DE2740192C2

DE2740192C2 - Spaltdichtung für eine um ihre Längsachse verstellbare, axial umströmte Leitschaufel einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE2740192C2
Application number: DE2740192A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Ing.(Grad.) 8000 Muenchen Kraft; Volker 8901 Bachern Luennemann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1977-09-07
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1981-11-12
Also published as: US4195964A; FR2402765B3; GB2003984A; DE2740192A1; FR2402765A1; GB2003984B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spaltdichtung für eine um ihre Längsachse verstellbare, axial umströmte Leitschaufel einer Strömungsmaschine, mit mindestens einem am Schaufelblattende angeordneten, zur Längsachse rotationssymmetrischen und gegenüber dem Gehäuse abgedichteten Schaufeldrehteller, wobei die Gehäusewand im Bereich der über den Schaufeldrehteller vorstehenden und der Gehäusewandoberfläche benachbarten Schaufelblattkanten eine veränderliche Krümmung aufweist.

Bei einer derartigen, aus der DE-OS 14 26 336 bekannten Einrichtung sollen die zwischen der jeweiligen Druck- und Saugseite der betreffenden verstellbaren Leitschaufeln auftretenden Spaltverluste dadurch verringerbar sein, daß die Schaufeldrehteller immer im Bereich des größten Druckgefälles zwischen den beiden Schaufelseiten angeordnet werden sollen; im Falle einer Turbine sollen hierbei also die Schaufeldrehteller, etwa von der Schaufelmitte ausgehend, mit ihrem äußeren Umfang an der Abströmkante der Leitschaufeln enden' während die Schaufeldrehteller im Falle eines Verdichters mit ihrem Drehmittelpunkt um 40 bis 50% der Sehnenlänge der Leitschaufeln in Strömungsrichtung hinter der Schaufelanströmkante angeordnet sein sollen.

Die bei der vorliegenden bekannten Einrichtung vorgesehene, gebundene Zuordnung der Schaufeldrehteller zu den betreffenden Schaufelblattendkanten führt zwar schon zu einer Verringerung der Spaltverluste, die hierbei jedoch mit einer nicht unerheblichen Beschränkung des konstruktiven Freiheitsgrades bei der Verdichter- bzw. Turbinenauslegung verknüpft ist. Darüber hinaus bleiben bei der vorliegenden bekannten Einrichtung Spaltverluste s'.ets in denjenigen Regionen der betreffenden Leitschaufeln bestehen, in denen die Schaufelblattendkanten über den zugehörigen Schaufeldrehteller vorstehen.

Diese hier noch zu erwartenden Spaltverluste sind u. a. deshalb nicht zu vernachlässigen, weil aufgrund einer zylindrischen Gehäusebewandung einerseits und einer gegebenenfalls zusätzlich noch vorhandenen Strömkanalverjüngung (z. B. Axialverdichter) andererseits, die von den Drehtellern vorstehenden Schaufelblattkanten in einer neutralen Stellung der Leitschaufeln in einem verhältnismäßig großen radialen Abstand zur benachbarten Gehäusewand angeordnet sein müssen, wenn ein vom Gehäusewandveriauf unbehinderter, verhältnismäßig großzügig zu handhabender Schaufelverstellwinkel gewährleistet werden soll.

Aus der DE-AS 20 20 710 ist ferner eine Rotationsdichtung für Strömungsmaschinen, z. B. Gasturbinentriebwerke, bekannt, bei der u. a. in eine Umfangsnut des

ίο Strömungsmaschinengehäuses eine den betreffenden Laufschaufelspitzen zugekehrte und von diesen in bestimmten Betriebszusländen abschleifbare, organische Dichtmasse eingebunden sein soll, um so die Stufendruckverluste über einen verhältnismäßig weiten Betriebsbereich möglichst gering zu halten.

Dieser bekannte Fall befaßt sich weder aufgabennoch lösungsseitig mit einer Schaufelspaltoptimierung aufgrund der ausschließlich mit verstellbaren Leitschaufeln verknüpften Kriterien im Rahmen einer Spaltdichtung nach der eingangs genannten Gattung.

Im Gasturbinentriebwerksbau ist es ferner hinlänglich bekannt (DE-OS 20 62 328), die verstellbaren Leitschaufeln der Nutzturbine eines Gasturbinentriebwerks mit ihren Schaufelblattenden zwischen sphärisch unveränderlich gekrümmten inneren und äußeren Gehäusestrukturbauteilen des Turbinenkanals so anzuordnen und entsprechend gekrümmt auszubilden, daß über den maximal erforderlichen Verstellwinkel verhältnismäßig geringe, konstante Spalte zwischen den Schaufelblattenden und den jeweils benachbarten Gehäusewandoberflächen erzielbar sind.

Eine derartige auf einen bestimmten Kugelmittelpunkt abgestimmte, unveränderliche sphärische Gehäusewandstrukturgestaltung wäre neben der hierdurch bedingten Einschränkung des konstruktiven Freiheitsgrades allenfalls u. a. nur unter Inkaufnahme erheblicher Strömungsverluste bei Axialverdichtern oder -turbinen einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu

■to Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Spaltdichtung zu schaffen, die unter Zugrundelegung einer zylindrischen und sich gegebenenfalls gleichförmig zur betreffenden Maschinenachse in axialer Richtung verjüngenden (Axialverdichter) oder erweiternden (Axialturbine) Gehäusewandstruktur über einen verhältnismäßig großen Schaufelverstellwinkel stets minimale, konstante Spalte zwischen den Schaufelblattkanten und der diesen benachbarten Gehäusewandoberfläche (»veränderlicher Krümmung«) ermöglicht.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß im Bereich der durch die vorstehenden Schaufelblattkanten im Schwenkbereich beschriebenen Ringsektorflächen an der benachbarten Gehäusewand in entsprechende Vertiefungen abschabbares Material eingebracht ist, welches mittels eines der Schaufelgeometrie im Bereich des Schaufeldrehtellers angepaßten Werkzeugs bearbeitbar ist.
Es kann somit auf verhältnismäßig einfache und wirksame Weise der bei Strömungsmaschinen, wie z. B. Gasturbinentriebwerken, mit Axialverdichtern oder -turbinen gestellten Anforderung nach über den gesamten, gewünschten Schaufelverstellwinkel minimalen, stets konstanten Dichtspalten zwischen den Schaufelblattkanten und einer benachbarten Gehäuse- and »veränderlicher Krümmung« entsprochen werden, um die durch die Leckströmung von der jeweiligen Druckseite nach der Saugseite an den einzelnen

Leitschaufeln eines Verstelleitgitters hervorgerufenen Spaltverluste so gering wie möglich zu halten, ohne sich hierbei hinsichtlich des konstruktiven Freiheitsgrades bei der betreffenden Maschinenauslegung nachhaltige Einschränkungen auferlegen zu müssen, und zwar auch bei verhältnismäßig schroff in axialer Strömungsrichtung im Querschnitt kontinuierlich zu- o^er abnehmenden ringkegelförmigen Strömungskanälen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise erläutert, und zwar anhand eines Axialschnitts eints Verdichteraubengehäuseabschnitts mit der Spaltdichtung an einer verstellbaren Leitschaufel einer Verdichterstufe.

Mit 1 und 2 sind die Lauf- und Lcitschaufeln einer Verdichterstufe eines Axialverdichters für ein Gasturbinenstrahltriebwerk bezeichnet Die Leitschaufel 2 dieser Verdichterstufe ist im Verdichteraußengehäuse 3 um ihre Längs- bzw. die Drehscheibe D schwenkbar gelagert. Die äußere Gehäusewand 4 des Verdichteraußengehäuses 3 sowie die nicht weiter dargestellte innere Gehäusewand bilden hierbei einen sich in Richtung der axialen Verdichterluftströmung zunehmend verjüngenden ringförmigen Strömungskanal. Die Leitschaufel 2 weist einen in einer Buchse 6 gelagerten Drehzapfen 7 sowie einen am Schaufelblattende angeordneten, zur Längs- bzw. Drehachse D rotationssymmetrischen und gegenüber den Verdichtungsaußengehäuse 3 abgedichteten Schaufeldrehteller 8 auf.

Die äußere Gehäusewand 4 weist hierbei also im Bereich der über den Schaufeldrehteller 8 vorstehenden und der Gehäusewandoberfläche benachbarten Scharfelblattkanten 9, 10 eine »veränderliche« Krümmung auf. Zur Lösung des anstehenden Dichtproblems soll im Bereich der durch die vom Rand des Schaufeldrehtellers 8 vorstehenden Schaufelblattkanten 9,10 im Schwenkbereich beschriebenen Ringsektorflächen an der benachbarten äußeren Gehäusewand 4 in entsprechende Vertiefungen 11, 12 ein abschabbares Material B, C eingebracht sein, welches mittels eines der Schaufelgeometrie im Bereich des Schaufeldrehtellers 8 angepaßten Werkzeugs bearbeitbar ist.

Nachdem also die Vertiefungen 11, 12 in die äußere Gehäusewand 4 beispielsweise eingedreht worden sind, werden sie mit dem später abschabbaren Material B, C in der Art eines weichen Schaufelanlaufbelages ausgefüllt wie er z. B. als Dichtungs- und Einschleifbelag zwischen einer äußeren Strömungsmaschinengehäusebewandung und den daran angrenzenden äußeren Blattspitzen von Laufschaufeln zum Einsatz gebracht werden kann.

ίο Ein für die erfindungsgemäße Dichtspaltbildung geeignetes Material für die Vertiefungen 11, 12 kann z. B. zu 60% aus einer Aluminiumlegierung — enthaltend einen 12%igen Siliziumanteil — sowie zu 40% aus Polyester bestehen.

Nach dem Aushärten des abschabbaren Materials B, C werden die Gehäusebohrungen für die Drehzapfen 7 und für die Schaufeldrehteller 8 nachgesenkt.

Mittels des vorstehend erwähnten Werkzeugs bzw. Schaufelsimulators, dessen Drehtellerhöhe etwas niedriger ist als die Höhe des Schaufeldrehtellers 8 der tatsächlich spä'er einzubauenden Leitschaufel 2, werden nun durch Verdrehen des Werkzeugs innerhalb der Gehäusebohrungen für die Leitschaufel 2 aus dem Material B, C Aussparungen 13, 14 herausgekratzt, die geringfügig oberhalb der durch die vorstehenden Schaufelblattkanten 9, 10 über deren maximalen Schwenkbereich beschriebenen Ringsektorflächen enden.

In nicht weiter dargestellter Weise wäre die Erfindung bei einer Leitschaufelkonfiguration einsetzbar, bei der z. B. ausschließlich eine stromabwärtige über den Schaufeldrehteller vorstehende und der betreffenden Gehäusewandoberfläche benachbarte Schaufelblattkante vorgesehen ist.

Die Erfindung wäre im übrigen bei Axial turbinen sinngemäß anwendbar (verstellbare Leitschaufeln einer Nutzturbine oder dergleichen), wobei allerdings auf die Temperaturbeständigkeit des abschabbaren Materials zu achten wäre. Ferner soll der Einsatz bei Axialgebläsen mit eingeschlossen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Spaltdichtung für eine um ihre Längsachse verstellbare, axial umströmte Leitschaufel einer Strömungsmaschine, mit mindestens einem am Schaufelblattende angeordneten, zur Längsachse rotationssymmetrischen und gegenüber dem Gehäuse abgedichteten Schaufeldrehteller, wobei die Gehäusewand im Bereich der über den Schaufeldrehteller vorstehenden und der Gehäusewandoberfläche benachbarten Schaufelblattkanten eine veränderliche Krümmung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der durch die vorstehenden Schaufelblattkanten (9, 10) im Schwenkbereich beschriebenen Ringsektorflächen an der benachbarten Gehäusewand (4) in entsprechende Vertiefung (11,12) abschabbares Material (B, C) eingebracht ist, welches mittels eines der Schaufelgeometrie im Bereich des Schaufeldrehtellers (8) angepaßten Werkzeugs bearbeitbar ist.