DE10122464C1 - Mantelring - Google Patents
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Abstract
Mantelring für den Niederdruckturbinenbereich einer Gasturbine, mit mehreren, aneinandergereihten Segmenten, die zwischen einem Laufschaufelkranz mit Deckband und dem Gehäuse der Gasturbine angeordnet sind, die einen Einlaufbelag tragen und stromaufwärts angeordnete Leitschaufeln formschlüssig halten. DOLLAR A Jedes Segment umfasst einen heißgasseitigen Dichtungsträger und ein gehäuseseitiges Sicherungselement, der Dichtungsträger und das Sicherungselement sind weitestgehend voneinander beabstandet und weisen nur möglichst kleine gemeinsame Kontaktstellen auf, das Sicherungselement stützt sich axial dierekt am Gehäuse der Gasturbine ab.
Description
Die Erfindung betrifft einen Mantelring für den axial durchströmten Niederdrucktur
binenbereich und/oder Nutzturbinenbereich einer Gasturbine, bestehend aus meh
reren, in Umfangsrichtung aneinandergereihten Segmenten, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
Bei Niederdruck- und Nutzturbinen von Gasturbinen für Luft-, Land- und Wasserfahr
zeuge sowie für stationären Einsatz sind über den Laufschaufeln segmentierte Man
telringe (Outer Air Seals, OAS) angeordnet, die folgende Aufgaben haben:
- - Abschirmung des Gehäuses der Gasturbine von den hohen Gastemperaturen,
- - Bereitstellung eines Einlaufbelages für die Dichtspitzen am Laufschaufeldeck band, und
- - oft auch Sicherung der stromauf angeordneten Leitschaufel-Stufe im Gehäuse durch Formschluss.
Gemäß dem Stand der Technik werden zumindest die beiden letzteren Aufgaben von
einem Bauteil übernommen, d. h. vom jeweiligen Mantelring-Segment. Zur Erfüllung
der ersten Aufgabe ist es oft erforderlich, zusätzliches Wärmeisolationsmaterial zwi
schen dem Mantelring und dem diesen von außen umschließenden Gasturbinenge
häuse anzuordnen, was die Kosten, das Gewicht und den Montageaufwand erhöht.
Durch den hohen Wärmeübergang vom Einlaufbelag, meist einer Honigwabenstruk
tur, in die Mantelring-Segmente, die ja auch die Leitschaufel-Sicherungsfunktion er
füllen, werden die Segmente sehr heiß mit folgenden negativen Auswirkungen:
- - Aufheizung der Leitschaufel-Befestigungselemente am Gehäuse sowie des Ge häuses selbst durch direkten, wärmeleitenden Kontakt,
- - Abfall der Festigkeit und des Verschleißwiderstandes der aufgeheizten Teile,
- - Maßänderungen und Relativbewegungen im Bereich der Leitschaufelsicherung, somit Verschleiß und die Erfordernis großer Spiele insbesondere in Axialrichtung.
Die Kombination der beiden letztgenannten Effekte hat in einigen Fällen dazu ge
führt, dass infolge von plastischen Verformungen die Leitschaufel-Sicherungsfunktion
versagte und somit eine oder mehrere Leitschaufeln im Betrieb frei wurden
mit der Folge starker Beschädigung bzw. der Zerstörung des betroffenen Turbinenbe
reichs.
Eine solche, konventionelle Ausführung der Mantelringe ist beispielsweise aus der
DE-C-27 45 130 bekannt. Die Mantelringe sind hier mit "Abdeckungen (10)" oder mit
"Mantelringabdeckungen (10)" bezeichnet, die Einlaufbeläge mit "Dichtflächen (11)".
Das Gehäuse (13) der Gasturbine weist Befestigungselemente (Zylinder 14) auf, wel
che sowohl die Leitschaufeln (1) als auch die Mantelringe (Abdeckungen 10) tragen.
Die radial äußeren, stromaufwärtigen Enden der Leitschaufeln (1) umgreifen Verdi
ckungen (Wulste 22) der Befestigungselemente klauenartig, in gleicher Weise tun
dies die stromabwärtigen Enden der Mantelringe. Die radial äußeren, stromabwärti
gen Enden der Leitschaufeln (1) liegen radial von innen an den Befestigungselemen
ten (Zylindern 14) an und werden von den klauenartigen, stromaufwärtigen Enden
der Mantelringe formschlüssig gesichert. Somit liegen konstruktionsbedingt auch
hier die bereits geschilderten, thermischen und mechanischen Probleme vor.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen segmentierten Man
telring mit Dichtungsträgerfunktion und Leitschaufelsicherungsfunktion so zu gestal
ten, dass durch thermische Entlastung der Leitschaufelbefestigungsstellen und des
Turbinengehäuses die mechanische Belastbarkeit erhöht und somit Verschleiß und
plastische Deformationen stark reduziert bzw. vermieden werden. Dabei soll insbe
sondere die Leitschaufelsicherungsfunktion mit höchster Zuverlässigkeit erfüllt wer
den.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge
löst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Erfindungsgemäß werden die Dichtungsträgerfunktion einerseits und die Leitschau
felsicherungsfunktion andererseits jeweils von einem separaten Bauteil erfüllt, so
dass jedes Segment des Mantelringes einen Dichtungsträger und ein Sicherungs
element umfasst. Die Bauteile "Dichtungsträger" und "Sicherungselement" berühren
sich, sie sind aber nicht fest miteinander verbunden. Der Dichtungsträger und das
Sicherungselement sind in Relation zueinander so gestaltet, dass sie über möglichst
große Bereiche ihrer Oberflächen voneinander beabstandet sind, sowie nur mög
lichst kleine gemeinsame, wärmeleitende Kontaktstellen aufweisen. Der Dichtungs
träger nimmt im Betrieb annähernd die örtliche Heißgastemperatur an, wohingegen
das Sicherungselement durch die abschirmende Wirkung des Dichtungsträgers bei
minimierter Wärmeleitung auf deutlich niedrigerer Temperatur bleibt. Die gehäuse
seitigen Leitschaufel-Befestigungselemente bleiben dadurch im Betrieb auch deutlich
kühler und sind mechanisch erheblich höher belastbar. Die Temperaturreduktion
setzt sich bis in das Turbinengehäuse hinein fort, wobei auch die abschirmende Wir
kung des schalenartigen Sicherungselementes zum Tragen kommt. Zusätzliche
Wärmeisolationsmaßnahmen bzw. -materialien sind dadurch in der Regel nicht mehr
erforderlich. Dadurch, dass sich das Sicherungselement axial direkt am Gehäuse
abstützt, bleibt die Leitschaufelsicherungsfunktion unabhängig von thermischen
Dehnungen der nachfolgenden Leitschaufel im gesamten Betriebsbereich zuverlässig
erfüllt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprü
chen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Dabei
zeigt die Figur einen Teillängsschnitt durch den äußeren Schaufelabdichtungs- und
Gehäusebereich einer Niederdruckturbine eines Turboluftstrahltriebwerkes in verein
fachter Darstellung.
Bei dem aus der Figur ersichtlichen Turbinenbereich handelt es sich um den Nieder
druckturbinen- bzw. Nutzturbinenbereich, letzteres im Falle einer Wellenleistungs
gasturbine. Bei Dreiwellen-Triebwerken könnte es sich auch um den Mitteldrucktur
binenbereich handeln. Die Strömungsrichtung soll hier von links nach rechts verlau
fen, wobei die gehäuseseitige Kanalbegrenzung divergent von links unten nach
rechts oben ansteigt. Die Längsmittelachse/Rotationsachse der Gasturbine würde
horizontal sowie unterhalb des Bildbereiches verlaufen, der Nabenbereich liegt eben
falls zu tief, um von der Darstellung erfasst zu werden.
Die Erfindung betrifft konkret die konstruktive Ausführung der Laufschaufel-
Spitzenabdichtung, d. h. der sogenannten Outer Air Seals (OAS). Der abzudichtende
Laufschaufelkranz 11 weist ein Deckband 12 mit zwei Dichtspitzen 13, 14 auf, wel
che mit einem hier im Durchmesser gestuften Einlaufbelag 6 in Honigwabenstruktur
zusammenwirken. Stromaufwärts und stromabwärts des Laufschaufelkranzes 11
sind Leitschaufeln 15, 16 zu erkennen, welche als Einzelteile oder als aus mehreren
Schaufeln zusammengefasste Segmente statisch im Gehäuse 17 der Turbine ange
ordnet sind. Das radial äußere, stromabwärtige Ende der Leitschaufel 15 - oder des
Leitschaufelsegmentes - liegt in einer radial nach innen offenen, rund um das Ge
häuse 17 verlaufenden Nut 18. Das radial äußere, stromaufwärtige Ende der Leit
schaufel 16 - oder des Leitschaufelsegmentes - greift in eine axial nach hinten offe
ne, rund um das Gehäuse 17 verlaufende Nut 19. Eine vergleichbare, stromaufwärti
ge Aufhängung besitzt auch die Leitschaufel 15 (links außerhalb der Darstellung).
Man kann sich vorstellen, dass die Leitschaufel 15, ohne weitere Sicherungsmaß
nahmen im Gehäuse - und Nabenbereich, um ihre stromaufwärtige Aufhängung (sie
he Bereich um Pos. 19) als "Gelenk" schwenkend aus der Nut 18 durch radiale Be
wegung nach innen freikommen könnte. Hier setzt die Halte- und Sicherungsfunktion
des Mantelringes 1 ein, der sich axial von der Leitschaufel 15 bis zur Leitschaufel 16
sowie in Umfangsrichtung rund um das Gehäuse 17 erstreckt. Es ist Stand der Tech
nik, Mantelringe segmentiert auszuführen, es ist jedoch eine Besonderheit der vor
liegenden Erfindung, die Segmente 2 in weitere Bauteile mit definierten Funktionen
zu untergliedern. Heißgasseitig ist hier ein Dichtungsträger 3 angeordnet, der den
Einlaufbelag 6 als Teil der Outer Air Seal (OAS) hält. Gehäuseseitig ist hier ein Siche
rungselement 7 vorhanden, das in seiner primären Funktion die Leitschaufel 15 ge
gen Freikommen aus der Nut 18 sichert. Der Dichtungsträger 3 umfasst hier, neben
dem Einlaufbelag 6, ein schalenartiges Trägerteil 4 und ein - im Axialschnitt - haken
ähnliches Anschlagteil 5. Da mehrere solcher Dichtungsträger 3 über den Turbinen
umfang aneinandergrenzend positioniert sind, können an diesen zusätzliche Abdich
tungselemente, wie Zungen, Laschen etc. vorhanden sein. Diese sind jedoch nicht
Teil der Erfindung und deshalb nicht dargestellt. Der Dichtungsträger 3 ist axial in
gewissen Grenzen beweglich, wobei hier die vorderste Position mit wirksamem An
schlagteil 5 dargestellt ist. Da die dichtungstechnisch wirksamen Innenkonturen des
Einlaufbelages 6 jeweils zylindrisch und axial ausreichend lang sind, ist die Axialposition
nicht kritisch. Das Sicherungselement 7 umfasst ein im Axialschnitt C-förmiges
Sicherungsteil 8, welches die Nut 18 mit dem Leitschaufelende untergreift, ein
schalenartiges Abschirmteil 9 und ein im Axialschnitt hakenähnliches Anschlagteil
10. Die weitestgehend voneinander beabstandeten Elemente 3 und 7 weisen defi
nierte Kontaktstellen C1, C2 auf, deren Erstreckung im Hinblick auf geringe Wärme
leitung minimiert ist, z. B. durch periodische Unterbrechungen in Umfangsrichtung,
die jedoch für die gegenseitige Abstützung erforderlich sind. Es wäre denkbar, bei C1
und C2 lokale keramische Beschichtungen aufzubringen, um Verschleiß und Wär
meleitung weiter zu reduzieren. Das Sicherungselement 7 wirkt thermisch als zu
sätzliches Strahlungsschild zwischen dem heißen Dichtungsträger 3 und dem Ge
häuse 17. Dadurch kann auf zusätzliche Wärmedämmstoffe in diesem Bereich ver
zichtet werden. Es ist auch zu erkennen, dass das heiße Trägerteil 4 erfindungsge
mäß nicht direkt an den Befestigungselementen des Gehäuses 17 im Bereich der
Nuten 18 und 19 anliegt. Somit werden diese mechanisch kritischen Bereiche eben
falls thermisch entlastet. In diesem Zusammenhang ist es möglich, nur das Teil 4 aus
thermischen Gründen aus einer Kobaltlegierung herzustellen, die Teile 5, 6, 8, 9 und
10 können aus fertigungs- und verschleißtechnisch gutmütigeren Nickellegierungen
oder sogar Stählen bestehen. Für feste Verbindungen innerhalb der Teile 3 und 7 ist
ausschließlich Löten vorgesehen unter Verwendung geeigneter Hochtemperaturlote.
Der Dichtungsträger 3 und/oder das Sicherungselement 7 kann aber auch jeweils
integral als Drehteil aus einem Schmiedering oder als Gussteil hergestellt sein. Auf
grund der segmentierten Bauweise des Mantelringes 1 stellen die Teile 3 und 7
selbst Segmente dar, welche jeweils in größerer Zahl über den Gehäuseumfang anei
nandergereiht sind. Dabei kann es sinnvoll sein, die Stoßfugen der Teile 7 gegenüber
denjenigen der Teile 3 in Umfangsrichtung zu versetzen.
Die Erfindung setzt nicht voraus, dass stromabwärts des Mantelringes ein Leitschau
felkranz folgt, wie in der Figur dargestellt. Es kann z. B. auch ein Gehäuseliner die
konstruktive und strömungstechnische Fortsetzung des Mantelringes mit Abstüt
zungs- und Anschlagfunktion für letzteren bilden.
Claims (8)
1. Mantelring für den axial durchströmten Niederdruckturbinenbereich und/oder
Nutzturbinenbereich einer Gasturbine, bestehend aus mehreren, in Umfangsrich
tung aneinandergereihten Segmenten, welche radial außerhalb eines Laufschau
felkranzes mit Deckband sowie innerhalb des Gehäuses der Gasturbine angeord
net sind, welche einen Einlaufbelag für wenigstens eine Dichtspitze des Deck
bandes tragen und welche stromaufwärts des Laufschaufelkranzes angeordnete
Leitschaufeln an deren radial äußerem, stromabwärtigem Ende formschlüssig
halten, dadurch gekennzeichnet,
dass jedes Segment (2) einen heißgasseitigen, mit dem Einlaufbelag (6) versehe
nen Dichtungsträger (3) und ein gehäuseseitiges, mindestens eine stromaufwär
tige Leitschaufel (15) stützendes sowie sich axial vergleichbar weit wie der Dich
tungsträger (3) erstreckendes Sicherungselement (7) umfasst, dass der Dich
tungsträger (3) und das Sicherungselement (7) über möglichst große Bereiche ih
rer Oberflächen voneinander beabstandet sind sowie nur möglichst kleine ge
meinsame, wärmeleitende Kontaktstellen (C1, C2) aufweisen, und dass das Si
cherungselement (7) sich über ein Anschlagteil (10) axial direkt am Gehäuse (17)
der Gasturbine abstützt.
2. Mantelring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag
(6) als zu dem Deckband (12) des Laufschaufelkranzes (11) hin offene Honigwa
benstruktur ausgeführt und mit dem Dichtungsträger (3) durch Löten verbunden
ist.
3. Mantelring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Siche
rungselement (7) ein im Axialschnitt C-förmiges Sicherungsteil (8), ein schalenar
tiges Abschirmteil (9) sowie ein im Axialschnitt hakenförmiges Anschlagteil (10)
umfasst, wobei diese Teile durch Löten verbunden sind.
4. Mantelring nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Dichtungsträger (3) ein schalenartiges Trägerteil (4), ein im
Axialschnitt hakenförmiges Anschlagteil (5) sowie den Einlaufbelag (6) umfasst,
wobei diese Teile durch Löten verbunden sind.
5. Mantelring nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Trägerteil (4) des Dichtungsträgers (3) mit dem Sicherungs
teil (8) und mit dem stromabwärtigen Ende des Abschirmteils (9) des Siche
rungselementes (7) gemeinsame Kontaktstellen (C1, C2) aufweist.
6. Mantelring nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, dass jedes seiner Teile (3 bis 10) aus einer Legierung auf Basis von Fe,
Ni oder Co besteht.
7. Mantelring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (4)
aus einer Co-Basislegierung besteht, und dass der Einlaufbelag (6), das Siche
rungsteil (8), das Abschirmteil (9) und die Anschlagteile (5, 10) jeweils aus einer
Ni-Basislegierung bestehen.
8. Mantelring nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dich
tungsträger (3) und/oder das Sicherungselement (7) jeweils integral als Drehteil oder
Gussteil ausgeführt ist.
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