DE2554563B2 - Anordnung zur Schaufelspitzendichtung bei Gasturbinen - Google Patents
Anordnung zur Schaufelspitzendichtung bei GasturbinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schaufelspitzendichtung bei Gasturbinen nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Das wesentliche Problem bei Schaufelspitzendichtun-•
gen von Gasturbinen liegt bekanntermaßen in der Konstanthaltung des Schaufelspitzenspielraumes bei
allen Betriebszuständen, insbesondere während Übergangszuständen, d. h. Beschleunigungs- oder Verzögerungsphasen
der Turbine. Dies beruht auf dem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhalten von Turbinenlaufradscheibe,
Turbinenschaufeln und Turbinengehäuse. Man versucht daher, die Geschwindigkeit der
Wärmebewegungen des mit den Schaufelblattspitzen des Turbinenläufers zusammenwirkenden Dichtungselements in Anpassung an das Wärmebewegungsverhalten
des Turbinenläufers so zu steuern, daß der Dichtspalt auch während Leistungssteigerungs- und
Drosselungsphasen des Betriebs möglichst weitgehend konstant bleibt.
Bei einer aus der DE-OS 16 Ol 676 bekannten Anordnung der eingangs genannten Art ist das, das
Dichtungselement begrenzt radial beweglich im Gehäuse abstützende bzw. führende Steuerteil durch einen
vom Gehäuse radial einwärts ragenden Ringflansch gebildet, der nahe seinem radial inneren Rand stirnseitig
eine Ringnut aufweist, in welche ein Axialansatz des Dichtungselements hineinragt, so daß die Ringnut mit
ihren radial inneren und äußeren Nutflanken das radiale Bewegungsspiel des Dichtungselements begrenzt Das
Dichtungselement selbst ist bei der bekannten Anordnung aus mehreren, ohne Radialspiel ineinandergreifenden
Bauteilen aufgebaut, die zwischen sich kühlmitteldurchströmte Kammern begrenzen.
Das Arbeitsprinzip der bekannten Anordnung beruht darauf, daß durch dosierte Kühlung des Dichtungselements
mit Hilfe von, von einem Verdichter zugeleiteter, durch die Kammern des Dichtungselements hindurchströmender
und schließlich in den Arbeitsmittelkanal der Turbine austretender Kühlluft ein bestimmtes
Temperaturansprechverhalten des Dichtungselements erzeugt wird, dessen Wärmebewegungen also in
Abhängigkeit von der Kühlung durch die Kühlluft einerseits und von der Erwärmung durch das Turbinenarbeitsmittel
andererseits abhängig ist. Mit Ausnahme der Begrenzungswirkung der Nutflanken des Radialflansches
auf die Radialbeweglichkeit des Dichtungselements findet keine Beeinflussung der Wärmebewegungen
des Dichtungselements durch andere Bauteile statt Mit der bekannten Anordnung wird zwar eine
Anpassung des Wärmebewegungsverhaltens des Dichtungselements an das Wärmebewegungsverhalten des
Turbinenläufers erreicht, jedoch berücksichtigt die bekannte Anordnung noch nicht in zufriedenstellendem
Maße die Abhängigkeit des Temperaturansprechverhaltens des Turbinenläufers in Abhängigkeit vom
Richtungssinn einer auftretenden Temperaturänderung. Es hat sich nämlich gezeigt, daß beim schnellen
Hochfahren der Turbine bis auf die Nenndrehzahl eine in mehreren Schritten ablaufende radiale Dehnung des
Turbinenläufers auftritt. Am Anfang dehnen sich die verhältnismäßig dünnen Laufschaufeln aufgrund der
Temperaturzunahme und der Fliehkraft schnell aus, wozu sich die Radialdehnung der Laufradscheibe
infolge der Fliehkraft addiert. Ein weiterer Wärmedehnungsschritt tritt erst verzögert auf, wenn sich die
verhältnismäßig dicke Laufradscheibe erwärmt. Während diesen Dehnungsphasen des Läufers dehnt sich
auch das diesen umschließende Gehäuse mit stetig abnehmender Dehnungsgeschwindigkeit aus. Bei einer
Drosselung der Turbine läuft die Zusammenziehungsbewegung des Turbinenläufers wegen der Wärmekapazität
der dicken Laufradscheibe verzögert ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufelspitzendichtungsanordnung der eingangs genannten
Art im Hinblick auf eine noch bessere Berücksichtigung des Wärmebewegur.gsverhaltens des
Turbinenläufers in Abhängigkeit vom jeweiligen Richtungssinn einer Arbeitstemperaturänderung auszubilden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene
Konstruktion gelöst.
Damit wird die vorteilhafte Wirkung erzielt, daß Wärmebewegungen des Dichtungselements bei Temperaturänderungen
nicht allein vom Betrag der Temperaturänderung, sondern außerdem vom Richtungssinn der
Temperaturänderung abhängig verlaufen, also bei Temperaturanstiegen schneller und bei Temperaturabfällen
langsamer erfolgen. Damit wird den oben erwähnten Umständen des ungleichförmigen Ablaufs
der Wärmebewegungen des Turbinenläufers aufgrund unterschiedlichen thermischen Ansprechverhaltens der
Schaufelblätter und der Laufradscheibe Rechnung getragen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen Axialhalbschnitt durch die Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks mit einer erfindungsgemäßen
Dichtungsanordnung,
F i g. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform
der Erfindung, und
Fig.3 noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch die Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks. Die Hochdruckturbine
weist ein Leitrad 20 und stromab davon ein Turbinenlaufrad mit Laufschaufeln 21 und einer Radscheibe 22
auf, die auf einer Hochdruckwelle 23 angeordnet ist. Stromab des Turbinenlaufrads 21, 22 befindet sich ein
weiteres Leitrad 24, dem ein weiteres Laufrad 25 nachgeschaltet ist
Radial außerhalb der Laufschaufeln 21 t ;findet sich
eine mit den Schaufelspitzen zusammenwirkende Dichtungsanordnung, die einen aus Segmenten zusammengesetzten
Dichtungsring 26 aufweist. Radial außerhalb des Dichtungsrings ist ein erstes ringförmiges
Steuerteil 27 angeordnet, das an seinem stromaufseitigen Ende mit einem radial einwärts ragenden Flansch
mit einem Axialansatz 28 versehen ist, der mit dem Dichtungsring 26 zusammenwirkt und als Stütze für
diesen dient An seinem stromabseitigen Ende ist das Steuerteil 27 mit einem Axialansatz 28a versehen, der in
eine Ringnut des Dichtungsringes 26 hineinragt.
Das Steuerteil 27 ist mittels einer Anzahl radiaier Bolzen 29 radial beweglich gehaltert, die mit ihren radial
äußeren Enden in Bohrungen des Triebwerksgehäuses befestigt sind. Das Steuerteil 27 ist außerdem mit einer
Vielzahl von Bohrungen mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser versehen, welche den Durchtritt von unter
hohem Druck stehender Luft aus dem Hochdruckverdichter ermöglichen. Diese Hochdruckluft erfüllt zwei
Aufgaben: Erstens bringt sie beim Triebwerksanlauf das Steuerteil 27 schnell auf Betriebstemperatur, weshalb es
sich schnell ausdehnt und mittels seiner Axialansätze 28 und 28a auch den Dichtungsring 26 mitnimmt, so daß
zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Dichtungsring ein geeigneter Spielraum vorhanden bleibt und der
Dichtungsring somit der Wärmedehnung des Turbinenlaufrads angepaßt ist. Zweitens dient die Hochdruckluft
nach dem Hindurchströmen durch das Steuerteil 27 zum Kühlen der Segmente des Dichtungsringes 26, wonach
sie durch zwei in Umfangsrichtung verlaufende Bohrungsreihen 30 und 31 in den Treibgaskanal austritt
und zwischen der Dichtungsanordnung und den angrenzenden Leiträdern 20 und 24 Luftdichtungen
bildet.
Stromab und im wesentlichen radial außerhalb des ersten Steuerteils 27 ist ein im wesentlichen konusförmiger
Gehäuseteil 32 angeordnet, der ein zweites ringförmiges Steuerteil bildet. Dieses zweite Steuerteil
32 weist eine beträchtlich größere Masse als das erste Steuerteil 27 auf und ist durch eine ringförmige
Abschirmung 33 gegen die eine relativ hohe Temperatur aufweisende Hochdruckluft abgeschirmt. Wenn beim
Triebwerksanlauf sich das aufgrund seiner relativ geringen Masse und aufgrund der direkten Berührung
mit der Hochdruckluft thermisch schnell ansprechende erste Steuerteil 27 verhältnismäßig schnell ausdehnt,
spricht das zweite Steuerteil wegen seiner größeren Masse und der Abschirmung 33 thermisch nicht so
schnell an und dehnt sich deshalb langsamer aus, bis es etwa die gleiche Dehnung wie das erste Steuerteil
erfahren hat Während des normalen Reiseflugzustandes nehmen die Steuerteile 27 und 32 und der
Dichtungsring 26 im wesentlichen die in F i g. 1 gezeigten Stellungen ein.
Beim Abschalten des Triebwerks zieht sich das erste Steuerteil 27 relativ schnell zusammen, jedoch wird der
Dichtungsring 26 durch einen Axiaknsatz 34 des zweiten Steuerteils 32 in seiner gedehnten Stellung
ίο gehalten. Das zweite Steuerteil 32 zieht sich langsamer
als das erste Steuerteil 27 zusammen und steuert daher das Maß der Zusammenziehung des Dichtungsringes 26
so, daß eine Berührung zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Dichtungsring 26 verhindert wird.
is Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform der
Dichtungsanordnung, gemäß welcher jedes der dem Dichtungsring 26 bildenden Segmente von einer Anzahl
von etwa axial verlaufenden Armen 40 gehaltert ist von denen einer dargestellt ist Die Arme 40 sind mit Hilfe
von Kugeigelenken 41 schwenkbar an der feststehenden Triebwerkskonstruktion gehaltert
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl das erste Steuerteil 27 als auch das zweite Steuerteil 32 als
gesonderte Bauteile ausgebildet, die mittels gemeinsamer Radialbolzen 42 radial gleitend verschiebbar mit
Bezug auf die feststehende Triebwerkskonstruktion geführt sind. Die Bolzen sind mit ihren radial äußeren
Enden am Triebwerksgehäuse befestigt. Es ist jedoch auch möglich, die Bolzen an Dämpfungsgliedern zu
befestigen. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist gleich derjenigen der anhand F i g. 1 beschriebenen
Anordnung. Die Verwendung eines als gesondertes Bauteil ausgebildeten zweiten Steuerteils 32 stellt sicher,
daß dessen Masse besser auf diejenige des ersten Steuerteils 27 abgestimmt werden kann. In manchen
Fällen ist es vom Gesichtspunkt der Konstruktion her weder praktisch noch wünschenswert, einen Teil des
Triebwerksgehäuses als zweites Steuerteil auszubilden, da dies entweder zu einem übermäßig schweren oder
einem schwachen Gehäuse führen kann.
F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Dichtungsanordnung, bei welchem die den Dichtungsring
26 bildenden Segmente ebenso wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2 an Armen 40 angeordnet
sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet jedoch das zweite Steuerteil 32 einen Teil der Triebwerksgehäusekonstruktion.
Das erste Steuerteil 27 ist als gesondertes Bauteil ausgebildet, welches auf einer Anzahl radial
verlaufender Bolzen, die ebenso wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 am Triebwerksgehäuse befestigt
sind, radial verschieblich montiert ist Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist im wesentlichen gleich
derjenigen der Ausführungsform nach F i g. 1.
Obwohl bei allen beschriebenen Ausführungsformen ein Dichtungsring 26 aus einer Anzahl von gleitfähig
angeordneten Segmenten Anwendung findet, ist es möglich, diese Segmente durch einen ununterbrochenen
Ring aus elastischem Werkstoff zu ersetzen.
Durch geeignete Wahl der für die beiden Steuerteile verwendeten Metalle und durch sorgfältige Bemessung
der Steuerteile kann das Ausmaß der Dehnung und Zusammenziehung dieser Teile gesteuert werden. Auf
diese Weise kann der Dichtungsring 26 derart durch die Stei.'erteile gesteuert werden, daß das erste Steuerteil
den Dichtungsring während einer bestimmten Zeitdauer entsprechend einem Temperaturanstieg von den Schaufelspitzen
entfernt hält und der Dichtungsring danach durch das zweite Steuerteil gesteuert wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Anordnung zur Schaufelspitzendichtung bei Gasturbinen, mit einem mit den Schaufelspitzen
zusammenwirkenden, radial beweglich angeordneten Dichtungselement und mit einem dieses unter
Begrenzung seines radialen Bewegungsspiels im Gehäuse abstützenden Steuerteil, dadurch gekennzeichnet,
daß das Dichtungselement (26) außerdem mit einem weiteren Steuerteil (27) begrenzt radial beweglich zusammenwirkt, das
seinerseits radial beweglich im Gehäuse geführt (29) ist daß ferner das weitere Steuerteil eine geringere
thermische Trägheit als das erstgenannte Steuerteil (32) hat und daß beide Steuerteile jeweils mit radial
nach innen weisenden Gegenflächen des Dichtungselements zusammenwirkende Eingriffsmittel (28,34)
aufweisen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Steuerteil (27) auf an der
feststehenden Konstruktion befestigten Radialbolzen (29) gleitend verschieblich geführt ist
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Steuerteile (27, 32) auf
gemeinsamen, an der feststehenden Konstruktion befestigten Radialbolzen (42) gleitend verschieblich
geführt sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Steuerteil
(27) eine relativ geringe Masse hat und mit einem Hochdruckmittel beaufschlagbar ist, aufgrund dessen
Temperatur es sich schnell ausdehnt oder zusammenzieht.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Steuerteil (32) eine
relativ große Masse aufweist oder gegen das Hochdruckströmungsmittel abgeschirmt ist.
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