DE3009863C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung für die Laufschaufelspitzen einer Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Dichtungsanordnung ist aus der DE-OS 25 56 519 bekannt.

Eine Axialströmungsmaschine weist im allgemeinen eine oder mehrere Schaufelreihen auf, die in enger radialer Beziehung innerhalb eines äußeren Mantels oder Gehäuses drehbar angeordnet sind. Bei einer Turbine leisten die axial in dem Gehäuse strömenden Antriebsgase Arbeit, um die Schaufelräder zu drehen, und bei einem Verdichter oder Fan werden die in dem Gehäuse strömenden Gase durch die an dem Gas Arbeit ausführenden Schaufeln verdichtet. In jedem Fall ist es aus Gründen des Wirkungsgrades erwünscht, daß die Spitzen der Schaufeln einen kleinstmöglichen Abstand von dem Gehäuse haben, um den Spaltverlust zu verringern. Selbstverständlich ist es außerdem erforderlich, jedwede nennenswerte Störung zwischen den rotierenden Schaufeln und dem stationären Gehäuse zu verhindern.

Eine Lösung, die üblicherweise benutzt wird, besteht darin, ein abschleifbares Material, wie beispielsweise ein Wabenzellmaterial od. dgl., innerhalb des die Schaufeln umgebenden Gehäuses anzuordnen und einen kleinen Spalt zwischen diesen Teilen herzustellen. Bei mechanischer und thermischer Ausdehnung sind die Schaufeln bestrebt, sich etwas in das abtragbare Material einzuschleifen. Selbst nach der Bildung einer "Nut" kommt es jedoch wegen des relativen mechanischen und thermischen Wachstums zwischen den rotierenden Schaufeln und dem stationären Gehäuse noch zu gelegentlichem Anlaufen der Schaufeln, welches Kräfte auf die Schaufeln oder Fanschaufeln überträgt. Da die Schaufeln verwunden sind, sind die Schaufelspitzen ebenfalls in einem Winkel zur Drehachse angeordnet. Wenn ein Anlaufen der Schaufeln auftritt, wird daher eine resultierende Kraft auf die Schaufeln übertragen, die sowohl tangentiale als auch axiale Komponenten hat. So weit die Reibungskräfte eine axiale Richtung haben, sind sie bestrebt, die Schaufeln aus ihren Schwalbenschwanzschlitzen axial hinauszudrücken. Wenn die Reibwirkung stark genug ist, können diese Axialkräfte bewirken, daß die Schaufeln tatsächlich aus ihren Schwalbenschwanzstellungen herausgedrückt werden, wodurch es zu starker Beschädigung der Strömungsmaschine kommt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die axiale Komponente der resultierenden Reibkraft, die bei jedem Reibeingriff auf eine Schaufel ausgeübt wird, wesentlich verkleinert oder ganz eliminiert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß, wenn eine erfindungsgemäß ausgestaltete Laufschaufelspitze an dem Gehäusering reibt, die auf die Schaufel einwirkenden Kräfte im wesentlichen in tangentialer oder Umfangsrichtung liegen. Dadurch wird insbesondere vermieden, daß die Schaufeln sich in dem Sitz der Läuferscheibe lockern.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Fan- und Gehäuseanordnung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Spitzenteils einer der Schaufeln,

Fig. 3 schematisch die Schaufelspitze gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4 eine Ansicht der Schaufelspitze längs der Linie 4-4 von Fig. 3.

Fig. 1 zeigt an der Stelle 10 die Erfindung in Verbindung mit den Spitzen 11 von Flügelprofilteilen oder Fanschaufeln 12, die in einem Kranz in gegenseitigem Umfangsabstand innerhalb eines umgebenden Mantels oder Gehäuses 13 angeordnet sind. Die Schaufeln 12 sind in der Nabe eines Läufers 14 mittels Haltevorrichtungen, die sie sowohl radial als auch axial innerhalb des Läufers 14 halten, einzeln befestigt. An dem vorderen Ende des Läufers 14 ist eine Nabenhaube 16 befestigt. Tangential von jeder Seite der Schaufeln 12 aus erstreckt sich in Spannweitenmitte ein Mantelringsegment 15, welches die benachbarte Schaufel berührt, so daß örtliche Schwingungsbeanspruchungen verhindert werden.

Das Gehäuse 13, das den Kranz der Schaufeln 12 konzentrisch umgibt, bildet die äußere Begrenzung des Luftstroms durch die Schaufeln 12. Der minimale radiale Abstand zwischen der Innenfläche des Gehäuses 13 und den Spitzen 11 der Schaufeln 12 ist möglichst gleich über den gesamten Umfang, so daß wenig oder keine Luftleckage zwischen diesen Teilen auftritt. Zum Erreichen eines engen Spaltes und für gelegentliches Anlaufen zwischen Schaufel und Gehäusewand ist ein relativ weiches, abschleifbares Material 17, wie beispielsweise ein Wabenzellgebilde od. dgl., auf der Innenfläche des Gehäuses 13 gegenüber den Schaufelspitzen 11 angeordnet.

Bezweckt wird, gelegentliche Reibungen der Schaufelspitzen 11 an dem abschleifbaren Material 17 zu gestatten, damit dadurch Umfangsnuten in das abschleifbare Material eingeschnitten werden und eine Abdichtung geschaffen wird, die einen axialen Luftstrom zwischen diesen Teilen minimiert.

Gemäß Fig. 2 ist bei der Schaufel 12 der Hauptteil auf der Saugseite 18 und der Druckseite 19 konvex bzw. konkav. An dem radial inneren Ende der Schaufel 12 ist eine T-förmige Plattform 21 befestigt, die in einen Schwalbenschwanzschlitz der Scheibe eingesetzt wird. An dem radial äußeren Ende der Schaufel 12 hat die Spitze 11 mehrere Zahnungen oder Zähne 22, die in ihr durch prismatische Ausnehmungen 23 auf der Schaufeldruckseite 19 gebildet sind. Die Zähne 22 haben jeweils eine Fläche (Längswand) 24 und eine andere Fläche (Vorderwand) 26, die sich in bezug auf die Läuferdrehachse radial oder in bezug auf die Schaufel selbst in Längsrichtung erstrecken. Die Ausnehmungen 23 werden zusätzlich durch eine Bodenwand 25 begrenzt. Es sei angemerkt, daß die Übergangsecke 27 zwischen benachbarten Zähnen 22 vorzugsweise abgerundet ist, damit die Konzentration von Spannungen in diesem Bereich verringert wird. Die Umfangstiefe und die radiale Tiefe der Ausnehmungen 23 wird durch die Festigkeits- und Leistungserfordernisse der jeweiligen Anlage bestimmt. Ein wesentliches Merkmal ist hier die gewünschte Ausrichtung der Längswand 24 und der Vorderwand 26 der Zähne 22 in bezug auf die Läuferdrehachse, da diese Zähne an der Innenfläche des umgebenden Gehäuserings reiben.

Gemäß den Fig. 3 und 4 dreht sich eine Schaufelspitze 11, an der mehrere derartige Zähne 22 gebildet sind, in der angegebenen Richtung. Es ist klar, daß, wenn eine solche Schaufelspitze an dem umgebenden Gehäuse reibt, die Zähne 22 selbst die Berührung herstellen, da sich ihre Scheitel in der gezeigten Drehrichtung erstrecken. Bei einem Reibvorgang werden daher Kräfte über die Längswand 24 und die Vorderwand 26 der Zähne auf die Schaufel 12 übertragen. Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung sollen möglichst alle Axialkomponenten der auf die Schaufeln ausgeübten Kraft eliminiert oder minimiert werden.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Längswand 24 jedes Zahns 22 etwa in Richtung der Läuferdrehachse oder, anders ausgedrückt, senkrecht zu der Drehrichtung angeordnet. Wenn diese Fläche 24 dann an dem äußeren Gehäuse reibt, werden sämtliche Reaktionskräfte normal zu der Drehachse sein. Es werden daher keine Axialkräfte durch das Reiben dieser Fläche an dem Gehäuse auf die Schaufel 12 übertragen. Die Vorderwand 26 jedes Zahns 22 kann normal zu der Längswand 24 gerichtet sein, in welchem Fall sie nicht an dem Gehäuse reiben sollte und daher irgendwelchen Reaktionskräften nicht ausgesetzt sein sollte. Es ist jedoch vorzuziehen, diese Fläche 26 etwas um einen Winkel R zu versetzen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, so daß sie tatsächlich hinter der Zahnlängswand 24 verborgen ist, wodurch sichergestellt wird, daß sie nicht an der Gehäusewand reibt. Auf diese Weise wird die einzige Fläche, die reiben wird, die der Zahnvorderwände 24 sein, und deren Ausrichtung ist so gewählt, daß die einzigen Kräfte, die übertragen werden, Kräfte in Umfangsrichtung sind. Zum Verringern der Möglichkeit, daß der nicht zum Zahn gehörige Teil 28 der Spitze 11 an dem Gehäuse reibt, sollte dieser Teil angefast werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Der Winkel α der Anfasung kann selbstverständlich so gewählt werden, daß er für eine besondere Anlage geeignet ist.

Bezüglich des Winkels R in Fig. 3 hat es sich gezeigt, daß er insgesamt in dem Bereich von 1,5-10° liegen sollte. Insbesondere kann dieser Winkel R in Abhängigkeit von einem Winkel Φ geeignet gewählt werden, wobei Tangens Φ im wesentlichen gleich folgendem Quotienten ist:

Vorzugsweise sollte der Winkel R den Winkel Φ um wenigstens 1° übersteigen.

Claims (3)

1. Dichtungsanordnung für die Laufschaufelspitzen einer Strömungsmaschine, wobei die Laufschaufelspitzen von einem abschleifbaren Gehäusering im radialen Abstand umgeben sind und die Profilsehne der Laufschaufelspitzen schräg zur Läuferdrehachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß an derjenigen Fläche der Laufschaufelspitze, die in Umlaufrichtung weist, mehrere prismatische Ausnehmungen (23) vorgesehen sind, deren eine Fläche (24) mit ihren Flächennormalen etwa in Umfangsrichtung und deren andere Fläche (26) mit ihrer Flächennormalen etwa in Richtung der Läuferdrehachse weist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen (24, 26) der Ausnehmungen (23) einen Winkel von weniger als 90°C einschließen und der Ergänzungswinkel ( R ) zu 90° im Bereich von 1,5 bis 10° liegt.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ergänzungswinkel ( R ) in Abhängigkeit von einem Winkel ( Φ ) gewählt ist, dessen Tangens gleich dem folgenden Quotienten ist: