EP0528138A1 - Deckblatt für axialdurchströmte Turbine - Google Patents
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- EP0528138A1 EP0528138A1 EP92110494A EP92110494A EP0528138A1 EP 0528138 A1 EP0528138 A1 EP 0528138A1 EP 92110494 A EP92110494 A EP 92110494A EP 92110494 A EP92110494 A EP 92110494A EP 0528138 A1 EP0528138 A1 EP 0528138A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
- F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
- F01D11/127—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with a deformable or crushable structure, e.g. honeycomb
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- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
- F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
Definitions
- the invention relates to a device for sealing the gap between the rotor blades and the housing of a turbomachine which is designed with a conical contour, the rotor blades being provided with circumferential cover plates which seal against the housing with prongs to form radial gaps.
- Such devices are known. They essentially consist of cover plates with tines running in the circumferential direction, which seal against the housing or against a honeycomb arrangement (honeycomb). They form a smooth or a stepped labyrinth with pure radial gaps. As a rule, these cover plates extend over the entire blade width.
- a known seal is shown in FIG. 1 to be described later on the basis of the rotor blade of the second stage. With the mechanically and / or thermally highly loaded blades of the last stage, for example a gas turbine, such a solution with conventional materials is no longer possible.
- the invention tries to avoid all these disadvantages. Furthermore, it is based on the additional task of ensuring the guidance of the main flow in the case of blades of the type mentioned at the beginning.
- this is achieved in that the conical end of the blades seals on the inlet and outlet sides with the tip against the housing and that the cover plate arranged in the center at the blade end has three throttle points against the housing, the throttle point on the inlet side forming a diagonal gap.
- the advantage of the invention can be seen, inter alia, in the fact that only small amounts of gap occur in the new seal, which is particularly important in the case of output stages. In this way, high efficiencies of the combination power amplifier / diffuser can be achieved. Furthermore, due to the narrow shroud, low friction losses are to be expected at the high peripheral speeds.
- cover plates are rotationally symmetrical and if the parting lines between adjacent cover plates run in the direction of the chord. With this training, the inevitable Leakage flow deflected between the cover plates in the direction of the main flow.
- the parting line is provided with three steps, the steps running in the axial plane of the three throttling points.
- the blades come into contact between adjacent cover plates when the blades are unwinding. This creates the necessary damping effect.
- the blade end advantageously has a lower inclination than the housing contour.
- This inclination should be such that there is a positive offset at the blade end, which has its greatest value in the area of the blade leading edge and which protrudes into a gap relief chamber arranged in the housing. With this gap relief, a reduction in the leakage flow through the shroud is achieved by pushing the main flow near the gap.
- cover plate spike which forms the middle throttle point, is in the axial plane of the blade's heavy line, additional bending moments on the blade are avoided.
- honeycomb seals also ensure that the heat generated when touching remains as low as possible. The strength properties of the highly stressed elements involved remain intact.
- the teeth of the cover plates which form the throttling points are preferably tapered in the circumferential direction on the cover plate overhangs.
- the three-stage gas turbine in FIG. 1 essentially consists of the bladed rotor 1 and the blade carrier 2 equipped with guide blades.
- the blade carrier which has a strongly conical channel contour of 40 °, is suspended in a turbine housing, not shown.
- the term blade carrier is synonymous with the term housing.
- the working medium enters the turbine from the outlet of the combustion chamber 3.
- the channel through which it flows opens into the exhaust gas housing, of which only the inner walls 4 of the diffuser are shown.
- the blading consists of three guide rows 5a, 5b and 5c and three run rows 6a, 6b and 6c.
- the blades of the guide rows seal against the rotor 1 by means of cover strips 7.
- the blades of the first rotor row 6a are free-standing; ie they seal with the blade tip against the blade carrier 2.
- the blades of the middle row 6b are provided with the cover plate seal 8 known per se.
- the actual seal consists of tines running in the circumferential direction, which run against a honeycomb arrangement (honeycomb) 9.
- honeycomb honeycomb
- the cover plates which extend across the entire blade width, form a stepped labyrinth with pure radial gaps. In the present case it is assumed that the rotor and the housing converge during operation due to the large relative axial expansions. For this reason, a further honeycomb arrangement 10 is provided on the blade carrier against the entry-side part of the cover plates against axial rubbing.
- the highly loaded blades 6 of the outlet row 6c have a pitch / chord ratio of approximately 1 in the radially outer region. They work at high peripheral speeds of up to 650 m / sec in a temperature range of up to 650 ° C. According to FIG. 2, they are each provided with a cover plate 11 arranged centrally at the blade end, which forms three throttle points against the blade carrier 2. For this purpose, the plates are provided with circumferential serrations 12, 13, 14 in three different radial planes. The outlet-side prong 14 forms, together with a honeycomb arrangement 15 inserted in the blade carrier 2, a radial gap 16.
- the entry-side prong 12 runs diagonally and, together with a correspondingly configured honeycomb arrangement 18, forms a diagonal gap 19.
- the operating position is shown in FIG. 2, that is to say the position in which the diagonal gap 19 represents the operating play. The axial expansion is thus used to create a throttle gap.
- the three prongs enclose two vortex chambers 20, 21, the radial displacement of the throttle points not influencing one another.
- the conical end of the blades seals on the inlet and outlet sides with the tip 24, respectively. 29 against the housing.
- An additional throttle point 22 is thus formed at the blade inlet via this tip seal.
- the tip seal at the outlet also forms an additional throttling point 23 instead of the previous free swirl spaces at this point, as contained in the cover plate seal 8 in the middle row 6b. This new type of tip seal at the outlet ensures a clean flow into the diffuser.
- the blade end is provided with a positive offset 31 on the inlet side.
- This offset is formed in that the blade tip has a smaller value than the taper 28 of the channel contour.
- the offset 31 projects into a gap relief chamber 25 arranged in the blade carrier 2.
- the inner contour of the gap relief chamber is adapted to the taper of the blade tip. This results in an aerodynamic relief of the blade gap. The pressure difference across the blade gap drops and the deflection is improved. This reduces the overall gap losses.
- Fig. 3 it can be seen that the cover plates 11 are rotationally symmetrical.
- the parting lines 26 between adjacent cover plates run in the direction of the chord.
- the circumferential sides of the cover plates are provided with three steps 27. These steps run in the axial plane of the three sealing teeth to ensure a continuous seal on the sealing surfaces. In addition, these stages take over the mechanical coupling of the cover plates to one another in order to achieve the damping effect.
- the teeth 12, 13 and 14 are tapered in the circumferential direction on the two overhangs of each cover plate. These Tapering 12a, 13a and 14a contribute significantly to the weight saving of the cover plates.
- the invention is not limited to the exemplary embodiment shown and described.
Landscapes
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dichtung des Spaltes zwischen den Laufschaufeln und dem mit konischer Kontur ausgebildeteten Gehäuse einer Turbomaschine, wobei die Laufschaufeln mit umlaufenden Deckplatten versehen sind, welche mit Zacken unter Bildung von Radialspalten gegen das Gehäuse dichten.
- Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus Deckplatten mit in Umfangsrichtung verlaufenden Zacken, die gegen das Gehäuse oder gegen eine Honigwabenanordnung (honeycomb) dichten. Dabei bilden sie ein glattes oder ein gestuftes Labyrinth mit reinen Radialspalten. In der Regel erstrecken sich diese Deckplatten über die ganze Schaufelbreite. Eine derartige bekannte Dichtung ist in der später zu beschreibenden Fig. 1 anhand der Laufschaufel der zweiten Stufe dargestellt. Bei den mechanisch und/oder thermisch hochbelasteten Laufschaufeln der letzten Stufe beispielsweise einer Gasturbine ist eine derartige Lösung mit herkömmlichen Werkstoffen nicht mehr möglich.
- Abhilfe schafft hier die klassische Spitzendichtung mit Dämpfervorrichtung in der Hauptströmung. Eine solche Dämpfervorrichtung, welche beispielsweise ein Dämpferdraht sein kann, ist unbedingt erforderlich bei freistehenden langen Schaufeln mit tiefer Eigenfrequenz. Schaufeln mit Spitzendichtung und Mitteln zur Schwingungsverhütung weisen indes den Nachteil von grosser Dissipation am Dämpferdraht und in der Spitzendichtung auf.
- Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Desweiteren liegt ihr noch die zusätzliche Aufgabe zugrunde, bei Schaufeln der eingangs genannten Art die Führung der Hauptströmung zu gewährleisten.
- Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das konische Ende der Schaufeln eintrittseitig und austrittseitig mit der Spitze gegen das Gehäuse dichtet und dass die mittig am Schaufelende angeordnete Deckplatte drei Drosselstellen gegen das Gehäuse aufweist, wobei die eintrittseitige Drosselstelle einen Diagonalspalt bildet.
- Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass bei der neuen Dichtung nur kleine Spaltmengen auftreten, was insbesondere wichtig ist bei Endstufen. Hierdurch können hohe Wirkungsgrade der Kombination Endstufe/ Diffusor erzielt werden. Darüberhinaus sind durch das schmale Deckband bei den hohen Umfangsgeschwindigkeiten geringe Reibungsverluste zu erwarten.
- Es ist besonders zweckmässig, wenn die Deckplatten rotationssymmetrisch ausgebildet sind und wenn die Trennfugen zwischen benachbarten Deckplatten in Richtung der Profilsehne verlaufen. Bei dieser Ausbildung wird die unvermeidliche Leckströmung zwischen den Deckplatten in Richtung der Hauptströmung umgelenkt.
- Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Trennfuge mit drei Stufen versehen ist, wobei die Stufen in der Axialebene der drei Drosselstellen verlaufen. Anlässlich des Betriebes der Turbomaschine kommt es in diesen Stufen zwischen benachbarten Deckpatten bei der Entwindung der Schaufeln zur Anlage. Hierdurch entsteht die erforderliche dämpfende Wirkung.
- Mit Vorteil weist das Schaufelende gegenüber der Gehäusekontur eine geringere Neigung auf. Dies Neigung soll so bemessen sein, dass ein positiver Versatz am Schaufelende entsteht, welcher seinen grössten Wert im Bereich der Schaufeleintrittskante aufweist und welcher in eine im Gehäuse angeordnete Spaltentlastungs-Kammer hineinragt. Mit dieser Spaltentlastung wird eine Reduktion des Leckagestromes über das Deckband erzielt, indem die Hauptströmung in Spaltnähe abgedrängt wird.
- Sofern sich der Deckplatten-Zacken, welcher die mittlere Drosselstelle bildet, in der Axialebene der Schaufelschwerlinie befindet, werden zusätzliche Biegemomente auf das Schaufelblatt vermieden.
- Ist darüberhinaus das Gehäuse an den drei Drosselstellen mit Honigwabenanordnungen versehen, so sind bei einem allfälligen Anstreifen keine Beschädigungen am hochempfindlichen Deckband zu erwarten; Diese Honigwabendichtungen bewirken auch, dass die Wärmeentwicklung beim Anstreifen möglichst gering bleibt. Damit bleiben auch die Festigkeitseigenschaften der beteiligten hochbelasteten Elemente intakt.
- Schliesslich werden zur Gewichtsreduktion der Deckplatten vorzugsweise die die Drosselstellen bildenden Zacken der Deckplatten an den Deckplattenüberhängen in Umfangsrichtung verjüngt ausgebildet.
- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer axialdurchströmten Gasturbine dargestellt.
Es zeigen: - Fig. 1
- einen Teillängsschnitt der Gasturbine;
- Fig. 2
- einen Teilquerschnitt durch die Dichtvorrichtung der letzten Laufreihe;
- Fig. 3
- die teilweise Abwicklung einer Draufsicht auf die Schaufelenden der letzten Laufreihe.
- Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nur angedeutet sind beispielsweise die angrenzenden Anlageteile wie Brennkammer und Austrittsdiffusor sowie die Schaufelfüsse. Nicht dargestellt ist die bei dieser Art von Maschinen übliche Schaufelkühlung. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
- Die dreistufige Gasturbine in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus dem beschaufelten Rotor 1 und dem mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträger 2. Der Schaufelträger, der eine stark konische Kanalkontur von 40° aufweist, ist in einem nichtgezeigten Turbinengehäuse eingehängt. Nachstehend ist der Begriff Schaufelträger gleichbedeutend mit dem Begriff Gehäuse. Vom Austritt der Brennkammer 3 gelangt das Arbeitsmittel in die Turbine. Deren durchströmter Kanal mündet in das Abgasgehäuse, von dem bloss die Innenwandungen 4 des Diffusors gezeigt sind. Die Beschaufelung besteht aus drei Leitreihen 5a, 5b und 5c sowie drei Laufreihen 6a, 6b und 6c. Die Schaufeln der Leitreihen dichten mittels Deckbändern 7 gegen den Rotor 1. Die Schaufeln der ersten Laufreihe 6a sind freistehend; d.h. sie dichten mit der Schaufelspitze gegen den Schaufelträger 2. Die Schaufeln der mittleren Laufreihe 6b sind mit der eingangs erwähnten, an sich bekannten Deckplattendichtung 8 versehen. Die eigentliche Dichtung besteht aus in Umfangsrichtung verlaufenden Zacken, die gegen eine Honigwabenanordnung (honeycomb) 9 laufen. Die sich über die ganze Schaufelbreite erstreckenden Deckplatten bilden dabei ein gestuftes Labyrinth mit reinen Radialspalten. Im vorliegenden Fall sei angenommen, dass während des Betriebes der Rotor und das Gehäuse anlässlich der grossen relativen Axialdehnungen aufeinander zulaufen. Deshalb ist gegen axiales Anstreifen eine weitere Honigwabenanordnung 10 am Schaufelträger gegenüber der eintrittsseitigen Partie der Deckplatten vorgesehen.
- Die hoch belasteten Laufschaufeln 6 der Austrittslaufreihe 6c weisen im radial äusseren Bereich ein Verhältnis Teilung/Sehne von ca. 1 auf. Sie arbeiten mit grossen Spitzenumfangsgeschwindigkeiten von bis zu 650 m/sec in einem Temperaturbereich von bis zu 650°C. Sie sind gemäss Fig. 2 mit je einer mittig am Schaufelende angeordneten Deckplatte 11 versehen, welche drei Drosselstellen gegen den Schaufelträger 2 bildet. Hierzu sind die Platten in drei verschiedenen Radialebenen mit umlaufenden Zacken 12, 13, 14 versehen. Der austrittseitige Zacken 14 bildet zusammen mit einer im Schaufelträger 2 eingesetzten Honigwabenanordnung 15 einen Radialspalt 16. Der mittlere Zacken 13, welcher sich in der Axialebene der Schaufelschwerlinie 30 befindet, bildet zusammen mit der gleichen, an entsprechender Stelle abgestuften Honigwabenanordnung 15 ebenfalls einen Radialspalt 17. Der eintrittseitige Zacken 12 verläuft diagonal und bildet zusammen mit einer entsprechend konfigurierten Honigwabenanordnung 18 einen Diagonalspalt 19. In Fig. 2 ist die Betriebsposition gezeigt, jene Stellung also, bei welcher der Diagonalspalt 19 das Betriebsspiel darstellt. Die Axialdehnung wird also ausgenutzt, um einen Drosselspalt zu kreieren.
- Die drei Zacken schliessen zwei Wirbelkammern 20, 21 ein, wobei durch die radiale Versetzung der Drosselstellen diese sich gegenseitig nicht beeinflussen. Das konische Ende der Schaufeln dichtet eintrittseitig und austrittseitig mit der Spitze 24 resp. 29 gegen das Gehäuse. Am Schaufeleintritt wird somit über diese Spitzendichtung eine zusätzliche Drosselstelle 22 gebildet. Die Spitzendichtung am Austritt bildet ebenfalls eine zusätzliche Drosselstelle 23 anstelle der bisherigen freien Wirbelräume an dieser Stelle, wie sie die Deckplattendichtung 8 bei der mittleren Laufreihe 6b beinhaltet. Diese neue Art der Spitzendichtung am Austritt bewirkt eine sauber geführte Abströmung in den Diffusor.
- Gemäss Fig. 2 ist das Schaufelende eintrittseitig mit einem positiven Versatz 31 versehen. Dieser Versatz wird dadurch gebildet, dass die Schaufelspitze gegenüber der Konizität 28 der Kanalkontur einen kleineren Wert aufweist. Der Versatz 31 ragt in eine im Schaufelträger 2 angeordnete Spaltentlastungs-Kammer 25 hinein. Zur Bildung der dortigen Spitzendichtung ist die Innenkontur der Spaltentlastungs-Kammer an die Konizität der Schaufelspitze angepasst. Hierdurch wird eine aerodynamische Entlastung des Schaufelspaltes bewirkt. Die Druckdifferenz über dem Schaufelspalt sinkt und die Umlenkung wird verbessert. Dadurch werden insgesamt die sogenannten Spaltverluste reduziert.
- In Fig. 3 ist erkennbar, dass die Deckplatten 11 rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Die Trennfugen 26 zwischen benachbarten Deckplatten verlaufen in Richtung der Profilsehne. Die in Umfangsrichtung gelegenen Seiten der Deckplatten sind mit drei Stufen 27 versehen. Diese Stufen verlaufen in der Axialebene der drei Dichtzacken, um an den Dichtflächen eine durchgehende Dichtung zu gewährleisten. Darüberhinaus übernehmen diese Stufen die mechanische Kopplung der Deckplatten untereinander zwecks Erzielung der dämpfenden Wirkung. Die Zacken 12, 13 und 14 sind an den beiden Überhängen jeder Deckplatte in Umfangsrichtung verjüngt. Diese Verjüngungen 12a, 13a und 14a tragen wesentlich zur Gewichtsersparnis der Deckplatten bei.
- Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In Abweichung zur in Fig. 2 gezeigten Ausbildung könnte es zweckmässig sein, die Deckplatte mitsamt der Diagonaldichtung näher zur Schaufeleintrittskante heranzuziehen, ggfs sogar bündig mit der Eintrittskante zu gestalten, sofern dies die Festigkeitserfordernisse zulassen.
-
- 1
- Rotor
- 2
- Schaufelträger, Gehäuse
- 3
- Brennkammer
- 4
- Innenwandungen des Diffusors
- 6
- Laufschaufel
- 5a,b,c
- Leitreihe
- 6a,b,c
- Laufreihe
- 7
- Deckbänder
- 8
- Deckplattendichtung
- 9
- Honigwabenanordnung radial
- 10
- Honigwabenanordnung axial
- 11
- Deckplatte
- 12
- Zacken
- 12a
- Verjüngung
- 13
- Zacken
- 13a
- Verjüngung
- 14
- Zacken
- 14a
- Verjüngung
- 15
- Honigwabenanordnung
- 16
- Radialspalt
- 17
- Radialspalt
- 18
- Honigwabenanordnung
- 19
- Diagonalspalt
- 20
- Wirbelkammer
- 21
- Wirbelkammer
- 22
- Drosselstelle
- 23
- Drosselstelle
- 24
- Schaufelspitze eintrittseitig
- 25
- Spaltentlastungs-Kammer
- 26
- Trennfuge
- 27
- Stufe
- 28
- Konizität
- 29
- Schaufelspitze austrittseitig
- 30
- Schaufelschwerlinie
- 31
- positiver Versatz am Schaufelende
Claims (8)
- Vorrichtung zur Dichtung des Spaltes zwischen den Laufschaufeln und dem mit konischer Kontur (28) ausgebildeteten Gehäuse (2) einer Turbomaschine, wobei die Laufschaufeln (6) mit umlaufenden Deckplatten (11) versehen sind, welche mit Zacken (12, 13, 14) unter Bildung von Radialspalten (16, 17) gegen das Gehäuse dichten,
dadurch gekennzeichnet,
dass das konische Ende der Schaufeln (6) eintrittseitig und austrittseitig mit der Spitze (24, 29) gegen das Gehäuse (2) dichtet und dass die mittig am Schaufelende angeordnete Deckplatte (11) drei Drosselstellen gegen das Gehäuse aufweist, wobei die eintrittseitige Drosselstelle einen Diagonalspalt (19) bildet. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatten (11) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfugen (26) zwischen benachbarten Deckplatten (11) in Richtung der Profilsehne verlaufen.
- Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge (11) mit drei Stufen (27) versehen ist, wobei die Stufen in der Axialebene der Zacken (12, 13, 14) verlaufen.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelende gegenüber der Gehäusekontur (28) eine geringere Neigung aufweist derart, dass der dadurch entstehende positive Versatz (31) am Schaufelende in eine im Gehäuse (2) angeordnete Spaltentlastungs-Kammer (25) hineinragt.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckplatten-Zacken (13), welcher die mittlere Drosselstelle bildet, sich zumindest annähernd in der Axialebene der Schaufelschwerlinie (16) befindet.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den drei Drosselstellen das Gehäuse mit Honigwabenanordnungen (15, 18) versehen ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Drosselstellen bildenden Zacken (12, 13, 14) der Deckplatten (11) an den Deckplattenüberhängen in Umfangsrichtung verjüngt (12a, 13a, 14a) sind.
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