DE102009011297A1

DE102009011297A1 - Dichtungsanordnung einer Turbine einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE102009011297A1
Application number: DE200910011297
Authority: DE
Inventors: Predrag Todorovic
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung einer Turbine einer Turbomaschine, mit einem zumindest eine Schaufelreihe ringförmig umschließenden Dichtring 1, wobei Schaufeln 2 der Schaufelreihe an ihrem freien, eine Plattform 3 aufweisenden Ende einen Laufspalt zu dem Dichtring 1 bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring 1 und/oder die Plattform 3 zumindest eine radial mit einer Ringöffnung 4 versehene Ringnut 5 aufweisen, welche in zumindest einer ihrer Axialrichtung 6 hinterschnitten ist, und dass die Plattform 3 und/oder der Dichtring 1 zumindest ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes, in die Ringnut 5 eingreifendes Dichtelement 7 aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Im Einzelnen bezieht sich die Dichtungsanordnung einer Turbine einer Turbomaschine auf eine Ausgestaltung, bei welcher zumindest ein eine Schaufelreihe ringförmig umschließender Dichtring vorgesehen ist, welcher gegenüber einer Schaufelreihe einen Laufspalt aufweist. An dem radial äußeren Ende weist die Schaufel 2 eine Plattform 3 auf, an welcher mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtlippen 11 ausgebildet sind. Diese bilden zusammen mit einem strukturierten, ringförmigen Wabenstrukturelement 9 eine Labyrinthdichtung.
Als nachteilig erweist es sich dabei, dass die Fertigungsgenauigkeit sehr hoch sein muss, um den Laufspalt zu minimieren. Bereits geringfügige thermische Änderungen führen durch die Ausdehnung oder Kontraktion des Turbinengehäuses zu einer Vergrößerung des Ringspalts oder zu einer Verringerung, welche bis zum direkten Kontakt führen kann. Auch Flugmanöver beeinflussen den Laufspalt.
Der Stand der Technik sieht vor, durch entsprechende Kühlung des Turbinengehäuses den Laufspalt zu minimieren und damit den Strömungsverlust am Schaufelende zu vermindern. Eine vollständige Abdichtung ist hinsichtlich der auftretenden Wärmeausdehnungen, der Wärmekontraktionen, der Fertigungsgenauigkeit und anderer Parameter, nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit ein hohes Maß an Effektivität aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Dichtring und/oder die Plattform zumindest eine Ringnut aufweisen, welche radial mit einer Ringöffnung versehen ist und welche in zumindest einer Axialrichtung hinterschnitten ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Plattform und/oder der Dichtring zumindest ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes, ringförmiges, in die Ringnut eingreifendes Dichtelement aufweist.
Es ergibt sich somit erfindungsgemäß durch das Zusammenwirken der Ringnut und des in der Ringnut angeordneten Dichtelements ein vorgegebener Strömungsweg, welcher bevorzugterweise mäanderförmig ausgebildet ist und eine mehrfache Umlenkung der Spaltströmung bewirkt. Bedingt durch diese Umlenkung erfolgt eine Störung und Behinderung des Durchflusses der Spaltströmung, wodurch sich ein erheblich gesteigerter Dichtungseffekt ergibt.
Bevorzugterweise umfasst die Ringnut einen im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt. Das Dichtelement ist bevorzugterweise mit einem T-förmigen oder L-förmigen Querschnitt versehen.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Ringnut und/oder am Dichtelement zumindest eine ringförmige Wirbelkammer vorgesehen ist, welche zu einer zusätzlichen Störung der Durchströmung in Axialrichtung führt.
Das Dichtelement ist im Wesentlichen über seine axiale Höhe in der Ringnut angeordnet und taucht somit in den Freiraum der Ringnut ein. Dabei ergibt sich ein Freiraum, welcher einen direkten metallischen Kontakt verhindert und welcher zusätzlich einen Strömungsweg der Spaltströmung bildet, welcher jedoch durch die mehrfache Umlenkung zu der beschriebenen Dichtwirkung führt.
Weiterhin ist es günstig, wenn das Dichtelement in axialer Richtung im Wesentlichen die gleiche Breite aufweist, wie die Breite der Ringnut. Es ist somit bei der Montage möglich, das Dichtelement in axialer Richtung in die Ringnut einzustecken, wodurch sich die Herstellung und die Montage erheblich vereinfachen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine vereinfachte Teil-Schnittansicht längs der Maschinenachse,
2 eine vergrößerte Teil-Ansicht der Anordnung gemäß 1,
3 eine Ansicht, analog den 1 und 2, während des Montagevorgangs,
4 eine Ansicht, analog 2, im montierten Zustand,
5 eine Ansicht, analog den 3 und 4, mit Axialversatz, und
6 eine Darstellung, analog 1, der Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik.
Die 1 zeigt einen Dichtring, welcher zwei nebeneinanderliegende Ringnuten 5 umfasst, die jeweils in Axialrichtung eine Hinterschneidung 6 aufweisen. Die Ringnuten 5 weisen jeweils eine Ringöffnung 4 auf, so dass der Dichtring 1 zwei ringförmige Kammern aufweist, welche jeweils radial innen geöffnet sind.
Angrenzend an den Dichtring 1 ist ein durch die einzelnen Plattformen 3 der Schaufeln 2 gebildetes ringartiges Element vorgesehen. Die einzelnen Plattformen 3 umfassen jeweils ein im Querschnitt T-förmiges Dichtelement 7, welches sich durch die Ringöffnung 4 in den Innenraum der Ringnut 3 erstreckt. Durch die Hinterschneidung ist die jeweilige Ringnut 5 im Querschnitt im Wesentlichen C-förmig ausgebildet, während das Dichtelement im Wesentlichen T-förmig gestaltet ist.
Zwischen den beiden T-förmigen Dichtelementen 7 ist eine Wirbelkammer 8 ausgebildet (siehe 2).
Durch das Zusammenwirken der Ringnut 9 des Dichtrings 1 und des Dichtelements 7 ergibt sich ein in Axialrichtung mäanderförmig verlaufender Strömungsweg 10, dessen Durchströmung zusätzlich durch die Wirbelkammer 8 gestört wird. Durch die mehrfache Umlenkung der Strömung ergeben sich eine Verlangsamung der Strömung und eine Bremswirkung, die verhindern, dass eine wirksame Strömung zwischen den freien Enden der Schaufeln 2 und dem Dichtring 1 stattfindet. All dies bewirkt den Dichtungseffekt bei der vorliegenden Erfindung.
Die 3–5 zeigen jeweils unterschiedliche Zustände. Bei 3 ist ein noch nicht montierter Zustand dargestellt, die endgültige Zuordnung gemäß 2 ist gestrichelt gezeigt. Daraus folgt, dass, wie durch den Pfeil in 3 gezeigt, ein Einschieben der Dichtelemente in die Ringöffnungen des Dichtrings 1 möglich ist.
Die 4 zeigt einen Zustand vor der endgültigen Montage in dem Gehäuse. Die 5 zeigt, dass selbst bei einer extremen axialen Versetzung, welche in der Praxis nicht vorkommen wird, der Dichtvorgang der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung nicht beeinträchtigt wird.
Es ergibt sich erfindungsgemäß somit eine Dichtungsanordnung, die mit einer Minimalanzahl an Bauelementen in hohem Maße wirksam ist und die insbesondere ohne besonders ausgeprägte Fertigungstoleranzen herstellbar ist. Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ist in hohem Maße betriebssicher und wirkungsvoll.
Erfindungsgemäß kann es günstig sein (nicht gezeigt), aus Gründen der Geräuschdämmung radial außenliegend an dem Dichtring 1 ein ringförmiges Wabenstrukturelement vorzusehen.
Der gesamte Druckverlust über den zwischen dem Dichtring 1 und der Plattform 3 gebildeten Spalt wird erfindungsgemäß mit einer Vielzahl von kleineren Druckverlust-Koeffizienten gebildet, die in der Summe den gesamten Druckverlust über die Dichtungsanordnung ergeben. Jede der Umlenkungen der Strömungen und jede Störung der Strömung bewirkt einen Teilverlust-Koeffizienten, wobei sich die Teilverlust-Koeffizienten in der Summe addieren. Insgesamt ergibt sich erfindungsgemäß somit nicht die Notwendigkeit, engste Fertigungstoleranzen und Montagetoleranzen einzuhalten. Es ergibt sich vielmehr ein passives System, welches auch unter ungünstigsten Betriebsbedingungen hochwirksam ist. Insbesondere bewirken thermische Ausdehnungen oder Schrumpfungen ebenso wenig nennenswerte Änderungen der Dichtwirkung wie Zentrifugalkräfte und Belastungen durch Flugmanöver. Selbst bei ungünstigen axialen Versetzungen ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik, wie in 5 gezeigt, eine bessere und noch gestärkte Dichtwirkung.
Insgesamt ergibt sich erfindungsgemäß weiterhin eine einfache Konstruktion, welche nicht einer speziellen Überprüfung und Kontrolle bedarf. Es ergibt sich eine Gewichts- und Kostenreduktion, zusammen mit einer verstärkten Robustheit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.

1: Dichtring
2: Schaufel
3: Plattform
4: Ringöffnung
5: Ringnut
6: Hinterschneidung
7: Dichtelement
8: Wirbelkammer
9: Wabenstrukturelement
10: Strömungsweg
11: Dichtlippe
12: Turbinenscheibe
13: Turbinengehäuse
14: Kernströmungsrichtung
15: Maschinenachse

Claims

Dichtungsanordnung einer Turbine einer Turbomaschine, mit einem zumindest eine Schaufelreihe ringförmig umschließenden Dichtring (1), wobei Schaufeln (2) der Schaufelreihe an ihrem freien, eine Plattform (3) aufweisenden Ende einen Laufspalt zu dem Dichtring (1) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (1) und/oder die Plattform (3) zumindest eine radial mit einer Ringöffnung (4) versehene Ringnut (5) aufweisen, welche in zumindest einer ihrer Axialrichtungen hinterschnitten (6) ist und dass die Plattform (3) und/oder der Dichtring (1) zumindest ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes, in die Ringnut (5) eingreifendes Dichtelement (7) aufweisen.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (5) und das Dichtelement (7) zusammenwirkend einen mäandernden Strömungsweg bilden.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (5) einen im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt aufweist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) einen im Wesentlichen T-förmigen Querschnitt aufweist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ringnut (5) und/oder am Dichtelement (7) zumindest eine ringförmige Wirbelkammer (8) ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) im Wesentlichen über seine axiale Höhe in der Ringnut (5) angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) in axialer Richtung im Wesentlichen die gleiche Breite aufweist, wie die Breite der Ringnut (5).
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass radial außen an dem Dichtring (1) ein ringförmiges Wabenstrukturelement angeordnet ist.