DE2616031B2

DE2616031B2 - Spaltdichtung für Turbomaschine

Info

Publication number: DE2616031B2
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: 1980-07-03
Also published as: BE840681A; JPS5934841B2; US3986720A; DE2616031A1; DE2616031C3; IT1059259B; FR2307965A1; GB1544956A; FR2307965B1; JPS51126408A; CA1050772A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spaltdichtung für Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des An- *' Spruchs I.

Eine derartige Turbomaschine ist in der Zeitschrift »Der Flieger« 1970, Heft !,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 diesem. Teilen hindurchströmt, einen Energieverlust im System darstellt. Wenn das System nur unter Dauerzustandsbedingungen arbeiten müßte, wäre es einfach, den ^A'~' 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 mechani- ^v' sehen 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 ^h" Wachsen. Wenn das Turbinentriebwerk 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 thermi- ^h' sches Wachsen beider Teile, und wenn diese unterschiedliche ihermische Expansionskoeffizienten haben, was im allgemeinen zutrifft, erfolg: 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 Betriebsdrehzihlen 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 -„'.a'-tdessen 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 Festigkeil 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 Übergangsbe.triebes die Abstände derart reduziert 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 slellt gerade dieser Abstand das kritische Kriterium für die Gestaltung einer Turbomaschine dar.

Die mit der Abstandssteuerung zwischen dem Turbinenroior und der Ummantelung verbundenen Probleme gelten in gleicher Weise auch für andere Dichtungsanordnungen zwischen sich relativ .!rehenden Teilen. Beispielsweise sind längs des Turbinentriebwerks verschiedene Dichtungsanordnungen zwischen bewegten und ruhenden Teilen des Triebwerkes 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 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 auszugestalten, daß auch bei variablen Drehzahlen und Temperaturen der Radialabstand zwischen den sich relativ zueinander drehenden Teilen auf dem gewünschten Maß gehalten wird.

Diese Aufgabe 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 Temperaturbereich 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, Lt verschiedenartigen thermisch aufheizbaren 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

Fig. 1 eine Turbomaschine mit mehreren Dichtungsanordnungen.

Fig. 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

F i g. 3 ein einer graphischen Darstellung die Abstandsbcziehung zwischen der Turbincnschaufelspitze und der Ummantelung während variabler Drehzahl- und Betriebstemperatur! cdingungen.

F i g. I zeigt einen Kompressor 18 mit l.eilschaufeln

κι

29 und Leitschaufeln 31, die Hochdruckluft nach hinten zur Ausg»ngslejtschaufel 32 ausstoßen. Ein Teil der Kompressorauslaßluft strömt in Ringräume 33 und 34, wobei diese Luft für Köhlzwecke 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 Eirennergehäuse 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 strömen von dem Brenner 21 nach hinten zur einer Reihe von umfangsmäßig verteilten Hochdruckdüsen 43 und dann weiter nach hinten, um auf eine Umfangsreihc von Turbinenschaufeln 44 der Hochdruckturbine 19 aufzutreffen. Diese Hochdruckschaufel 44 ist in engem Abstand zu einer ringförmigen Ummantelung 46 angeordnet, die aus einem 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 a.. 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 Ende 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 Aufhängeis 50 und mehreren Schrauben 51 an der Halterung 48 fe&tgelegt. 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 Brennergehäuse 41 verbunden.

Als Teil des Küh/systems erstreckt sich das Brennergehäuse 41 um den Hochdruckturbinenteil des Triebwerks nach hinten, wo es abrupt durch einen Leitungsabschnitt 58 vergrößert wird, der einen Ringraum 59 zwischen dem Leitungsabschnitt unJ der Halterung 48 bildet. Mit dem Ringraum 59 stehen mehrere Luftablaßleitungen 61 in Verbindung, die Ablaßluft von den Zwischenstufen des Kompressors 18 zum Zweck eine bekannten Turbinendüsenkühlung abführen. Da die Halterung 48 immer der Ablaßluft vom Kompressor ausgesetzt ist, sind die Temperaturen, denen sie unterworfen ist, durch die Drehzahlen des Triebwerks bestimmt. Das heißt, dall die AbIaBIuFt bei kleineren Drehzahlen weniger stark komprimiert wird und relativ kühl ist. ivenn 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 Tcnipei;itur der ;uis Jum Ringkannl 35 austretenden Cjasc beeinflußt, die durch Öffnungen in der Hochdruckdüsenstütze 56 hindurchströmen. Diese /wci verschiedenen Lufttemperaturen bestimmen zusammen das thermische Wachsen der Halterung 48.

Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die Halterung 48 und der Ummantclungsaufhänger 50 aus einem Material, das in verschie denen 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 350" C ausgesetztes Material einen sehr kleinen thermischen Expansionskoeffizienten hat. der bei einer Zunahme der Temperatur leicht sinkt. Wenn dasselbe Material jedoch Temperaturen von 350 bis 75O"C ausgesetzt wird, steigt der thermische Expansionskoeffizient beträchtlich an. und zwar ziemlich direkt proportional zur Temperaturerhöhung. In ähnlicher Weise ist eine Kurve A2 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 425C auszeichnet. Die Verwendung eines solchen Materials bei der vorstehend beschriebenen Dichtungsanordnung zwischen der Ummantelung und den Schaufelgebilden eines Turbinentriebwerkes kann während eines Übergangsbetriebes die erwünschten Abstände aufrechterhalten, wie es unter Bezug auf F i g. 3 noch näher erläutert wird.

F i g. 3 zeigt die Änderung zwischen der Turbinenschaufelspitze und der Ummantelung für eine Betriebsfolge, wobei drei verschiedene Materialarten für die Umm?ntelungshalterung verwendet wurden. Für das Materal mit einem einzigen hohen Ausdehnungskoeffizienten ist festzukeilen, 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 P\ in F i g. 3 aus. Es ist festzustellen, daß einerseits die erwünschten Abstände während der Dauer- und Teiliastbedingungen aufrechterhalten werden und daß andererseits auch eine ausreichende Abstandsbe/iehung unmittelbar nach dem Beschleunigen bzw. Anlaufen vorliegt: und es ergibt sich, was noch wichtiger ist. ein ausreichender Absland wahrend der Periode unmittelbar nach dem Bremsen b/w. Verzögern und vor dem Beschleunigen, wie es durch den Punkt i'dcr Kurve dargestellt ist. In ähnlicher Weise zeigt die Kurve /'> die Abstandsbeziehung bei Verwendung eines anderen Materials mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, das thermische Ausdehnungskoeffizienten gemäß der Kurve /t? in Fig. 2 aufweist. Wiederum ergibt sich ein ausreichender Abstand während Perioden unmittelbar nach dem Beschleunigen bzw. Anlaufen und zwischen einem 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 Ai uuei 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 kai,») so getroffen werden, daß irgendeine erwünschte Übergangsbetriebs-Abstandsbeziehung zwischen den Kurven P\ und P₂ bzw. nahe derselben erreicht wird.

Eine derartige Dichtungsanordnung läßt sich an anderen Stellen in einer umlaufenden Maschine und insbesondere einer Turbomaschine verwenden. Gemäß F i g. I 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 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 Turbinendichtungsscheibe 68 hinein, an deren Ende eine bekannte 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 Trageteilen 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 Dichtungstell 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 Abstandsbeziehungen zwischen den Dichtungsteilen 78 und 79 aufrechtzuerhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spaltdichtung für Turbomaschine mit sich relativ zueinander drehenden Teilen, die veränderlichen Drehzahl- und Temperaturbetriebsbedingun- · gen ausgesetzt v/erden 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 n> 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- '> sehen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und in einem zweiten, relativ hohen Temperaturbereich einen relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.

2. Spaltdichtung für Turbomaschine nach An- i» spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient in dem ersten, vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich mit steigenden Temperaturen abfällt.

3. Spaltdichtung für Turbomaschine nach An- -'· spruch 1, dadurch gekennzeicJ-net, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient in dem zweiten, relativ hohen Temperaturbereich mit steigenden Temperaturen zunimmt.