DE3130573A1

DE3130573A1 - "dichtungsanordnung zwischen einem leitrad und einem laufrad von turbomaschinen"

Info

Publication number: DE3130573A1
Application number: DE19813130573
Authority: DE
Inventors: John Derek Glevedon Bristol Kernon; Derek Aubrey Clifton Bristol Roberts; Trevor Harold Lydney Gloucester Speak
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-08-06
Filing date: 1981-08-01
Publication date: 1982-04-15
Also published as: US4425079A; JPS602500B2; DE3130573C2; FR2490722B1; GB2081392B; JPS57116102A; GB2081392A; FR2490722A1

Description

Rolls-Royce Limitei_s 65 Buckingham Gate, London SWl '£ 6Al·, England

Dichtungsanordnung zwischen einem Leitrad und einem Laufrad

von Turbomaschinen

Die Erfindung betrifft eine Die itung^anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zwischen einem Leitrad und einem Laufrad von Turbomaschinen.

Es ist beispielsweise bei Turbiien von Turbomaschinen bekannt, am Laufrad ein oder mehrere axiale Vorsprürige anzuordnen, die unter Eildung eines ensen Dichtspalts mit einem an einer feststehenden Dichtunjsplatte gebildeten Dichtelement zusammenwirken und so eine Spaltdichtung bilden, um das Auslecken von Kühlluft aus dem radial einwärts des Strömungskanals gelegenen 'Bereiches radial nach außen in den otrömungskanal der Turbine minimal zu halten»

Im Betrieb erwärmt sich das Laufrad und dehnt sich radial relativ zur feststehenden Konstruktion aus_o Bei bekannten Konstruktionen ist diese radiale Wärmedehnung des Laufrads von einer Vergrößerung des anfänglichen

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Dichtspalts zwiscnen den miteinander zusammenwirkenden Jichtelementen des Laufrads und der Dichtungsplatte • ■egleitet, da diese Eauteile so ausgelegt sind, daß ;ie sich in keinem Betriebszustand gegenseitig berühren.

..nfolgedessen wird bei diesen bekannten Konstruktionen vine optimale Abdichtung nur bei einer ganz bestimmten Temperatur des Laufrads erreicht. Bei anderen Laufradisernperaturen ist der Dichtspalt entweder zu. groß, so daß :eine befriedigerie Dichtwirkung erreicht wird, oder zu klein, wobei im letzteren Fall die Gefahr besteht, daß die oeiden relativ zueinander umlaufenden Elemente einander jerühren und beschädigt werden.

Der Erfindur t, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Jichtungsanordnur % der eingangs genannten Gattung derart mszubilden, daß !er Dichtspalt durch Anpassung der /ärmebewegungen cer zur Statorkonstruktion gehörenden >ichtungspla tte .^c. α die Wärmebextfegungen des Laufrads /eitgehend Lonstfnt gehalten und so oine befriedigende Abdicntung bei allen Betriebszuständen erreicht wird.

Diese Aufgate wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden "eil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.
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Vorzugsweise ist die Dichtungsplatte segmentiert, so • daß sie ohne Entstehung übermäßiger innerer Spannungen beweflieh ist.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen Z3igt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein

Mehrwellen-Gasturbinentriebwerk

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der Zweistrcm-Bauart für Plugzeuge mit einer Dichtungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 im Axialschiitt einen Teil der

Hochdruckturbine des Triebwerks nach Fig. 1 init cer in der ersten Turbinenstufe befindlichen Dichtungsanordnung, und

Fig. 3 die erste Turbinenstufe mit der

Dichtungsanordnui c mehr im einzelnen.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem einstufigen, in einem Gebläsekanal 12 angeordneten Gebläse und mit einem Basistriebwerk, das einen mehrstufigen Hochdruckverdichter 13, eine Brenneinrichtung 14, eine zweistufige Hochdruckturbine 15, eine mehrstufige Niederdruckturbine 16 und ein Strahlrohr 17 aufweist.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besteht der Läufer der Hochdruckturbine 15 aus zwei Laufrädern 16 und 17, deren ringförmige Laufradscheiben jeweils eine mittige Nabenverdickung 18 aufweisen und an ihrem Umfang jeweils einen Kranz von Laufschaufeln 19 tragen.

Die Laufradscheiben sind an ihrem Umfang jeweils mit in gleichen Abständen angeordneten Haltenuten 20 mit Tannenbaumprofil versehen und jede Laufschaufel 19 besteht aus einem in eine Kaltenut 20 der betreffenden Laufradscheibe eingreifenden Tannenbaumfuß 21, einem tragflügeiförmigen Schaufelblatt einem Deckband 23, einer Fußplatte 24 und einem zwischen dem Tannenbaumfuß und der Fußplatte verlaufenden Schaufelschaft 25_c 35

Die Laufradscheibe des Laufrads 16 der ersten Hoch-

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ciruckturbinenstufe ist mit einem Flansch 26 versehen, über •reichen sie mit der Hochdruckverdichterwelle 27 verbunden ist. Außerdem ist diese Laufradscheibe mit derjenigen des uaufrads 17 der zweiten Turbinenstufe verschraubt, die ihrerseits einen rückwärtigen Plansch 28 aufweist, an welchem ein Teil oiner Labyrinthdichtung 29 angeordnet ist und der außerdem mit einem Konus 32 verbunden ist, Aber welchen die Aochdruckwelle 27 in einem nicht dargestellten Lager ogestützt ist. Die Labyrinthdichtung v/irkt mit einem Isil 30 der Statorkoristruktion zusammen, das über das Eintrittsleitrad 31 der Niederdruckturbine ...ι eh altert ist.

Eine Niedere"uckwelle 33 verbindet den Niederdruck-Ip verdichter mit der Niederdruckturbine und verläuft durch !littige Bohrunger der Laufradscheiben der beiden Hochdruc::- turbinenlaufräder 16 und 17 hindurch. Zwischen der Niederdruckwelle 32 uno der Hochdruckwelle 27 verläuft ein Deckrohr 34, das eine luftdichte Abdeckung der II ie der druckwelle bildet.

Das Laufrad 16 der ersten Turbinenstufe weist an meiner stromaufwä°tigen Stirnseite drei Vorsprünge 34, und 36 auf, die Eichtelemente bilden, die jeweils mit "inem zugeorineten Gegenelement der stromauf dieses Laufrads befindlicher. .Statorkonstruktion 37 unter Bildung .iner Gpaltoichtuag zusammenwirken.

Die Sta:;orkc istruktion 37 weist ein segmentiertes ..intrittsleiurad 38 auf, das im Turbinengehäuse 40 montiert ist. Die Segmente des Leitrads bestehen jeweils aus oineüi Inrienringse ^ment 41, einem Außenringse^ment 42 und einer Anzahl von iiese miteinander verbindenden, tragflügelförmigen LeLfschaufeln 43.

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Der Innenring 41 trägt die innere Wa id einer ringförmigen Brennkammer 44, während der jn äuiere Wand vom Außengehäuse 45 getragen wird. Weite/· ist der Innenring mit zwei radial einwärts ragenden Planschen 46 und 47 versehen. Der Plansch 46 greift in eine Umfangsnut am Außenumfang einer Wand 48, die zur gegenseitigen Trennung verschiedener Kühlluftströmungswege die,at. Die Wand 48 ist mittels Bolseri am Leitrad gehaltert, die eine relative Radialbewegung zwischen der V/and und dem Leitrad zulassen,,

An der Wand 48 ist außerdem das Innengehäuse 50 der Brennkammer angeschraubt. Dieses innere Ecennkammergehäuse begrenzt den radial inneren Bereich der Brennkammer 44 und ist stromaufseitig an der Austrittsloitrai- und Diffusoranordnung 51 des Hochdruckverdichter.3 13 ^ehaltert (Iⁱ'ig₀ 1). Außerdem ist mittels der auch das Br ^nnka-nmerinnengehäuse haltenden Schrauben 52 und buttern 5J eine Dichtungsplatte 53 an der Wand 58 befestigt„

Die Dichtungsplatte 53 ist ringförmig und besteht aus einer Anzahl von Segmenten. Die radia.1 verlaufenden Trennfugen zwischen den einzelnen Dichtungsplattensegmenten sind entweder durch Überlappung der oenachbarten Segmente oder mittels einer am jeweils einen von zwei benachbarten Segmenten befestigten dünnen Deckplatte abgedichtet_o An ihrem Außenumfang ist die Dichtungsplatte 53 mit einer Umfangsnut versehen, in welche der Flansch 47 des Innenringes 41 des Leitrads eingreift. Die Dichtungsplatte ist an ihrer vom Laufrad 16 abgewandten Stirnseite mit zwei stromaufwärts offenen Ringnuten versehen,, in welche jeweils ein dünnwandiges Zwischenglied 54 bzw_o 55 eingreift, das stromaufwärts von der Hauptebene der Dichtungsplatte 53 wegragt und mittels der Schrauben 52 und Muttern mit der VJand 48 verschraubt ist»

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Am dichtungsplattonseitigen Ende des Zwischenglieds 55 is't eine sich an den Ennenumfang der Dichtungsplatte 53 anschließende große Hasse in Form eines massiven Ringes 57 gebildet, der an .seiner stromabwärtigen Stirnfläche eine ...ingnut aufweist, in welche ein entsprechender Flansch der ajichtungsplatte 53 eingreift. Der Ring 57 bildet eine thermisch trüge Iiasse, wobei sein Warmed ehnungsv erhalt en lurch seine fernes sung ₉ Gestaltung uno. Anordnung relativ zum Laufrad 16 sowie durch entsprechende '-verkstoffwahl so

Iu auf das Wärmebewegungsverhalten der Laufradscheibe des Laufrads 16 abgestimmt ist, daß er in Betrieb das radiale --ewegungsvernalten der Dichtungsplatte- 53 in Übereinstimmung .lit dem Wärmebewe^ungsverhalten der .Radscheibe des Laufrads 16 steuert, indem er bei seinen eigenen Wärmebewegun ,en ¹Ue Dichtungsplatcensegmente über die durch seine Ringnut und den darin eirgreifenden Dichtungsplattenflansch gebildete i-litnahr averbindung mitbewe.-rt.

/.n der Dichtungsplatte 53 sind zwei konzentrische axiale ilinp-riansr he 5ö und 59 gebildet, die zum Laufrad 1> hir- --.-'a.jen (I'is. ;).

Diese Jr.ingf!ansehe 58 und 59 haben mit den Dichtelementen der axialen LaufradvorSprünge 35 und 36 zusammeλ-wirkende Dichtfliehen. Durch die Steuerung der radialen Bewegungen cer Dichtungsplatte 53 in Anpassung an die /armebewegungen cer Laufradscheibe des Laufrads Ib werden die Dichtspc.lte zwischen diesen Dichtflächen und den dami·; zusammenwirl-enden Dichtelementen des Laufrads konstant und somit in jecem Betriebszustand auf einem eine optimale Dichtwirkun; ergebenden Wert gehalten.

Der di' thermisch trüge '-lasse bildende Ring 57 weist außerdem ei;.e Rii gnut zur Halterung einer Abdeckplatte 60 auf, welche die £tromaufwärtige'Stirnseite der Radscheibe des Laufrads 16 ίherdeckt,"

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Die Wand 48 und die ringförmige ι Zwischenglieder 54 und 55 bilden drei gesonderte Kämmen und folglich drei gesonderte Strömungswege für Kühlluft. Der erste Strömungsv/es verläuft zwischen der Brennkammer 44 and deren Innengehäuse 50 in innere Hohlräume der Leitschaufeln 43_S aus welchen die Kühlluft durch in den Scaaufelwänden gebildete Austrittobohrungen austritt. Der zweite Strömungswes verläuft zwischen dem Brennkammerinnengahäuse 50 und der Wand 48, sodann zwischen den Schraubsn 52 durch Durchtrittsöffnungen in den Raum zwischen den Zwischengliedern und 55 und schließlich durch in der Jichtungsplatte 53 gebildete Düsen 61 radial einwärts der zwischen der Dichtungsplatte und dem Laufrad gebildeten Spaltdichtungen zum Laufrad hin. Diese Kühlluft tritt durch 3ntsp?echende Kanäle in die Laufschaufeln ein und kühlt diese und dient außerdem zur Kühlung der Radscheibe. Der dritte Strömungsweg verläuft durch den Raum zwischen der Hochdruckwelle 27 und der Wand 48, sodann durch radiale Durchtrittsöffnungen im Plansch des Zwischengliedes 55 zwischen den Schrauben 52 hindurch in den zwischen der Wand 48 und dem Zwischenglied 54 befindlichen Raum und von da aus durch in der Dichtungsplatte 53 gebildete Düsen 62 radial auswärts der zwischen der Dichtungsplatte, und dem Laufrad gebildeten Spaltdichtungen zum Laufrad hin. Diese Kühlluft wird durch entsprechende, im Laufrad 16 gebildete Kanäle und Düsen zur stromabwärtigen Stirnseite des Laufrads weitergeleitet_o

Die Düsen 61 können parallel zur Drehachse des Laufrads oder bezüglich dieser radial einwärts oder auswärts gerichtet sein. Vorzugsweise haben aie Düsen 61 eine Richtungskomponente in Drehrichtung des Laufrads_s um einen Drall der austretenden Kühlluft in Richtung der Laufraddrehung zu erzeugen. Auf diese Weise kann der Kühlluft Energie entzogen werden, so daß sie sich weiter abkühlt,

3d und gleichzeitig bewirkt der entstehende Wirbel, daß ein Teil der Luft sich entgegen der Fliehkräfte radial einwärts

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in den Raum zwischen der Abdeckplatte 60 und der Radscheibe jewegt. Aus diesem Zwischenraum wird die Kühlluft dann durch "iie mi'ctige Bohrung der iladscheiben der beiden Lauf räder and 17 weitergeleitet und zur Druckoeaufschlagung von Randdichtungen 70 und 71 des Laufrads If verwendet.

jJas Laufrad 16 ist stromab seit Iv /;:it zwei Dicht-3lementen 6j und 64 ausgestattet, α Le mit entsprechenden "iegenelementen einer Statorkonstruk^ion 65 zwischen den oeiden Hocndruckturbinenlaufrädern 16 und 17 zusammenwirken. Die Statorkonstruktion 65 weist ein segmentiertes leitrad 66 für die zweite liochdruckturbinenstufe auf, das ,nit seinem Außenumfang im äußeren lurbinengehäuse 40 montiert ist.

i>ie Se ment· des Leitrads 66 haben jeweils ein Inner.-ringsegment 67, ⁽ie mit einem Radialflansch in eine Umfar.~snut einer z-eitei. Dichtungsplatte 6b eingreifen. Die zweite Dichtungspl- tte · 8 ist ringförmig und einteilig mit einei thermisch trägen lasse 69 ausgebildet, deren Funktion derjenigen der then dsch trügen Masse 57 entspricht. An der sweiten Jichtungsplatte 68 ist ein zylindrischer Axialflansch 72 gebildet, der eine mit dem Dichtelement 64 an der stromab «rärtip;en Seite des Laufrads 16 zusammenwirken a üichtflache aufweist. Stromabseitig trägt die Dichtungsplatte 68 z. ei mit radialem Abstand angeordnete zylindrische flansche 73 und V"4, die jeweils mit Dichtelementen 75 und an der stro ,aufw-'rtigen Stirnseite des Laufrads 17 der aweiten Stu 'e zu.·,ammenwirkende Dichtflächen haben.

Die tli'.-rmisoh träge i-lasse 69 ist hinsichtlich Gestaltung, Bemessung und Anordnung so ausgelegt, daß ihr thermis 'hes ..nsprechverhalten demjenigen der 3adscheit-en de-¹ beicien Laufräder 16 und 17 entspricht und

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sie die radialen Bewegungen der Dichtungsplatte 68 in übereinstiinmunj siit '"on i/ärmebewegun $en dLaser ~?·.:Λ-scheiben steuert.

Die uic.atungsplatte 68 hat, wie aus ien Zeichnungen hervorgeht, einen V-förmigen Quersch.iitt, wodurch eine radiale Flexibilität hergestellt wiri_o Di ;-se Dichtunc-3-platte 68 ist nicht segmentiert.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1, Oicnturi^sanorunung zwischen einem Leitrad und eine..-Laufrad von Turbomaschinen, mit einer vom Leitrad gehalterten_s jedoch relativ aazu radial beweglichen ringförmigen Diehtmigsplatte, deren Dichtelemente mit entsprechenden Gegenelementen des Laufrads zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet₉ daß der Dichtungsplatte (53) eine thermisch träge Masse (57) zugeordnet ist, die durch ihre Gestaltun ; und Bemessung auf das Wärmedehnungsverhalten des Laufrads (16) umgestimmt ist und bei ihren Wärmebewegungen die Dichtungspl -.tte über eine Hitnahmeverbindung' mitbewegt.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte (53) segmentiert ist«
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte (03) an ihrer vom Laufrad (16) abgewandten Seite zusammen mit anderen Konstruktionsteilen (48, 54, 55) zwei Kammern begrenzt ' und mit aus diesen beiden Kammern zum Laufrad hin ausmündenden Kühlluftaustrittsdüsen (öl, 62) versehen ist, von denen die mit der einen Kammer verbundenen Austrittsdüsen (62) radial auswärts der zwischen der Dichtungsplatte und dem Laufrad gebildeten Dichtung und die mit der anderen Kammer verbundenen Austrittsdüsen (61) radial einwärts dieser Dichtung ausmünden,,
4ο Dichtungsanordnung nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die aus einer Kammer ausmündenden Austrittsdüsen (61 oder 62) mit einer radial einw-ärts gerichteten Komponente zum Laufrad (16) hin ausmünden,,
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4_S dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die aus einer Kammer aus-

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mündenden Austrittsdüsen (61 oder 62) mit einer Komponente in Drehrichtung des Laufrads (16) ausmünden.
6. DichtungS'inordung nach einem der Ansprüche 1 bis 5₄ dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch träge Masse (57) am radial inneren Umfang der Dichtungsplatte (53) angeordnet ist.
7. Dichtungs.mordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzei ;hnet, daß die thermisch träge .'lasse (57) als gesondertes ß luteil ausgebildet und mit einer stirnseitigen Umfanganut versehen ist, in welche die Dichtungsplatte mit einem !egenelement eingreift, und daß die thermisch träge Mtss'e über ein flexibles Zviischenglied (55) radial beweglieh lit der Statorkonstruktion (48) verbunden ist.,
8. Dichtungs ..nordnung nach Anspruch T₃ dadurch gekennzeichnet, da", die Dichtungsplatte (53) über ein weiteres flexibles Zw.'.sche iglied (5¹O radial beweglich ait der Statorkonstruktion (48) verbunden ist.
9. Dichtungs.'.nordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch träge !-lasse (69) einteilig mit der Dichtungsplatte (68) ausgebildet ist und daß die Dichtungs-.latte über ein flexibles Zwischenglied radial beweglich Jiit.der Statorkonstruktion verbunden ist.

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