DE2616031C3

DE2616031C3 - Spaltdichtung für Turbomaschine

Info

Publication number: DE2616031C3
Application number: DE2616031A
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Tempe Ariz. Corrigan; Bruce Eugene Cincinnati Ohio Knudsen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-04-14
Filing date: 1976-04-12
Publication date: 1981-03-26
Also published as: CA1050772A; GB1544956A; BE840681A; FR2307965A1; US3986720A; DE2616031A1; JPS5934841B2; DE2616031B2; IT1059259B; JPS51126408A; FR2307965B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spaltdichtung für Turbomaschine gemäß dem Ov erbegriff des An-Spruchs 1.

Eine derartige Turbomaschine ist in der Zeitschrift »Der Flieger« 1970, Heft 1,Seiten 20-22,beschrieben.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades wird versucht, zwischen dem Triebwerksrotor und dem umgebenden Statorgebilde den engstmöglichen Abstand einzuhalten, da jegliches Gas, das zwischen diesen Teilen hindurchströmt einen Energieverlust im System darstellt. Wenn das System nur unter Dauerzustandsbedingungen arbeiten müßte, wäre es einfach, den erwünschten engen Abstand zwischen dem Rotor und Stator herzustellen, um die größtmögliche Wirksamkeit zu erzielen, ohne daß die Reibung zwischen den Elementen zu groß wird. Im Betrieb müssen jedoch alle Turbinentriebwerke zunächst vom Stillstand bis zu einer Dauerzustandsdrehzahl hochgefahren und dann schließlich bis zum Stillstand abgebremst werden. Dieser Übergangsbetrieb ist nicht mit dem ideal kleinen Abstand vereinbar, da die Drehzahländerungen infolge einer durch Zentrifugalkräfte begründeten mechanischsn Expansion auch zu einem Wachstum des Rotors führt. Der ruhende Stator unterliegt selbstverständlich nicht einer solchen mechanischen Vergrößerung, und deshalb ergibt sich zwischen den zwei Teilen während eines Übergangsbetriebs ein relatives mechanisches Wachsen. Wenn das Turbinentriebwefk Vom Stillstand hochgefahren wird, erfolgt ferner ein proportionaler Temperaturanstieg der hindurchströmenden Gase, wodurch der Rotor und der Stator variablen Temperaturen unterworfen werden. Diese bewirken ein thermisches Wachsen beider Teile, und wenn diese unterschiedliche thermische Expansionskoeffizienten haben, was im allgemeinen zutrifft, erfolgt auch eine relative thermische Expansion zwischen den Teilen. Dabei weist der Rotor notwendigerweise eine große Masse auf, um hohe Drehzahlen zu gestatten, wodurch sich naturgemäß ein sehr langsames thermisches Ansprechvermögen bzw. eine große thermische Trägheit ergibt Andererseits ist der Stator ein ruhendes Element, und er hat vorzugsweise ein schnelles thermisches Ansprechvermögen bzw. eine kleine thermische Trägheit, um ein thermisches Wachsen des Stators während Besuhleunigungsperioden zu ermöglichen und das mechanische Wachsen des Rotors während dieser Perioden aufzufangen.

Ältere Turbomaschinen waren für einen Betrieb bei relativ kleinen Drehzahlen und niedrigen Temperaturen ausgelegt Die stationären Ummantelungen waren von Kühlluft umspült, wodurch sich ein minimales thermisches Wachsen und ein langsames Temperaturansprechvermögen bei Betriebsänderungen ergaben. Der relative Abstand zwischen dem Rotor und der Ummantelung wurde deshalb durch das radiale Wachsen des Rotorgebildes bestimmt. Da aber die Temperaturen der Kompressorauslaßluft in dem Triebwerk relativ klein waren und da die Turbomaschine mit relativ niedrigen Drehzahlen arbeitete, war das Wachsen des Rotors infolge der Temperatur- und Zentrifugalbelastung ziemlich mäßig und es ergaben sich deshalb keine Probleme.

Mit fortschreitender Technologie wurde die einstufige Turbine eingeführt, die eine beträchtliche Steigerung der Betriebsdrehzahlen des Rotors und der Auslaßtemperatur des Kompressors mit sich brachte. Das sich hieraus ergebende zunehmende radiale Wachsen des Rotors, das durch die Zentrifugalbelastung und die thermische Ausdehnung bewirkt wurde, erforderte ein angepaßtes Wachsen der Ummantelung, um die passenden Radialabstände zwischen den zwei Teilen aufrechtzuerhalten. Um dieses zu erreichen, mußte die Kaltluftumspülung der Halterung der stationären Ummantelung beseitigt und dieses stattdessen höheren Temperaturen ausgesetzt werden, die ein entsprechendes Wachsen zusammen mit dem Rotor ermöglichten.

Da der Wirkungsgrad und die abnutzungsbedingte Lebensdauer des Rotors sowie der Ummantelungsteile des Gasturbinentriebwerkes durch einen Betrieb bei einem bestimmten Radialabstand am besten optimiert werden können, wird üblicherweise die Turbomaschine so ausgelegt, daß der erwünschte Abstand während maximaler Drehzahl- sowie Dauerzustandsbetriebsbedingungen vorliegt. Folglich ist jedoch der Abstand während anderer Betriebsperioden, wie während eines Übergangsbetriebes, kleiner als der vorbestimmte erwünschte Abstand. Zur Anpassung des Abstandes während der Übergänge wurde ein Ummantelungsstützgebilde vorzugsweise aus einem Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, wodurch sich die erforderlichen großen Abstände im Kaltzustand ergaben. Bei Verwendung eines solchen Materials ergeben sich jedoch relativ große Abstände während eines Teillastbetriebes.

Bei Gasturbinentriebwerken mit noch höheren Drehzahlen und Betriebstemperaturen wurde festgestellt, daß die zuvor bevorzugten Materialien mit einem kleinen Ausdehnungskoeffizienten ungeeignet waren, da sie bei hohen Betriebstemperaturen keine genügende Festigkeit besaßen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das Erfordernis einer größeren Festigkeit bei höheren Temperaturen führte zur Verwendung von Legierungen auf Nickelbasis, deren thermischer

Ausdehnungskoeffizient wesentlich größer als derjenige der zuvor benutzten Metalle war. Die Legierungen auf Nickelbasis ergaben eine passende Abstandssteuerung während der maximalen Betriebsbedingungen und bei Teillastbedingungen, aber die Kaltabstände zwischen den rotierenden und nicht rotierenden Gebilden wurden somit vermindert Dadurch wurden während bestimmter Perioden eines Obergar.gsbetriebes die Abstände derart reduzier' daß sich ein Reibungskontakt zwischen den bewegten und unbewegten Teilen ergab, was zu einer Abnutzung und zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit sowie des Wirkungsgrades des Triebwerkes führte. Bekanntlich nimmt der Abstand zwischen den zwei Bauteilen ein Minimum ein, wenn das Triebwerk auf Teilleistung abgebremst und dann schnell beschleunigt wird (Stoß des heißen Rotors). Deshalb stellt gerade dieser Abstand das kritische Kriterium für die Gestaltung einer Turbomaschine dar.

Die mit der Abstandssteuerung zwischen dem Turbinenrotor und der Ummantelung verbundenen Probleme gelten in gleicher Weise auch für andere Dichtungsanordnungen zwischen sich relativ d ^-ehenüen Teilen. Beispielsweise sind längs des Turbinentriebwerks verschiedene Dichtungsanordnungen zwischen bewegten und ruhenden Teilen des Triebwerkes 2s angeordnet Eine andere übliche Dichtung ist die Kompressorauslaßdichtung, die mit ihren zugeordneten Stationären und drehbaren Teilen derselben Erscheinung unterliegt wie die Ummantelung. Auch hier können der Wirkungsgrad sowie die Abnutzung zu w einem Problem werden, wenn ein Betrieb über einem Bereich von variablen Drehzahlen und Temperaturen erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomaschine der eingangs genannten Art derart J5 auszugestalten, daß auch bei variablen Drehzahlen und Temperaturen der Radialabstand zwischen den sich relativ zueinander drehenden Teilen auf dem gewünschten Maß gehalten wird.

Diese A'fgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Turbomaschine über einem « weiten Tenperaturbereich und selbst bei sich schnell ändernden Betriebsbedingungen mit gutem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer arbeitet. Dabei ist die in der Turbomaschine gemäß der Erfindung ausgebildete Spaltdichtung geeignet, 'r> verschiedenartigen thermisch aufhei/baren umlaufenden Maschinen und auch an unterschiedlichen Stellen innerhalb einer derartigen Maschine verwendet zu werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Turbomaschine mit mehreren Dichtungsanordnungen.

F i g. 2 in einer graphischen Darstellung die Eigenschaften des Materials mit zwei unterschiedlichen «> thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu den Eigenschaften eines typischen Materials mit einem Ausdehnungskoeffizienten und

Fig.3 ein einer graphischen Darstellung die Abstandsbeziehung zwischen der Turbinenschaufelspitze <" und der Ummantelung während variabler Drehzahl- und Betriebstemperaturbedingungen.

F i g. 1 zeigt einen Kompressor 18 mit Leitschaufeln 29 und Leitschaufeln 31, die Hochdruckluft nach hinten zur Ausgangsleitschaufel 32 ausstoßen. Ein Teil der Kompressorauslaßlult strömt in Ringräume 33 und 34, wobei diese Luft für Kühlzwecke benutzt wird, und der Hauptteil strömt an den Leitschaufeln 32 entlang zu einem Diffusor 36 in und um den Brenner 21 herum.

Der Brenner 21 weist äußere und innere Verkleidungen 37 und 38 auf, die gemeinschaftlich eine ringförmige Verbrennungskammer bilden, in die Brennstoff über eine sich durch das Brennergehäuse 41 nach innen erstreckende Brennstoffdüse 39 eingespritzt wird Durch den Luftstrom vom Diffusor in den Ringkanal 35. der von der Außenverkleidung 37 und dem Brennergehäuse 41 begrenzt wird, ergibt sich eine teilweise Kühlung des Brenners 21. In ähnlicher Weise wird an der Innenseite des Brenners eine ringförmige Kammer 40 von der inneren Verkleidung 38 und der Düsenhalterung 42 begrenzt, um diesen Teil des Brenners zu kühlen. Dem Mischvorgang von Brennstoff aus der Düse und von Luft aus dem Diffusor folgt eine Zündung der Mischung, und die heißen Gase s.römen von dem Brenner 21 nach hinten zur einet Reihe von umfangsmä3ig verteilten Hochdruckdüsen 43 und dann weiter nach hinten, um auf eine Umfangsreihe von Turbinenschaufel 44 der Hochdruckturbine 19 aufzutreffen. Diese Hochdruckschaufel 44 ist in tngem Abstand zu einer ringförmigen Ummantelung 46 angeordnet die aus eir.~m geeigneten abschleifbaren Material hergestellt ist, um die Laufschaufeln einerseits eng zu umschließen, andererseits aber einen gewissen Reibungseingriff sowie eine Abnutzung zu bestimmten Betriebszeiten zuzulassen, bei denen der Abstand zwischen der Ummantelung und den Laufschaufeln zeitweilig entfallen kann. Die Ummantelung 46 ist vorzugsweise aus einer Anzahl von Ringsektoren hergestellt, die an der Innenseite eines ringförmigen Bandes 47 befestigt sind, welches seinerseits aus einer Anzahl von einen vollständigen Kreis bildenden Sektoren hergestellt ist Das Band 47 ist durch eine Halterung 48 abgestützt, die an ihrem rückwärtigen EnHe einen sich radial einwärts erstreckenden und mittels eines U-förmigen Bügels 49 am Ringband 47 befestigten Flansch aufweist. Die vordere Seite des Ringbandes 47 ist mittels eines Aufhänge". 50 und mehreren Schrauben 51 an der Halterung 48 festgelegt. Diese ist an ihrem rückwärtigen Ende mittels Schrauben 53 mit der Niederdruckdüsenhalterung 52 und an ihrem vorderen Ende zusammen mit der Hochdruckdüsenstütze 56 durch mehrere Schrauben 57 mit dem Brennerge hause 41 verbunden.

Als Teil des Kühlsystems erstreckt sich das Brennergehäuse 41 um den Hochdruckturbinenteil des Trie^ werks nach hinten, wo es abrupt durch einen L ?itb igtabschnitt 58 vergrößert wird, der einen Ringraum 59 zwischen dem Leitungsabschnitt und der Halterung 48 bildet. Mit dem Ringraum 19 stehen mehrere Luftablaßleitungen 61 in Verbindung, die Ablaßluft von den Zwischenstufen des Kompressors 18 zum Zweck einer bekannten Turbinendüsenkühlung abführen. Da die halterung 48 immer der Ablaßluf*. vom Kompressor ausgesetzt ist, sind die Temperaturen, denen sie unterworfen ist, durch die Drehzahlen des Triebwerks bestimmt. Das heißt, daß die Ablaßluft bei kleineren Drehzahlen weniger stark komprimiert wird und relativ kühl ist, wenn sie die Halterung 48 erreicht, während die Ablaßluft bei höheren Drehzahlen in stärkerem Maße komprimiert wird und relativ heiß ist Selbstverständlich wird die Temperatur der Halterung

ferner durch die Temperatur der aus dem Ringkanal 35 austretenden Gase beeinflußt, die durch Öffnungen in der Hochdruckdüsenstütze 56 hindurchströmen. Diese zwei verschiedenen Lufttemperaturen bestimmen zusammen das thermische Wachsen der Halterung 48.

Gemäß dem beschriebenen Ausführuiigsbeispiel der Erfindung bestehen die Halterung 48 und der Ummantelungsaufhänger 50 aus einem Material, das in verschiedenen Temperaturbereichen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Diese Eigenschaft ist klarer aus F i g. 3 ersichtlich, in der der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient als Funktion der Temperatur für zwei verschiedene Arten eines solchen Materials mit zwei Ausdehnungskoeffizienten aufgetragen ist, und zwar im Vergleich zu einem bekannten Material mit einem großen Koeffizienten. Bei letzterem ändert sich der thermische Expansionskoeffizient sich nicht wesentlich mit der Temperatur, und die tatsächlich auftretende Änderung zeichnet sich durch eine nahezu geradlinige Kurve ßaus. Diese Charakteristik kann eine mechanische Störung zwischen der Schaufel und der Ummantelung während eines bestimmten Triebwerksübergangsbetriebes bewirken, wie es noch näher erläutert wird.

Für ein zwei unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisendes Material zeigt die Kurve A\, daß ein solches Temperaturen zwischen 150 und 35O⁰C ausgesetztes Material einen sehr kleinen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der bei einer Zunahme der Temperatur leicht sinkt. Wenn dasselbe Material jedoch Temperaturen von 350 bis 750^cC ausgesetzt wird, steigt der thermische Expansionskoeffizient beträchtlich an. und zwar ziemlich direkt proportional zur Temperaturerhöhung. In ähnlicher Weise ist eine Kurve /4.2 für ein anderes derartiges Material dargestellt, das sich durch eine negative Steigung im Bereich von 120 bis 425°C und durch eine ziemlich konstante positive Steigung im Temperaturbereich über 425⁰C auszeichnet. Die Verwendung eines solchen Materials bei der vorstehend beschriebenen Dichtungsanordnung zwischen der Ummantelung und den Schaufelgebilden eines Turbinentriebwerkes kann während eines Obergangsbetriebes die erwünschten Abstände aufrechterhalten.

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F i g. 3 zeigt die Änderung zwischen der Turbinenschaufelspitze und der Ummantelung für eine Betriebsfolge, wobei drei verschiedene Materialarten für die Ummantelungshalterung verwendet wurden. Für das Material mit einem einzigen hohen Ausdehnungskoeffizienten ist festzustellen, daß im Dauerbetrieb und bei Teillast der Abstand eine passende Größe hat Während einer der anfänglichen Beschleunigung folgenden Periode wird jedoch der Abstand auf ein unerwünschtes Minimum reduziert, wie es am Punkt C der Kurve dargestellt ist. Wenn ein Bremsen bzw. Verzögern auf Teilleistung durchgeführt wird, wonach unmittelbar eine schnelle Beschleunigung stattfindet, kann der Abstand am Punkt D der Kurve in ähnlicher Weise auf ein unerwünschtes Minimum reduziert werden, wobei Material entweder von den sich drehenden oder den sich nicht drehenden Teilen angeschliffen wird.

Wenn dagegen ein Metall für die Halterung verwendet wird, das einen thermischen Expansionskoeffizienten gemäß der Kurve A in F i g. 2 aufweist, dann bildet sich der Abstand zwischen der Schaufelspitze und der Ummantelung nach der Kurve P₁ in F i g. 3 aus. Es ist festzustellen, daß einerseits die erwünschten Abstände während der Dauer- und Teillastbedingungen aufrechterhalten werden und daß andererseits auch eine ausreichende Abstandsbeziehung unmittelbar nach dem Beschleunigen bzw. Anlaufen vorliegt; und es ergibt sich, was noch wichtiger ist, ein ausreichender Abstand Ί während der Periode unmittelbar nach dem Bremsen bzw. Verzögern und vor dem Beschleunigen, wie es durch den Punkt ffder Kurve dargestellt ist. In ähnlicher Weise zeigt die Kurve Pi die Abstandsbeziehung bei Verwendung eines anderen Materials mit unterschiedli-

Ki chen Ausdehnungskoeffizienten, das thermische Ausdehnungskoeffizienten gemäß der Kurve Ai in Fig. 2 aufweist. Wiederum ergibt sich ein ausreichender Abstand während Perioden unmittelbar nach dem Beschleunigen bzw. Anlaufen und zwischen einem

ι> Abbremsen bzw. Verzögern und dem plötzlichen Beschleunigen (Punkt F). Somit ist es ersichtlich, daß bei einer Verwendung eines der beiden Materialien, deren Ausdehnungskoeffizienten den Kurven A\ oder Ai entsprechen, der Abstand im Dauerbetrieb auf denselben erwünschten Werten wie bei dem Material mit einem einzigen Ausdehnungskoeffizienten gebracht werden kann und daß zusätzlich die erwünschten Abstände bei Übergangsbetriebszuständen erzielbar sind. Die Auswahl des jeweilig verwendeten Materials

-"' mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hängt von den erwünschten Eigenschaften ab und kann so getroffen werden, daß irgendeine erwünschte Übergangsbetriebs-Abstandsbeziehung zwischen den Kurven P\ und Pi bzw. nahe derselben

i" erreicht wird.

Eine derartige Dichtungsanordnung läßt sich an anderen Stellen in einer umlaufenden Maschine und insbesondere einer Turbomaschine verwenden. Gemäß F i g. 1 werden die heißen Gase aus dem Brenner 21 an

)"' den Turbinenschaufeln 44 entlang geleitet. Gleichzeitig zirkuliert Kühlluft an der radial innenliegenden Seite der Laufschaufeln, um dort die Temperaturen der Komponenten auf annehmbaren Temperaturen zu halten. Die Kühlluft geht aus von der ringförmigen

w Kammer 40 und strömt durch die öffnung 63 in die Ringleitung 64. Von hier gelangt die Kühlluft nach hinten durch die stationäre Expansionsdüse 66 und in den Hohlraum 67. In diesen ragt die Turbinendichtungs- -ι—:i— co

^4> Labyrinthdichtung 69 angeordnet ist. Die Kühlluft strömt vom Hohlraum 67 an einer Seite der Turbinendichtungsscheibe 68 durch eine Scheibenöffnung 71 in eine Kammer 72 an der anderen Seite. Es ist eine Funktion der Dichtung 69, den Druckabfall zwischen der Hochdruckkühlluft und den heißen Turbinengasen an der äußeren Seite aufrechtzuerhalten. Der sich drehende Teil 69 befindet sich in Eingriff mit einem stationären Dichtungssitz 73, der aus einem weichen, temperaturbeständigen Material besteht Der Dichtungssitz 73 wird von einer Halterung 74 gehalten, die ihrerseits durch Schrauben 76, 77 mit Trageteflen der Turbine verbunden ist Auch diese Halterung 74 kann aus einem unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Material der beschriebenen Art bestehen, um die erwünschten Abstandsbeziehungen zwischen dem Dichtungssitz 73 und dem Dichtungsteil 69 während eines Dauer- oder Obergangsbetriebes zu erzielen.

Entsprechendes gilt auch für eine Labyrinthdichtung 78, 79 an der Kühlluftkammer 33 am Ausgang des Kompressors 18. Der stationäre Dichtungsteil 79 ist fest an einer Halterung 81 angebracht der mittels Schrauben 82 an der Düsenhalterung 42 befestigt ist

Auch die Halterung 81 besteht aus einem Material mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der zuvor erläuterten Art, um die passenden Abstandsbe/iehungen /wischen den Dichtungsteilen 78 und 79 aufrechtzuerhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen S]

Claims

Patentansprüche:

1. Spaltdichtung für Turbomaschine mit sich relativ zueinander drehenden Teilen, die veränderlichen Drehzahl- und Temperaturbetriebsbedingungen ausgesetzt werden können, von denen das drehbare Teil eine relativ große thermische Trägheit und das dazu relativ stationäre Teil eine relativ kleine thermische Trägheit hat und in enger radialer Abstandsbeziehung zum drehbaren Teil angeordnet ι ο ist, und mit einer Halterung für das stationäre Teil, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (48, 50; 74; 81) aus einem Material hergestellt ist, das in einem ersten, vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich einen relativ kleinen thermi- '⁵ sehen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und in einem zweiten, relativ hohen Temperaturbereich einen relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt

2. Spaltdichtung für Turbomaschine nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient in dem ersten, vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich mit steigenden Temperaturen abfällt.

3. Spaltdichtung für Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient in dem zweiten, relativ hohen Temperaturbereich mit steigenden Temperaturen zunimmt.

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