Nachstellbares Dichtsegment eines Gasturbinentriebwerks

Abstract

 Eine axiale Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, wobei zwischen Laufschaufeln (2) und einem Innenumfang eines Gehäuses (3) ein Spalt (15) ausgebildet ist, wobei eine ringförmige am Gehäuse (3) aufgenommene Spaltdichtung vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdichtung mehrere miteinander verbundene radial nach innen verschiebbare Dichtsegmente (4) aufweist, die nachstellbar sind. Hierdurch werden die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik vermieden und eine verbessertes Dichtsegment zur Verfügung gestellt, welches die Spalthaltung auch nach schädlichen Manöverlasten ermöglicht. Dabei ist die erfindungsgemäße Lösung auch für den Turbinenbereich geeignet. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Kosten für Betrieb und Wartung verringert und im Mittel über die Betriebsdauer eines höheren Turbinenwirkungsgrad erreicht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Dichtsegment für einen Rotorspalt bei einer Gasturbine, insbesondere bei einem Flugtriebwerk, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Axiale Strömungsmaschinen wie Gasturbinen, insbesondere Flugantriebe, verfügen neben einer Brennkammer über mindestens einen Verdichter sowie mindestens eine Turbine. Jeder Verdichter sowie jede Turbine verfügt über jeweils rotierende Laufschaufeln und ein feststehendes Gehäuse mit feststehenden Leitschaufeln. Der Rotor rotiert zusammen mit den Laufschaufeln gegenüber dem feststehenden Gehäuse, wobei zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist. Zur Optimierung des Wirkungsgrads der Gasturbine muss dieser Spalte so gering wie möglich gehalten werden.

[0003] Gasturbinen unterliegen während des Betriebs erheblichen Belastungen, die zu einer Deformation der Gehäuse von Verdichter und Turbine führen können. Bei Flugtriebwerken wird dies unter anderem durch die Einbausituation einer Triebwerksaufhängung und durch äußere Kräfte infolge von Manöverlasten hervorgerufen. Bei einwandigen Gehäusen für Verdichter und Turbine übertragen sich diese Deformationen unmittelbar auf die abzudichtenden Spalte zwischen dem Rotor und dem Gehäuse. Hierdurch kommt es an den Dichtstellen zu erhöhtem Abtrag der Einlaufbeläge. Um dem entgegenzuwirken, werden nach dem Stand der Technik die Gehäuse von Verdichter und Turbine aufgedickt bzw. versteift, was jedoch ein höheres Gewicht für die Gasturbine bedeutet. Des weiteren erhöhen sich durch ein vergrößertes Gewicht der Gasturbine die Kosten. Außerdem werden die Dichtbeläge, insbesondere im Bereich der Niederdruckturbine, durch Erosion und Oxidation über die Zeit immer mehr abgetragen, so dass auch dadurch die Dichtspalte über die Lebensdauer immer größer werden.

[0004] Die US 6,382,905 B1 beschreibt eine Lagerung für einen geschlossenen Dichtungsring in einem Fan-Gehäuse. Dieser geschlossene Dichtungsring ist aus einem Material hergestellt, welches die gleiche Wärmedehnung wie die in Composite-Bauweise hergestellten Fan-Schaufeln aufweist. Am Innenumfang des Dichtungsrings ist ein abrasiver Einlaufbelag aufgebracht, in den die Schaufeln bei einer Rotorverschiebung, die beispielsweise durch Manöverlasten herbeigeführt wird, einlaufen können. Der Dichtungsring ist radial an zumindest drei über den Umfang verteilten Stiften schwimmend gelagert und ragt vom Fan-Gehäuse radial in den Strömungskanal hinein. Die Stifte lagern den Dichtungsring konzentrisch zur Triebswerksachse, erlauben aber andererseits eine Verschiebung in radialer Richtung, wenn durch thermische oder sonstige Kräfte entsprechende Unwuchten des Fan-Rotors auftreten. Ein Nachstellen der Spaltbreite zwischen Schaufelspitze und abrasiver Beschichtung des Dichtungsrings zum Ausgleich von Verschleiß der abrasiven Dichtungsschicht ist nicht vorgesehen. Auch ist ein Einsatz der in diesem Stand der Technik beschriebenen Lösung im Turbinenbereich aufgrund der Materialwahl nicht möglich.

Aufgabenstellung

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbessertes Dichtsegment zur Verfügung zu stellen, welches die Spalthaltung auch nach schädlichen Manöverlasten ermöglicht. Dabei soll ferner eine auch für den Turbinenbereich geeignete Lösung bereitgestellt werden, welche die Kosten für Herstellung, Betrieb und Wartung verringert.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine axiale Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0008] Hierdurch werden die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik vermieden und eine verbessertes Dichtsegment zur Verfügung gestellt, welches die Spalthaltung auch nach schädlichen Manöverlasten ermöglicht. Dabei ist die erfindungsgemäße Lösung auch für den Turbinenbereich geeignet. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Kosten für Herstellung, Betrieb und Wartung verringert.

[0009] Erfindungsgemäß ist eine axiale Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, vorgesehen, wobei zwischen Laufschaufeln und einem Innenumfang eines Gehäuses ein Spalt ausgebildet ist, wobei eine ringförmige am Gehäuse aufgenommene Spaltdichtung vorgesehen ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spaltdichtung mehrere miteinander verbundene radial nach innen verschiebbare Dichtsegmente aufweist, die nachstellbar sind. Die Dichtsegmente sind dabei jeweils über integral mit den einzelnen Dichtsegmenten verbundenen Gewindezapfen und eine entsprechende Verschraubung mit dem Gehäuse verbunden. Hierdurch wird es möglich, von außen, d.h. von der Gehäuseaußenseite des Triebwerks, mehrmals radial nachzustellen und somit immer wieder engere Spalte, wie bei einem neuen Triebwerk, zu erreichen. Hierdurch wird der Auslegungswirkungsgrad beibehalten.

[0010] Eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zum Nachstellen der Dichtsegmente Nachstellmuttern vorgesehen sind, die mit starr von den Dichtsegmenten hervorstehenden Gewindezapfen zusammenwirken. Über das Drehen der Nachstellmuttern, welche die Dichtsegmente über die Gewindezapfen fixieren, können diese radial verschoben werden. Die Nachstellmutter ist beispielsweise über ein Abstandsstück und zwei Schrauben fest mit dem Gehäuse verbunden. Zum Nachstellen der Dichtsegmente sind die Schrauben vor dem Verdrehen der Nachstellmutter zu entfernen.

[0011] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Dichtsegmente in Umfangsrichtung über Nut-Feder-Verbindungen miteinander verklinkt sind. Hierdurch werden thermische Dehnungen in Umfangsrichtung ausgeglichen, wobei die Dichtsegmente ansonsten radial starr miteinander verbunden sind.

[0012] Noch eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zur gehäuseseitigen Abdichtung Zentriersegmente vorgesehen sind. Die Zentriersegmente sind beispielsweise U-förmig ausgebildet, in denen die Dichtsegmente zur gehäuseseitigen Abdichtung sitzen. Die innere Breite dieser Zentriersegmente ist relativ zur axialen Breite der Dichtsegmente eng toleriert, so dass nur geringe Leckageflächen entstehen.

[0013] Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Zentriersegmente gegenüber den Dichtsegmenten in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Dadurch führen die Zentriersegmente die Dichtsegmente an ihren Nut-Feder-Verbindungen axial und richten diese zueinander aus. Radial werden die Zentriersegmente beispielsweise vorne über eine eingebaute Klemme für die vorgelagerte Leitschaufel und hinten in der nachfolgenden Leitschaufel fixiert.

[0014] Noch eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Dichtsegmente elastisch ausgebildet sind. Die Dichtsegmente sind vorteilhafterweise zwischen dem Gewindezapfen und der entfernt liegenden Nut-Feder-Verbindung möglichst dünn gestalte. Aufgrund der hierdurch erzielte Elastizität kann der Geometriefehler beim Nachstellen der Dichtsegmente ausgeglichen werden. Die Elastizität in diesem Bereich kann auch genutzt werden, um Krümmungsänderungen durch thermische Gradienten in den Dichtsegmenten zu kompensieren.

[0015] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Dichtsegmente mit Einlaufbelägen beschichtet sind. Dabei können alle geeigneten Einlaufbeläge vorgesehen sein, vorteilhafterweise als Honigwaben.

[0016] Schließlich sieht noch eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass die Dichtsegmente im Bereich der Turbine, vorzugsweise der Niederdruckturbine angeordnet sind. Dies ist bei entsprechend geeigneter Materialwahl der Dichtsegmente ohne weiteres möglich.

[0017] Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Spaltdichtung mit neuem Einlaufbelag;

Fig. 2

einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Spaltdichtung gemäß Figur 1 mit verschlissenem Einlaufbelag;

Fig. 3

einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spaltdichtung im Neuzustand;

Fig. 4

einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spaltdichtung im Nachstellzustand;

Fig. 5

eine Detailansicht der Nachstellmutter;

Fig. 6

eine schematische Darstellung der Montage bzw. Demontage eines erfindungsgemäßen Dichtsegments.

[0018] Bei den abgebildeten Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

[0019] Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß aus Dichtsegmenten 4 aufgebaute Spaltdichtung mit neuer Honigwabendichtung 5 an einer Niederdruckturbine 1. Figur 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die Spaltdichtung gemäß Figur 1 mit verschlissener Honigwabendichtung 5. Dabei ist die ringförmige Spaltdichtung radial verstellbar über Turbinenlaufschaufeln 2 einer Niederdruckturbine 1 angeordnet.

[0020] Der integral am Dichtsegment 4 angeordnete Gewindezapfen 6 ragt in eine Aussparung am Turbinengehäuse hinein, so dass über die Nachstellmutter 8 der radialen Spalt 15 eingestellt werden kann. Die Nachstellmutter 8 ist über ein Abstandsstück 9 und Schrauben 14 sowie über eine Verspannschraube 10 in der eingestellten Position fixiert. Sobald nach einem vorgegebene Wartungsintervall oder bei besonderen Ereignissen eine Spaltkontrolle vorgenommen worden ist, kann bei Bedarf, d.h. bei verschlissener Honigwabendichtung 5 ein radiales Verstellen bzw. Nachstellen der Dichtsegmente 4 über die Nachstellmutter 8 erfolgen. Die Dichtsegmente 4 werden dabei in Zentriersegmenten 7 geführt und zueinander ausgerichtet. Die Dichtsegmente sind in Umfangsrichtung über Nut-Feder-Verbindungen miteinander verbunden.

[0021] Die Zentriersegmente 7 sind in Umfangsrichtung versetzt zu den Dichtsegmenten angeordnet. Radial werden die Zentriersegmente 7 vorne über die integral eingebaute Klemme für die vorgelagerte Leitschaufel und hinten in der nachfolgenden Leitschaufel 11 fixiert.

[0022] Bei der derart segmentweise aufgebaute Spaltdichtung oder auch "Outer Airseal" gleiten die Dichtsegmente 4 beim Nachstellen also quasi ineinander, um auch bei einem geringeren Innenumfang dicht abzuschließen.

[0023] Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spaltdichtung im Neuzustand und Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt gemäß Figur 3, jedoch im Nachstellzustand. Dabei sind in der Zeichnung die Einlaufbeläge, d.h. beispielsweise Honigwaben, aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.

[0024] Am linken Zeichnungsrand sind die an den Dichtsegmenten 4 integral radial nach außen hervorstehenden Gewindezapfen 6 gezeigt. Diese Gewindezapfen 6 weisen ein Außengewinde und eine koaxiale Gewindebohrung auf. Wie am rechten Zeichnungsrand dargestellt, sind die Dichtsegmente mittels der Gewindezapfen 6 und der Nachstellmuttern 8 in ihrer radialen Position festgelegt und starr mit dem Turbinengehäuse 3 verbunden.

[0025] Die Nachstellmutter 8 ist über ein Abstandsstück 9 und zwei Schrauben 14 fest mit dem Gehäuse 3 verbunden. Ferner ist eine Verspannschraube 10 in das Sackloch des Gewindezapfens 6 zum spielfreien Verspannen der Verbindung eingeschraubt.

[0026] Die Dichtsegmente 4 sind dabei über Nut-Feder-Verbindungen 16 miteinander verklinkt. Ferner sitzen die Dichtsegmente 4 zur gehäuseseitigen Abdichtung in U-förmigen Zentriersegmenten 7, die in Umfangsrichtung zu den Dichtsegmenten 4 versetzt sind.

[0027] In Umfangsrichtung sind die Zentriersegmente 7 über die Nachstellmutter 8 der Dichtsegmente 4 und zwei Anlagen 12 gehalten. Die Anlagen 12 sind so gestaltet, dass die Zentriersegmente 7 axial frei beweglich bleiben und sich an den Dichtsegmenten 4 ausrichten können. An den Stoßstellen der Zentriersegmente 7 sind im hinteren Bereich Dichtstreifen 13 vorgesehen, welche den Raum auf der Rückseite der Dichtsegmente nach hinten abdichten.

[0028] Figur 5 zeigt eine Detailansicht der Nachstellmutter 8 ohne Gewindezapfen 6, ohne Verspannschraube 10 und ohne Dichtsegment 4. Darin ist die Verbindung der Nachstellmutter 8 über das Abstandstück 9 und die beiden Schrauben 14 mit dem Turbinengehäuse 3 zu erkennen. Ferner ist die Fixierung der Zentriersegmente 7 in Umfangsrichtung mittels der Anlagezapfen 12 zu erkennen, die an den unteren Ausläufer der Nachstellmutter 8 anschlagen.

[0029] Figur 6 zeigt in einer schematischen Darstellung die Montage bzw. Demontage eines erfindungsgemäßen Dichtsegments. Durch Entfernen der in Figuren 1 bis 5 gezeigten Nachstellmuttern 8 von den Gewindezapfen 6, sind die Dichtsegmente 4 in Radial- und in Umfangsrichtung wie durch die Pfeile angedeutet verschieblich, so dass die verklinkten Nut-Feder-Verbindungen 16 gelöst werden können. Das entsprechende Dichtsegment 4 kann dann von radial innen entnommen bzw. eingebaut werden.

[0030] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Ansprüche

1. Axiale Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, wobei zwischen Laufschaufeln (2) und einem Innenumfang eines Gehäuses (3) ein Spalt (15) ausgebildet ist, wobei eine ringförmige am Gehäuse (3) aufgenommene Spaltdichtung vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spaltdichtung mehrere miteinander verbundene radial nach innen verschiebbare Dichtsegmente (4) aufweist, die nachstellbar sind.

2. Axiale Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachstellen der Dichtsegmente (4) Nachstellmuttern (8) vorgesehen sind, die mit starr von den Dichtsegmenten (4) hervorstehenden Gewindezapfen (6) zusammenwirken.

3. Axiale Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtsegmente (4) in Umfangsrichtung über Nut-Feder-Verbindungen (16) miteinander verklinkt sind.

4. Axiale Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtsegmente (4) elastisch ausgebildet sind.

5. Axiale Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gehäuseseitigen Abdichtung Zentriersegmente (7) vorgesehen sind.

6. Axiale Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriersegmente (7) gegenüber den Dichtsegmenten (4) in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.

7. Axiale Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtsegmente (4) mit Einlaufbelägen beschichtet sind.

8. Axiale Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufbeläge als Honigwaben (5) ausgestaltet sind.

9. Axiale Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtsegmente (4) im Bereich der Niederdruckturbine (1) angeordnet sind.

Zeichnung