DE3117755A1

DE3117755A1 - Dichtung fuer den turbinenrotor eines gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE3117755A1
Application number: DE19813117755
Authority: DE
Inventors: George Stanton-by-Bridge Derbyshire Pask
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-05-10
Filing date: 1981-05-05
Publication date: 1982-02-11
Also published as: FR2485090A1; JPS5951657B2; JPS575505A; US4375891A; FR2485090B1; DE3117755C2

Description

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Patentanwälte DTp I. -I η g. C u rt W a 11 a c h

^:..^:... -D.ipl.-lng. Günther Koch

4 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 5. Mal lg8l

Unser Zeichen: IJ 193 - K/Ap

Anmelder: ■ Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Titel: Dichtung für den Turbinenrotor

eines Gasturbinentriebwerks

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung zwischen eine Turbinenrotor eines Gasturbinentriebwerks und dem zugeordr, statischen Aufbau des Triebwerks.

Die Turbinenläufer von Gasturbinentriebwerken sind oft mit Kühlluftzuführungen versehen, die normalerweise unter eine Druck stehen, der größer ist als der Druck im Hauptströmun, ringkanal des Triebwerks am Eintritt zum Rotor. Diese Drüc werden u.a. deshalb so bemessen, damit die Gefahr vermiede] wird, daß heiße Gase aus dem ringförmigen Strömungskanal ii Räume um den Rotor herumgelangen und möglicherweise den Ro1 beschädigen.

Es ist jedoch wichtig zu verhindern, daß diese Kühlluft in beträchtlichen Mengen in den Hauptgasstrom als Leckstrom eintritt, weil diese Leckströme eine Vergeudung von Kühlluf darstellen, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine herabgeset wird. Beide Effekte vermindern auch den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks. In der Vergangenheit sind verschiedene Dich benutzt worden, die einen unterschiedlichen Erfolg zeigten, aber die Schwierigkeit der Abdichtung zwischen den relativ zueinander drehenden Teilen, die unterschiedliche thermisch) Bewegungen, Zentrifugalbewegungen und Vibrationsbewegungen durchführen, stellt noch immer ein schwerwiegendes Problem <

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung zu schaffen, die auf den Rotor derart einwirkt, daß differentia Bewegungen besser aufgenommen werden können.

Die Erfindung geht aus von einer Dichtung zwischen dem Turbi rotor eines Gasturbinentriebwerks und dem zugeordneten stati sehen Aufbau. Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dad gelöst, daß die Dichtung einen Ring aus einem Werkstoff mit

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geringem Reibungskoeffizienten aufweist, der vom statischen Aufbau koaxial zum Rotor getragen wird, daß der Ring und der Rotor dazwischen ein Luftlager bilden, und daß ein ringförmiger Dichtungskörper von dem statischen Ring abgestützt wird und mit einer Ringoberfläche des Rotors zusammenwirkt, um eine Dichtung dazwischen herzustellen.

Der Rotor kann mit einer ringförmigen Anordnung von Luftlagertaschen an der Oberfläche versehen sein, die mit der Oberfläche des Rings zusammenwirken, um das Luftlager zu bilden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt der Dichtungskörper radial außerhalb des Rings und es sind Düsen vorgesehen, um die Kühlluft in den Rotor zwischen den Ring und den Dichtungskörper einzublasen.

Der Ring kann von einem offenen Dreieckgitterrahmen getragen werden, der am ringförmigen Teil seiner Oberfläche axial vorstehende Rippen aufweist, die den Dichtungskörper bilden.

Zweckmäßigerweise besteht der Ring aus Keramikmaterial, beispielsweise Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Dichtung;

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teilschnitt der Turbine des Triebwerks nach Fig. 1, worin die Dichtung erkennbar ist;

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Pig. 3 eine Ansicht der Dichtung in Richtung des Pfeiles 3 gemäß Fig. 2 betrachtet.

Figur 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Korn- * pressor 11, einer Brennkammer 12, einer Turbine 13 und einer Schubdüse 14. Das Triebwerk arbeitet in üblicher Weise ;■ und die Arbeitsweise braucht deshalb nicht beschrieben zu werden. Das Triebwerk 10 kann als Einheit benutzt werden, es kann jedoch auch den Kern eines größeren Triebwerks, beispielsweise eines Fantriebwerks bilden.

Es ist bekannt, daß die Dichtung zwischen dem Turbinenrotor 15 des Triebwerks und dem zugeordneten Gehäuseaufbau in dem mit 16 bezeichneten Bereich sehr wichtig im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Triebwerks ist, und Fig. 2 zeigt im einzelne' wie die Dichtung gemäß vorliegender Erfindung aufgebaut ist. j

Gemäß Fig. 2 besteht der Turbinenrotor I5 aus einer Rotorscheibe 16, die an ihrem Umfang Rotorschaufeln I7 über nor- _; male Tannenbaumfüße trägt. Gegen die stromaufwärtige Ober- > fläche der Schaufelschäfte I7 liegt eine Ringplatte 18 an, \ die durch mehrere Bolzen I9 gehalten wird, die von dem Ring von Dichtungsplatten 20 vorstehen und gegen die rückwärtige ' Oberfläche der Schaufelschäfte gedrückt werden. Die Ringplatt'-i 18 bildet somit eine flache ringförmige Stirnfläche an der stromaufwärtigen Seite des Rotors, mit der ein Dichtungs organ zusammenwirken kann. Es wäre auch möglich, die Platte 18 anstatt sie eben auszubilden, mit ringförmigen Rippen zu versehen, die mit Rippen des Dichtungsorgans ineinander greifen.

Die Rotorscheibe l6 ist von herkömmlichem Aufbau mit dem

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einzigen Unterschied, daß die stromaufwärtige Oberfläche mit zwei konzentrischen Ringen von Liftkissen 21 und 22 versehen ist. Diese Reihen liegen benachbart zueinander und jede besteht aus einer Vielzahl von flachen Ausnehmungen, die durch Wände an allen Seiten außer an jener Seite begrenzt sind, die in die Drehrichtung der Scheibe weist. Dies ergibt ein bekanntes Luftlager. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind zwei Reihen solcher Luftkissen vorgesehen, es ist jedoch möglich, auch nur eine Reihe oder mehr als zwei Reihen anzuordnen. Es ist auch möglich, die Kissen in dem stillstehenden Teil, nämlich dem Ring 23 statt in der Rotoroberfläche auszubilden.

Die Kissen 21 und 22 wirken mit einem Keramikring 23 zusammen, ; um ein vollständiges Luftlager zu bilden. Der Ring 23 besteht j aus einer dünnen Silieiumcarbid-Schicht, deren Stirnflächen ;■ quer zur Achse verlaufen, wobei wenigstens eine Stirnfläche die mit den Kissen 21, 22 zusammenwirkt, genau in einer Ebene liegt.

Der Ring 23 wird durch einen ähnlichen Metallring 24 abgestützt, und der vollständige zusammengesetzte Ring wird durch äußere und innere Klauen 25 bzw. 26 in einem dreieckigen Winkelrahmen 37 gehaltert. Die Form des Rahmens 27 geht deutlicher aus Figur 3 hervor, wobei die Ringe 23 und 24 strichliert so dargestellt sind als wären sie transparent, wodurch der vollständige Aufbau des Rahmens erkennbar wird.

Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß der Rahmen 27 aus einem inneren und einem äußeren Ring 28 bzw. 29 besteht, die durch einen dreieckigen Aufbau 30 verbunden sind. Vom Innenring 28 erstrecken sich die Klauen 25, während die oberen Abschnitte der Verbindungsstreben 30 die Klauen 26 tragen. Der äußere

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Ring 29 steht nach außen,um benachbart zu dem radial ! äui3eren Umfang zwei Dichtrippen 31 zu bilden, die in Fig. 2] geschnitten dargestellt sind, und die mit der Oberfläche dej Platte 18 in der oben erwähnten Weise zusammenwirken, um eiij Dichtung zu bilden. Das v/eitere Merkmal des Rahmens 27, welq in Fig. 3 erkennbar ist, besteht aus einem axial verlaufendd Kanal 32, der am radial äußeren Ende offen ist und in dem ei Stift 33 liegt, dessen Funktion darin besteht, eine in Umfaii richtung verlaufende Bewegung zu verhindern und die Konzentn zität des Rahmens und demgemäß der Ringe 23 und 24 aufrecht zu erhalten. Die übrigen Merkmale der Konstruktion sind am besten aus Fig. 2 erkennbar. Es ist klar, daß der Rahmen 27 und die Ringe 24 und 25 vom statischen Aufbau des Triebwerks getragen werden müssen. Demgemäß sind die Ringe 28 und 29 an ihrer rückwärtigen Stirnfläche mit Ringstufen 34 bzw. 35 ausgestattet. In die Stufe 34 greift eine konische Tellerscheibe 36 ein, die durch einen im Querschnitt U-förmigen Ring 37 gegen eine zweite in Gegenrichtung weisende konische Tellerscheibe 38 gehalten wird. Die Tellerscheibe 38 greift an einer Ringstufe 39 an, die der Ringstufe 34 zugewandt ist: und in einem axial gerichteten Ringflansch 40 liegt, der Teil des Statoraufbaus des Triebwerks bildet.

Auf gleiche Weise greifen in die Stufe 29 zwei gleiche gegen-j einander gestellte Tellerfedern 41 und 42 ein, die durch einij im Querschnitt U-förmigen Ring 43 zusammengehalten werden. Diese Tellerfedern 42 wirken mit einer weiteren Stufe 44 zusammen, die im äußeren Umfang eines konischen Flansches 45 ausgebildet sind. Der Flansch 45 besitzt darin ausgebildete Taschen 46, die die Stifte 33 haltern.

Die Tellerfederpaare 36, 38 und 41, 42 und ihre Halteringe 37* 43 bilden zusammen Kombinationen von Dichtungen und

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die den Rahmen 27 und damit den Keramikring 23 nach der Reihe der Luftkissen 21 und 22 vorspannen. Weil die Tellerfedern an ihren aneinanderstoßenden Umfangen durch die im Querschnitt U-förmigen Ringe zusammengehalten werden, jedoch nicht an einer relativen Winkelbewegung ihrer Abschnitte gehindert sind, ergibt sich ein weiter Bereich axialer Bewegung zwischen dem Rahmen 27 und dem statischen Aufbau, ohne daß die Tellerfedern übermäßig beansprucht wurden. So lange die Federn gegeneinander federbelastet sind und federnd gegen die jeweiligen Ringstufen anliegen, wird auch eine wirksame Dichtung gewährleistet.

Deshalb werden Rahmen 27 und Keramikring 23 sowie die Dichtungskörper 31, die davon vorstehen, dichtend gegenüber dem festen Aufbau gehaltert, der von den Flanschen 40 und 45 gebildet ist, und sie können sich axial bewegen um irgendeiner Axialbewegung des Rotors 15 relativ zu dem festen Aufbau zu folgen. Der Eingriff zwischen den Stiften 33 und den Kanälen 32 ergibt eine Kreuzschlüsselfestlegung, die den Rahmen koaxial zum Rotor hält und eine Drehung verhindert, aber eine radiale Ausdehnung zuläßt.

Um den Schaufeln I7 die notwendige Kühlluft zu liefern und außerdem die Drücke zu liefern, die erforderlich sind um den Rahmen hinsichtlich des Druckes auszugleichen, definieren der konische Flansch 45 und ein ähnlicher Flansch 47 im Abstand hierzu einen Kanal 48 für Kühlluft, die vom Kompressorteil 18 des Triebwerks abgezogen wird. Diese Luft strömt längs des Kanals 48 und durch eine Reihe von Vorverwirbelungsdüsen 49,in denen der Luft eine Bewegungskomponente in der gleichen Richtung aufgeprägt wird, in der der Rotor I5 gedreht wird. Die Luft wird daran gehindert, an einer anderen Stelle aus dem Kanal 48 zu entweichen, und dies wird durch

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Plansche 50 und 5Ι verhindert, die von den konischen Flansch? 45 und 47 vorstehen und dichtend aneinanderliegea, um die Abdichtung des Kanals 48 zu vervollständigen.

Die Luft, die von den Düsen 49 austritt, gelangt über die Zwischenräume zwischen den Lenkern 30 außerhalb des äußeren Umfangs der Ringe 23 und 24 und strömt unter der Platte 18 zu den Füßen der Schaufeln I7, um dort in nicht dargestellte j Kühlkanäle innerhalb der Schaufeln einzutreten, und um diese ! zu kühlen. Diese Kühlluft kann nicht radial austreten, um sich mit dem Hauptgasstrom des Triebwerks zu vereinigen, und zwar hauptsähclich wegen der Dichtung, die zwischen den Ripper, 31 und der Oberfläche der Platte 18 ausgebildet ist, und infolgedessen sollte der Zwischenraum zwischen diesen Teilen im Idealfall auf einen konstanten sehr kleinen Wert eingestellt werden.

Die beschriebene Konstruktion schafft die Möglichkeit, daß j dies durch die Arbeitsweise des Rings 23 und die Luftkissen ■ 21 und 22 geschieht, die als Luftlager arbeiten. Es ist eine bekannte Eigenschaft dieser Luftlager, daß sie einen konstante= kleinen Zwischenraum zwischen dem stehenden und dem rotierende! Teil aufrechterhalten, und auf diese Weise erhält der Ring 23 im Betrieb eine fast konstante Lage gegenüber der Rotorscheibe 16 ein. Die Dichtungsrippen 3I stehen axial von dem Rahmen 27 vor, und demgemäß axial von dem Ring 23, so daß diese Rippen ebenfalls einen Abstand vom Ring 18 beibehalten, 'der sehr klein sein kann.

Außer der Aufrechterhaltung eines Gesamtspiels sind Ring 23 und sein Trägeraufbau so ausgebildet, daß sie flexibel ausweichen können. Auf diese Weise kann der Dichtungsaufbau Verzerrungen von Teilen des Rotors und auch Bewegungen des

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gesamten Rotors folgen. Dies kann nötig sein, um es der Dichtung zu ermöglichen, den Vibrationsbewegungen der Scheibe zu folgen, die oft Verzerrungen der stehenden Wellenform erzeugen.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann in mannigfaltiger Hinsicht abgewandelt werden, um spezielle Bedürfnisse zu erfüllen. Der Siliciumcarbidring 23 besteht aus einem Material mit geringem Reibungskoeffizienten, welches sehr hitzewiderstandsfähig ist. Es gibt jedoch auch andere Materialien, die für diesen Ring Verwendung finden könnten, beispielsweise mehrere andere Keramikmaterialien, z.B. Siliciumnitrid und andere nichtmetallische Werkstoffe, wie z.B. Kohlenstoff. Unter gewissen Umständen können auch Metalle benutzt werden, die im Betrieb einem Werkstück gegenüber stehen, dessen Werkstoff einen geringen Reibungskoeffizienten besitzt. Außerdem kann es erwünscht sein, die Luftlagertaschen in dem statischen Teil statt in dem drehenden Aufbau des Triebwerks unterzubringen.

Außerdem können mechanische Einzelheiten der Konstruktion abgewandelt werden, um speziellen Bedürfnissen gerecht zu werden.

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COPY

Claims

Patentansprüche

Dichtung zwischen dem Turbinenrotor eines Gasturbinen- ! triebwerke und dem zugeordneten statischen Aufbau, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (23) aus einem Werkstoff mit geringem Reibungskoeffizienten von dem statischen Aufbau (40,45) koaxial zum Rotor (16) getragen wird, daß der Ring (23) und der Rotor (16) so geformt (21,22) ist, daß dazwischen ein Luftlager gebildet wird, und daß ein ringförmiger Dichtungskörper (31) von dem Ring (23) getragen wird und mit einer Ringoberfläche (18) des Rotors zusammenwirkt,um eine Dichtung hervorzurufen.

Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (16) mit einer ringförmigen Anordnung von Luftkissen (21,22) in seiner Oberfläche versehen ist, die mit der Oberfläche des Rings (23) zusammenwirken, um das Luftlager zu schaffen.

Dichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungskörper (31) radial außerhalb des Rings (23) angeordnet ist.

Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Düsen (49) zwischen dem Ring (23) und dem Dichtungs-j körper (31) angeordnet sind, um Kühlluft in den Rotor

(16) einzuleiten.

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5. Dichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägerrahmen (27) vorgesehen ist, der den Ring (23) abstützt.

6. Dichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (27).einen ringförmigen Teil (29) auf seiner Oberfläche aufweist, auf dem axial vorstehende Rippen (3I) ausgebildet sind, die den Dichtungskörper bilden.

7. Dichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (27.) von einem offenen Rahmen mit dreieckig angeordneten Streben (30) besteht.

8. Dichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß Stifte (33) von dem statischen Aufbau (46) vorstehen, und in radial verlaufende Kanäle (32) eingreifen, die im Rahmen (27) ausgebildet sind, damit eine Drehung des Rahmens (27) in Umfangsrichtung verhindert wird.

9. Dichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (27) zwei ringförmige Abschnitte (28,29) und weitere Dichtungen (36,27,28,41,42,43) aufweist, die eine Abdichtung zwischen den ringförmigen Abschnitten und diesem statischen Aufbau (40,45) bewirken.

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10. Dichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Dichtungen (36,37,38;41,42,43) in der Nähe des inneren und äußeren Umfangs des Rahmens (27) vorgesehen sind.

11. Dichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichne t, daß jede weitere Dichtung aus zwei konischen Tellerfedern (36,38,41,42) besteht, die entgegengesetzt gerichtet angeordnet sind, und daß ein im Querschnitt U-förmiger Ring (37,43) die gegenüberliegenden Umfangsflachen der Tellerfedern zusammenhält, und daß die ringförmigen Abschnitte (28,29) des Rahmens und des statischen Aufbaus (40,45) Ringstufen (34,39,29,44) aufweisen, in die die freien Umfange der aneinanderstoßenden Tellerfedern eingreifen.

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