DE3519646A1 - Umlaufende labyrinthdichtung - Google Patents

Description

Umlaufende Labyrinthdichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf umlaufende Labyrinthdichtungen und insbesondere auf umlaufende Labyrinthdichtungen, die in Gasturbinentriebwerken für den Antrieb von Flugzeugen verwendet werden.

Umlaufende Labyrinthdichtungen haben eine breite Vielfalt von Anwendungen, und eine derartige Anwendung ist die Abdichtung zwischen Kammern mit unterschiedlichen Drucken in Gasturbinentriebwerken. Derartige Dichtungen bestehen im allgemeinen aus zwei Hauptelementen, d. h. einer umlaufenden Dichtung und einer statischen Dichtung. Die umlaufende Dichtung hat im Querschnitt parallel zur axialen Länge des Triebwerks häufig zwei Reihen von dünnen zahnähnlichen Vorsprüngen, die sich von einer relativ dickeren Basis radial in Richtung auf die statische Dichtung erstrecken. Die statische Dichtung oder der Stator hat normalerweise eine dünne honigwabenartige Bandkonfiguration. Diese Hauptelemente sind im allgemeinen in Umfangsrichtung um die axiale (Längs-)Ausdehnung des Triebwerks angeordnet, wobei dazwischen ein kleiner radialer Spalt gebildet ist, um eine Montage der umlaufenden und stationären Komponenten zu gestatten.

Wenn das Gasturbinentriebwerk in Betrieb ist, expandiert die umlaufende Dichtung in radialer Richtung stärker als der Stator und reibt in der Statordichtung. Die dünne honigwabenähnliche Bandkonstruktion des Stators verkleinert den Oberflächenbereich, auf dem die Dichtungsspitze reibt, und sie hilft somit, die in die umlaufende Dichtung übertragene Wärme möglichst klein zu machen. Zusätzlich sind die Zahnspitzen der umlaufenden Dichtung dünner gemacht, um sie von der tragenden Basis oder Mantelstruktur thermisch zu isolieren.

Die dünne Zahnkonfiguration ist jedoch empfindlich gegenüber einer Beschädigung bei der Handhabung, die Risse in den Spitzen der Zähne gegenüber der Basis zur Folge haben. In einigen Fällen können die im Betrieb durch Reibung erzeugten Risse auch auf den Zahnspitzen gebildet sein. Diese Zahnspitzenrisse dehnen sich durch die Zähne radial nach innen in die tragende Mantelstruktur aus und können, wenn sie nicht festgestellt werden, sich gelegentlich in Richtung auf die Enden der Halterungsstruktur ausbreiten, was einen Bruch der Dichtung zur Folge hat.

Die Querschnittskonfiguration von bekannten Dichtungszähnen ist im allgemeinen eine stumpfe Dreiecksform mit geraden, geneigten Seiten, die sich an einer dünnen, ebenen Spitze treffen. Diese bekannten Konfigurationen der Dichtungszähne haben für eine unzureichende Begrenzung derartiger Risse gesorgt, wenn diese einmal begonnen haben.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Konfiguration für die Dichtungszähne von umlaufenden Labyrinthdichtungen zu schaffen, die für eine stark vergrößerte Beständigkeit gegenüber einer Rißausbreitung sorgt. Ferner soll diese Dichtungszahnkonfiguration die Rißausbreitung einschränken und trotzdem für einen dünnen Zahn mit geringem Gewicht sorgen, wie es in Gasturbinentriebwerken für Flugzeuge notwendig und wünschenswert ist.

Erfindungsgemäß wird eine umlaufende Labyrinthdichtung geschaffen, die mehrere radial gerichtete Dichtungszahnringe aufweist, die sich in Umfangsrichtung um den Außenumfang einer Basis herum erstrecken, wobei jeder der Dichtungszahnringe einen Körperabschnitt und einen Spitzenabschnitt aufweisen, wobei der Körperabschnitt wesentlich dicker als der Spitzenabschnitt ist.

Der Körperabschnitt hat im allgemeinen parallele Körperwände, die von dem Basisabschnitt in radialer Richtung ausgehen und sich in Umfangsrichtung um die Basis und die axiale Mittel-

linie des Triebwerks erstrecken. Der Körper hat ferner Umfangswände, die den Außenumfang des Körperabschnitts bilden und auf jeweils einer Seite des Spitzenabschnitts liegen. Der Spitzenabschnitt hat in ähnlicher Weise im allgemeinen parallele Spitzenwände, die von den Umfangswänden des Körpers sich in radialer Richtung und in Umfangsrichtung um die axiale Mittellinie des Triebwerks herum erstrecken. Die Spitzenwände enden an einer ümfangsspitzenoberflache, die den Außenumfang des Spitzenabschnitts bildet.

Um die Rißbegrenzung gemäß der Erfindung zu erreichen, sollte das Verhältnis der Dicke des Körpers zu derjenigen der Spitze wenigstens etwa 5:1 betragen. Zusätzlich sollten die Spitzenwände in die Umfangswände des Körpers an einer Hohlkehle übergehen, deren Radius etwa gleich der Dicke des Spitzenabschnitts ist. Die erfindungsgemäßen Zähne haben eine Verbesserung von wenigstens 3:1 in der Zahn- und Dichtungslebensdauer gegenüber Zähnen mit bekannten Aufbau gezeigt.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht, teilweise im Schnitt, von einem Gasturbinentriebwerk.

Figur 2 ist eine Teilguerschnittsansicht von einer zweistufigen Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks.

Figur 3A ist eine Teilquerschnittsansicht von einem abgestuften Zahn gemäß der Erfindung für eine umlaufende Labyrinthdichtung.

Figur 3B ist eine Teilquerschnittsansicht von einem bekannten Zahn einer umlaufenden Labyrinthdichtung.

Figur 4 ist ein Kurvenbild der Rißlänge über Zug- Dehnungs-Ermüdungszyklen für zwei Konfigurationen von umlaufenden Labyrinthdichtungszähnen.

In Figur 1 ist schematisch ein Turbfan-Triebwerk 20 gezeigt. Turbofan-Triebwerke sind zwar bekannt, aber zur besseren Verdeutlichung der Beziehungen der verschiedenen Komponenten sei eine kurze Beschreibung der Arbeitsweise des Triebwerks 20 gegeben. Das Triebwerk 20 weist ein Kerntriebwerk 22, ein Fan bzw. einen Bläser 24 mit einer umlaufenden Stufe von Bläserschaufeln 26 und eine Fan-Turbine 28 auf, die stromabwärts von dem Kerntriebwerk 22 angeordnet und mit dem Fan 24 durch eine Welle 30 verbunden ist. Das Kerntriebwerk 22 weist einen Axialströmungsverdichter 32 mit einem Rotor 34 auf. Luft tritt in den Einlaß 36 von links in Figur 1 in Richtung des ausgezogenen Pfeils ein und wird zunächst durch Bläserschaufeln 26 verdichtet.

Eine Fan-Verkleidung 38 umgibt den vorderen Teil des Triebwerks 20 und ist mit diesem durch mehrere radial nach außen verlaufende Auslaßführungsschaufeln 40 verbunden, von denen nur eine gezeigt ist und die im wesentlichen in gleichen Winkeln um die Verkleidung 42 des Kerntriebwerks herum beabstandet sind. Ein erster Teil der relativ kalten, einen niedrigen Druck aufweisenden verdichteten Luft, die die Fanschaufeln 26 verläßt, tritt in den Fan-Bypasskanal 44 ein, der zwischen der Verkleidung 42 des Kerntriebwerks und der Fan-Verkleidung 38 gebildet ist, und tritt durch die Fan-Düse 46 aus. Ein zweiter Teil der verdichteten Luft tritt in den Einlaß 48 des Kerntriebwerks ein, wird durch den Axialströmungsverdichter 32 weiter verdichtet und tritt in den Brenner 50 aus, wo die Luft mit Brennstoff gemischt und verbrannt wird, um eine hohe Energie aufweisende Verbrennungsgase zu bilden, die eine Kern-(oder Hochdruck-) Turbine 52 antreiben. Die Turbine 52 treibt ihrerseits einen Rotor 34 über eine Welle 35 an, wie es bei Gasturbinentriebwerken üblich ist. Die heißen Verbrennungsgase strömen dann durch die Fan-(oder Niederdruck-)Turbine 28, die ihrerseits den Fan bzw. Bläser 24 antreibt. Somit wird eine Antriebskraft erhalten durch die Wirkung des Bläsers 24, der Luft aus dem Fan-Bypasskanal 24 durch die Fan-Düse 46 ausstößt, und durch den Austritt von Verbrennungsgasen aus der Kerntriebwerksdüse 24, die teilweise durch einen Strömungskörper 56 und die

Verkleidung 42 des Kerntriebwerks 22 gebildet ist. Der Druck der verschiedenen Gase in dem Triebwerk 20 variieren bekanntlich als eine Funktion der Position längs der axialen Mittellinie 58 des Triebwerks. Um die verschiedenen Abschnitte und die Drucke darin gegeneinander zu trennen bzw. zu isolieren, werden üblicherweise umlaufende Labyrinthdichtungen verwendet.

In Figur 2 ist in einer Teilansicht ein Hochdruck-Turbinenabschnitt 60 gezeigt, der ein Abschnitt von Gasturbinentriebwerken ist, der üblicherweise umlaufende Labyrinthdichtungen verwendet. Die Hochdruckturbine 60 enthält mehrere radial verlaufende Schaufeln der ersten Stufe, die in Turbinenscheiben der ersten Stufe angebracht sind, wobei ein Satz dieser Schaufeln mit 62 bzw. 64 bezeichnet ist. Die Hochdruckturbine 60 weist ferner mehrere radial verlaufende Schaufeln der zweiten Stufe auf, die in Turbinenscheiben der zweiten Stufe angebracht sind, von denen ein Satz mit 66 bzw. 68 bezeichnet ist. Die Schaufel 62 und die Scheibe 64 der ersten Stufe liegen in stromaufwartiger Relation zu den stromabwartigen Schaufeln 66 und der Scheibe 68 der zweiten Stufe. Die Strömung der heißen Gase in der Hochdruckturbine 60 verläuft von stromaufwärts von stromabwärts, d. h. von links nach rechts in Figur 2.

Die Hochdruckturbine 60 weist ferner eine umlaufende Labyrinthdichtung 70 und einen Stator oder eine statische Dichtung 71 auf. Die umlaufende Labyrinthdichtung 70 ist zwischen der Turbinenscheibe 64 der ersten Stufe und der Turbinenscheibe 68 der zweiten Stufe angebracht. Die stationäre Dichtung 71 ist an der Düse 73 der zweiten Stufe befestigt. Die Düse der ersten Stufe (nicht gezeigt) liegt stromaufwärts von den Schaufeln der ersten Stufe.

Die umlaufende Labyrinthdichtung 70 weist eine Basis 72 und mehrere Dichtungszähne 74 auf, die von der äußeren Umfangsfläche 75 der Basis 72 radial verlaufen. Der Außenumfang der Dichtungszähne 74 rotiert innerhalb einer kleinen Toleranz von dem Innenumfang des Stators 71, wodurch eine Dichtung zwischen

der Kammer 61 der ersten Stufe und der Kammer 63 der zweiten Stufe gebildet wird. Die Basis 72 weist, wie in Figur 2 gezeigt ist, eine Ringkonfiguration und einen im allgemeinen bogenförmigen Querschnitt auf, aber häufig treten auch andere Konfigurationen in Gasturbinentriebwerken auf. Die Dichtungszähne 74 können beispielsweise durch Schweißen an der Dichtung 70 befestigt oder sie können einstückig mit dieser ausgebildet sein und sie verlaufen ringförmig in Umfangsrichtung um die Basis 72 und die axiale Mittellinie 58 herum.

Jeder Dichtungszahn 74 gemäß der Erfindung, wie sie besser in Figur 3A gezeigt sind, hat einen Körperabschnitt 77 und einen Spitzenabschnitt 78. Jeder der Körperabschnitte 77 hat im wesentlichen parallele Körperwände 79 und 80, die von der Basis radial ausgehen und sich in Umfangsrichtung um die Mittelachse des Triebwerks erstrecken. Der Körperabschnitt 77 weist auch Körperumfangswände 82 und 84 auf, die längs des Außenumfangs des Körperabschnitts 77 auf jeder Seite des Spitzenabschnitts 78 liegen.

Jeder der Spitzenabschnitte 78 weist im allgemeinen parallele und radial verlaufende Spitzenwände 86 und 88 auf, die sich von den Umfangswänden 82 bzw. 84 in radialer Richtung erstrecken. Der Spitzenabschnitt 78 hat ferner eine Spitzenumfangsflache 90, die entlang des Außenumfangs des Spitzenabschnitts 78 verläuft, irjdem die Spitzenwände 82, 84 enden. Die Oberfläche 90 ist koaxial zu den Körper.umfangswänden 82, Im Gegensatz zu den Dichtungszähnen gemäß der Erfindung, wie sie in Figur 3A gezeigt sind, ist in Figur 3B ein bekannter Dichtungszahn 74' gezeigt, der eine im allgemeinen stumpfe Dreiecksform aufweist. Der gezeigte Winkel θ liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 15° und die Breite der Spitzenfläche 90' (t.,) liegt in der Größenordnung von 0,375 mm (0,015 Zoll).

Um eine wirksame Begrenzung der Ausbreitung von Rissen zu erhalten, sollte erfindungsgemäß das Verhältnis der Strecken zwischen den Körperwänden 79, 80 (Körperdicke oder t,) und

den Spitzenwänden 86, 88 (Spitzendicke oder t. ) wenigstens etwa 5:1 betragen. Vorzugsweise sollten die Spitzenwände 86, 88 die Körperumfangswände 82, 84 ohne einen Übergangs-(Hohlkehlen-) Radius treffen, aber für eine Ermüdungsbeständigkeit ist ein gewisser Radius an der Übergangsstelle wünschenswert, und ein Übergangs- oder Hohlkehlenradius t , der etwa gleich der Spitzendicke t. ist, wurde als bevorzugter Radius gefunden.

Die Wirksamkeit von Dichtungszähnen gemäß der Erfindung ist in Figur 4 gezeigt. Dort ist die Rißlänge als eine Punktion von Zug-Dehnungs-Ermüdungsspielen aufgetragen. Die Zug-Dehnungsversuche geben die Ermüdung hervorrufenden Ringbeanspruchungen wider, denen derartige Dichtungen im allgemeinen während des Triebwerksbetriebs ausgesetzt sind. Ein Segment eines üblichen Dichtungszahnes mit θ = 15°, t., =0,375 mm wurde getestet im Vergleich zu einem Segment eines Dichtungszahnes gemäß der Erfindung mit t, = 0,375 mm, t, = 2 mm und t = 0,375 mm. Das Material der Zähne war eine Nxckelbasislegierung, aus der derartige Dichtungen üblicherweise gefertigt werden, und die Anfangsrißlänge (X) betrug 0,5 mm (0,020 Zoll). Wie aus Figur 4 zu ersehen ist, zeigte der Dichtungszahn gemäß der Erfindung eine Verbesserung von 3:1 bei den Lastspielen bis zum Bruch gegenüber dem bekannten Dichtungszahn.

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Claims (10)

Ansprüche

1. Umlaufende Labyrinthdichtung mit einer Basis, die eine äußere Umfangsflache und mehrere radial gerichtete Dichtungszähne aufweist, die einstückig mit der Umfangsflache ausgebildet sind und sich in Umfangsrichtung erstrecken um die äußere Umfangsfläche der Basis herum,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Dichtungszahn einen Körperabschnitt (77) und einen Spitzenabschnitt (78) aufweist, wobei der Körperabschnitt (77) wesentlich dicker als der Spitzenabschnitt (78) ist.

2. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Körperabschnitt (77) zwei radial verlaufende Körperwände (79, 80) aufweist, wobei die Strecke t, zwischen den Körperwänden die Dicke des Körpers ist, und daß jeder Spitzenabschnitt (78) zwei radial verlaufende Spitzenwände (86, 88) aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander und zu den Körperwänden verlaufen, wobei die Strecke t zwischen den Spitzenwänden die Dicke der Spitze ist und die

Spitzenwände in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Spitzenfläche (90) enden,

3. Labyrinthdichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Körperdicke t, zu der Spitzendicke t. wenigstens etwa 5:1 beträgt.

4. Labyrinthdichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß ferner zwei Körperumfangsflachen (82, 84) vorgesehen sind, die entlang des Außenumfangs des Körper ab Schnitts (77) auf jeder Seite des zugeordneten Spitzenabschnitts (58) liegen.

5. Labyrinthdichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwände (86, 88) in die Körperumfangsflächen (82, 84) an einer Hohlkehle mit einem Radius übergehen, der im wesentliehen gleich der Dicke der Spitzenwände ist.

6. Umlaufende Labyrinthdichtung für eine Abdichtung zwischen zwei Kammern in Gasturbinentriebwerken, wobei die Dichtung eine Basis mit einer äußeren Umfangsfläche und mehreren radial gerichteten Dichtungszahnringen aufweist, die in umfangsrichtung um die Außenumfangsfläche der Basis herum verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Dichtungszahnring einen Körperabschnitt und einen Spitzenabschnitt aufweist, jeder der Körperabschnitte zwei radial verlaufende, im wesentlichen parallele Körperwände aufweist, wobei der Abstand zwischen den Körperwänden die Dicke des Körpers ist, jeder der Spitzenabschnitte zwei radial verlaufende Spitzenwände aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander und zu den Körperwänden verlaufen, wobei der Abstand zwischen den Spitzenwänden die Dicke der Spitze ist, und daß das Verhältnis der Körperdicke zu der Spitzendicke wenigstens etwa 5:1 beträgt.

7. Labyrinthdichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Körperabschnitt zwei Körperumfangsflachen aufweist/ die auf gegenüberliegenden Seiten des zugeordneten Spitzenabschnitts angeordnet sind.

8. Labyrinthdichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spitzenabschnitt eine Spitzenumfangsfläche koaxial zu zwei Körperumfangsflächen des zugeordneten Körperabschnitts aufweist.

9. Labyrinthdichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwände in die Körperumfangsflächen an einer Hohlkehle mit einem Radius übergehen, der im wesentlichen gleich der Dicke der Spitzenwände ist.

*.

10. Labyrinthdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die *- Basis ringförmig ist und einen bogenförmigen Querschnitt aufweist.