SE465227B - Fluidtaetningsarrangemang foer en turbomaskin samt saett att foerhindra stroemmande arbetsfluid fraan att undkomma fraan stroemningsbanan - Google Patents

Description

465 227 2 Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en icke- kontaktgörande strömningsbantätning, vilken utnyttjar en buffringsfluid, som erhålls från ett uppströmssteg, och återför väsentligen hela buffringsfluiden till huvudströmningsbanan.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ejektrotät- ning, som eliminerar fluidläckage och även drar in luft i utrymmet omkring motorn för att ventilera motorn utan behov av fläktar. Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en icke-kontaktgörande strömningsbantätning med tätningsspel, vilka är tillräckliga för att förhindra nötning och åtföljande försämring av tätningen under normala turbomaskindrift- tillämpningar.

Enligt uppfinningen åstadkoms ett fluidtätningsarrangemang för använd- ning i en turbomaskin. Turbomaskinen innefattar en första sats turbinblad och en andra sats turbinblad intill den första turbinbladsatsen, vilka satser är anord- nade för relativ rotation omkring en gemensam maskinaxel. Med de första och andra bladsatserna sammanhörande gränsarrangemang bildar inre och yttre perifera gränser mellan vilka en fluidhuvudströmningsbana bildas. Delar av åtminstone en av bladsatserna bildar en spelöppning, som kommunicerar mellan fluidströmnings- banan och ett yttre område utanför de perifera gränserna i radiell riktning. En ringformig arm sträcker sig från ett blad över spelöppningen och mot det närlig- gande bladet. Armen bildar med en yttre periferi av det intilliggande bladet en ringformig passage, som kommunicerar med spelöppningen. En ringformig hålighet bildas på nämnda yttre periferi av det intilliggande bladet, som har en strål- öppning för att rikta en trycksatt buffringsfluid från håligheten och ut genom strålöppningen in i den ringformiga passagen i form av en buffringsfluidstråle med relativt hög hastighet. Höghastighetsstrålen växelverkar med fluid i det yttre området utanför den perifera gränsen för att inducera en kontinuerlig fluidtätningsström från det yttre området, genom spelöppningen, och in i huvud- fluidströmningsbanan.

Uppfinningen åstadkommer även ett sätt att förhindra arbetsfluiden i en turbomaskin att försvinna från strömningsbanan ut genom ett spel bildat mellan relativt varandra roterande delar hos turbomaskinen. Detta sätt innefattar att det vid spelet utblåses en mängd buffringsfluid med hög hastighet. En tätnings- fluid, som omger de roterande delarna insugs därvid genom spelet och in i ström- ningsbanan medelst buffringsfluiden. På detta sätt förhindrar den inströmmande tätningsfluiden att arbetsfluiden försvinner från strömningsbanan.

Uppfinningens kännetecken framgår närmare av de bifogade patentkraven.

Uppfinningen skall nu beskrivas närmare nedan med hänvisning till bifogade rit- ningar.

I! 465 227 Kort beskrivning av ritningarna.

På ritningarna är: Fig. 1 en delvy av stator~ och rotorbladen hos en turbomaskin med ett tätningsarrangemang enligt uppfinningen, fig. 2 en perspektivvy av i fig. 1 visade ejektorslitsar, fig. 3 en perspektivvy av en första modifikation av en del av tätnings- arrangemanget enligt uppfinningen, fig. 4 en perspektivvy av en andra modifikation av en del av tätnings~ arrangemanget enligt uppfinningen, fig. 5 en delvy av en turbomaskin såsom i fig. 1, och uppvisande ett hölje modifierat enligt uppfinningen, samt fig. 6 en delvy av turbindelen av en jetmotor, vid vilken uppfinningen tillämpas.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen.

Fig. 1 är en delvy av ett statorblad 10 och ett rotorblad 12 anordnade intill varandra utefter en turbomaskins axiella riktning.

På känt sätt utgör statorbladet 10 ett av ett antal liknande blad anord~ nade att sträcka sig radiellt omkring maskinaxeln. På samma sätt är rotorbladet 12 ett av ett antal liknande blad anordnat att sträcka sig radiellt i förhållan- de till maskinaxeln. Åtminstone ena satsens turbinblad 10, 12 är anordnade att vara roterbara relativt varandra omkring den gemensamma maskinaxeln.

Såsom visas i fig. 1 och 5 sträcker sig rotorbladet 12 radiellt utåt relativt en fluidströmningsbana 14, som sträcker sig tvärs bladen 10,12. Ett yttre skal 16 (fig. 1 och 5) i anslutning till statorbladen 10 tjänar till att bilda en yttre perifer gräns för huvudfluidströmningsbanan 14. Ett yttre skal 17 (fig. 1) i anslutning till rotorbladen 12 fortsätter att bilda en yttre perifer gräns för huvudfluidströmningsbanan 14. Ett inre nav 18 (fig. 5) tjänar till att bilda en inre perifer gräns för huvudfluidströmningsbanan 14.

Vid den visade utföringsformen uppträder en spelöppning 20 mellan det yttre skalet 16 och det yttre skalet 17. Spelöppningen 20 är nödvändig för att rotorbladet 12 skall kunna sträcka sig radiellt utåt relativt strömningsbanan 14, för att tillåta relativ axiell och perifer förskjutning mellan skalen 17 och 16, liksom för att tillåta rotation under normal turbomaskindrift. Såsom visas kommunicerar spelöppningen 20 mellan huvudfluidströmningsbanan 14 och ett yttre område 22 radiellt utanför den yttre perifera gräns, som bildas av skalen 16 och 17. Om inte spelöppningen 20 tätas effektivt kommer den att tillåta trycksatt fluid att undkomma från huvudfluidströmningsbanan 14 till det yttre området 22, med åtföljande förlust av turbomaskinens driftverkningsgrad, såsom väl inses av fackmannen. 465 227 4 Enligt uppfinningen sträcker sig en ringformig arm 24 över spelöppningen 20 i det yttre området 22 av huvudfluidströmningsbanan 14. Såsom visas i figurerna är detta fallet i uppströmsriktningen. Det skulle emellertid även kunna vara nedströms vid andra tillämpningar. Vid den visade utföringsformen sträcker sig den ringformiga armen 24 från en del av rotorbladet 12, som sträcker sig radiellt utanför huvudfluidströmningsbanans 14 yttre perifera gräns. Den ringformiga armen 24 bildar med den yttre periferi hos intilliggande statorblad 10 en ringformig passage 26, som kommunicerar med spelöppningen 20.

En ringformig hålighet 28 med en strål- eller ejektoröppning 30, allmänt i linje med den axiella riktningen är anordnad i statorbladets 10 yttre perife- ri. Strålöppningen 20 tjänar till att rikta en trycksatt mängd av buffringsfluid in i den ringformiga passagen 26 i form av en buffringsfluidstråle med relativt hög hastighet. En växelverkan mellan höghastighetsstrålen och i det yttre om- rådet 22 nära den ringformiga utstående armen 24 befintlig fluid inducerar en kontinuerlig tätningsfluidström 23 från det yttre området 22, som blandas med buffringsfluiden i den ringformiga passagen 26 och strömmar genom spelöppningen 20 och in i huvudfluidströmningsbanan 14. Ett eller flera tillförselrör 32 leder buffringsfluiden till den ringformiga håligheten 28 från ett uppströmssteg av turbomaskinen vid ett totaltryck, som är väsentligt större än det statiska trycket i det yttre området 22 av spelöppningen 20. Ett sådant uppströmssteg kan exempelvis vara ett kompressorsteg hos maskinen eller ett uppströms turbinsteg.

Härigenom har buffringsfluiden efter acceleration genom strålöppningen 30 en hög impuls. Efter blandning med tätningsströmmen 23 retarderas den kombinerade strömmen 29 medförande en övergång från hastighet till statisk tryckökning medelst den divergerande ringformiga passagen 26. Vid denna utföringsform åstadkoms följaktligen strömning från det yttre området 22 vid ett lågt tryck till huvudfluidströmningsbanan 14 vid ett relativt högre statiskt tryck. Dylika arrangemang beskrivs ofta såsom "strålpump" eller "ejektorpump" av fackmannen.

Fig. 5 visar en tillämpning av strömningsbanejektortätningen i en gastur~ binmotor, som är installerad i ett hölje, såsom en motorgondol 34. Luf som indu~ ceras i ett ejektorsystem, av vilket bladen 10, 12 bildar del, dras från utrym- met mellan systemet och en vägg hos gondolen 34. Genom att anbringa ventila- tionsöppningar 36 i gondolväggen, bringar ejektorn luft att dras in i det yttre området 22 runt turbinen så att kontinuerlig ventilering av det inneslutna ut- rymmet erhålles genom yttre luft. En blandad ström av den trycksatta buffrings~ fluiden (t.ex. luft från kompressorn) och den inducerade luften passerar genom nedströms turbinsteg och drivmunstycket (ej visat). 465 227 De i fig. 30 visade strålöppningarna kan anta olika former. Såsom visas i fig. 2 kan de exempelvis ta formen av en ringformig slits 30'. Den ringformiga slitsen bildas som en trång passage mellan den övre takdelen 40 av den ring~ formiga håligheten 28 och den lägre delen 42, som befinner sig vid den yttre änden av det närliggande statorbladet. En kontinuerligt konvergerande slits 30' bildas däremellan för accelerering och utstrålning av buffringsfluiden med hög hastighet. Slitsen skulle även kunna konvergera och därpå divergera för att åstadkomma högre hastighet hos buffringsfluiden. Buffringsfluidens utloppshas- tighet vid slitsarna kan vara större än ljudhastigheten i denna punkt.

Andra typer av ejektorslitsar kan även användas. I fig. 3 visas exempel- vis ejektorslitsar i form av likformigt åtskilda, perifert förlöpande ejektor- slitsar 30". Dessa slitsar bildas mellan uppstående utsprång 44 från den yttre väggen 42'. Uppströmsdelarna av dessa utsprång är avrundade för att åstadkomma en jämn accelererande ström av den utstrålade fluiden runt dem.

I fig. 4 är ejektoröppningarna från den ringformiga håligheten 28 i form av ett antal likformigt perifert åtskilda hål 30"'. Dessa hål bildas i en främre fast vägg 48 vid den ringformiga hålighetens 28 mynning. Man inser emellertid att även andra typer av ejektorarrangemang kan användas.

I fig. 6 visas en typisk tillämpning av ejektortätningen vid turbindelen hos en gasturbin. Här består turbinen av ett flertal blad, varvid omväxlande blad är motroterande i förhållande till mellanliggande intilliggande blad. Så- lunda skulle bladen 50, 52, 54 och 56 kunna rotera i en riktning medan de mel~ lanliggande bladen 58, 60 och 62 motroterar i motsatt riktning. Man inser därför att ejektortätningen enligt uppfinningen inte bara är användbar mellan roterande och stationära delar, utan även mellan motroterande delar. Mellan de roterande bladen 50 och 58 föreligger det ett spelgap 64, som vid ett utförande exempelvis är ca 10 mm (0,38 inch) brett i axiell riktning. Från bladet 50 sträcker sig uppströms en ringformig arm 66, som står ut över den radiellt yttre periferin 68 hos intilliggande blad 58 till avgränsning av en ringformig passage 70 mellan dem. Den radiella höjden hos den ringformiga passagen 70 är i detta utförande approximativt 12 mm (0,5 inch). Tillförseln av buffringsfluid åstadkoms vid ett uppströms ställe 72 hos själva gasturbinen. Vid ett sådant uppströms ställe är fluidströmmen vid ett högre tryck än där spelet 64 är beläget. Denna fluidström åstadkoms i en passage 74, som riktar fluiden i form av en buffringsfluid, såsom visas genom pilarna 76. Buffringsfluiden införs i en ringformig hålighet 78, som bildas mellan den radiellt yttre periferin 68 hos bladet 58 och en överhängande takvägg 80. Trycket hos buffringsfluiden i den ringformiga håligheten 78 är av- sevärt större än trycket i spelgapet 64. Denna buffringsfluid accelereras av en 465 227 konvergerande ringformig passage 82 till hög hastighet. Ett antal skovelformiga öppningar 84 är anordnade i den gasturbinen omgivande yttre gondolväggen 86. Öppningarna 84 medger inströmning av yttre luft, såsom visas genom pilarna 88. ä Luften dras in i utrymmet 90 mellan den yttre gondolen 86 och turbinen, vari~ Q genom den kommer att tjäna som ventilation i utrymmet 90 i och för kylning av turbinstegens yttre periferi. På samma gång kommer denna luft att fortsätta att . strömma in i den ringformiga passagen 92 mellan den utstående armen 66 och in- tilliggande blads yttre periferi 68.

Inströmningen av luft genom passagen 92 kommer att tjäna till att mot- verka varje möjligt läckage av fluid, som passerar utefter huvudfluidströmnings- banan över turbinbladen enligt pilarna 94.

Såsom framgått verkar arrangemanget enligt uppfinningen som en ejektor- eller strålpump, som tjänar till att bilda tätning för den i huvudströmnings- banan strömmande fluiden och förhindra varje läckage utåt från denna strömnings- bana. På samma gång erhålls ytterligare fördelar. Jämfört med en labyrinttät- ning uppträder det ingen systemförslitning på tätningsarrangemanget. Spelet mel- lan roterande och stationära element är vidare mindre känsligt vid ejektorn och medger ett större spel mellan de roterande delarna än en labyrinttätning.

Tätningen enligt uppfinningen åstadkommer vidare förbättrad verknings- grad på grund av att buffringsluften ej förloras från driftcykeln. På samma gång återförs värmeförluster från motorhöljet till själva driftcykeln. Vidare kan fördelar erhållas, såsom beskrivits ovan, där öppningar finns tillgängliga i den yttre gondolen. Insugning av yttre luft åstadkommer automatiskt ventilationsför- delar i utrymmet utan behov av fläktar eller yttre system. Vidare krävs ingen ventilationsutblåsningskanal eftersom ventilationsluften inträder i själva huvudflödesströmmen.

Vid vissa tillämpningar krävs mindre buffringsfluid av högt tryck för drift av ejektorsystemet än vid en konventionell labyrinttätning.

Dimensionerna och det ömsesidiga arrangemanget av de på ritningarna visade delarna är endast avsedda att vara exemplifierande och figurerna repre- senterar därför nödvändigtvis ej verkliga dimensioner eller ömsesidig placering av strömningsbantätningens enligt uppfinningen delar. ,

Claims (21)

465 227 Patentkrav.

1. Fluidtätningsarrangemang för en turbomaskin, som uppvisar en sig axiellt utefter turbomaskinen sträckande huvudfluidströmningsbana (14), första och andra konstruktionselement (10,12) hos turbomaskinen i strömningsbanan, som är rörliga relativt varandra och mellan sig bildar en spelöppning (20), som bildar en kommunikation mellan strömningsbanan och ett område (22) utanför strömningsbanan, k ä n n e t e c k n a t av att en ringformig arm (24) sträcker sig från det första konstruktionselementet (12) och intill det andra konstruk- tionselementet (10) för avgränsning av en ringformig passage mellan dessa, som kommunicerar med spelöppningen (20), att en ringformig hålighet (28) är anordnad på det andra konstruktionselementet (10) för mottagning av en mängd buffrings- fluid, samt att ejektoröppningar (30') förbinder den ringformiga håligheten (28) och den ringformiga passagen (26) för att rikta en trycksatt mängd av buffrings- fluid ut från den ringformiga håligheten (28) och in i den ringformiga passagen (26) i ändamål att inducera en tätningsfluidström från området (22) utanför strömningsbanan in i den ringformiga passagen, genom spelöppningen (20) och in i huvudfluidströmningsbanan, varigenom fluid i huvudströmningsbanan förhindras från att undkomma från huvudströmningsbanan genom spelöppningen.

2. Fluidtätningsarrangemang enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av tillförselorgan (32) för tillförsel av buffringsfluiden till den ringformiga håligheten (28).

3. Fluidtätningsarrangemang enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda tillförselorgan innefattar ett steg hos en turbomaskin uppströms ett steg i vilket den ringformiga håligheten (28) är belägen samt tillförselorgan (32) för tilledning av en trycksatt fluid från uppströmssteget till den ring~ formiga håligheten.

4. Fluidtätningsarrangemang enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att uppströmssteget är en kompressor.

5. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att den ring~ formiga håligheten befinner sig vid ett steg i en turbin och uppströmssteget är ett uppströmssteg hos turbinen.

6. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att de första och andra konstruktionselementen är första och andra turbin- bladsatser (10,12).

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att den första turbinbladssatsen bildar en rotor och den andra turbinbladssatsen bildar en stator hos turbomaskinen, samt den ringformiga håligheten (28) befinner sig på statorns yttre periferi. 465 227 8

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att statorn och rotorn tillsammans bildar spelöppningen, och den ringformiga armen befinner sig på en yttre periferi av rotorn.

9. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att de första och andra turbinbladsatserna båda är rotorblad (50-62), där varje sats är motroter- ande relativt den andra.

10. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att ejektoröppningarna är i form av en ringformig slits (30').

11. Anordning enligt något av krav 1 ~ 9, k ä n n e t e c k n a d av att ejektoröppingarna är i form av ett antal likformigt perifert åtskilda hål (30"').

12. Anordning enligt något av krav 1 9, k ä n n e t e c k n a d av att ejektoröppningarna är i form av ett antal liuformigt åtskilda, perifert för- löpande slitsar (30").

13. Anordning enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d av att distans~ block (46) är anordnade mellan närliggande slitsar, vilka distansblock har vin~ kelformade bakre väggar, som är vända mot den trycksatta buffringsfluidens strömningsriktning.

14. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att ejektoröppningarna bildar konvergerande passager, som bringar buffrings~ fluiden att accelerera till hög hastighet.

15. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att ejektoröppningen bildar konvergerande-divergerande passager, som bringar den slitsarna lämnande buffringsfluiden att accelerera till högre hastighet än ljudhastigheten.

16. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att den ringformiga passagen har divergerande väggar för att sprida strömmen så att samtidigt minskning av hastigheten och ökning av det statiska trycket uppträder.

17. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att turbomaskinen vidare innefattar en yttre gondol (34), i vilken öppningar (36) är anordnade för införing av luft i området utanför strömningsbanan, vilken luft bildar tätningsfluiden, varigenom luftströmmen från gondolöppningarna (36) in i den ringformiga passagen (26) tjänar till att ventilera turbomaskinen.

18. Sätt att förhindra en genom en strömningsbana strömmande arbetsfluid hos en turbomaskin från att undkomma från strömningsbanan genom ett spel, som bildas mellan relativt varandra roterande delar hos turbomaskinen, k ä n n e - t e c k n a t av att vid spelet utstrålas en mängd buffringsfluid med hög 465 227 hastighet och att genom spelet och in i strömningsbanan leds en tätningsfluid, som dragits in från området runt de roterande delarna medelst buffringsfluiden, varigenom den inströmmande tätningsfluiden blockerar utstrålning av arbets- fluiden.

19. Sätt enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a t av att passagen genom vilken buffringsfluiden strömmar begränsas i ändamål att åstadkomma hög hastig- het hos buffringsfluiden.

20. Sätt enligt krav 18, vid vilket de roterande delarna är inneslutna i en yttre mantel, k ä n n e t e c k n a t av att öppningar anordnas i manteln så att tätningsfluiden dras från mantelns utsida, varigenom tätningsfluiden tjänar till att kyla de roterande delarna.

21. Sätt enligt krav 22, k ä n n e t e c k n a t av att tätningsfluiden, buffringsfluiden och arbetsfluiden alla strömmar i en enda axiell riktning.