DE102009052314A1

DE102009052314A1 - Dichtanordnung für eine Gasturbine und eine derartige Gasturbine

Info

Publication number: DE102009052314A1
Application number: DE200910052314
Authority: DE
Inventors: Inga Dr. Ing. Mahle
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-11-07
Filing date: 2009-11-07
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011054341A3; WO2011054341A2

Abstract

Offenbart ist eine Dichtanordnung 6 für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine 1, mit zumindest einem Dichtelement 8a, 8b, wobei das Dichtelement 8a, 8b in einem Ringraum 12 zwischen einem Gehäuse 14 und mindestens einer Schaufelreihe 4, insbesondere einer Laufschaufelreihe, angeordnet ist und wobei der Ringraum 12 von einem Leckagestrom 16 durchströmt ist, der von einem Hauptstrom 18 abgezweigt ist und nach dem Ringraum 12 an einer Wiedereintrittsstelle 20 in den Hauptstrom 18 zurück mündet, wobei das zumindest eine Dichtelement 8b dem Gehäuse 14 zugeordnet ist und sich in Richtung der Schaufelreihe 4 erstreckt und eine Leckagestelle 22 zwischen dem Dichtelement 8b und der Schaufelreihe 4 im Bereich der Wiedereintrittsstelle 20 des Leckagestroms 16 in den Hauptstrom 18 angeordnet ist. Weiterhin offenbart ist eine Gasturbine, insbesondere eine Fluggasturbine 1, mit einer derartigen Dichtanordnung 6.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtanordnung für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Gasturbine mit einer derartigen Dichtanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 198 07 247 A1 der Anmelderin ist eine Fluggasturbine mit Dichtanordnungen im Bereich der Niederdruckturbine bekannt. Die Strömungsrichtung der Hauptströmung verläuft durch eine Anordnung von Leit- und Laufschaufelreihen. Die äußere Triebwerkshülle bildet ein Gehäuse, in welchem die Leitschaufelreihen radial zentriert und axial fixiert gelagert sind. Die äußere Dichtanordnung, das sogenannte Outer Airscal, ist als Labyrinthdichtung ausgebildet, wobei ringschneidenartige Dichtspitzen als Dichtelemente gegen Wabenstrukturen (Honeycombs) laufen, welche auf Wabenträger aufgebracht sind. Die Wabenträger sind ihrerseits an den Leitschaufelreihen gelagert und über diese mit denn Gehäuse verbunden. Die Dichtelemente sind in einem Ringraum (äußere Kavität) zwischen dem Gehäuse und jeweils einer Laufschaufelreihe angeordnet, wobei der Ringraum von einem Leckagestrom durchströmt ist, der anschließend wieder in den Hauptstrom mündet.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass beim Eintritt der Leckageströmung in den Hauptstrom erhebliche Mischungsverluste durch in Richtung und Betrag unterschiedliche Geschwindigkeiten des Hauptstroms und der Leckageströmung entstehen. Zudem wird die nachfolgende Schaufelreihe aufgrund von Ablösungen und Wirbelbildung im Wandbereich nicht in optimaler Weise angeströmt, so dass weitere Verluste entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dichtanordnung sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Dichtanordnung zu schaffen, bei denen die vorgenannten Nachteile beseitigt sind und eine Reduzierung der Mischungsverluste erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Dichtanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Eine erfindungsgemäße Dichtanordnung für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine, weist zumindest ein Dichtelement auf, wobei das Dichtelement in einem Ringraum zwischen einem Gehäuse und mindestens einer Schaufelreihe, insbesondere einer Laufschaufelreihe, angeordnet ist und wobei der Ringraum von einem Leckagestrom durchströmt ist, der von einem Hauptstrom abgezweigt ist und nach dem Ringraum an einer Wiedereintrittsstelle in den Hauptstrom mündet. Das zumindest eine Dichtelement ist bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel im Bereich einer Laufschaufelreihe angeordnet, wobei der Leckagestrom vor auf die Laufschaufeln folgenden Statorschaufeln in den Hauptstrom mündet. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Dichtelement dem Gehäuse zugeordnet, d. h. an dem Gehäuse mittelbar oder unmittelbar festgelegt und erstreckt sich in Richtung der Schaufelreihe, wobei eine Leckagestelle zwischen dem Dichtelement und der Schaufelreihe im Bereich der Wiedereintrittsstelle des Leckagestroms in den Hauptstrom ausgebildet ist.
Dadurch, dass sich die Leckagestelle, beispielsweise der Leckagespalt bei einem berührungsfreien Dichtelement oder die Leckagefläche bei einer Bürstendichtung gegenüber dem Stand der Technik gemäß der DE 198 07 247 A1 erfindungsgemäß näher an der Wiedereintrittsstelle des Leckagestroms in den Hauptstrom befindet, behält der Leckagestrom bis zum Wiedereintritt in den Hauptstrom eine hohe Geschwindigkeit bei, so dass die Geschwindigkeitsgradienten zum relativ schnellen Hauptstrom verringert sind. Aufgrund der Position der Leckagestelle wird die Leckageströmung bis zum Wiedereintritt in den Hauptstrom eng am Deckband entlang geleitet und kann störungsarm, d. h. mit geringerer Wirbelbindung, in den Hauptstrom eingebracht werden. Dies führt insgesamt zu einer Reduktion der Mischungsverluste und einer verbesserten Anströmung der nachfolgenden Schaufelreihe, insbesondere im Wandbereich.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn zumindest ein Dichtelement in einem, in Strömungsrichtung bezogen auf die Schaufelreihe, hinteren Bereich angeordnet ist. Dadurch befindet sich die Leckagestelle nahe an der Wiedereintrittsstelle des Leckagestroms in den Hauptstrom, so dass der Leckagestrom bis zum Wiedereintritt in den Hauptstrom eine hohe Geschwindigkeit aufweist und die Geschwindigkeitsgradienten zum relativ schnellen Hauptstrom verringert sind.
Die Schaufelreihe kann gehäuseseitig mit einem Deckband und/oder einem Anstreif- oder Einlaufbelag versehen sein, wobei das Deckband und/oder der Anstreif- oder Einlaufbelag in Richtung des Hauptstroms ausgehend von einem Dichtelement, vorzugsweise einem in Strömungsrichtung hinteren Dichtelement, verkleinert ist.
Das Deckband und/oder der Anstreif- oder Einlaufbelag ist hierzu vorzugsweise in einem, in Strömungsrichtung hinteren Bereich, mit zumindest einer Abschrägung versehen, die eine in Strömungsrichtung abfallende Schrägfläche aufweist. Die Leckageströmung wird bis zum Wiedereintritt in den Hauptstrom eng am Deckband entlang geleitet und kann durch die günstige Formgebung mit sich in Strömungsrichtung vergrößerndem Querschnitt des Ringraums, noch störungsärmer mit weiter verringerter Wirbelbildung in den Hauptstrom eingebracht werden.
Die Abschrägung erstreckt sich bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stetig in Richtung der Hauptströmung, so dass eine Schrägfläche ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es, wenn die Abschrägung einen Winkel im Bereich von etwa 10 bis 65°, vorzugsweise von etwa 20 bis 45°, zu einer Längsachse der Gasturbine aufweist. Die Abschrägung beginnt vorzugsweise im Bereich der Spitze eines Dichtelements, vorzugsweise im Bereich der Spitze eines in Strömungsrichtung hinteren Dichtelements, so dass ein verbesserter, homogener Übergang der Leckageströmung in den Hauptstrom ermöglicht ist.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel der Dichtanordnung sind zumindest zwei axial beabstandet zueinander und sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckende, als Dichtspitzen (Dichtfins) ausgebildete Dichtelemente einer Schaufelreihe zugeordnet. Hierbei ist es im Hinblick auf einen wirbelarmen Übergang der Leckageströmung in den Hauptstrom besonders vorteilhaft, wenn die Abschrägung im Bereich der Spitze des in Strömungsrichtung hinteren Dichtelements beginnt.
Das Deckband und/oder der Anstreif- oder Einlaufbelag können stufenförmig ausgebildet sein, wobei die Dichtelemmente vorzugsweise jeweils einer Stufe zugeordnet sind.
Eine erfindungsgemäße Gasturbine, insbesondere eine Fluggasturbine, verwendet zumindest eine derartige Dichtanordnung, die mindestens ein Dichtelement aufweist, wobei das Dichtelement in einem Ringraum zwischen einem Gehäuse und mindestens einer Schaufelreihe, insbesondere einer Laufschaufelreihe, angeordnet ist und wobei der Ringraum von einem Leckagestrom durchströmt ist, der von einem Hauptstrom abgezweigt ist und nach dem Ringraum an einer Wiedereintrittsstelle in den Hauptstrom zurück mündet. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Dichtelement dem Gehäuse zugeordnet und erstreckt sich in Richtung der Schaufelreihe, wobei eine Leckagestelle zwischen dem Dichtelement und der Schaufelreihe im Bereich der Wiedereintrittsstelle des Leckagestroms in den Hauptstrom ausgebildet ist.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Dichtanordnung im Bereich einer Niederdruckturbine einer Fluggasturbine.
Die Figur zeigt eine Fluggasturbine 1 im Bereich einer Anordnung von Leit- und Laufschaufelreihen 2a, 2b, 4 einer Niederdruckturbine mit einer erfindungsgemäßen Dichtanordnung 6. Die dargestellte äußere Dichtanordnung 6, das sogenannte Outer Airseal, bildet eine Labyrinthdichtung, bei der als ringschneidenartige Dichtspitzen (Dichtfins) ausgebildete Dichtelemente 8a, 8b gegen Wabenstrukturen 10 (Honeycombs) laufen, die als Anstreif- oder Einlaufbelag dienen. Die Dichtelemente 8a, 8b sind in einem Ringraum 12 bzw. einer äußeren Kavität zwischen einem Gehäuse 14 und jeweils einer Laufschaufelreihe 4 angeordnet. Der Ringraum 12 ist von einem Leckagestrom 16 durchströmt, der von einem Hauptstrom 18 abgezweigt ist und nach dem Ringraum 12 an einer Wiedereintrittsstelle 20 vor, auf die Laufschaufeln 4 folgenden, Leit- oder Statorschaufeln 2b, in den Hauptstrom 18 zurück mündet. Die Strömungsrichtung der Hauptströmung 18 und der Leckageströmung 16 verläuft in der Figur im Wesentlichen von links nach rechts durch die Anordnung von Leit- und Laufschaufelreihen 2a, 2b, 4.
Die Dichtanordnung 6 gemäß der Figur weist zwei Dichtelemente 8a, 8b auf, die axial beabstandet zueinander angeordnet sind und sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstrecken. Alternativ erstreckt sich zumindest ein Dichtelement schräg zu der Längsachse der Fluggastrubine. Jeweils zwei Dichtelemente 8a, 8b sind hierbei einer Schaufelreihe 4 zugeordnet. Die Dichtelemente 8a, 8b sind an dem Gehäuse 14 befestigt und erstrecken sich radial in Richtung der Laufschaufelreihe 4, wobei eine als Leckagespalt 22 ausgebildete Leckagestelle zwischen dem hinteren Dichtelement 8b und der Laufschaufelreihe 4 im Bereich der Wiedereintrittsstelle 20 des Leckagestroms 16 in den Hauptstrom 18 ausgebildet ist. Das vordere Dichtelement 8a bildet mit der Laufschaufelreihe 4 einen vorderen Leckagespalt 24 aus. Dadurch, dass sich der hintere Leckagespalt 22 relativ nahe an der Wiedereintrittsstelle 20 des Leckagestroms 16 in den Hauptstrom 18 befindet, behält der Leckagestrom 16 bis zum Wiedereintritt eine hohe Geschwindigkeit bei, so dass die Geschwindigkeitsgradienten zum relativ schnellen Hauptstrom 18 verringert sind. Aufgrund der Position der hinteren Leckagestelle 22 wird die Leckageströmung 16 bis zum Wiedereintritt in den Hauptstrom 18 eng an der Wabenstruktur 10 entlang geleitet und kann störungsarm, d. h. mit geringerer Wirbelbindung – wie durch die Stromlinie 16 angedeutet-, in den Hauptstrom 18 eingebracht werden. Dies führt insgesamt zu einer Reduktion der Mischungsverluste und einer verbesserten Anströmung der nachfolgenden Schaufelreihe, insbesondere im Wandbereich.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Querschnitt des Ringraums 12 in Richtung des Hauptstroms ausgehend von dem hinteren Dichtelement 8b vergrößert. Die Laufschaufelreihe 4 ist gehäuseseitig mit einem Deckband 26 versehen, auf dem die Wabenstruktur 10 als Anstreif- oder Einlaufbelag vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass sich der Ringraum 12 in Richtung des Hauptstroms 15 ausgehend von dem in Strömungsrichtung hinteren Dichtelement 8b vergrößert. Mit anderen Worten – der Anstreif- oder Einlaufbelag 10 ist in Richtung des Hauptstroms 18 ausgehend von dem in Strömungsrichtung hinteren Dichtelement 8b verkleinert. Der Anstreif- oder Einlaufbelag 10 ist stufenförmig ausgebildet und weist umfangsseitige Stufenflächen 28a, 28b auf. Das eintrittsseitige Dichtelement 8a ist der eintrittsseitigen Stufenfläche 28a und das austrittsseitige Dichtelement 8b der austrittsseitigen Stufenfläche 28b zugeordnet. Die Stufenflächen 28a, 28b erstrecken sich parallel zur Längsachse der Fluggasturbine 1, wobei die austrittsseitige Stufenfläche 28b gegenüber der eintrittsseitigen Stufenfläche 28a radial außenliegend angeordnet ist. Alternativ kann der Anstreif- oder Einlaufbelag 10 stufenlos ausgebildet sein, so dass die beiden Stufenflächen 28a, 28b auf einer gemeinsamen Höhe verlaufen.
Der Anstreif- oder Einlaufbelag 10 ist bei denn dargestellten Ausführungsbeispiel in einem in Strömungsrichtung hinteren Bereich mit einer Abschrägung 30 versehen, die eine in Strömungsrichtung abfallende Schrägfläche 32 aufweist. Die Schrägfläche 32 schließt sich an die austrittsseitige Stufenfläche 28b an, so dass die Leckageströmung 16 bis zum Wiedereintritt in den Hauptstrom 18 eng an dem Anstreif- oder Einlaufbelag 10 entlang geleitet wird. Aufgrund dieser günstigen Formgebung kann die Leckageströmung 16 noch störungsärmer mit weiter verringerter Wirbelbildung in den Hauptstrom 18 eingebracht werden. Die Abschrägung 30 beginnt im Bereich der schaufelseitigen Spitze des hinteren Dichtelements 8b, so dass ein verbesserter, homogener Übergang der Leckageströmung 16 in den Hauptstrom 18 erreicht wird. Vorteilhaft ist es, wenn die Abschrägung 30 einen Winkel α im Bereich von etwa 10 bis 65° zur Längsachse der Gasturbine aufweist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Abschrägung 30 einen Winkel α von etwa 23° zur Längsachse auf.
Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest ein Dichtelement 8a, 8b als Bürstendichtung ausgebildet. Ferner sei erwähnt, dass die Dichtanordnung 6 nicht auf die hier beschriebene Anwendung im Niederdruckturbinenbereich beschränkt ist. Die Dichtanordnung 6 kann neben der dargestellten äußeren Dichtanordnung auch als innere Dichtanordnung (Inner Airseal) ausgeführt werden.
Offenbart ist eine Dichtanordnung 6 für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine 1, mit zumindest einem Dichtelement 8a, 8b, wobei das Dichtelement 8a, 8b in einem Ringraum 12 zwischen einem Gehäuse 14 und mindestens einer Schaufelreihe 4, insbesondere einer Laufschaufelreihe, angeordnet ist und wobei der Ringraum 12 von einem Leckagestrom 16 durchströmt ist, der von einem Hauptstrom 18 abgezweigt ist und nach dem Ringraum 12 an einer Wiedereintrittsstelle 20 in den Hauptstrom 18 zurück mündet, wobei das zumindest eine Dichtelement 8b dem Gehäuse 14 zugeordnet ist und sich in Richtung der Schaufelreihe 4 erstreckt und eine Leckagestelle 22 zwischen dem Dichtelement 8b und der Schaufelreihe 4 im Bereich der Wiedereintrittsstelle 20 des Leckagestroms 16 in den Hauptstrom 18 angeordnet ist. Weiterhin offenbart ist eine Gasturbine, insbesondere eine Fluggasturbine 1, mit einer derartigen Dichtanordnung 6.
Bezugszeichenliste

1: Fluggasturbine
2a, 2b: Leitschaufelreihe
4: Laufschaufelreihe
6: Dichtanordnung
8a, 8b: Dichtelement
10: Wabenstruktur
12: Ringraum
14: Gehäuse
16: Leckagestrom
18: Hauptstrom
20: Wiedereintrittsstelle
22: hinterer Leckagespalt
24: vorderer Leckagespalt
26: Deckband
28a, 28b: Stufenfläche
30: Abschrägung
32: Schrägfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19807247 A1 [0002, 0007]

Claims

Dichtanordnung für eine Gasturbine (1), insbesondere für eine Fluggasturbine (1), mit zumindest einem Dichtelement (8a, 8b), wobei das Dichtelement (8a, 8b) in einem Ringraum (12) zwischen einem Gehäuse (14) und mindestens einer Schaufelreihe (4), insbesondere einer Laufschaufelreihe, angeordnet ist und wobei der Ringraum (12) von einem Leckagestrom (16) durchströmt ist, der von einem Hauptstrom (18) abgezweigt ist und nach dem Ringraum (12) an einer Wiedereintrittsstelle (20) in den Hauptstrom (18) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dichtelement (8b) dem Gehäuse (14) zugeordnet ist und sich in Richtung der Schaufelreihe (4) erstreckt und dass eine Leckagestelle (22) zwischen dem Dichtelement (8b) und der Schaufelreihe (4) im Bereich der Wiedereintrittsstelle (20) des Leckagestroms (18) in den Hauptstrom (18) angeordnet ist.
Dichtanordnung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Dichtelement (8b) in einem in Strömungsrichtung bezogen auf die Schaufelreihe (4) hinteren Bereich an dem Gehäuse (14) angeordnet ist.
Dichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaufelreihe (4) gehäuseseitig mit einem Deckband (26) und/oder einem Anstreif- oder Einlaufbelag (10) versehen ist und das Deckband (26) und/oder der Anstreif- oder Einlaufbelag (10) in Richtung des Hauptstroms (18) ausgehend von einem Dichtelement (8a, 8b), vorzugsweise einem in Strömungsrichtung hinteren Dichtelement (8b), verkleinert ist.
Dichtanordnung nach Anspruch 3, wobei das Deckband (26) und/oder der Anstreif- oder Einlaufbelag (10) in einem in Strömungsrichtung hinteren Bereich zumindest eine Abschrägung (30) aufweist.
Dichtanordnung nach Anspruch 4, wobei sich die Abschrägung (30) stetig in Richtung der Hauptströmung (18) erstreckt, so dass mindestens eine in Strömungsrichtung abfallende Schrägfläche (32) ausgebildet ist.
Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Abschrägung (30) einen Winkel α im Bereich von etwa 10 bis 65°, vorzugsweise von etwa 20 bis 45°, zu einer Längsachse der Gasturbine (1) aufweist.
Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Abschrägung (30) im Bereich der Spitze eines Dichtelements (8b) beginnt.
Dichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei axial beabstandet zueinander und sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckende, als Dichtspitzen (8a, 8b) ausgebildete Dichtelemente einer Schaufelreihe (4) zugeordnet sind.
Dichtanordnung nach Anspruch 7 und 8, wobei die Abschrägung (30) im Bereich der Spitze des in Strömungsrichtung hinteren Dichtelements (8b), vorzugsweise kurz nach der Spitze des hinteren Dichtelements (8b), beginnt.
Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das Deckband (26) und/oder der Anstreif- oder Einlaufbelag (10) stufenförmig ausgebildet ist.
Dichtanordnung nach Anspruch 10, wobei die Diechtelemente (8a, 8b) jeweils einer Stufenfläche (28a, 28b) des Deckbands (26) und/oder des Anstreif- oder Einlaufbelags (10) zugeordnet sind.
Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine (1), mit zumindest einer Dichtanordnung (6), die mindestens ein Dichtelement (8a, 8b) aufweist, wobei das Dichtelement (8a, 8b) in einem Ringraum (12) zwischen einem Gehäuse (14) und mindestens einer Schaufelreihe (4), insbesondere einer Laufschaufelreihe, angeordnet ist und wobei der Ringraum (12) von einem Leckagestrom (16) durchströmt ist, der von einem Hauptstrom (18) abgezweigt ist und nach dem Ringraum (12) an einer Wiedereintrittsstelle (20) in den Hauptstrom (18) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dichtelement (8b) dem Gehäuse (14) zugeordnet ist und sich in Richtung der Schaufelreihe (4) erstreckt und dass eine Leckagestelle (22) zwischen dem Dichtelement (8b) und der Schaufelreihe (4) im Bereich der Wiedereintrittsstelle (20) des Leckagestroms (16) in den Hauptstrom (18) angeordnet ist.