DE3786552T2

DE3786552T2 - Dichtung zwischen den schaufeln eines turbomaschinenrotors.

Info

Publication number: DE3786552T2
Application number: DE88900657T
Authority: DE
Inventors: Robert Kalogeros
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1986-12-29
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2007-12-22
Also published as: CA1284954C; US4743164A; EP0297120B1; NO883842L; KR890700188A; JPH01501808A; EP0297120A1; NO169861B; KR950006401B1; WO1988005121A1; DE3786552D1; NO883842D0; JP2680651B2; NO169861C; EP0297120A4

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abdichtung, die zwischen benachbarten Schaufeln in einem Rotor einer Turbomaschine oder dergleichen angeordnet ist.

STAND DER TECHNIK

Axialströmungsturbomaschinen, wie zum Beispiel ein Gasturbinentriebwerk, haben Rotore mit einer Anzahl von einzelnen Schaufeln, die um den Umfang verteilt sind zur Zusammenwirkung mit einer ringförmig fließenden Strömung eines Arbeitsfluids. Es ist hinreichend bekannt, Abdichtungen längs dem axial verlaufenden Spalt vorzusehen, der zwischen benachbarten Schaufelplattformen in solchen Rotoranordnungen gebildet ist, um eine radial nach innen gerichtete Strömung von Arbeitsfluid durch den Spalt zu verhindern. Solche Zwischenschaufelabdichtungen können zwischen der Rotorscheibenfelge und der Unterseite der Schaufelplattformen in einer zwischen benachbarten Schaufeln gebildeten Kammer angeordnet sein. Diese Kammer, als "Dämpferkammer" bezeichnet, ist üblicherweise geeignet zur Aufnahme eines Trägkeitsschwingungsdämpfers zum Herabsetzen einer unerwünschten Rotorfelgenschwingung. Solche Abdichtungen können aus dünnem Metallblech geformt sein, wie in der US-A-4,505,642 beschrieben (die eine Rotoranordnung für eine Turbomaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1 betrifft) oder sie können einen anderen biegsamen Aufbau haben, wie die US-A- 4,183,720 zeigt.
Eine kombinierte Abdichtungs- und Schwingungsdämpfereinheit ist in der US-A-4,101,245 beschrieben. Die US-A-4,457,668 zeigt einen rinnenförmigen Dämpfer, der eine radial nach außen fließende Kühlluftströmung in einen axialen Kanal leitet zum Kühlen von Triebwerksbauteilen in der Nähe der gegenüberliegenden Seite der Rotoranordnung.
Die somit in dem Stand der Technik bekannten Abdichtungen sind gut geeignet, um eine Radialeinwärtsströmung des Arbeitsfluids zwischen den Schaufelplattformen hindurch und in die Dämpferkammer hinein zu verhindern. Da das übliche Arbeitsfluid in dem Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks aus verdichteten, heilen Verbrennungsprodukten besteht und da die Dämpferkammer an den Teil der drehenden Turbinenscheibe angrenzt, welcher der höchsten Materialbeanspruchung ausgesetzt ist, sind die Vorteile einer solchen Abdichtung auch gut bekannt und veranlassen die Konstrukteure weiterhin um wirksamere, kostengünstigere und leichter zusammenzubauende Abdichtungsanordnungen zu schaffen.
Außer einem radialen Druckunterschied über der Schaufelplattform, der bestrebt ist, eine Arbeitsfluidströmung radial zwischen benachbarten Turbinenschaufeln zu der Mittellinie der Turbomaschine hin anzuregen, ist auch üblicherweise ein axialer Druckunterschied vorhanden, der sich aus der aufeinanderfolgenden Verdichtung oder Entspannung des ringförmig strömenden Arbeitsfluids ergibt. Dieser axiale Druckunterschied ist ebenfalls bestrebt, an der Hochdruckseite der Rotoranordnung Arbeitsfluid unter Umgehung der Rotorschaufeln in die Dämpferkammer hineinzudrücken, wodurch, bei einer Turbinenrotoranordnung in einem Gasturbinentriebwerk, die Turbinenscheibenfelge möglicherweise überhitzt und eine vorzeitige Verschlechterung derselben bewirkt wird.
Zwischenblattabdichtungen entsprechend dem Stand der Technik, die hauptsächlich ausgelegt sind, um gegen Radialströmung des Arbeitsfluids abzudichten, sind nicht besonders geeignet zur Verhinderung einer Axialströmung desselben, so zum Beispiel erstreckt sich die kombinierte Dämpfer- und Abdichtungsvorrichtung nach der US-A-4,101,245 zwischen einer vorderen und einer hinteren ringförmigen Rotorscheibenseitenplatte, welche die wünschenswerte axiale Sperre gegen eine Strömung in die Dämpferkammer hinein bilden. Die kombinierte Abdichtung- Dämpfervorrichtung nach der US-A-4,101,245 ist konstruktiv stärker und schwerer als die Metallblech- und Banddichtungen nach der US-A-4,101,245 bzw. nach der US-A- 4,183,720, und erzielen somit eine gute axiale Abdichtungskraft gegen die Seitenplatten auf Kosten einer verminderten Anpassungsfähigkeit der kombinierten Bauteiles gegen die unteren Seiten der Schaufelplattformen.
Demgegenüber passen sich die dünnen und biegsamen Abdichtungen nach der US-A-4,505,642 und US-A- 4,183,720 einfach an, unter der durch die Rotation der Rotoranordnung bedingten Zentrifugalbeschleunigung, liefern jedoch keine ausreichende Starrheit in Axialrichtung zur Anlage an den Rotorseitenplatten, um eine wirksame, positive axiale Abdichtung zu schaffen. Die Abdichtungs-Dämpfervorrichtung nach der US-A-4,457,668, anstatt zu versuchen der Axialgasströmung entgegenzuwirken ist ausgelegt zum Unterstützen und zum Hindurchführen von axial fließender Kühlluft durch die zugeordnete Dämpferkammer.
Begehrt ist ein Abdichtungsmittel, welches sowohl die axiale als auch die radiale Abdichtungsfähigkeit in einem leichten, anpassungsfähigen Abdichtungsbauteil kombiniert.

ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb eine Rotoranordnung für einen Turbomotor zu schaffen, mit einer verbesserten Vorrichtung zum Abdichten des zwischen den Plattformen von zwei benachbarten Schaufeln in einer Rotoranordnung einer Axialströmungsturbomaschine gebildeten Spaltes zur Verhinderung sowohl einer axialen und radialen Strömung von Turbomaschinenarbeitsfluid aus dem Arbeitsfluidströmungsring in eine Dämpferkammer hinein, die radial innerhalb der Schaufelplattformen und in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Schaufeln liegt.
Um dies zu erreichen schafft die Erfindung eine Turbomaschinenrotoranordnung mit einer Dämpferkammer, die zwischen einer ersten und einer zweiten benachbarten Rotorschaufel gebildet ist, die am Rotor befestigt sind zur Rotation mit demselben um eine Drehachse, wobei jede Rotorschaufel versehen ist mit einem radial inneren Wurzelabschnitt zum Eingriff in eine Rotorscheibe, einem radial äußeren Schaufelprofilabschnitt zur betrieblichen Berührung einer ringförmigen, axial fließenden Strömung eines Arbeitsfluides, einem radial dazwischen liegenden Plattformabschnitt, der sich auf jeder Seite der Rotorscheibe axial über dieselbe hinaus und in Umfangsrichtung zu einer entsprechenden Plattform hin erstreckt, welche von einer nächsten, benachbarten Schaufel wegragt zur Bildung eines axial verlaufenden Spaltes dazwischen, wobei die Schaufelplattformabschnitte desweiteren so geformt sind, damit sie, in Zusammenwirkung mit der Rotorscheibe und den benachbarten Schaufelwurzelabschnitten, die Dämpferkammer radial einwärts derselben begrenzen, welche sich über die axiale Tiefe der Rotorscheibe erstreckt und, im axialen Querschnitt, eine im wesentlichen konkave, radial äußere Begrenzung aufweist, welche durch die unteren Seiten der benachbarten Schaufelplattformabschnitte gebildet ist, wobei die Kammer eine innere axiale Kammerabmessung aufweist, die zunimmt mit radial einwärts gerichteter Verlagerung, und einem Abdichtmittel bestehend aus einer Metallblechdichtung, die in der Dämpferkammer angeordnet ist und sich satt gegen die radial äußere Begrenzung derselben anlegt, wobei die Abdichtung sich in Umfangsrichtung über den Spalt erstreckt und die unteren Seiten benachbarter Schaufelplattformabschnitte überlappt, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußere Kammerbegrenzung einen axial mittleren Teil aufweist, das im wesentlichen in einer zum Rotorradius quer verlaufenden Ebene liegt, sowie einen vorderen und einen hinteren schrägen Endteil aufweist, welche sich radial nach innen und axial von dem mittleren Teil weg erstrecken, und wobei jedes schräge vordere und hintere Teil einen Winkel von etwa 15º mit Bezug auf den Rotorradius bildet.
Die einfache Metallblechabdichtung, unabhängig von irgendeinem in der Dämpferkammer angeordneten Trägheitsschaufeldämpfer paßt sich satt an die radial äußere Begrenzung der Kammer an. Dementsprechend sind die radial äußere Begrenzung der Dämpferkammer und die Abdichtungsvorrichtung zusammenwirkend geformt, um die Abdichtungskraft dazwischen während dem Betrieb der Turbomaschine zu erhöhen.
Die äußere Kammerbegrenzung, welche im Axialquerschnitt in ihrer inneren Axialabmessung mit radial nach innen gerichteter Verlagerung zunimmt, nutzt die durch die Rotation des Rotors bewirkte Zentrifugalbeschleunigung aus, um eine Abdichtungskraft über der gesamten Länge des Plattformspaltes zu erzielen.
Diese zunehmende Kammerabmessung bewirkt eine senkrechte Kraftkomponente gegen den Metallblechabdichtungsbauteil, um dieses gegen die entsprechend geformte Plattformunterseite zu drücken und eine axiale Abdichtungswirkung zu erreichen, die bei den Metallblechabdichtungen nach dem Stand der Technik nicht vorhanden ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine zusammenwirkende Anlage an der vorderen und der hinteren ringförmigen Rotorseitenplatte verstärkt durch Ausrichtung der Enden der Metallblechabdichtung in Axialrichtung an dem vorderen und dem hinteren Ende derselben, um eine satte Anlage an den radial verlaufenden Abdichtungsflächen der Seitenplatten der Rotoranordnung zu erreichen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind in Umfangsrichtung verlaufende an der Abdichtung angeformte Arme in zugeordneten in Umfangsrichtung offenen Schlitzen aufgenommen, welche in den benachbarten Schaufeln gebildet sind, um die Metallblechabdichtung beim Zusammenbauen der Rotoranordnung zu positionieren und festzuhalten.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Rotoranordnung werden dem Fachmanne verständlich sein nach Durchsicht der folgenden Beschreibung und der anhängenden Ansprüche und Zeichnungsfiguren.

KURZE ERLÄUTERUNGEN DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1 zeigt im radialen Querschnitt den Umfang einer Rotorscheibe mit zwei benachbarten Schaufeln und einer dazwischen durch dieselben begrenzten Dämpferkammer.
Die Fig. 2 zeigt in axialem Querschnitt die Dämpferkammer und die Rotorscheibe nach Fig. 1.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Mittellinie einer Rotoranordnung 10 eines Gasturbinentriebwerkes. Die Rotoranordnung 10 hat eine Scheibe 12 mit mehreren axial verlaufenden Schlitzen 14 am Außenumfang desselben zur Aufnahme von mehreren einzelnen Rotorschaufeln 16, 18.
Die Rotorschaufeln 16, 18 haben Wurzelabschnitte 20, 22, die in den Schlitzen 14 am Scheibenumfang aufgenommen sind, Schaufelprofilabschnitte 24, 26, die sich radial durch den Arbeitsfluidströmungsring 28 erstrecken, und dazwischen liegende Plattformabschnitte 30, 32, die sich in Umfangsrichtung und axial erstrecken, um, zum Teil, die innere Ringwand des Strömungsringes 28 zu bilden.
Die Plattformen 30, 32 der benachbarten Rotorschaufeln 16, 18 liegen eng nebeneinander und bilden einen im wesentlichen axial verlaufenden Spalt 34 dazwischen. Radial innerhalb der Schaufelplattformen 30, 32 und zwischen den benachbarten Schaufeln 16, 18 befindet sich auch eine Dämpferkammer 36, in der üblicherweise ein Trägheitsschwingungsdämpfer 38 angeordnet ist, der durch einstückig an den Schaufeln angeformte Vorsprünge 40 positioniert ist, welche sich in Umfangsrichtung von den Schaufeln 16, 18 erstrecken.
Wie oben erwähnt, besteht das in dem Ring 28 strömende Arbeitsfluid in den Turbinenabschnitten eines Gasturbinentriebwerkes üblicherweise aus heißen Verbrennungsprodukten, die von dem Felgenumfang isoliert werden müssen, um eine Überhitzung dieses hochbelasteten Bauteiles zu verhindern. Da sowohl die radiale als auch die axiale Druckverteilung des Arbeitsfluids über der Rotoranordnung 10 die Strömung in die Dämpferkammer 36 hinein anregen, ist die axiale und radiale Abdichtung zwischen den benachbarten Rotorschaufeln 16, 18 besonders wichtig zur Herabsetzung der Wartungshäufigkeit und der Wartungszeit des Triebwerkes. Eine kleinere Leckströmung zwischen aufeinander folgenden Turbinenstufen bewirkt desweiteren einen höheren Triebwerkswirkungsgrad und einen verbesserten Gesamtleistungsgrad.
Entsprechend der Erfindung ist eine Metallblechabdichtung 42 gestaltet zur satten Anlage gegen die unteren Seiten 44, 46 der zugeordneten Schaufelplattformen 30, 32. Die Abdichtung 42 erstreckt sich axial zwischen der vorderen Seite und der hinteren Seite der Rotorscheibe 12 und in Umfangsrichtung über den durch die Plattform 30, 32 gebildeten Spalt 34.
Die Fig. 2 zeigt einen Axialquerschnitt der in Fig. 1 dargestellten Scheibe 12, sowie die axial benachbarte Rotoranordnung 41, welche die Scheibe 50, die Schaufeln 52 und die Metallblechabdichtungen 54 umfaßt. Die Rotoranordnung 10 nach Fig. 2 zeigt die Metallblechabdichtung 42, welche satt an der unteren Seite 46 der zugeordneten Schaufelplattform 42 anliegt, und somit eine gasdichte radial äußere Begrenzung der Dämpferkammer 36 bildet. Die untere Seite 46 der Abdichtung 42 hat eine sich radial nach innen öffnende konkave Form, bei Betrachtung der axialen Querschnittdarstellung nach Fig. 2, wobei die axiale Abmessung derselben mit abnehmendem Radius zunimmt.
Es ist dem Fachmann verständlich, daß die Abdichtung 42 und die entsprechend geformten Plattformunterseiten 44, 46 zusammenwirken zur Erzielung einer gasdichten Abdichtung dazwischen sowohl in Radialals auch in Axialrichtung während der Rotation der Rotoranordnung 10 mit hoher Drehzahl. Die radial nach außen gerichtete durch die Rotation der Anordnung 10 bewirkte Beschleunigung drückt die Metallblechabdichtung 42 dicht gegen die Plattformunterseiten 44, 46 zur Anpassung der Abdichtung 42 an dieselben und zur Erzielung einer Sperre gegen das Hochdruckarbeitsfluid.
Die Fig. 2 zeigt auch das Merkmal der axialen Sperre durch die Abdichtung 42 entsprechend der Erfindung. Sowohl die Abdichtung 42 als auch die Plattformunterseiten 44, 46 haben axial beabstandete schräge Teile 57, 58 und ein mittleres Teil 59, das im wesentlichen quer zu dem Rotorradius 60 ausgerichtet ist. Die schrägen Teile 56, 58 und das mittlere Teil 59 bilden zusammen die sich radial einwärts öffnende konkave äußere Kammerbegrenzung, wie oben beschrieben.
Infolge der schrägen Abdichtungsteile 56, 58 kann die durch die Rotation der Anordnung bewirkte nach außen gerichtete Kraft in eine senkrecht gerichtete Komponente zerlegt werden, welche die schrägen Teile 56, 58 gegen die entsprechenden Plattformflächen anpreßt. Obschon der erforderliche Neigungsgrad zur Erzielung der gewünschten Abdichtungskraft für verschiedene Rotoranordnungen unterschiedlich sein kann, wegen dem unterschiedlichen Druck des Arbeitsfluids, dem Radius der Abdichtung 42, der Winkelgeschwindigkeit der Rotoranordnung 10 usw., wurde festgestellt, daß ein Winkel von etwa 150 zwischen den schrägen Abdichtungsteilen 56, 58 und dem Scheibenradius 60 ein effektiver Konstruktionsparameter für eine typische Gasturbinenanwendung darstellt.
Die Fig. 2 zeigt auch ein weiteres Merkmal der Abdichtung 42, das die Abdichtung zwischen der vorderen und der hinteren Rotorscheibenseitenplatte 62, 64 verbessert. Die ringförmigen Seitenplatten 62, 64 liegen an entsprechenden radial einwärts gerichteten Abstützteilen 66, 68 an, um die Schaufel 18 axial in dem zugeordneten Scheibenschlitz 14 zurückzuhalten. Die Abstützteile 66, 68 und die zugeordneten Abdichtungsendteile 56, 58 sind gestaltet, um sich in Axialrichtung zu erstrecken, damit das vordere und das hintere Ende 70, 72 der Metallblechabdichtung 42 in senkrechte Anlage mit den entsprechenden ringförmigen Rotorseitenplatten 62, 64 kommt. Diese senkrechte Ausrichtung der Abdichtungsenden gewährleistet, daß die Metallblechabdichtung 42 sich satt gegen die Seitenplatten 62, 64 anliegt und somit eine wirksame und einfache Abdichtungsschnittstelle bereitstellt.
Ein letztes Merkmal der Abdichtungsvorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt, wonach ein in Umfangsrichtung verlaufender Arm 74 eingefaßt ist zwischen einem entsprechenden in Umfangsrichtung verlaufenden Ansatz 76 zum Positionieren und Halten der Metallblechabdichtung 42 während dem Zusammenbau der Rotorscheibe 12 und der Schaufeln 16, 18. Die Abdichtung 42 wird in die Nut gedrückt, welche durch den Ansatz 76 und die Unterseite 46 der entsprechenden Schaufelplattform 32 gebildet ist. Dadurch wird der gekrümmte Arm 74 zusammengedrückt und hält die Abdichtung 42 in der geeigneten Lage fest beim Einschieben der Schaufeln 16, 18 in die Scheibe 12.
Die Abdichtung 42 liefert dementsprechend eine leichte, einfach einzubauende und wirksame Dichtungssperre sowohl gegen eine axiale und eine radiale Strömung des Arbeitsfluids in die Dämpferkammer 36.

Claims

1. Turbomaschinenrotoranordnung mit einer Dämpferkammer (36), die zwischen einer ersten und einer zweiten benachbarten Rotorschaufel (16, 18) gebildet ist, die am Rotor befestigt sind, zur Rotation mit demselben um eine Drehachse, wobei jede Rotorschaufel (16, 18) versehen ist mit einem radial inneren Wurzelabschnitt (20, 22) zum Eingriff in eine Rotorscheibe (12), einem radial äußeren Schaufelprofilabschnitt (24, 26) zur betrieblichen Berührung einer ringförmigen, axial fließenden Strömung eines Arbeitsfluides, einem radial dazwischen liegenden Plattformabschnitt (30, 32), der sich auf jeder Seite der Rotorscheibe (12) axial über dieselbe hinaus und in Umfangsrichtung zu einer entsprechenden Plattform (30, 32) hin erstreckt, welche von einer nächsten, benachbarten Schaufel (16, 18) wegragt zur Bildung eines axial verlaufenden Spaltes (34) dazwischen, wobei die Schaufelplattformabschnitte (30, 32) desweiteren so geformt sind, damit sie, in Zusammenwirkung mit der Rotorscheibe (12) und den benachbarten Schaufelwurzelabschnitten (20, 22), die Dämpferkammer (36) radial einwärts derselben begrenzen, welche sich über die axiale Tiefe der Rotorscheibe (12) erstreckt und, im axialen Querschnitt, eine im wesentlichen konkave, radial äußere Begrenzung aufweist, welche durch die unteren Seiten der benachbarten Schaufelplattformabschnitte (30, 32) gebildet ist, wobei die Kammer (36) eine innere axiale Kammerabmessung aufweist, die zunimmt mit radial einwärts gerichteter Verlagerung, und einem Abdichtmittel bestehend aus einer Metallblechdichtung (42), die in der Dämpferkammer (36) angeordnet ist und sich satt gegen die radial äußere Begrenzung derselben anlegt, wobei die Abdichtung (42) sich in Umfangsrichtung über den Spalt (34) erstreckt und die unteren Seiten (44, 46) benachbarter Schaufelplattformabschnitte (30, 32) überlappt, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußere Kammerbegrenzung einen axial mittleren Teil (59) aufweist, das im wesentlichen in einer zum Rotorradius (60) quer verlaufenden Ebene liegt, sowie einen vorderen und einen hinteren schrägen Endteil (56, 58) aufweist, welche sich radial nach innen und axial von dem mittleren Teil (56) weg erstrecken, und wobei jedes schräge vordere und hintere Teil (56, 58) einen Winkel von etwa 15º mit Bezug auf den Rotorradius (60) bildet.

2. Turbomaschinenrotoranordnung für eine Turbomaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Trägheitsschwingungsdämpfer (38), der in der Dämpferkammer (36) aufgenommen und von der Metallblechabdichtung (43) getrennt ist.

3. Turbomaschinenrotoranordnung für eine Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Seitenplatten (62, 64), die an radial einwärts gerichteten Abstützteilen (66, 68) der Plattformabschnitte (30, 32) anliegen, zum axialen Festhalten der Schaufeln (16, 18) in einem Rotorscheibenschlitz (14), wobei die inneren Flächen der Abstützteile (66, 68) und die axialen Enden der Abdichtung (42) geformt sind, um sich axial zu erstrecken, um die Enden der Abdichtung in senkrechte Berührung mit den Seitenplatten (62, 64) zu bringen.

4. Turbomaschinenrotoranordnung für eine Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen in Umfangsrichtung verlaufenden Arm (74), der einteilig mit der Metallblechabdichtung (42) geformt ist, wobei der Arm (74) in einer entsprechenden in Umfangsrichtung verlaufenden Nut angeordnet ist, welche in einer der benachbarten Schaufeln (16, 18) gebildet ist zum Festhalten der Metallblechabdichtung (42) in der Nähe der Plattformunterseite (46) der besagten einen Schaufel (16), zumindest während dem beginnenden Eingriff der besagten einen Schaufel (16) und der Scheibe (12).