DE1057827B - Feststehender Laufradkranz fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausbildung des feststehenden Laufradkranzes für Gasturbinen, mit dem Ziel, das Spiel zwischen Laufradkranz und den Laufschaufeln bei allen Temperaturverhältnissen möglichst klein und möglichst auch allseits konstant zu erhalten.

Bekanntlich sind die Ausdehnungen und die Zusammenziehungen der Teile des Laufradkranzes bei steigender und sinkender Temperatur jener im Laufrad voreilend. Aus diesem Grunde muß das Kaltspiel zwischen den freien Schaufelenden und dem Radkranz so groß gemacht werden, daß besonders während des Abkühlvorganges kein Verschwinden des Spieles eintritt, wodurch Schaufelbrüche entstehen könnten. Andererseits ist ein übergroßes Spiel wegen der unzulässigen Verluste nicht erwünscht. Erschwerend wirken hierbei noch die unterschiedlichen Temperaturen im Laufradkranz während des Betriebes insbesondere dann, wenn eine oder ein Teil der Brennkammern aussetzt und Teile des Laufradkranzes nur mittelbar erwärmt werden. Sämtliche wärmetechnische Abläufe im Radkranz rechnerisch zu erfassen, ist wegen der variablen Betriebsverhältnisse sehr mühevoll und könnte nur auf Grund genauester Kenntnisse der Ausdehnungsfaktoren und des zeitlich gegenseitig verschobenen Ablaufes der Temperaturgrößen erfolgen. Wegen dieser Schwierigkeiten hat man sich deshalb bisher mit Zuschlagen zum Spiel beholfen und die hierbei entstehenden Verluste hingenommen.

Man hat wohl auch versucht, mit hitzebeständigen und abriebfähigen Dichtelementen den Übelständen beizukommen, jedoch deren Form und Anordnung nicht so zweckentsprechend gestaltet, daß die genannten Forderungen an Dichtelemente als erfüllt angesehen werden könnten. Mit den bisher bekanntgewordenen Abdichtungen für feststehende Laufradkränze ist aber kein allseits gleichmäßiges Spiel erzielbar und vor allem eine örtliche Unstimmigkeit nicht behebbar.

Bei solchen bekannten Abdichtungen werden z. B. vornehmlich zweiteilige schmale Dichtringe verwendet, die wahlweise an der Schaufelperipherie winkelartig ausgebildet sind und in radialen Ringnuten mit am Grund erweitertem Profil mit Haltenasen eingeführt und mit letzteren in radialer Richtung gehalten sind. Vor einer bei Temperaturunterschieden sich selbst einstellenden Nachgiebigkeit der Dichtelemente oder einer besonderen Verschleißfähigkeit ist bei dieser älteren Ausführung nichts vorhanden. Auch ganz geschlossene, zwischen Flanschen eingespannte einteilige Dichtringe, die sich noch über die Breite der Schaufeln hinaus erstrecken, sind bekannt. Weiter sind Anordnungen bekannt, bei welchen an der dem Laufrad zugewandten Innenseite des Laufradkranzes Nuten an-Feststehender Laufradkranz
für Gasturbinen

Anmelder:

Anstalt für Strömungsmaschinen
Ges. m. b. H._r Graz-Andritz (Österreich)

ίο Vertreter: Dipl.-Ing. Dr.-Ing. H. Idel

und Dipl.-Phys. Dr, W. Andrejewski, Patentanwälte,
Essen, Kettwiger Str. 36

Beanspruchte Priorität:
Österreich vom 18. August 1955

Dipl.-Ing. Ferdinand Brandner,
Graz-Andritz (Österreich),

ist als Erfinder genannt worden

geordnet sind, in die hitzebeständige und abriebfähige Dichtelemente eingesetzt sind, welche mit den freien Enden der Laufradschaufeln zusammenwirken. Diese bekannten Abdichtungen sind aber nicht befähigt, sich den unterschiedlichen Temperaturzuständen entlang des ganzen Umfanges anzupassen und in den bekannten Anordnungen nicht örtlich auswechselbar bei Schaden in beschränktem Bereich. Alle diese bekannten Ausführungen können den geforderten Ansprüchen für eine einwandfreie Abdichtung zwischen den Schaufelenden und dem feststehenden Laufradkranz nicht entsprechen.

Die Erfindung bezieht sich nun auf einen solchen feststehenden Laufradkranz, in welchem an der den Laufradschaufeln zugewandten Innenseite Nuten angeordnet sind, in die hitzebeständige und abriebfähige Dichtelemente eingesetzt sind, welche mit den freien Enden der Laufradschaufeln zusammenwirken, und besteht im wesentlichen darin, daß die Nuten als axial verlaufende, profilierte und in Unifangsrichtung aneinandergereihte Ausnehmungen ausgebildet sind, welche zumindest einseitig offen sind und sich über die ganze axiale Breite des Laufradkranzes erstrecken, und daß die den Laufradschaufeln zugewandten Laufbzw. Abriebflächen der Dichtelemente in Umfangsrichtung aneinander anschließen und in axialer Richtung einteilig ausgebildet sind. Dadurch wird der Anforderung entsprochen, daß örtliche Unstimmigkeiten, durch Austausch der entsprechenden Diditsegmente, sogleich behoben werden können. Eine selbsttätige

909 527/140

Spaltregelung bei Temperaturänderungen am ganzen Nuten oder Rillen zweckmäßig über die ganze Lauf-Radumfang oder örtlich entlang des Umfanges kann bzw. Abriebfläche gleiche Profilteile aufweisen,
dadurch erreicht werden, daß die Dichtelemente von Durch die Erfindung wird die Erreichung eines wärmetechnisch ausgebildeten Dehnungskörpern ge- kleinsten Spieles ermöglicht, wodurch die Wirtschaftbildet sind, deren Massenverteilung, Einspannung bzw. 5 lichkeit erhöht und außerdem eine von der Temperatur Lagerung derart erfolgt, daß sie sich bei einer Ab- abhängige Automatik für die Konstanthaltung der kühlung, im Sinne einer Spaltvergrößerung zwischen Spaltgröße erhalten wird.

Dichtelementen undLaufradschaufeln, deformieren und In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise

dadurch den Spalt bei Temperaturänderungen, ent- dargestellt.

sprechend der jeweils örtlich vorherrschenden Gas- io Fig. 1 zeigt eine Ansicht des Laufradkranzes mit

temperatur im jeweiligen Sektor des Laufradkranzes, den Segmenten,

ungefähr gleichhalten z. B. durch Anordnung einer Fig. 2 eine Seitenansicht und

Wölbung in axialer Richtung, wobei sich die Wölbung Fig. 3 die Draufsicht;

bei Abkühlung bzw. Erwärmung spalterhaltend ver- Fig. 4 zeigt ein Segment als wärmetechnischen Deh-

ändert. 15 nungskörper in Ansicht und Seitenansicht, passend für

Ein weiterer wesentlicher Fortschritt bezüglich der eine Ringbahn im Lauf radkranz;

Erreichung eines kleinsten Spaltes zwischen den Fig. 5 zeigt ein Detail des Segmentes nach

Schaufelenden und dem Laufradkranz bzw. den Dicht- Schnitt a-b der Fig. 4 mit profilierter Bahn,

elementen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Erfindungsgemäß ist der Lauf radkranz 1 einer Gas-

die Dichtelemente nach ihrem Einbau mit ihren Lauf- 20 turbine an seiner dem Läufer 2 zugewandten Seite mit

bzw. Abriebflächen an den Laufradschaufeln ganz Ausnehmungen versehen, die in Fig. 1 als Fächer 3

oder teilweise anliegen und der endgültige kleinste gezeichnet sind, in welche Dichtelemente, die

Spalt durch Abrieb mittels der Schaufelenden im Be- Segmente 4, mit abriebfähigen Eigenschaften und

triebszustand gebildet wird. Um hierbei die Abrieb- hoher Hitzebeständigkeit eingelegt und gehalten

kräfte möglichst klein zu halten, werden erfindungs- 25 werden. Die Fächer 3 können als einzelne Ausneh-

gemäß die Lauf- bzw. Abriebflächen der Dicht- mungen mit dazwischenliegenden Stegen 5 und schwal-

elemente, beispielsweise durch Ausnehmungen oder benschwanzförmig, hakenförmig oder ähnlich zum

Nuten, verkleinert, und zwar so, daß diese ein trapez- Halten der Segmente 4 oder auch als vertiefte ge-

förmiges, fast dreieckiges Profil aufweisen und daß schlossene Ringbahn in sinngemäß gleicher Ausbil-

diese Ausnehmungen vorzugsweise unmittelbar neben- 30 dung zum Halten der Segmente ausgebildet sein,

einanderliegen. Diese in Umfangsrichtung also quer Segmente 4' für eine solche Ringbahn passend sind in

zur Strömungsrichtung verlaufenden Nuten oder Fig. 4 dargestellt. Die Segmente 4 sind im gezeich-

Rillen können gerade, wellig, Zickzack- oder bogen- neten Falle in den Fächern 3 beiderseits seitlich durch

förmig gestaltet sein. an den Laufradkranz 1 angeschraubte Platten 6,6' lose

Ein mit solchen Segmenten ausgerüsteter Laufrad- 35 oder mehr oder weniger fest gehalten. Gegebenenfalls kranz erlaubt auch bearbeitungsmäßig verfeinerte kann eine Plattenserie entfallen und der Laufrad-Methoden, die sogar preiswerter sind und unmittelbar kranz 1 selbst die Begrenzung bilden. Bei Laufradan den Betriebsort verlegt werden können. kränzen mit Ringbahnen kann ähnlich wie bei Wälz-

Das Material für die Dichtelemente kann je nach lagern seitlich eine oder mehrere verschließbare OfF-

der beabsichtigten Wärmeüberleitung oder Wärme- 40 nungen zum Einbringen der Segmente in die geschlos-

abschirmung zum Körper des festen Laufradkranzes sene Ringbahn vorgesehen sein. Zweckmäßig sind die

ein Wärmeleiter oder ein Wärmeisolator sein. Segmente eines Aggregates untereinander vertausch-

Die hitzebeständigen und abriebfähigen Dicht- bar und auswechselbar. Die Laufradkränze sind elemente können aus Sintermetall, Bronze, Kupfer, wärmetechnisch während des Betriebes infolge des EisenfeilspänekunststofF, KeramikstofF u. dgl. oder 45 Kaltstehens oder Aussetzens einer oder mehrerer einer Kombination dieser Werkstoffe, wie auch in be- Brennkammern großen örtlichen Veränderungen unterkannter Weise aus Graphit bestehen. Um den Einbau worfen, so daß große Dichtspalte gewählt werden dieser Dichtelemente zu erleichtern und ein gutes müssen, soll kein Schaufelbruch eintreten. Dem beWiderlager für ihre wärmetechnische Verformungs- gegnet die Erfindung durch eine Ausbildung der aufgäbe bei Temperaturänderungen zu schaffen, kann 50 Segmente als wärmetechnische Dehnungskörper, wie eine schwalbenschwanzförmige oder hakenartige Profi- er z. B. in Fig. 4 dargestellt ist. Das Segment 4' ist an lierung der axial verlaufenden Ausnehmungen im fest- der Lauffläche in der Strömungsrichtung des Gases stehenden Laufradkranz, in welche die Dichtelemente mit einer geringen Bogenhöhe h gewölbt ausgebildet eingesetzt sind, vorgesehen sein. Die Festlegung der und an vier Haltenasen 7 mit Schwalbenschwanz in Dichtelemente in diesen Ausnehmungen erfolgt durch 55 der Ringnut des Laufradkranzes gehalten. Bei örtam Laufradkranz angeordnete seitliche Abschluß- lichem Temperatursturz durch Ausbleiben der Gase organe, beispielsweise Bleche, nach deren Lösung die aus der Brennkammer wird die dem Läufer zugewen-Dichtsegmente einzeln ausgetauscht werden können. dete Seite abgekühlt, der Körper des Segmentes streckt

Um den Spalt durch Abrieb mittels der Lauf- sich einseitig und muß sich als Dehnungskörper in

schaufeln zu erzeugen, ist es erforderlich, das Ab- 60 Richtung seines Haltes in der Ringbahn bewegen und

fangen der Schaufelenden an den Stoßstellen der sich von den Schaufelenden entfernen; die zeitlich

Dichtelemente zu verhindern. Erfindungsgemäß kann nachfolgende örtliche Abkühlung des Laufradkranzesl

diese Aufgabe beispielsweise dadurch gelöst werden, und dessen örtliche radiale Annäherung mit den

daß die den Laufradschaufeln zugewandten Flächen Segmenten an die Schaufeln des Läufers 2 gleicht das der segmentförmig ausgebildeten Dichtelemente einen 65 vorher erhöhte Spiel ganz oder größtenteils aus.

etwas größeren Krümmungsradius aufweisen, als ihrem Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung von

Einbaudurchmesser in die Gasturbine entspricht, so Schaufelbrüchen bei kleinstem Spiel zwischen dem

daß die Krümmung der Lauf- bzw. Abriebflächen Läufer 2 und dem Laufradkranz erblickt die Erfin-

flacher ist als die Krümmung des Läufers, wobei die dung in einer profilierten Ausbildung der dem Läufer gegebenenfalls vorgesehenen Ausnehmungen bzw. 70 zugewendeten Seite der Segmente. In Fig. 5 ist ein

Segment 4' dargestellt, dessen Lauffläche 8 nach Gewindeart quer zur Strömungsrichtung mit nebeneinanderliegenden Gängen und Nuten versehen ist. Die Gänge sind in vorzugsweise trapezförmiger, fast dreieckiger Form ausgebildet, so daß die scharfen Schaufelenden beim Berühren der Segmentflächen nur ganz wenig vom abriebfähigen Werkstoff der Segmente abzuschaben haben. Die Gänge und Nuten sind zweckmäßig klein und formmäßig den günstigsten Strömungsverhältnissen angepaßt. Der Verlauf der Gänge und Nuten kann den unterschiedlichen Betriebsbedingungen angepaßt werden, so daß der Verlauf der Profilnuten auf der dem Laufrad zugewandten Fläche der Segmente vorzugsweise gerade und quer zur Strömungsrichtung ist, aber auch wellig, zickzack-, bogenförmig od. dgl. ausgerichtet sein kann.

Zusätzlich kann aber auch der Durchmesser D' für die Innenfläche der einzelnen Segmente gegenüber dem Laufraddurchmesser D etwas größer gehalten werden. Die Segmente können also bei Einhaltung ihrer Bauhöhe in der Mitte etwas hinterdreht sein, so daß der Angriff der Schaufelspitzen bei Abrieb an den Enden der Segmente geringer und in der Mitte am stärksten ist. Dadurch wird ein Abfangen der Schaufelenden an den Stoßstellen der Segmente mit nachfolgendem Bruch verläßlich verhindert.

Mit den angeführten Maßnahmen ist es nunmehr möglich, die endgültige Passung des Dichtspaltes durch Abrieb der Dichtsegmente mittels an sich bekannter zugeschärfter Schaufelenden im Betriebszustand vorzunehmen und den praktisch kleinsten Dichtspalt zu erreichen, ohne Schaufelbrüche befürchten zu müssen.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Feststehender Lauf radkranz für Gasturbinen, in welchem an der den Laufschaufeln zugewandten Innenseite Nuten angeordnet sind, in die hitzebeständige und abriebfähige Dichtelemente eingesetzt sind, welche mit den freien Enden der Laufradschaufeln zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten als axial verlaufende, profilierte und in Umfangsrichtung aneinandergereihte Ausnehmungen ausgebildet sind, welche zumindest einseitig offen sind und sich über die ganze axiale Breite des Laufradkranzes erstrecken, und daß die den Laufradschaufeln zugewandten Laufbzw. Abriebflächen der Dichtelemente in Umfangsrichtung aneinander anschließen und in axialer Richtung einteilig ausgebildet sind.

2. Laufradkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtelemente (4, 4') von wärmetechnisch ausgebildeten Dehnungskörpern gebildet sind, deren Massenverteilung, Einspannung bzw. Lagerung derart erfolgt, daß sie sich bei einer Abkühlung, im Sinne einer Spaltvergrößerung zwischen Dichtelementen und Laufradschaufeln, deformieren und dadurch den Spalt bei Temperaturänderungen, entsprechend der jeweils örtlich vorherrschenden Gastemperaturen im jeweiligen Sektor des Laufradkranzes (1), ungefähr gleichhalten z. B. durch Anordnung einer Wölbung in axialer Richtung, wobei sich die Wölbung bei Abkühlung bzw. Erwärmung spalterhaltend verändert.

3. Laufradkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauf- bzw. Abriebflächen der Dichtelemente beispielsweise durch Ausnehmungen oder Nuten verkleinert sind.

4. Laufradkranz nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine schwalbenschwanzförmige oder hakenartige Profilierung der axial verlaufenden Ausnehmungen, in welche die Dichtelemente eingesetzt sind.

5. Lauf radkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise austauschbaren und auswechselbaren Dichtelemente (4, 4') durch am Laufradkranz angeordnete seitliche Abschlußorgane, wie beispielsweise Bleche (6., 6'), festgelegt sind.

6. Laufradkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtelemente (4j 4') nach ihrem Einbau mit ihren Laufbzw. Abriebflächen an den Laufradschaufeln (2) ganz oder teilweise anliegen und der endgültige kleinste Spalt durch Abrieb mittels der Schaufelenden im Betriebszustand gebildet wird.

7. Laufradkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständigen und abriebfähigen Dichtelemente (4, 4Γ) aus Sintermetall, Bronze, Kupfer, Eisenfeilspänekunststoff, Keramikstoff u. dgl. oder einer Kombination dieser Werkstoffe oder in an sich bekannter Weise aus Graphit bestehen.

8. Laufradkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abriebfläche verkleinernden Ausnehmungen an den dem Laufrad (2) zugewandten Flächen (8) der Dichtsegmente (4j 4') ein trapezförmiges, fast dreieckiges Profil aufweisen und daß die Ausnehmungen vorzugsweise unmittelbar nebeneinanderliegen.

9. Laufradkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Laufbzw. Abriebfläche der Dichtelemente verkleinernden Nuten quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

10. Laufradkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Laufbzw. Abriebfläche der Dichtelemente verkleinernden Nuten quer zur Strömungsrichtung, wellig- zickzack- oder bogenförmig angeordnet sind.

11. Lauf radkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Laufradschaufeln zugewandten Flächen der segmentförmig ausgebildeten Dichtelemente einen etwas größeren Krümmungsradius aufweisen als ihrem Einbaudurchmesser in die Gasturbine entspricht, so daß die Krümmung der Lauf- bzw. Abriebflächen flacher ist als die Krümmung des Läufers, wobei die gegebenenfalls vorgesehenen Ausnehmungen bzw. Nuten zweckmäßig über die ganze Lauf- bzw. Abriebfläche gleiche Profiltiefe aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 852 789, 185 427;
österreichische Patentschrift Nr. 81851;
französische Patentschrift Nr. 379 209;
britische Patentschriften Nr. 651 237, 235 171.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 527/140 5.59