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Die Erfindung betrifft eine Dichtplatte im internen Luftsystem eines
Gasturbinentriebwerks.
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Das interne Luftsystem eines Gasturbinentriebwerks trägt nicht direkt zum
Triebwerksschub bei, aber hat mehrere wichtige Funktionen, um für einen sicheren und effizienten
Betrieb des Triebwerks zu sorgen. Die wichtigste dieser Funktionen ist das Kühlen von
Stator- und Rotorstufen einschließlich Schaufeln, Laufschaufeln, Scheiben usw., Steuerung
des Turbinenspitzenspielraums, und Verhinderung des Eindringens von Heißgas
beispielsweise in die Turbinenscheibenhohlräume. Bis zu etwa einem Fünftel der gesamten
Kernmassenströmung des Triebwerks kann in dieses interne Luftsystem durch einen
Anzapfauslaß an einer oder mehreren Stellen im Verdichtersystem abgezweigt werden.
Infolgedessen ist bereits Arbeit auf die vom internen Luftsystem verbrauchte Luft durch deren
Verdichtung aufgewendet werden. Leckverluste sind daher ein Gesamtverlust für das
Triebwerk und haben einen negativen Einfluß auf Schub und Triebwerkswirkungsgrad.
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Dichtungen zwischen relativ feststehenden und umlaufenden Triebwerksstufen stellen
Leckpfade für die Systemluft dar, und es werden viel Mühe und Aufwand auf das
Vermindern solcher Verluste verwandt, um den Abfluß verdichteter Luft zu minimieren und als
ein Weg zum Steigern der Triebwerkseffizienz. In einer innengekühlten Turbinenstufe hat
es sich als wünschenswert erwiesen, eine Luftdichtung mit geringer Leckage auf einem
hohen Radius zu haben, im wesentlichen gerade radial innerhalb des
Turbinenscheibenrands. Diese Dichtung hilft, eine Sammelkammer zu bilden, die an einer Seite durch eine
Stirnwand der Turbinenscheibe selbst begrenzt ist, aus welcher Turbinenschaufel-
Innenkühlungsluft abgezogen wird. Beim Durchtritt durch die Sammelkammer passiert die
Luft auch über die Scheibenstirnfläche und hilft, diese zu kühlen.
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Es hat sich unter diesen Umständen auch als vorteilhaft erwiesen, einen luftschwimmende
Dichtung oder eine Stirnflächendichtung der Bauart einzusetzen, bei welcher ein relativ
feststehender Ring in enger Nähe zu einer relativ umlaufenden Stirnplatte gehalten wird.
Tatsächlich schwimmt der Ring auf einem Luftpolster, ohne in Reibberührung mit der
Platte zu kommen, was durch ein Gleichgewicht axial gerichteter Kräfte aufrechterhalten
wird. Bei einer solchen Anordnung ist es notwendig, eine genaue Fluchtung zwischen den
einander zugewandten Flächen des umlaufenden Rings und der Platte aufrechtzuerhalten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dieses Problem zu lösen, indem eine
scheibenmontierte Dichtungsplatte vorgesehen wird, deren Montageanordnung so ausgelegt ist,
dass sie die erforderliche Fluchtung der Dichtungsflächen aufrechterhält.
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Es ist bekannt, beispielsweise aus dem US-Patent Nr. 4 820 116, einen kühlenden
Luftstrom durch einen Turbinenrotor zwischen einer Scheibe und einer an einer Stirnfläche der
Scheibe befestigte Deckplatte zu leiten. Das US-Patent Nr. 5 288 210 beschreibt eine
ähnliche Bauart einer Anordnung, bei welcher eine Deckplatte (dort Stirnplatte genannt) mit
der Stirnfläche der Scheibe durch eine Bajonettverbindung verbunden ist, die eine axiale
und umfangsmässige Relativbewegung zwischen der Platte und der Scheibe verhindert.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung derselben grundsätzlichen
Anordnung.
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Bisher war es übliche Praxis bei der Konstruktion einen Gasturbinentriebwerks, wie
beispielsweise in den oben erwähnten Dokumenten dargestellt, eine Dichtung zwischen
feststehenden und relativ umlaufenden Komponenten mittels
Mehrfachrippen-Labyrinthdichtungen herzustellen. Jedoch sind solche Dichtungen hohen Leckströmungsraten wegen
vergrößerter Leckspalte als Resultat unterschiedlicher Wärmedehnungswirkungen
ausgesetzt und übermäßigem Verschleiß, wo eine Berührung zwischen den Komponenten
auftritt. Die luftschwimmende oder Flächendichtung, mit welcher sich die vorliegende
Erfindung befasst, ist in der Lage, geringere Leckraten insbesondere auf höheren Radien zu
erreichen, wo die Relativgeschwindigkeiten größer sind, infolge der nichtberührenden Natur
der Dichtungsteile. Ein Reibkontakt zwischen Dichtungsflächen ist zu vermeiden, wo
immer das möglich ist, und vorzugsweise sind enge Abstände und Parallelität der
Dichtungsflächen jederzeit aufrechtzuerhalten. Die vorliegende Erfindung setzt sich diese letzteren
Erfordernisse zum Ziel.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine luftgestützte
Zwischenstufen-Dichtungsanordnung für das Innenkühlsystem eines Gasturbinentriebwerks vorgesehen, mit einem
ringförmigen Dichtungsring, der an einem relativ feststehenden Teil des Triebwerks axial
beweglich mit Bezug auf eine ringförmige Dichtungsplatte montiert ist, die von einer drehbaren
Scheibe getragen wird, wobei die Dichtungsplatte an der Scheibe mittels einer Nut-
und-Zapfen-ähnlichen Montageanordnung montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zapfenteil eine vorspringende Lippe mit einer ersten abgewinkelten Reaktionsfläche
aufweist, die an einer ersten abgewinkelten Reaktionsfläche anliegt, die in dem in einer
zugewandten Seite der Scheibe gebildeten, einen Schlitz oder eine Nut aufweisenden Schlitzteil
gebildet ist, und dass die Reaktionsflächen relativ zu Axial- und Radialrichtung der
Scheibe so abgewinkelt sind, dass im Betrieb die Drehung der Scheibe und der Dichtungsplatte
Zentrifugalkräfte erzeugt, die Axial- und Radialkomponenten Rx, Ry aufweisen, die von
der Schubfläche auf der Scheibe und der Schubfläche auf der Dichtungsplatte in einem
solchen Sinn aufgenommen werden, dass die Dichtfläche der Dichtungsplatte in einer
Radialebene parallel zur Radialrichtung Ry ausgerichtet wird.
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Die Erfindung und wie sie in der Praxis umgesetzt wird, wird nun unter beispielsweisem
Bezug auf eine Ausführung mehr im einzelnen beschrieben, die in den anliegenden
Zeichnungen dargestellt ist, in denen zeigt:
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Fig. 1 einen Radialschnitt durch eine Turbinenstufe, welche die Anordnung der
luftgestützten Dichtungsbaugruppe zeigt,
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Fig. 2 einen vergrößerte Darstellung eines Teils von Fig. 1, welche die Dichtungsplatte und
ihre Befestigungsart zeigt und
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die Fig. 3(a), 3(b) und 4 detaillierte Ansichten eines Ausschnitts der ringförmigen
Dichtungsplatte nach den Fig. 1 und 2.
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Fig. 1 zeigt im Radialschnitt eine erste Hochdruck-Turbinenstufe. Eine umlaufende
Turbinenscheibe ist mit 2 bezeichnet, von der eine innenlufigekühlte Turbinenschaufel bei 4 auf
dem Umfang der Scheibe 2 in herkömmlicher Weise montiert dargestellt ist. Die inneren
und äußeren Gaskanalwände 6, 8 des Turbinenabschnitts sind durch benachbarte
Plattformen der Schaufel 4, einer umfangsmäßigen Anordnung von
Turbinenstufenwandsegmenten 10, und den inneren und äußeren Plattformen stromaufwärtiger Düsenleitschaufeln 12
und stromabwärtiger Zwischenstufenleitschaufeln 14 gebildet.
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Die Schaufeln 4 haben eine Innenluftkühlanordnung, die allgemein mit gestrichelten
Linien bei 16 angedeutet ist und die durch einen Kanal 18, der in den Schaufelfüßen 20
gebildet ist, mit Hochdruckkühlluft über Nuten 22, die im Boden von Schaufelschlitzen im
Umfang der Scheibe 2 gebildet sind, und geschlitzte Luftkanäle 24, die in der
stromaufwärtigen Seite des Scheibenrands gebildet sind, versorgt werden. Die Kühlluft wird an den
Kanälen 24 in der umlaufenden Scheibe durch Vorwirbeldüsen 26 richtungsbeaufschlagt,
die von einer stationären Ringkammerwand 28 getragen werden, die radial innerhalb der
Düsenleitschaufeln 12 angeordnet sind. Die Stirnfläche der Scheibe 2 und die Ringwand
28 zwischen ihnen bilden eine Vorwirbelkammer 30, deren radial äußerer Umfangsbereich
durch eine ringförmige luftgestützte Dichtungsbaugruppe abgeschlossen ist, die allgemein
mit 32 bezeichnet ist.
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Die in Fig. 2 mehr im einzelnen dargestellte luftgestützte Dichtungsbaugruppe 32 umfaßt
ein nicht drehbares ringförmiges Dichtungsteil 34, das mit einer ebenen ringförmigen
Stirnfläche 36 ausgebildet ist, die während des Betriebs des Triebwerks in sehr geringem
Abstand von einer entsprechend ebenen ringförmigen Fläche 38 auf einer Dichtungsplatte
40 gehalten wird, die an der drehbaren Scheibe 2 befestigt ist und von dieser getragen
wird. Vorausgesetzt, dass ein ausreichend geringer Abstand zwischen den Flächen 36, 38
aufrechterhalten wird, wird ein Luftpolster in den Scherschichten zwischen den Flächen
erzeugt, das effektiv als Dichtung mit sehr niedriger Leckage wirkt. Eine der
Hauptbedingungen zum Aufrechterhalten der Dichtungseffektivität liegt darin, dass die Flächen 36, 38
jederzeit parallel ohne gegenseitigen Kontakt bleiben müssen.
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Das nichtumlaufende Dichtungsteil 34 ist begrenzt axial beweglich montiert, was durch ein
Gleichgewicht von Luftdrücken und eine schwache Federkraft gesteuert wird, die das
Dichtungsteil von der Dichtungsplatte 40 beim Fehlen von Luftdruck wegzieht, um die
Dichtungssteueranordnung zu betätigen.
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Im Hinblick auf die auf die Dichtfläche 38 der Dichtungsplatte 40 wirkenden
Beschränkungen ist ihr Verhalten unter Betriebsbedingungen kritisch, insbesondere die Fluchtung
der Fläche 38 parallel zur Fläche 36 des nichtumlaufenden Dichtungsteil ist problematisch.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Dichtflächen 36, 38 parallel zu einer Radialebene
angeordnet. Jedoch können in der dynamischen Umgebung eines mit
Betriebsdrehzahl umlaufenden Triebwerks Probleme bei der Aufrechterhaltung der
Dichtflächenausrichtung auftreten. Ein besonderes Problem ergibt sich aufgrund von nicht drehenden
Bewegungen der Scheibe, was in einer konischen Verformung des Dichtspalts resultiert.
Wie oben erwähnt, wird das Dichtungsteil 34 durch Differentialdrücke betätigt, die über
zugeordneten Teilen der Dichtungsbaugruppe 32 entgegen einer Vorspannkraft wirkt, die
durch eine Mehrzahl von Federn 42 erzeugt wird, die mit Umfangsabständen um den
Dichtungsring angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht, dass das Dichtungsteil 34
innerhalb der Grenzen einer axialen Bewegung der Scheibe 2 folgt, aber die Dichtung ist nicht
in der Lage, eine wesentliche Divergenz (oder Konvergenz) des Dichtspalts aufzunehmen.
Eine Winkelabweichung von mehr als grob 1,5º kann zu Reibberührung zwischen den
Dichtflächen führen, was folglich die Leistungsfähigkeit der Dichtung beeinträchtigt.
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Die Hauptursache dieser Divergenz der Dichtflächen ist ein Kippen der ringförmigen
Dichtplatte 40, die von der umlaufenden Scheibe 2 getragen wird. Die Erfindung
beabsichtigt, dieses Problem durch Vorsehen einer Montageanordnung für die Dichtungsplatte 40
zu beheben, die eine Selbstausrichtung während des Betriebs begünstigt.
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Die Dichtungsplatte 40 ist in Fig. 2 im Radialschnitt und mehr in einzelnen in den Fig.
3(a), 3(b) und 4 dargestellt. Sie umfaßt ein ringförmiges Bauteil, dessen vordere
Stirnfläche mit einer ebenen ringförmigen Dichtfläche 38 ausgebildet ist. Die
Dichtungsplattenmontageanordnung ist einstückig mit der rückwärtigen Stirnfläche der Platte ausgebildet
und steht mit einer komplementären Formation an der Scheibe zur Montage der Platte in
Eingriff. Im wesentlichen ist der radialinnere Rand der Dichtungsplatte 40 mit einer Nut-
und-Zapfen-Konstruktion ausgebildet, die aus einer ringförmigen Lippe bzw. einem
Vorsprung 44 ausgebildet ist, der in eine Nutformation 46 in der vorderen Stirnfläche der
Scheibe 2 eingreift. Wie am besten in der Schnittdarstellung nach Fig. 2 gezeigt ist, besteht
die Nutformation 46 aus zwei umfangsmäßig verlaufenden Nuten, deren erste 48 im
wesentlichen axial und deren zweite 50 radial einwärts verläuft, wobei ein radial auswärts
vorspringender Haken 52 eine Seite der Nutformation 46 bildet. Die radialäußerste Fläche
54 der axialen Nut 48 ist unter einem schrägen Winkel zur Radial- und Axialrichtung
ausgebildet und wirkt als Reaktionsfläche. Die einwärtsweisende Fläche 56 des Hakens 52
liegt in einer Radialebene und wirkt ebenfalls als Reaktionsfläche. Die Vorsprunglippe 44
ist mit komplimentären Reaktionsseitenflächen 58, 60 ausgebildet, die, wenn die
Dichtungsplatte in ihrer Position montiert ist, an den Nutreaktionsflächen 54 bzw. 56 anliegt.
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Die Winkel und die relative Position der Reaktionsflächen 48, 50 an der Scheibe und 58,
60 an der Dichtungsplatte sind so gewählt, dass auf die Dichtungsplatte 40 wirkende
Zentrifugalkräfte durch die Flächen aufgenommen werden, um bei einer gewählten
Konstruktionsdrehzahl sicherzustellen, dass die Dichtfläche 38 exakt in einer Radialebene liegt. Die
Zentrifugalkräfte richten die Dichtungsplatte effektiv in einem solchen Sinn gerade, dass
die Wirkung einer Konusbildung bzw. eines Neigens der Scheibe 2 im Betrieb verringert
wird. Die Dichtungsplatte kann mit mit einem Nullneigungswinkel relativ zur Radialebene
ausgelegt werden, wenn die Scheibe, die sie trägt, sich unter ihrem maximal
divergierendem Konuswinkel befindet.
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Im Betrieb wird gemäß Fig. 2 die Last R aufgrund zentrifugal erzeugter Kräfte, die von der
Vorsprunglippe 44 auf die abgewinkelte Nutfläche 54 ausgeübt werden, in eine
Radialkomponente Ry und eine Axialkomponente Rx zerlegt. Eine Axialbewegung der
Dichtungsplatte in Reaktion auf die Axialkraft Rx wird durch Eingriff der Vorsprungfläche 60
mit der inneren Hakenfläche 56 beschränkt, wodurch eine zweite Axialkraftkomponente
R'x erzeugt wird. Diese beiden Axialkraftkomponenten Rx und R'x erzeugen ein
Kräftepaar, das die Dichtungsplatte so zu kippen sucht, dass der radial äußere Rand der
ringförmigen Platte gegen die Stirnfläche der Scheibe gedrängt wird. Der äußere Umfangsrand
der Platte, der mit 62 bezeichnet ist, wird durch einen weiteren einwärts weisenden Haken
64 erfaßt, der einstückig mit dem Außenumfang der Scheibe 2 ausgebildet ist. Eine
Ringdichtung 66 kann in einer umfangsmäßig verlaufenden Nut 68 in der rückwärtigen
Stirnfläche der Dichtungsplatte 40 angeordnet sein, deren Zweck in der Leckverhinderung von
Kühlluft aus den Nuten 20 zwischen den einander zugewandten Flächen der Platte 40 und
der Scheibe 2 liegt.
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Da die Integrität der Dichtfläche 38 für ein korrektes Funktionieren der luftgeschützten
Dichtung 32 kritisch ist, ist die Dichtungsplatte 40 in einem einzigen Stück gefertigt. Das
gewählte Verfahren zur Montage der Platte 40 an der Stirnfläche der Scheibe 2 ist eine
Bajonettbefestigung. Daher werden die ringförmige Vorsprunglippe 44 und der
Rückhaltehaken 52 in der Scheibe so bearbeitet, dass komplementäre Formationen gebildet werden,
die für einen gegenseitigen Eingriff und relative Drehung ausgerichtet werden können. In
ähnlicher Weise ist auch der Dichtungsplattenrand 62 und der umfangsmäßige Haken 64
der Scheibe ebenfalls für Eingriff und Drehung ausgestaltet. Diese Formationen auf der
Dichtungsplatte 40 sind in den Darstellungen der Fig. 3(a), 3(b) und Fig. 4 gezeigt.
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Ebenfalls in den Darstellungen der Fig. 3(a) und 4 sichtbar sind eingearbeitete Taschen
oder Vertiefungen 70 in der rückwärtigen Stirnfläche der Dichtungsplatte 40. Der
Hauptzweck derselben besteht in der Verringerung des Gewichts der Dichtungsplatte. Zwischen
benachbarten Vertiefungen 70 bleiben Rippen 72 stehen, um die Eigensteifigkeit der Platte
40 zu erhalten. Zusätzlich können Sie jedoch zur Aufnahme einer oder mehrerer Nasen
oder Teile 74 in Fig. 2 dienen, die in den Nuten 20 angeordnet sind, um eine Drehung der
Dichtungsplatte relativ zur Scheibe zu verhindern. Der Innenumfang der Dichtungsplatte
40 kann außerdem einstückig mit einer ringförmigen Belüftungsrippe 76 ausgebildet sein,
die radial einwärts ragt und zusammen mit einem von der luftgestützten Dichtung 32
getragenen Vorsprung 78 eine Rippendichtung zum Zweck der Steuerung der
Druckdifferentiale in der Dichtungsbaugruppe bildet.