DE1961321A1

DE1961321A1 - Dichtung fuer eine Gasturbine

Info

Publication number: DE1961321A1
Application number: DE19691961321
Authority: DE
Inventors: Horn Roy Lee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-12-11
Filing date: 1969-12-06
Publication date: 1970-07-09
Also published as: FR2025869A1; US3527053A; GB1276377A; BE742635A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen für Gasturbinen und insbesondere auf Verbesserungen der Dichtungen der ringförmigen Strömungskanäle für die heißen Gase an den Verbindungspunkten zwischen dem Rotor und den stationären Elementen.

Gasdichtungen, auf die hier Bezug genommen wird, sind die sogenannten Labyrinthdichtungen oder Zahndichtungen, die aus ein oder mehr auf einer Seite kreisförmig angeordneten Zähnen bestehen, die gegen eine ebenfalls kreisförmig angeordnete Dichtungsoberfläche auf der anderen Seite grenzen, wobei die zwei Teile der Elemente relativ zueinander drehbar sind. Eine solche Dichtung bietet einer Gasströmung einen hohen Widerstand und da einige Leckage verbleibt, besteht der Vorteil, daß eine freie Drehung zwischen den zwei Teilen möglich ist. Diese Art der Dichtung hat viele allgemein bekannte Vorteile und ist im Gasturbinenbau weit verbreitet.

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Der Wirkungsgrad solcher Dichtungen ist eine Punktion des Spieles zwischen den Dichtungszähnen und der Dichtungsoberfläche. Während die Maschinenteile genau hergestellt werden können, so daß ein möglichst geringes Spiel und eine wirksame Dichtung bewirkt wird, so ergibt sich beim praktischen Betrieb der Maschine wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen den Dichtungszähnen und der Dichtungsoberfläche eine Verschlechterung der Dichtung. Dies ergibt sich durch die recht verbreitete Verwendung von zellenartigem Material und anderen abschleifbaren und deformierbaren Materialien, die die Dichtungsoberfläche bilden, mit der die Labyrinthzähne zusammenwirken. Durch eine solche Annäherung wird ein minimales Spiel aufgrund der thermischen Ausdehnung, die sich während des Maschinenbetriebes einstellt, aufrechterhalten. Mit anderen Worten, wenn z.B. die Dichtungszähne sich schneller ausdehnen als die Dichtungsoberfläche, wird die Dichtungsoberfläche deformiert, ohne daß die Dichtungszähne beeinträchtigt werden. Hierdurch stellt sich automatisch ein minimales Spiel ein, das sich ergibt, wenn die Dichtungsoberfläche ihre maximale Ausdehnung erreicht hat und wenn sich die Dichtungszähne in ihrer minimalen Ausdehnungslage befinden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, daß unterschiedliche thermische Wachstum zwischen den zusammenwirkenden Teilen der Dichtung gering zu halten und dadurch den Wirkungsgrad der Dichtung bei allen Betriebsbedingungen zu verbessern.Diese Ziele werden im weitesten Sinne erreicht, in dem das äußere gleichförmige Dichtungselement erhalten bleibt, das der heißesten Temperatur ausgesetzt ist, bei einer Temperatur, die sich sehr stark der Temperatur des inneren kreisförmigen Dichtungselementes nähert.

Insbesondere in den Fällen, wo sich die Dichtung am stromabwärts gelegenen Ende des Turbinenrotors an dem Verbindungspunkt mit einem inneren Gehäuseelement befindet, wird die Dichtungsoberfläche auf der inneren Oberfläche des Gehäuses gebildet. Die Kühlluft wird entlang der äußeren Oberfläche dieses Dich-

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tungselementes geleitet, um dies auf eine relativ niedrige Temperatur zu halten, welche sich der Temperatur der drehbaren Dichtungselemente annähert. Dieser Kühlmittelströmungspfad wird durch einen ringförmigen Schild begrenzt, der das innere Gehäuseelement umgibt, und der es von dem heissen Gasstrom isoliert.

Für diesen Zweck kann die Kühlluft vorteilhafterweise von der Kühlluft abgeleitet werden, die durch den Turbinenrotor und auch aus der normalen Dichtungsleckage strömt.

Gemäss vorliegender Erfindung wird daher für Gasturbinen, die einen ringförmigen heissen Gasstrom aufweisen, der teilweise durch einen Rotor und ein relativ stationäres inneres Gehäuse begrenzt wird, eine Dichtung vorgeschlagen, die auf dem Gehäuse eine nach innen gerichtete kreisförmige DichtungsOberfläche und auf dem Rotor eine nach aussen gerichtete kreisförmige Dichtungsoberfläche besitzt, wobei diese Oberfläche an den dadurch begrenzten Dichtungsgasstrom angrenzt, und wobei eine Seite der Dichtung mit dem heissen Gasstrom in Verbindung steht, mit dem Kennzeichen, dass Vorrichtungen zum Zusammendrücken der anderen Seite der Dichtungsvorrichtung mit einer relativ kalten Luft bei einem Druck vorgesehen sind, der höher als derjeni'ge des heissen Gasstromes ist, wobei ein ringförmiger Schild das Gehäuse umgibt und ihm räumlich zugeordnet ist, und wobei ferner Kanäle zur Umleitung der Luft vorhanden sind, die angenähert die gleiche Temperatur der Rotordichtungsoberfläche zwischen dem Schild und dem Gehäuse aufweist, um die unterschiedliche thermische Ausdehnung gering zu halten.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte Darstellung einer Gasturbine unter Anwendung vorliegender Erfindung;

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Figur 2 eine vergrösserte Ansicht einer ringförmigen Dichtung, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, und

Figur 3 einen Schnitt geitfäss der Linie 3-3 in Figur 2.

Die in Figur 1 gezeigte Gasturbine besteht aus einer Zentralmaschine oder einem Gasgeneratorteil 12, der einen ringförmigen heissen Gassstrom erzeugt. Dieser Gasstrom passiert eine Leistungsturbine 14 und treibt diese an. Die Leistungsturbine 14 besitzt eine Ausgangswelle 16, die mit einer flexiblen Kupplung 18 verbunden sein kann, um einen Mechanismus z.B. einen elektrischen Generator anzutreiben.

Gasturbinen dieser beschriebenen Art sind allgemein bekannt und ihre inneren Komponenten können verschiedene Gestalt annehmen. Im allgemeinen besitzt der Gasgenerator 12 weiterhin einen Kompressor 20, der Luft zusammenpresst,um eine Verbrennung des Brennstoffes in einer Verbrennungskammer zu fördern und um so den genannten heissen Gasstrom zu erzeugen. Dieser heisse Gasstrom wird durch eine Gasgeneratorturbine 24 geführt, bevor er die Leistungsturbine 14 antreibt.

Diese Art der Maschine wird allgemein als eine Zweiwellenmaschine bezeichnet, bei der eine rohrförmige Welle 26 an einem Ende mit dem Rotor 78 der Zentralturbine 12 und an seinem anderen Ende mit dem Rotor 30 des Kompressors 20 in bekannter Weise verbunden ist. Die zweite Welle dieser Maschine besteht aus dem Rotor 22 der Leistungsturbine von dem aus sich die Ausgangswelle 16 erstreckt, die mit ihr, zum Beispiel durch die dargestellte Splintverbindung 34, verbunden ist.

Das stromabwärts gelegene Ende des Rotors 32 der Leistungsturbine ist durch ein Lager 36 gelagert, das in einem ringförmigen Sumpf 38 untergebracht ist. Das Lager 36 wird

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strukturmässig von einem Rahmen 37 getragen, der Verstrebungen 39 besitzt, welche sich durch den heissen Gasstrom bis zu einem äusseren Gehäuse erstrecken. Eine Kammer 40 umgibt den Sumpf 38 und wird durch Luft geringen Druckes, die durch die Leitung 41 aus dem Kompressor 20 des Gasgenerators abgeleitet ist, unter Druck gehalten, um die Ölverluste aus dem Sumpf 38 gering zu halten.

Eine Gleichgewichtskolbenkammer 42 wird durch Luft eines relativ höheren Druckes über die Leitung 43 aus dem Kompressor 20 unter Druck gehalten. Die Kammer 42 wird durch stationäre Teile, die auf dem Rahmen 37 befestigt sind und durch Teile des Rotors 32 der Leistungsturbine begrenzt. Für die Kammer 40 sind Gasdichtungen 50 und 52 erforderlich, damit sie gegen den niedrigen Druck, der beim Turbinenauslass und in einer Auslasskammer 54 herrscht, unter Druck gehalten werden kann. Das Vorhandensein einer Ausgleichkolbenkammer dieser Art, um die Schubbelastungen auf einem Rotor einer Turbomaschine gering zu halten, ist für sich bekannt. Die vorliegende Erfindung, die hinsichtlich ihrer besonderen Aspekte hier dargestellt ist, ist darauf gerichtet, die Leckage von Luft aus dieser Ausgleichskolbenkammer 42 durch die Dichtung 50 auf ein Minimum zu halten. Diese Merkmale der Erfindung lassen sich am besten aus der Figur 2 entnehmen, welche weitere Konstruktionseinzelheiten der Ausgleichskolbenkammer 42 wiedergibt. Die stationären Teile der Kammer 42 werden durch Teile des Rahmens 37 einschliesslich der Flansche und 58 festgelegt. Ein Konus 60 ist mit dem Flansch 58 verbunden und besitzt an seinem inneren Ende eine Dichtungsoberfläche, welche durch Segmente eines zellenartigen Strukturmaterials 62 bestimmt ist. Die stationären Teile der Kammer 42 werden ferner durch ein ringförmiges inneres Gehäuse 64 begrenzt, das mit einem Rahmenflansch 56 verbunden ist und das auf seiner inneren Oberfläche Segmente eines zellenförmigen Strukturmaterials 66 besitzt, die als

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Dichtungsoberfläche für die Dichtung 50 dienen. Die Dichtung 52 wird durch Labyrinthzahnelemente 68 vervollständigt, die mit dem Rotor 32 der Leistungsturbine befestigt sind. Die Dichtung 50jiird durch eine Reihe von Labyrinthzähnen vervollständigt, die sich auf einem ringförmigen Plansch befinden und mit dem Rotor 32 der Leistungsturbine befestigt sind und die in Kombination mit einem Teil desselben die rotierenden Teile der Ausgleichskolbenkammer 42 bilden. Mit dem Plansch 72 ist ferner ein ringförmiges Versteifungselement 74 verbunden.

Die Luftleitung 43 für einen relativ hohen Druck erstreckt sich durch den Rahmenholm 39 in die Kammer 42. Die Kammer wird daher in dem Maße unter Druck gehalten, wie die Dichtungen 50 und 52 wirksam sindjeine Leckage der dort durchgehenden Luft zu verhindern.

Wirft man erneut einen kurzen Blick auf Figur 1, so ist ersichtlich, dass das Lager 76 und entsprechend 78 das hintere Ende der Turbinenwelle 26 der Zentralmaschine und das vordere Ende der Leistungsturbine 32 tragen. Pur diese Lager sind die gleichen Arten des Sumpfes und der Sumpfdruckkammer, welche nicht näher dargestellt sind, vorgesehen. Eine Leckageluft aus dieser Sumpfdruckkammer strömt durch das Innere des Turbinenrotors 32 und wird durch eine Reihe von öffnungen 80 (Figur 2) im hinteren Teil der Welle 32 der Leistungsturbine abgelassen. Diese Luft strömt unter Umständen in den heissen Abgasstrom aus der Leistungsturbine 14.

Das rotierende Teil der Dichtung 50, das aus den Zähnen 70 besteht, wird auf eine relativ niedrige Temperatur der Luft gehalten, die aus dem Kompressor 20 abgeleitet ist. Dies ist aus der Tatsache ersichtlich, dass eine Seite dieser rotierenden Teile der Luft ausgesetzt ist, die durch

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die Leitung 43 strömt, während die andere Seite dieser Teile der relativ kalten Leckageluft ausgesetzt ist, die durch den Turbinenrotor 32 strömt und durch die Öffnungen abgelassen wird.

Die stationären Teile der Dichtung 50 (die Segmente 66) sind auf dem Gehäuse 64 befestigt, das normalerweise die innere Begrenzung der heissen Abgasströmung aus der Leistungsturbine bilden würde.

Gemäss vorliegender Erfindung ist dieses Gehäuse von dem heissen Gasstrom durch einen ringförmigen Schild 82 isoliert, welcher sich zur äusseren Oberfläche des Gehäuses 64 in einem gewissen Abstand befindet, um einen Luftkühlkanal zu bilden. Wie aus der Figur 3 näher zu entnehmen is.t, ist der Schild 82 insbesondere an einem ringförmigen und axial sich erstreckenden Zapfen 84 befestigt, der sich an der äusseren Oberfläche des Gehäuses 64 befindet und der durch Löten oder Schweissen daran befestigt ist.

Die relativ kalte Luft aus den Öffnungen 80 des Turbinenrotors strömt, wie in Figur 2 dargestellt, entlang dem Kanal zwischen dem Schild 82 und dem inneren Gehäuse 64, um schliesslich in den heissen Gasstrom zu gelangen. Weiterhin strömt auch die Leckageluft durch die Dichtung 50 entlang dieses Kanals. Es sei noch bemerkt, dass sich an dem vorderen Ende des Schildes 82 eine nach innen umgebogene Lippe 86 befindet, welche die Umlenkung der Leckageluft in den Kanal zwischen dem Schild und dem Gehäuse 64 erleichtert. Die aussere Oberfläche des Gehäuses 64 wird daher in der Nähe der Temperatur der Komponenten der rotierenden Kammerteile und der Dichtungselemente gehalten.

Indem die stationären Teile der Dichtung auf annähernd gleiche Temperatur gehalten werden wie die rotierenden Teile

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der Dichtung, wird eine unterschiedliche thermische Ausdehnung weitgehend vermieden. In diesem Zusammenhang darf erwähnt werden, dass die«isolierten Verbindungen zwischen dem Schild 82 und dem Gehäuse 64 ebenso wie die relative Dünnwandigkeit des Schildes 82 zur Folge hat, dass das Schild nicht ein Strukturelement darstellt, so dass, obgleich der Schild auf seiner äusseren Oberfläche eine relativ hohe Temperatur besitzen kann und damit einer entsprechenden thermischen Ausdehnung unterworfen ist, dies nur wenig oder keinen Einfluss bezüglich einer Veränderung der Ausdehnungen des Gehäuses 64 und insbesondere auf die darauf befestigten Dichtungsoberflächen hat.

Während hier auf die thermischen Ausdehnungen Bezug genommen wurde, tritt natürlich die gleiche Erscheinung der Änderungen auch bezüglich der Zusammenziehung bei Temperaturabnahme auf. Während ferner die Erfindung in gewisser Hinsicht teilweise auf die Probleme zur Steuerung der thermischen Ausdehnung gerichtet sind, wo eine Ausgleichskammer .am Abströmende einer Leistungsturbine vorhanden ist, kann die Erfindung auch bei anderen ringförmigen Dichtungen Anwendung finden, um die Probleme bezüglich der thermischen Ausdehnung zu lösen.

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Claims

Patentansprüche

Dichtung für eine Gasturbine, die einen ringförmigen heissen Gasstrompfad besitzt, der teilweise durch einen Rotor und ein relativ stationäres inneres Gehäuse festgelegt ist, die aus einer nach innen gerichteten kreisförmigen Dichtungsoberfläche auf dem Gehäuse und einer nach aussen gerichteten kreisförmigen Dichtungsoberfläche auf dem Rotor besteht, wobei die Oberflächen aneinander grenzen und hierdurch den Strom des dadurchgehenden Gases begrenzt abdichten, wobei eine Seite der Dichtung mit dem heissen Gasstrom in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet , dass Mittel (43) vorgesehen sind, um die andere Seite der Dichtung mit relativ kalter Luft mit einem Druck, der höher als der des heissen Gasstromes ist, unter Druck zu setzen, dass ein ringförmiges Schild (82) das Gehäuse in einem gewissen Abstand umgibt und dass Kanäle zur Führung der Luft mit annähernd gleicher Temperatur wie die Rotor-Dichtungsoberfläche zwischen dem Schild (82) und dem Gehäuse (64) vorgesehen sind, um die unterschiedliche thermische Ausdehnung gering zu halten.
2. Gasturbine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , dass der Schild relativ dünn ist und mit dem Gehäuse an weit entfernten Punkten befestigt ist, so dass er nicht als Strukturelement wirkt.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die kreisförmige Dichtungsoberfläche auf dem Gehäuse mehrere stufenförmige zylindrische Oberflächen (66) besitzt, und dass die Dichtungsoberfläche auf dem Rotor aus mehreren dünnen Zähnen (70) besteht, die

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an die zylindrische Oberfläche auf dem Gehäuse entsprechend angrenzen, und dass ein ringförmiger Schild (82) eine nach innen gerichtete Lippe (86) besitzt, um die Leckageluft aus der Dichtung aufzufangen und sie zwischen dem Schild und dem Gehäuse einzuführen.
4. Gasturbine nach Anspruch 3* dadurch gekenn zeichnet , dass sich ein Plansch (72) von dem Rotor aus'erstreckt, und dass auf der äusseren Oberfläche desselben Zähne gebildet sind und Vorrichtungen (80) vorhanden sind, um relativ kalte Luft aus dem inneren des Rotors gegen den Flansch und teilweise zwischen dem Schild und Gehäuse umzulenken, um eine potentielle thermische Ausdehnung weiterhin gering zu halten.

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