lager hindurchleckt und Öl daran hindert, nach hinten zu sickern.
Der maximale Überdruck im Raum 66 wird zweckmässig auf etwa 0,35 atü gehalten durch entsprechende Dimensionierung der Löcher 68 unter Zugrundelegung der vom Raum 65 durch die äussere Labyrinthdichtung 43, 46 hereinleckenden Luftmenge. Der Gesamtdurchlassquerschnitt aller Lö cher 68 richtet sich also in jedem Einzelfall nach der festgestellten Luftmenge, die durch die äussere Laby- rinthdichtung 43, 46 fliesst.
Beispielsweise waren bei einer Ausführung, bei der die ,äussere Labyrinthd!ich- tung 43, 46 einen Durchmesser von ungefähr 100 mm hatte, drei Löcher 68 mit einem Durchmesser von 9,5 mm vorzusehen.
Gesamthaft betrachtet, ermöglicht die vorgeschla gene Konstruktion die Einhaltung von minimalem Spiel in den Labyrinthdichtungen bei elastischer Wellenlagerung; dank dem kann die Leckluftmenge so gering gehalten werden, dass nicht anstelle dieser Labyrinthdichtungen wohl besser abdichtende, aber oft Störungen unterworfene Gleitdichtungen gewählt worden müssen.
Dank dem Umstand, dass der weit aus grösste Teil des Druckgefälles auf die äussere Labyrinthdichtung 43, 46 entfällt und auf die innere Labyrinthdichtung 42, 44 nur ein kleiner Anteil, der ein Hindurchlecken von Öl verhindert, wird erreicht, dass die Menge von Heissluft, die zum Rollenlager 33 hindurchleckt, bezüglich Wärmezufuhr zu diesem ganz unerheblich ist im Vergleich zur Wärmemenge, die diesem Lager durch Leitung und Strahlung zuge führt wird.
The invention relates to a gas turbine engine with a turbine shaft rotating in a bearing on the inlet side of the gas turbine, characterized by two axially spaced walls between the bearing and the impeller belonging to the first stage of the turbine and by a labyrinth seal at each of these two walls.
The drawing represents an embodiment of the subject matter of the invention.
Fig. 1 is a partial longitudinal section of a gas turbine engine according to the invention, Fig. 2 is a detail from Fig. 1 on a larger scale.
Figure 3 is a partial section taken along line 3-3 of Figure 1 and Figure 4 is a perspective view of a resilient ring. .
The gas turbine engine has a serving as a carrier of a front shaft bearing gas turbine inlet housing 10, the front end of which is screwed to a jacket 11 surrounding the combustion chambers and the rear end of the sen on the gas turbine housing 12 is. The outer ends of hollow webs 13 are attached to the housing 10, the inner ends of which are attached to a rigid support ring 14. A ring 16, which carries the rear ends of two coaxial sheet metal cylinders 17, 18, is screwed to the ring 14.
The rear combustion chamber end parts 19 are connected to the walls 21, 22 carrying the gas turbine guide vanes 23. These end parts 19 extend between the hollow webs 13; for the sake of clarity, however, the Hoh web center part is broken away and the combustion chamber end parts are shown in section.
The walls 21, 22 form with the blades 23 inlet nozzles of the first gas turbine stage, to which the blades 26 of a turbine impeller 27 seated on a turbine shaft 28 also belong. A ring part 24 attached to the support ring 14 carries the inlet nozzles just mentioned. The hub of the impeller 27 rests on a spacer sleeve 29 which is supported on a collar 31 of the turbine shaft 28.
An annular disk 32 attached to the ring part 24 serves as a partition in front of the impeller 27. The turbine shaft 28 runs on a roller bearing 33 at the front and on a similar bearing, not shown, at the rear. A ring 36 screwed onto the turbine hub 28 presses the inner race of the roller rod 33 against an inner labyrinth sealing ring 34, which is supported on the shaft collar 31 with an annular shoulder.
The outer race of the roller bearing 33 is supported by means of intermediate parts described below by an annular disk 37 which is fastened to a flange 38 of the support ring 14 that projects radially inward. The intermediate parts just mentioned include a flexible ring 39 (see also FIGS. 3 and 4), which is inserted into the bore of the annular disk 37, and an annular shoulder 41 of an annular body 40.
This latter has two ring lugs 42, 43 of different sizes, which are practically free of play sealing ribs 44 and 46, which are present on corresponding parts of the rotating with the shaft 28 labyrinth sealing ring 34, for the purpose of forming two labyrinth seals.
To enable a flexible radial support of the roller bearing 33 and the annular body 40, the ring 39 inserted in the annular gap between the annular disk 37 and the annular shoulder 41 with outer longitudinal ribs 47 and with these inner longitudinal ribs 48 offset in the circumferential direction is seen, with only these longitudinal ribs 47,
48 rest on the annular disk 37 or on the annular shoulder 41. Thanks to this. Structure is the position of the bearing, but not rigid, but flexible enough that slight radial movements of the assembly consisting of the roller bearing 33, the turbine shaft 28, the labyrinth sealing ring 34 and the annular body 40 are possible.
The ring body 40 has an outer ring shoulder 49 with which it rests on a rear end face of the ring disk 37. It also has an inner annular shoulder 51 on which the outer race of the roller bearing 33 rests.
In front of the annular disk 37, the annular shoulder 41 of the ring body 40 has an outer annular groove into which a snap ring 52 engages, in order to prevent axial displacement of the annular body 40, at the same axial height the annular shoulder 41 has an inner circumferential groove, in which a snap ring 53 engages, which secures the outer race of the roller bearing 33 against axial displacement.
To prevent rotation of the yielding ring 39 and the ring body 40 is a locking bolt 54, the head 55 of which sits in a pocket 56 of the ring extension 41, and which is cut through an incision 57 of the ring 39 and a 58 at the rear edge of the inner hub-shaped part of the annular disk 37 extends therethrough.
A spray nozzle 59 screwed onto the annular disk 37 and connected to a lubricating oil pressure line 61 sprays lubricating oil from its bore 62 into the roller bearing 33.
In an annular groove 64 at the rear end of the annular body 40, a piston ring 63 is inserted, which rests against the cylindrical inner surface of the annular disk 32 for the purpose of forming a seal between the chamber 65, which lies between the turbine wheel 27 and the annular disk 32, and the chamber 66 which lies in front of the annular disk 32;
the gas that leaks through the outer labyrinth seal 43, 46, bypassing this seal, passes through holes 67 in the ring body 40 into the chamber 66 and can from there through holes 68 in the support ring 14 and through the interior of the hollow webs 13 in drain the atmosphere.
A similar seal is arranged between the chamber 66 and the roller bearing 33. It includes a piston ring 69 which is inserted in an annular groove 71 of the annular body 40 and anliea to a ring 72, which is connected to the annular disk 37 in a gas-tight manner by means of a deep-drawn sheet metal ring 73.
The two piston ring seals allow axial movement and also: minor radial changes in position of the turbine shaft 28 and the Laby rinfih sealings, but prevent the latter from being bypassed by oil and. Gas.
A disk-shaped extension 76 of the ring body 40 extends radially inward to the immediate vicinity of the smooth outer surface of the labyrinth sealing ring 34 and serves to intercept the oil that has flowed through the roller bearing 33. Between the outer race of this roller bearing and the oil interception attachment 76, about twelve pockets 77 are incorporated into the annular attachment 41;
each such pocket is assigned a radial blind hole 78 and an axially parallel borehole 79 (lower half of Fig. 1) which opens out at the end face of the ring extension 41 so that the oil captured can get into the collecting space 80 located within the sheet metal cylinder 18, from which it is returned to an oil reservoir by a pump not provided.
Located between the inner labyrinth seal 42, 44 and the oil intercepting attachment 76, the annular space 81 is through several approximately radially extending bores 82 with the ring body 40 surrounding and located within the sheet metal ring 73 space 83 in connection, so that the gas leaking through the labyrinth seal mentioned can get into this space 83, from which it can escape through a tube piece 84 inserted in the annular disk 37 into the collecting space 80.
The space 65 is connected to the section of the flow channel of the gas turbine operating gases located between the guide vanes 23 belonging to the first turbine stage and the impeller blades 26; So there is the same pressure in it as at the outlet of the guide vanes 23. In this space 65 a small amount of air is admitted, which is passed directly into the annular space between the jacket 11 and the sheet metal cylinder 17 from the compressor, bypassing the Brennkam.
This air keeps the operating gases away from the labyrinth seals and flows with them through the impeller vane channels.
A sheet metal ring 87 extends with its conical part into the space 65; its cylindrical outer part is .befestigt together with the annular disk 32 and the annular part 24 with the aid of screws 88 on the support ring 14.
Between the screws 88 in the components 14, 24 and 32 matching drilling holes 89 are available. A radial groove 91 is machined into the rear face of the annular disk 32 in each of these boreholes. Air, which, as described above, has flowed past the outer surface of the combustion chambers 19, is blown out of the radial grooves 91 onto the impeller 27.
It cools the latter down a little; Their main purpose, however, is to keep the impure and hot turbine operationally away from the zone in which the labyrinth seals and the roller bearing 33 are arranged.
In space 65 there is a high pressure, the value of which, depending on the flight altitude, can easily reach 10.5 kg / cm2. Atmospheric pressure prevails in the collecting space 80.
In space 66, which is connected to the space between the two labyrinth seals through the holes 67, there is a slightly higher pressure than in the collecting space 80, so that a small pressure gradient is available and guaranteed for the inner labyrinth seal 42, 44 that some air in this seal is leaking to the bearing and preventing oil from seeping backwards.
The maximum overpressure in space 66 is expediently kept at about 0.35 atmospheres by appropriately dimensioning the holes 68 based on the amount of air leaking in from space 65 through the outer labyrinth seal 43, 46. The total passage cross section of all holes 68 is therefore based in each individual case on the determined amount of air that flows through the outer labyrinth seal 43, 46.
For example, in an embodiment in which the outer labyrinth seal 43, 46 had a diameter of approximately 100 mm, three holes 68 with a diameter of 9.5 mm had to be provided.
Viewed as a whole, the proposed construction enables compliance with minimal play in the labyrinth seals with elastic shaft bearings; Thanks to this, the amount of leakage air can be kept so low that it is not necessary to choose sliding seals that are better sealing but often subject to interference instead of these labyrinth seals.
Thanks to the fact that the vast majority of the pressure drop is attributable to the outer labyrinth seal 43, 46 and only a small proportion to the inner labyrinth seal 42, 44, which prevents oil from leaking through, the amount of hot air that to the roller bearing 33 leaks through, with regard to the supply of heat to this is very insignificant in comparison to the amount of heat that is supplied to this bearing by conduction and radiation.