DE2903656A1

DE2903656A1 - Vorrichtung zur aufprallkuehlung der dichtsegmente einer turbine eines turbinenstrahltriebwerks

Info

Publication number: DE2903656A1
Application number: DE19792903656
Authority: DE
Inventors: Jaques Louis Drouet; Marcel Joseph Tournere
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1979-01-31
Publication date: 1979-08-02
Also published as: FR2416345A1; GB2016606B; FR2416345B1; GB2016606A; DE2903656C2; US4222707A

Description

SOCIETE NATIONALE D¹ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION

Vorrichtung zur Aufprallkühlung der Dichtsegmente einer Turbine eines Turbinenstrahltriebwerks

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufprallkühlung der Dichtsegmente einer Turbine eines Turbinenstrahltriebwerks .

Bei bekannten Vorrichtungen werden die Dichtsegmente der Turbine durch relativ kalte Luft gekühlt, die aus einer stromauf gelegenen Stufe des Verdichters stammt oder der Kühlluft der Brennkammer entnommen ist. Die Luft tritt beispielsweise in einen zu den Dichtsegmenten konzentrischen Raum durch gleichmäßig verteilte Öffnungen ein, die in einem Radialsteg des Turbinengehäuses vorgesehen sind. Nach dem Austritt aus diesen Öffnungen prallt ein

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Teil der Luft auf die Wände des Turbinengehäuses, ein anderer Teil entweicht durch die Spalte zwischen dem Turbinengehäuse und dem Niederdruck-Leitapparat_/ und ein letzter Teil schließlich geht durch perforierte, im Abstand zu der Fläche der Dichtsegmente liegende Platten hindurch, um durch Aufprall die Dichtsegmente zu kühlen, bevor diese Luft dann in den Strömungsweg des Antriebsfluids gelangt.

Die Turbulenzen, die in dem zu den Dicht Segmenten konzentrischen Raum herrschen, stören jedoch das Abströmen der zur Kühlung der Dichtsegmente bestimmten Luft und behindern außerdem die Versorgung der durch die perforierten Platten führenden Löcher.

Erfindungsgemäß ist in den zu den Dicht segmenten konzentrischen Raum ein im wesentlichen kreisförmiger Reifen eingesetzt, der den Raum in zwei Kammern unterteilt, von denen die eine, die von dem Reifen und vom Turbinengehäuse begrenzt ist, von einem Teil der öffnungen mit Kühlluft versorgt wird, während die andere, die von dem Reifen und von den perforierten Platten begrenzt ist, von einem anderen Teil der öffnungen mit Kühlluft versorgt wird.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung weist der im wesentlichen kreisförmige Reifen in seinem stromauf gelegenen Abschnitt eine modellierte Form mit Wellen auf, deren Teilung so gewählt ist, daß ein Teil der Wellen diejenigen öffnungen zum Einlassen der Kühlluft umschreibt, die mit der von dem Reifen und vom Turbinengehäuse begrenzten Kammer in Verbindung stehen, während ein anderer Teil der Wellen diejenigen öffnungen

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umsehreibt, die mit der von dem Reifen und den perforierten Platten begrenzten Kammer in Verbindung stehen.

Das Vorhandensein dieses modellierten Reifens in dem zu den Dichtsegmenten konzentrischen Raum gestattet eine
Verminderung der Turbulenzen und gewährleistet daher eine bessere Versorgung der durch die Platten führenden Aufprallöffnungen, und zwar bei Aufrechterhaltung des vorteilhaften Kühleffekts, der sich durch den Aufprall der Luft auf die hintere Wand des im Turbinengehäuse vorgesehenen Raums ergibt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Besehreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt inFigur 1 einen Axialsehnitt durch eine Turbine, deren Dichtsegmente in bekannter Weise durch Aufprall gekühlt werden;

Figur 2 einen Axialsehnitt durch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäß verbesserten Vorrichtung zum Kühlen der DichtSegmente der Turbine, wobei die Sehnittebene durch den Boden einer Welle des unterteilenden, im wesentlichen kreisförmige Reifens hindurchgeht;

Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-II.I in
Figur 2;

Figur 4 einen Axialsehnitt der Ausführungsform nach
Figur 2, wobei die Sehnittebene durch die Spitze einer

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Welle des unterteilenden Reifens hindurchgeht; Figur 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Figur 4;

Figur 6 einen Axialschnitt durch eine Befestigungseinrichtung am stromabwärts gelegenen Ende des Reifens;

Figur 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Figur 6;

Figur 8 einen Axialschnitt durch eine andere Einrichtung zum Befestigen und Zentrieren des Reifens;

Figur 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX in Figur 8;

Figur 10 einen Axialschnitt durch ein Segment der Turbine, und zxvar auf der Höhe der Überlappungsstelle der beiden Enden des trennenden Reifens, der hier als unterbrochener Reifen ausgebildet ist;

Figur 11 einen Schnitt entlang der Linie XI-XI in Figur 10;

Figur 12 einen Schnitt entlang der Linie XII-XII in Figur 10;

Figur 13 einen geschnittenen Grundriß eines unterbrochenen Reifens;

Figur 14 eine vergrößerte Ansicht einer Einzelheit der Ausführungsform nach Figur 13.

Figur 1 zeigt eine Turbine eines Turbinenstrahltriebwerks mit einem Läufer I₃ der über eine Welle 2 an einen Verdichter angekuppelt ist und auf dera Laufschaufeln 3 der Turbine montiert sind. Letztere werden in Drehung versetzt

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unter der Wirkung einer Strömung von heißem Gas bzw. von einem Antriebsfluid, welches in Richtung des Pfeils Pl mittels einer Reihe stationärer Leitschaufeln 4 gegen die Laufschaufeln 3 gerichtet wird. Dabei verbindet die in

er Figur 1 dargestellte Welle 2 eine weit stromab liegende

Stufe der Turbine mit einem Niederdruckverdichter.

Nahe dem Ende der Laufschaufeln 3 sind rings herum Dichtsegmente 5 der Turbine angeordnet. Diese Dichtsegmente sind durch Plansche 7, 7a an einem Turbinengehäuse 6 befestigt. Sie werden durch relativ kalte Luft gekühlt, welche aus einer stromauf gelegenen Stufe des Verdichters kommt oder der Kühlluft der Brennkammer entnommen ist und in Richtung des Pfeils P2 in einem Ringkanal 8 strömt, der von dem Turbinengehäuse 6 begrenzt wird. Diese Luft tritt in einen Raum 9 ein, der innerhalb des Turbinengehäuses 6 außerhalb der Dichtsegmente 5 angeordnet ist, und zwar durch -gleichmäßig verteilte öffnungen 10, die in gleichmäßiger Verteilung durch einen Radialsteg 11 des Turbinengehäuses 6 hindurchführen. Nach dem Austritt aus den Öffnungen 10 trifft ein Teil der Luft auf die Wände am Boden 12 des innerhalb des Turbinengehäuses 6 angeordneten Raums 9, ein anderer Teil entweicht durch die Spalte zwischen dem Turbinengehäuse 6 und dem von den Leitschaufeln 4 gebildeten Leitapparat und ein letzter Teil schließlich tritt durch perforierte Platten 13 hindurch, um durch Aufprall die Dichtsegmente 5 zu kühlen, bevor dieser Teil der Luft durch einen Kanal lh in den Strömungsweg des Antriebsfluids gelangt.

Die Platten 13 weisen eine große Anzahl von klein dimensionierten öffnungen 15 auf und sind von der Außen-

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fläche 5a der Dichtsegmente durch einen Zwischenraum 16 getrennt ,welcher durch die Kanäle 14 mit dem Strömungsweg des Antriebsfluids verbunden ist.

Erfindungsgemäß und in Übereinstimmung mit den Figuren 2 bis 5 ist in den Raum 9 ein im wesentlichen kreisförmiger Reifen 17 eingesetzt, der diesen Raum in zwei Kammern unterteilt, von denen die eine Kammer 9a, die von dem Reifen 17 und dem Turbinengehäuse 6 begrenzt ist, mit Kühlluft durch einen Teil der öffnungen 10 versorgt wird, während die andere Kammer 9b, die von dem Reifen 17 und den perforierten Platten 13 begrenzt ist, mit Kühlluft aus dem anderen Teil der Öffnungen 10 versorgt wird. Diese Verteilung der öffnungen 10 auf die Kammern 9a und 9b wird dadurch err, ielt, daß man dem Reifen 17 in seinem stromauf gelegenen Abschnitt eine modellierte Form 17a gibt, wobei die Teilung der Wellen derart gewählt wird, daß die Hälfte der Öffnungen 10 (Figur 2,4,11 und 12) mit der Kammer 9a, die von dem Reifen 17 und dem Turbinengehäuse 6 begrenzt ist, in Verbindung tritt, während die andere Hälfte der öffnungen 10 mit der Kammer 9b, die von dem Reifen 17 und den perforierten Platten 16 begrenzt ist, verbunden wird. Die Verteilung der Kühlluft auf die Kammern 9a und 9b kann verändert werden, indem man den Wellen des modellierten Abschnitts 17a eine unterschiedliche Form oder Umfangotei lurir, gibt, und zwar derart, daß jede-der- insbesondere der K'iminer 9b zugehörige Welle mehr als eine öffnung 10 umschreibt. Es ist auf diese Weise möglich, die doppelte Luftmenge, verglichen mit der in die Kammer 9a gelieferten, den perforierten Platten 13 zuzuführen.

Der Reifen 17 stellt also eine bessere Versorgung der¹ für den Aufprall vorgesehenen öffnungen 15 sicher, wobei der vorteilhafte Kühleffekt, der aus dem Aufprall auf den Boden

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12 des Raumes 9 resultiert, beibehalten wird.

Die aus der Kammer 9b kommende Kühlluft passiert die Platten 13 durch die Öffnungen 15, prallt radial auf die Wand der Dicht Segmente auf und verläßt den Zwischenraum l6 durch die Kanäle lh (Figur 4).

Die auf den Boden 12 der Kammer 9a auftreffende Luft hingegen wird durch einen Strömungsweg abgezogen, der durch den Pfeil f wiedergegeben ist. Man muß daher einen Abstand zwischen dem stromab gelegenen, in einer Radialebene angeordneten Abschnitt des im wesentlichen kreisförmigen Reifens und dem Boden 12 des Raumes 9 einhalten (Figur 6 und 10). Hierzu weist der Reifen an seinem stromab gelegenen Ende einen ringförmigen, in einer Radialebene angeordneten Abschnitt 17b auf, der in Übereinstimmung mit der Ausführungsform nach Figur 2 und 4 angesetzt, oder, wie in Figur 6 und 8 gezeigt, direkt durch Umbördeln oder Ziehen ausgebildet sein kann. Zwischen diesem Abschnitt 17b und dem Boden 12 des Turbinengehäuses befindet sich ein Abstand, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, die in die Kammer 9a eingetretene Luft durch Öffnungen 2-4 abzuführen, und zwar durch Ausnehmungen oder Rinnen 23, die in den Dichtsegmenten ausgebildet sind.

In bestimmten Fällen ist es vorteilhaft, den Wellen des Reifens 17 eine solche Form zu geben, daß sie für die durch die Öffnungen 10 in die Kammer 9a eintretende Luft als Diffusor wirken, um auf diese Weise die Energie der auf den Boden 12 des Turbinengehäuses aufschlagenden Luftstrahlen zu vermindern und eine verbesserte Homogenität der Kühlung sicherzustellen.

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Der Reifen 17 besteht aus einem Material mit starker Dehnung, insbesondere aus einem dünnen Blech, welches derart verformbar ist, daß man diesen Reifen als ununterbrochenen Ring (Figur 2 und 3) erhält. Die Montage dieses Ringes erfolgt unter Verformung zum Einsetzen in den Raum 9 des Turbinengehäuses, bevor die Dichtsegmente 5 montiert werden.

Aufgrund dieser Verformbarkeit wird der Reifen 17 im stromauf gelegenen Bereich innerhalb des Turbinengehäuses durch Einpressen zwischen dem Turbinengehäuse und den Dichtsegmenten 5 der Turbine gehalten, wobei Hocker 18 auf der Spitze der Wellen mit dem Turbinengehäuse in Berührung stehen.

Am stromab gelegenen Ende wird der Reifen 17 von Winkelelementen 19 gehalten, die in bekannter Weise am Reifen befestigt sind und eingespannt zwischen dem Turbinengehäuse 6 und den Dicht Segmenten 5 liegen (Figur 6 und 7).

Die Zentrierung und die Lagesicherung des Reifens innerhalb des Raumes 9 lassen sich durch Zentrierelemente 20 der Dichtsegmente erzielen (Figur 8 und 9).

Diese Zentrierungselemente werden von einem quaderförmigen Abschnitt 20a und von einem zylindrischen Abschnitt gebildet Der quaderfcrmige Abschnitt 2 0a wirkt mit Ausnehmungen 21 zusammen, die in einem Flansch jedes Dichtsegments 5 vorgesehen sind. Der zylindrische Abschnitt greift zwischen zwei Winkelelemente 19 und 19a, die an dem Reifen befestigt sind, wie es bereits beschrieben wurde.

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Die Montage des Reifens 17 kann in bestimmten Fällen erleichtert werden, indem man den Reifen durchschneidet. Er besitzt dann die Form eines gerollten Elementes oder Bandes (Figur 13 und 14) mit zwei Enden 25 und 25a, die zur Erzielung der Abdichtung mit ihren Kanten aneinanderstoßend angeordnet werden, wie es die Ausführungsform nach Figur 5 zeigt.

Bei einer anderen Ausführungsform entsprechend den Figuren 10,11 und 12 sind die beiden Enden 25 und 25a des den Reifen 17 bildenden Elementes oder Bandes derart einander überlappend angeordnet, daß die Abdichtung zwischen den beiden Kammern 9a und 9b sichergestellt wird. Es besteht gleichermaßen die Möglichkeit, den Reifen 17 in Segmente zu unterteilen.

In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform, die in Figur 10 gestrichelt gezeigt ist, kann man auch zur Erleichterung der Montage des Reifens 17 das Turbinengehäuse 6 in zwei Elemente unterteilen, die mittels zusätzlicher Flansche 2 6 und 26a zusammengebaut sind.

Zusammenfassend schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Aufprallkühlen der Dichtelemente einer Turbine eines Turbinentriebwerks, wobei erfindungsgemäß der in einen Raum 9, welcher konzentrisch zu den Dicht Segmenten liegt, eintretende Kühlluftstrom in zwei gesonderte Ventilationskreise unterteilt wird, und zwar von einem im wesentlichen kreisförmigen Reifen 17, der eine Wellenform 17a mit in Strömungsrichtung abnehmender Amplitude aufweist. Die Erfindung umfaßt die Anwendung dieser Kühlung auf Turbinenstrahltriebwerke für die Luftfahrt.

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Claims

Γ »» - ■ ι ■

^r"' ' - · \-'^z 31 . Januar 1979

SOCIETE NATIONALE D¹ETUDE ET DE CONSTRUCTION DE MOTEURS D¹AVIATION (S.N.E.C.M.A.)
2, boulevard Victor

F-75015 Paris /Frankreich

PATENTANSPRÜCHE

l.j Vorrichtung zur Aufprallkühlung der Dichtsegmente einer Turbine eines Turbinenstrahltriebwerks durch relativ kalte Luft, die aus einer stromauf gelegenen Stufe des Verdichters stammt oder der Kühlluft der Brennkammer entnommen ist und durch Öffnungen eines Radialsteges des Turbinengehäuses in einen zu den Dichtsegmenten konzentrischen Raum geleitet wird, der begrenzt ist von dem Turbinengehäuse und von perforierten Platten, welche durch einen mit dem Strömungsweg des Antriebsfluids in Verbindung stehenden Zwischenraum von der Außenfläche der Dichtsegmente getrennt sind, dadurch gekennzeichnet,

daß in den zu den Dicht segmenten (5) konzentrischen Raum (9) ein im wesentlichen kreisförmiger Reifen (17) eingesetzt ist, der den Raum (9) in zwei Kammern (9a,9b) unter-

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teilt, von denen die eine (9a), die von dem Reifen (17) und vom Turbinengehäuse (6) begrenzt ist, von einem Teil der öffnungen (10) mit Kaltluft versorgt wird, während die andere (9b), die von dem Reifen (17) und von den perforierten Platten (13) begrenzt ist, von einem anderen Teil der Öffnungen (10) mit Kühlluft versorgt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der im wesentlichen kreisförmige Reifen (17) in seinem stromauf gelegenen Abschnitt eine modellierte Form (17) mit Wellen aufweist, deren Teilung so gewählt ist, daß ein Teil der Wellen diejenigen Öffnungen (10) zum Einlassen der Kühlluft umschreibt, die mit der von dem Reifen (17) und vom Turbinengehäuse (6) begrenzten Kammer (9a) in Verbindung stehen, während ein anderer Teil der Wellen diejenigen öffnungen (10) umschreibt, die mit der von dem Reifen (17) und den perforierten Platten (13) begrenzten Kammer (9b) in Verbindung stehen..
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen dem" stromab gelegenen, in einer Radialebene angeordneten Abschnitt (17b) des im wesentlichen kreisförmigen Reifens (17) und dem Boden (12) des Turbinengehäuses (6) ein Durchlaß zum Abzug der Kühlluft vorgesehen ist»
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Reifen (17) an seinem stromauf gelegenen Abschnitt

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zwischen dem Turbinengehäuse (6) und den Dichtelementen (5) eingepreßt gehalten wird.
5- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen (17) in seinem stromauf gelegenen Abschnitt Hocker (18) trägt, die mit dem Turbinengehäuse (6) in Berührung stehen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen (17) an seinem stromab gelegenen Abschnitt (17b) mittels Winkelelementen (19) befestigt ist, die zwischen dem Turbinenrahmen (6) und den Dichtsegmenten (5) eingepreßt gehalten werden.
7- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Zentrierelemente (20) der Dichtsegmente (5) zum Zentrieren und drehfesten Lagesichern des Reifens (17) innerhalb des Raums (9)·
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierelemente (20) einen quaderförmigen Abschnitt (20a), der in eine Ausnehmung eines Flansches jedes Dicht Segmentes (5) eingreift, sowie einen zylindrischen Abschnitt aufweisen, der zwischen zwei Winkelelemente (19) greift.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen des modellierten Abschnitts (17a) des

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Reifens (17) derart geformt sind, daß sie einen Diffusor für die Kühlluft bilden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß der modellierte Reifen (17) in geschlossener Form aus einem Material mit hoher Dehnung hergestellt und durch Verformung montiert ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß der Reifen (17) von einem gerollten Element oder Band gebildet wird, dessen Enden (25,25a) derart angeordnet sind, daß sie einander überlappen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß der Reifen (17) von einem gerollten Element gebildet wird, dessen Enden (25,25a) mit den Kanten aneinanderstoßen .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß das Turbinengehäuse (6) aus zwei Teilen besteht, die durch Flansche (26,26a) miteinander verbunden sind.

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