DE3006099C2

DE3006099C2 - Dichtungsanordnung zwischen zwei umlaufenden scheibenförmigen Maschinenteilen

Info

Publication number: DE3006099C2
Application number: DE3006099A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Richard Wotton-under-Edge Gloucestershire Langley
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-02-21
Filing date: 1980-02-19
Publication date: 1982-10-07
Also published as: FR2449834B1; FR2449834A1; IT1140682B; IT8020085A0; JPS55115660A; DE3006099A1; GB2042652A; GB2042652B; US4432555A

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zwischen zwei gemeinsam umlaufenden, jeweils scheibenförmigen und durch Haltemittel in gegenseitiger axialer Anlage gehaltenen Maschinenteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung einer Abdichtung zwischen einer Turbinen- oder Verdichterlaufradscheibe eines Gasturbinentriebwerks und einer daran angeordneten Abdeckplatte oder dergl., die zusammen mit der Laufradscheibe umläuft.

Bei Gasturbinentriebwerken mit Innenkühlung der Turbinenschaufeln wird die Kühlluft gewöhnlich durch einen zwischen der betreffenden Turbinenlaufradscheibe und einer daran möglichst luftdicht befestigten s Abdeckplatte gebildeten Raum zugeführt, um im Schaufelfußbereich in die inneren Kühlkanäle der Schaufeln einzutreten.

Dabei tritt in der Praxis das Problem auf, eine möglichst gasdichte Abdichtung zwischen der Abdeck platte und der Laufradscheibe herzustellen, da diese beiden Bauteile im Betrieb unterschiedlichen radialen Wärmedehnungen unterliegen. Aus der Praxis ist es bereits bekannt, zwischen aneinander anliegenden parallelen Anlageflächen der Laufradscheibe und der

is Abdeckplatte einen flexiblen verformbaren Metalldraht als Dichtungselement anzuordnen. Dabei wird dafür Sorge getragen, daß der Luftdruck außerhalb der Abdeckplatte größer als der Druck der zwischen der Abdeckplatte und der Turbinenlaufradscheibc; vorhan denen Kühlluft ist, um die Abdeckplatte in Richtung zur

Laufradscheibe hin vorzuspannen. Derartige Druckver-

häitnisse sind jedoch nicht immer praktikabel oder wünschenswert

Außerdem zeigt die Abdeckplatte im Betrieb,

insbesondere wenn sie zur Abdeckung der im Nabenbereich verdickten Laufradscheibe konisch ausgebildet ist, unter dem Einfluß der Fliehkraft in Verbindung mit dem Kühlluftdruck die Tendenz, sich mit ihrer Anlagefläche von der Gegenfläche der Laufradscheibe abzuheben, wodurch sich die Dichtwirkung erheblich verschlechtert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Gattung zu entwickeln, deren Dichtwirkung durch die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte nicht nachteilig beeinflußt, sondern eher unterstützt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst

Die erfindungsgemäße Konstruktion hat die Wirkung, daß die im Betrieb auftretende Fliehkraft ein Drehmoment auf den Dichtungsringquerschnitt ausübt, das diesem um die Berührungslinie zwischen dem Dichtungsring und der Radialschulterfläche des einen Maschinenteils herum zu drehen sucht Dieses auf den Dichtungsringquerschnitt wirkende Drehmoment trägt zu der für eine gute Dichtwirkung erforderlichen axialen Vorspannung zwischen dem Dichtungsring und den beiden Maschinenteilen bei, wobei der Dichtungsring

so diese beiden Maschinenteile auseinander zu drängen sucht, was aber auch durch die, die beiden Maschinenteile in gegenseitiger axialer Anlage haltenden Haltemittel verhindert wird. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird also eine Klemmspannung zwischen den beiden Maschinenteilen auch durch den der Riehkrafteinwirkung ausgesetzten Dichtungsring erzeugt, so daß andere Vorspannungserzeugende Maßnahmen, wie beispielsweise bei der oben erwähnten bekannten Konstruktion das Vorsehen eines höheren äußeren Gasdruckes, bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht nötig sind. Infolgedessen bewirkt der Fliehkrafteinfluß im Gegensatz zur bekannten Konstruktion, bei welcher eine Verschlechterung der Dichtwirkung durch den Fliehkrafteinfluß auftritt, bei der erfindungsgemä ßen Anordnung eine Verbesserung der Dichtwirkung.

Die Erfindung macht dabei in neuerartiger Weise von der Möglichkeit der Ausnutzung der Fliehkraft zur Erzeugung axialer Druckkräfte Gebrauch, die beispiels-

weise aus der US-PS 28 66 655 an sich bekannt ist, wo dem Fliehkrafteinfluß ausgesetze, radial an einer umlaufenden Welle angeordnete und mit Fliehgewichten versehene Winkelhebel aufgrund der Fliehkraftwirkung eine Druckplatte axial gegen eine Dichtungspak- s kung drängen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die besondere Ausgestaltung nach Anspruch 5 fördert die Aufgabenlösung insoweit, als der axiale to Zusammenhalt dei beiden scheibenförmigen Maschinenteile in deren Umfangsbereich hergestellt wird, also im Bereich der Klemmkraftentfaltung des Dichtungsringes, was sich besonders günstig auf die Qualität der Dichtwirkung des Dichtungsringes auswirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in weichen

F i g. 1 einen schematischen Axialhalbschnitt durch ein mit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ausgestattetes Turbinenlaufrad eines Gasturbinentriebwerks, und die

F i g. 2, 3 und 4 jeweils eine vergrößerte Darstellung der in F i g. 1 von einem strichpunktierten Kreis umschlossenen Einzelheit, nämlich der Dichtungsanordnung, während der einzelnen Phase *i des Zusammenbaus zeigen.

F i g. 1 zeigt ein Turbinenlaufrad mit einer in üblicher Weise auf einer Welle befestigten Laufradscheibe 10, an deren verdickter Nabe 11 der radial innere Randteil einer ringartigen Abdeckplatte 12 befestigt ist, deren radial äußerer Randteil am Radscheibenrand abdichtend mit der Radscheibenstirnfläche 13 zusammenwirkt. Zwischen der Abdeckplatte 12 und der Laufradscheibe 10 ist ein Hohlraum 14 gebildet, durch weichen unter hohem Druck stehende Kühlluft zu den Schaufelfüßen der auf der Laufradscheibe angeordneten Laufschaufeln 15 zuströmt

Die am Radscheibenumfang befestigten Laufschaufeln 15 haben Tannenbaum-Füße, und zwischen der Unterseite der Schaufelfüße 17 und dem Boden der die Schaufelfüße einnehmenden Haltenuten der Laufradscheibe 10 ist jeweils ein Luftkanal 16 gebildet, mit welchem nicht dargestellte, in den Schaufeln gebildete Kühlkanäle in Verbindung stehen, so daß durch die Kanäle 16 Kühlluft in die Schaufelkühlkanäle eintreten kann. Eine an der stromabwärtigen Radscheibenstirnfläche angeordnete Verschlußplatte 18 verhindert einen Austritt der Kühlluft an der stromabwärtigen Laufradseite. Diese Verschlußplatte 18 stützt sich derart an so einem simsartigen Ringansatz 9 an der stromabwärtigen Laufradstirnseite ab, daß sie einer axialen Rückwärtsverschiebung der Schaufeln 15 relativ zur Laufradscheibe 10 entgegenwirken kann.

Gemäß den F i g. 2 bis 4 ist die Laufradscheibe 10 mit Haken 19 versehen, die durch Herstellung einer Hinterschneidung 20 an einer Vielzahl von axialen Radscheibenvorsprüngen gebildet sind. Die Haken 19 sind mit gleichen gegenseitigen Winkelabständen auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet.

Die Abdeckplatte 12 ist mit einer gleichen Anzahl von zu den Haken 19 komplementären Randansätzen 22 versehen, die ebenfalls mit gleichen gegenseitigen Winkelabständen am Außenrand der Abdeckplatte angeordnet sind und die nach Art eines Bajonettver-Schlusses mit den Haken 19 in Eingriff bringbar sind. Mit anderen Worten, die Abdeckplatte 12 kann auf die Laufradscheibe 10 aufgesetzt werden, während die Randansätze 22 der Abdeckplatte jeweils in die Zwischenräume zwischen den benachbarten Haken 19 der Laufradscheibe greifen, wonach die Abdeckplatte relativ zur Radscheibe 10 gedreht wird, um die Randansätze 22 in die Hinterschneiduhgen 20 der Haken 19 einzuführen.

Die stromaufwärtige Radscheibenstirnfläche ist mit einer axialen Vertiefung 23 versehen, die radial außen durch eine zylindrische Schulterfläche 24 begrenzt ist In die Vertiefung 23 der Radscheibenstirnfläche ist ein konischer Dichtungsring 25 eingesetzt, wie am besten aus Fig.2 hervorgeht Dieser Dichtungsring 25 ähneit einer Tellerfeder und ist in seiner rückwärtigen Stirnfläche mit einer konzentrischen Ringnut 26 versehen, in weiche ein torusförmiger verformbarer Hilfsdichtungsring 27 eingelegt ist, der aus Metalldraht, beispielsweise aus einer Silberlegierung, hergestellt ist.

Fig.2 zeigt die Abdeckplatte 12, die Laufradscheibe 10 und den Dichtungsring 25 unmittelbar vor dem Zusammenbau von Abdeckplatte und Laufradscheibe. Nach dem Zusammenbau ist der konische Dichtungsring 25 gemäß Fig.4 aufgrund seiner realen Einspannung zwischen der Abdeckplatte und der L? jfradscheibe etwas verformt wodurch sein Außenumfang in Anlage an die zylindrische, eine Stützfläche bildende Randfläche 24 der Stirnflächenvertiefung 23 der Radscheibe- gedrängt wird. Die Berührung zwischen dem Dichtungsringumfang und der Radialschulterfläche 24 findet entlang einer umfangsmäßigen Berührungsiinie P statt und die Tellerfederwirkung des Dichtungsringes 25 stellt außerdem sicher, daß der Dichtungsring stirnseitig längs einer weiterne Berührungsiinie D an der Laufradscheibe 10 anliegt.

Der Dichtungsring 25 ist so gestaltet und bemessen, daß bei mit hoher Drehzahl umlaufender Anordnung die am Dichtungsring 25 angreifende Fliehkraft in einer mit 28 bezeichneten Ebene (Fi g. 4) wirkt, die zwischen der Berührungslinie P mit der Radiaischulter 24 und der Abdeckplatte 12 gelegt ist. Die Fliehkraft erzeugt demzufolge ein auf dem Dichtungsringquersch»itt wirkendes und diesen um die Berührungslinie P zu drehen suchendes Drehmoment, so daß sich an der Stelle A zwischen dem Dichtungsring 25 und der Abdeckplatte 12 sowie an der Stelle C zwischen dem Hilfsdichtungsring 27 und der Stirnfläche der Laufradscheibe 10 und der Schaufelfüße jeweils eine gut dichtende Anlage ergibt.

Die im Dichtungsring 25 gebildete Ringnut ist derart gestaltet und derart bezüglich der umfangsmäßigen Berührungslinie P zwischen dem Dichtungsring und der Radialschulterfläche der Laufradscheibe 10 angeordnet, daß die radial äußere Nutwandung eine konische Fläche ist, die sich zur Laufradscheibe 10 hin erweitert. Mit anderen Worten, der g^rößere Durchmesser der konische*·. Mutaußenwandung liegt on der Laufradscheibe, so daß, wenn die Anordnung umläuft, die am Hilfsdichtungsring 27 .ingreifende Fliehkraft diesen in Anlage an die Radscheibenstirnfläche drängt. Außerdem ist die Anordnung so getroffen, daß die bezüglich der konischen Nutwandung normale Vektorkomponente der auf den elastischen Hilfsdichtungsring 27 wirkenden Fliehkraft in einer Ebene verläuft, die zwischen der Abdeckplatte und der umfangsmäßigen Berührungslinie Pgelegen ist.

Die Haken 19 erzeugen an der Stelle D eine Reaktionskraft, die einem Wegdrücken der Abdeckplatte 12 von der Laufradscheibe 10 entgegenwirkt.

Die Haken 19 brauchen nicht unbedinst an der

Radscheibenstirnfläche angeordnet zu sein. Statt dessen können auch die Schaufeln 15 mit hakenartigen, die Randansätze der Abdeckplatte 12 übergreifenden Vorsprüngen versehen sein. Im letzteren Fall erzeugt die auf die konische Abdeckplatte wirkende Fliehkraft eine Vektorkomponente, die eine einer axialen Rückwärtsverschiebung der Schaufeln relativ zur Laufradscheibe entgegenwirkende Reaktionskraft bildet. Die Verschlußplatte 18 und/oder die Foim der SchaufelfüBe und der sie aufnehmenden Haltenuten der Laufradschei-

be können so abgewandelt werden, daß sie geeignete, unerwünschten Axialverschiebungen der Schaufeln relativ zur Laufradscheibe entgegenwirkende Reaktionskräfte erzeugen, d. h. falls die von der Abdeckplatte erzeugte Reaktionskraft auf die Schaufeln die nach hinten gerichtete Kraftkomponente der auf die Schaufeln wirkenden aerodynamischen Kräfte übersteigt, kann die Verschlußplatte 18 so modifiziert werden, daß sie eine nach hinten wirkende Reaktionskraftkomponente auf die Schaufeln ausübt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dichtungsanordnung zwischen zwei gemeinsam umlaufenden, jeweils scheibenförmigen und durch Haltemittel in gegenseitiger axialer Anlage gehaltenen Maschinenteilen, zwischen denen eine gewisse relative Radialbewegung zulässig ist, mit einem zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der beiden Maschinenteile angeordneten flexiblen Dichtungselement, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement als tellerfederartiger konischer Dichtungsring (25) ausgebildet ist, der mit seinem im Durchmesser größeren axialen Ende an der Stirnseite (23) eines der beiden Maschinenteile (10) axial abgestützt und außerdem an einer radial einwärts weisenden Radialschulterfläche (24) dieses Maschinenteils radial abgestützt ist, und der so gestaltet und bemessen ist, daß der Flächenschwerpunkt seines Ringquerschnittprofils in Richtung zum anderen Maschinenteil (12) hin axial mit Bezug auf die Berührungslinie (P)zv/ixhen dem Dichtungsring und der Radiäischuiterfläche versetzt liegt

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (25) im Bereich seines im Durchmesser größeren axialen Endes an seiner dem genannten einen radialen Maschinenteil (10) zugewandten Stirnfläche mit einer konzentrischen Ringnut (26) versehen ist, in welche ein mit der Stirnseite (23) dieses einen Maschinenteils zusammenwirkender verformbarer torusförmiger Hilfsdichtungsring (27) eingelegt ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rad»?' äußere Nutwandung der im Dichtungsring (25) gebildeten Ringnut (26) als sich zur Stirnseite (23) de* genannten einen Maschinenteils (10) hin konisch erweiternde Ringfläche ausgebildet ist

4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Querschnittsmittelpunkt des Hilfsdichtungsringes (27) verlaufende Normale zu der konischen äußeren Nutwandung in Richtung zum anderen Maschinenteil (12) hin seitwärts von der Berührungslinie (P) zwischen dem Dichtungsring und der Radialschulterfläche versetzt verläuft.

5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel am Umfangsbereich eines (10) der beiden Maschinenteile angeordnete und den Umfangsbereich (22) des jeweils anderen Maschinenteils (12) übergreifende, mit gegenseitigen Umfangsal ständen angeordnete hakenartige Vorsprünge (19) aufweisen.