DE10122464C1 - Mantelring - Google Patents

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.