DE69701332T2

DE69701332T2 - Labyrinthträgerscheibe mit einer eingebauten Versteifung für Turbomaschinenrotor

Info

Publication number: DE69701332T2
Application number: DE69701332T
Authority: DE
Inventors: Frederic Chambon; Patrick Didier Michel Lestoille; Jacques Henri Mouchel; Jean-Claude Taillant
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: FR2744761A1; CA2196642A1; FR2744761B1; US5816776A; DE69701332D1; EP0789133B1; EP0789133A1; CA2196642C

Description

Diese Erfindung betrifft Turbomaschinen wie z. B. Axialturbotriebwerke, bei denen Labyrinthdichtungsvorrichtungen verwendet werden, um Hohlräume, die Luft und/oder Öl enthalten, voneinander zu trennen. Dies gilt insbesondere für die Labyrinthvorrichtung, die vor der Hochdruckturbine befestigt ist.
Bezugnehmend auf Fig. 1 ist in der technischen Definition von Turbomaschnien, bei denen Luftströme mit unterschiedlichen Drücken und Temperaturen zum Einsatz kommen, die Verwendung von Dichtungsvorrichtungen zwischen Hohlräumen, die Luft und/oder Öl enthalten, vorgesehen. Dies betrifft die Labyrinthträgerscheibe 2, die sich vor der Hochdruckturbine 1 befindet und in der Bahn eines Teils des Mantelstroms in Höhe der Brennkammer angeordnet ist. Dieses Teil unterliegt, so wie es angeordnet ist, extrem hohen mechanischen Belastungen, insbesondere durch die Zentrifugalkraft, da es an dem Rotor angebracht ist. Hinzu kommt eine problematische Umgebung, da die dieses Teil umströmende Luft recht oxidierend wirkt und sehr hohe Temperaturen herrschen. Ferner können noch sehr belastende Vibrationserscheinungen hinzukommen, die beim Übergang in bestimmte Drehzahlbereiche auftreten, wobei bei Teilen der sich drehenden Ausrüstung Resonanzen ausgelöst werden.
Aus diesen Gründen ist dieses Bauteil, auch vorderes Labyrinth der Hochdruckturbine genannt, eines der am schwierigsten zu bemessenden Teile. Dieser Vorgang kann auch dazu führen, daß es eine nicht ausreichende Lebensdauer aufweist, oder daß seine thermischen Eigenschaften eingeschränkt sind.
In Fig. 1 ist zu erkennen, daß diese Labyrinthträgerscheibe 2 aus mehreren Teilen besteht, wobei das Labyrinth selbst zum großen Teil dem Pfeil mit der Bezugszahl 2 gegenüber liegt. Die Lippen dieses Labyrinths sitzen auf einer Scheibe 3, die sich nach oben in einer Wölbung 4 fortsetzt, die sich in Anlage an einer hinteren Fläche 5 der Rotorscheibe 8 befindet, an welcher dieses Bauteil befestigt ist. Bei vielen heutigen Turbotriebwerken erfolgt diese Befestigung mittels Bolzen 6, die durch den inneren Teil dieses in einer inneren Versteifung 7 endenden Bauteils gesteckt sind.
Ferner ist festzustellen, daß diese Befestigung durch Verbolzen sich nicht günstig auf die Erhöhung der Lebensdauer dieses gesamten Bauteils auswirkt.
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, die Form dieses Bauteils, d. h. der Labyrinthträgerscheibe und ihrer Befestigungsvorrichtung an der Rotorscheibe 8 der Hochdruckturbine zu verbessern.
Ferner ist aus US-A-5 236 302 oder aus EP-A-0 463 955 eine Labyrinthträgerscheibe für Turbomaschinenrotoren bekannt, die aus
- einem Hauptscheibenkörper,
- einem in dem Scheibenkörper eingebauten Labyrinth,
- einer Wölbung, die in der äußeren Verlängerung des Scheibenkörpers angeordnet ist und an der Vorderseite des Rotors anliegt, und
- Mitteln zur Befestigung der Labyrinthträgerscheibe an dem Rotor sowie einer Hauptversteifung, die in dem Scheibenkörper direkt innerhalb des Labyrinths eingebaut ist, besteht.
Ferner geht aus US-A-5 236 302 hervor, daß die Wölbung einen oberen, in radialer Richtung relativ langen Teil des Scheibenkörpers bildet, wobei ihre Hinterseite in Achsrichtung auf der Höhe des hinteren Endes der Hauptversteifung angeordnet ist.
Gemäß dieser Erfindung ist die Wölbung leicht ausgebaucht, bestehen die Befestigungsmittel aus Befestigungsbolzen, die in Befestigungslöchern sitzen, die im unteren Teil des Scheibenkörpers, innen und vor der Hauptversteifung ausgeführt sind, weist die Wölbung der Labyrinthträgerscheibe Rippen auf, die an der Hinterseite des Scheibenkörpers angeordnet sind, und ein Teil der Hinterseite der Wölbung dient dann über die Rippen als axialer Anschlag.
Die Erfindung und ihre verschiedenen technischen Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung mit fünf Figuren näher hervor, wobei
Fig. 1 in einem Halb-Längsschnitt einen Teil eines Turbotriebwerks nach dem bisherigen Stand zeigt,
Fig. 2 im Halbschnitt einen Teil eines Turbotriebwerks mit eingebauter Erfindung zeigt,
Fig. 3 im Schnitt eine erste Variante der erfindungsgemäßen Labyrinthträgerscheibe zeigt,
Fig. 4 im Schnitt eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Labyrinthträgerscheibe zeigt, und
Fig. 5 im Schnitt eine dritte Variante der erfindungsgemäßen Labyrinthträgerscheibe zeigt.
Die Labyrinthträgerscheibe dieser Erfindung ist im wesentlichen an der gleichen Stelle angeordnet wie die Labyrinthträgerscheibe von Fig. 1.
Sie besteht ganz allgemein aus einem Scheibenkörper 13, der das sich radial erstreckende Traggerüst dieses Bauteils bildet. Der innere Teil dieses Scheibenkörpers 13 endet mit einer sich radial erstreckenden Versteifung 9, die weniger bedeutend ist als die von Fig. 1 mit der Bezugszahl 7.
Das Labyrinth 10 der Labyrinthträgerscheibe setzt sich aus zwei Teilen zusammen, die jeweils mehrere Lippen aufweisen, die in tangentialen Kontakt mit den Reibungsteilen 16 kommen, die an einem Festteil 17 befestigt sind, welches an dem Stator im Inneren und am Auslaß der Brennkammer 20 angebaut ist.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Gesamtanordnung durch den inneren Teil, d. h. durch den Bügel, der sich über der inneren Versteifung 9 befindet, an dem Rotor befestigt, der durch die sich radial erstreckende Scheibe 8 dargestellt ist. Die dargestellten Befestigungsmittel sind Bolzen 6, die in Löchern der inneren Versteifung 9 sitzen.
Der Scheibenkörper 13 setzt sich in einem mittleren Teil fort, der Durchlässe 11 und untere Öffnungen 15 aufweist, durch die der Kühlungsluftstrom für den vorderen Teil und den hinteren Teil der Labyrinthträgerscheibe gelangen kann.
Erfindungsgemäß wird der äußere Teil der Labyrinthträgerscheibe 12 von der Wölbung 14 gebildet, die den Scheibenkörper 13 fortsetzt und mit einem äußeren Ende 18 an der Vorderseite 19 des Rotors in Anlage kommt. Diese Wölbung 14 ist etwas weniger gewölbt als die von Fig. 1.
Daraus geht hervor, daß die Dichtigkeit zwischen dem Raum des Turbotriebwerks, der sich im Inneren des von den Brennkammern 20 umgrenzten Raums befindet, und dem Einlaß der Hochdruckturbine 1, die mit einem Schaufelblatt 21 ihrer ersten Stufe dargestellt ist, hergestellt wird. Der Mantelstrom kann jedoch durch Durchlässe 11 von der Vorderseite der Labyrinthträgerscheibe 12 zu ihrer Hinterseite 22 gelangen.
Es ist festzustellen, daß die Versteifung 9 eine verkleinerte Form hat. Hingegen ist in der Mitte der Labyrinthträgerscheibe 12, d. h. über dem Scheibenkörper 13 eine Hauptversteifung 23 vorgesehen. Sie ist dergestalt geformt, daß sie einen Ringwulst bildet, der direkt unterhalb der Labyrinthlippen 10 unter den Durchlässen 11 über die Hinterseite 22 der Labyrinthträgerscheibe 12 hinausragt. Ihr hinteres Ende befindet sich in Längsrichtung auf gleicher Höhe mit dem hinteren Ende der Hinterseite 22 der Wölbung 14. Ferner sind untere Öffnungen 15 so vorgesehen, daß ein relativ geringer Teil des Kaltluftstroms, der von dem Bereich vor der Labyrinthträgerscheibe zu dem Bereich hinter der Labyrinthträgerscheibe strömt, unter dieser Hauptversteifung 23 und um sie herum von dieser zu der Vorderseite 19 der Rotorscheibe 8 gelangen kann. Mit einem solchen Kaltluftstrom kann diese Hauptversteifung 23 und die Hinterseite 22 der Labyrinthträgerscheibe 12 gekühlt werden. Die beiden Frischluftmengen, die durch die Durchlässe 11 und die unteren Öffnungen 15 strömen, vereinen sich hinter der Labyrinthträgerscheibe 12 an der Hinterseite 22 der Wölbung 14, um dann zwischen den Befestigungszähnen 24 wieder aufzusteigen. Auf diese Weise kühlen sie die gesamte Hinterseite dieser Gesamtanordnung, die die Labyrinthträgerscheibe darstellt. Sie erreichen den Scheibenkörper der Rotorscheibe 8 und vereinen sich mit den Kühlungskreisen der Schaufeln 21 und der Befestigungshülsen dieser Schaufeln.
Diese Hauptversteifung 23 stellt das Hauptelement für den mechanischen Halt der Labyrinthträgerscheibe 12 dar. Sie trägt dazu bei, daß innere Versteifung 9 kleiner sein kann und die Labyrinthträgerscheibe 12 und insbesondere die Wölbung 14 insgesamt kleiner bemessen sein kann. Es ist zu bemerken, daß letztere eine etwas weniger stark gewölbte, aber leicht zur Hinterseite der Labyrinthträgerscheibe 12 hin verschobene Form haben kann, so daß sie mit der Vorderseite 19 der Rotorscheibe 8 fast in tangentialen Kontakt kommt.
Die allgemeine Flexibilität des Scheibenkörpers 13 der Labyrinthträgerscheibe 12 bleibt dadurch erhalten, daß diese Hauptversteifung 23 leicht nach hinten verschoben ist. Indem diese Hauptversteifung 23 sich näher an den Funktionselementen der Labyrinthträgerscheibe 12, d. h. an den Labyrinthen 10 selbst befindet, wird ein besserer mechanischer Halt dieser Laby rinthe gewährleistet. Zudem wird durch diese Hauptversteifung 23 die Wärmereaktionszeit der Labyrinthträgerscheibe 12 erhöht, da sie sich in deren mittleren Teil befindet. Durch sie werden die radialen Verschiebungen der Labyrinthträgerscheibe 12 gegenüber der Rotorscheibe 8 der Turbine verträglicher gestaltet und auf diese Weise die Kräfte verringert, die auf die oberen Stützmittel der Labyrinthträgerscheibe 12 einwirken. Diese Mittel stellen im übrigen einen Teil der Mittel zur Befestigung der Labyrinthträgerscheibe 12 an dem Rotor dar.
Diese können im äußeren Teil nämlich aus Befestigungszähnen 24 bestehen, die an der Hinterseite 22 der Labyrinthträgerscheibe 12 und insbesondere an dem äußeren Teil der Wölbung 14 angeordnet sind. Diesen gegenüber befinden sich an der Vorderseite 19 der Rotorscheibe 8 Befestigungszähne 25 eines Bajonettverriegelungssystems, deren Anzahl der Zahl der Befestigungszähne 24 der Labyrinthträgerscheibe 12 entspricht. Auf diese Weise kann die Labyrinthträgerscheibe 12, sobald sie sich radial und axial in ihrer Position befindet, um eine halbe Teilung der Befestigungszähne 24 und 25 gedreht werden und dadurch hinter den Befestigungszähnen 25 des Bajonettverriegelungssystems verriegelt werden.
Die axiale Positionierung der Labyrinthträgerscheibe 12 zur Rotorscheibe 8 wird über die Hinterseite 22 des Scheibenkörpers 13 und der Wölbung 14 gewährleistet. Bei der in Fig. 2 dargestellten Lösung sind an der Hinterseite 22 der Wölbung 14 zu deren Versteifung Rippen 26 angeordnet. Sie liegen an der Hinterseite 22 der Rotorscheibe 8 an und bilden auf diese Weise axiale Anschläge. Wie bereits erwähnt, kann die Labyrinthträgerscheibe 12 mittels eines Systems von Bolzen 6 in ihrem inneren Teil befestigt werden.
An der Vorderseite 19 der Rotorscheibe 8 können direkt unterhalb der Befestigungszähne 25 des Bajonettverriegelungssystems radiale Anschläge 27 dergestalt vorgesehen werden, daß sie an der Außenseite der Befestigungszähne 24 der Labyrinthträgerscheibe 12 in Anlage kommen. Die radialen Anschläge 27 befinden sich nur dann den Befestigungszähnen 24 gegenüber, wenn sich das Bauteil in Verriegelungsstellung in dem Bajonettverriegelungssystem befindet.
Bei dieser Ausführung ist kein anderes Befestigungssystem zweckmäßig. Auf diese Weise wird die Möglichkeit eines Befestigungshakens in Höhe der Hinterseite 22 des Scheibenkörpers 13 oder der Wölbung 14 vermieden.
Bei dieser Ausführung wird ein Teil der radialen Lasten von den radialen Anschlägen 27 aufgenommen, ein Teil von der Hauptversteifung 23 aufgenommen und ein geringer Teil auf die Bolzen 6 übertragen.
In Fig. 3 ist eine erste Variante der erfindungsgemäßen Labyrinthträgerscheibe dargestellt. Hier wird die Verwendung von Löchern. 30 gezeigt, die sich über der Basis 31 der Hauptversteifung 33 befinden, welche die alleinige ist und daher etwas länger ausgeführt ist, sich jedoch noch immer genau unterhalb des Labyrinths 10 befindet. Außerdem beschränkt sich das Bajonettverriegelungssystem auf eine einzige Reihe von Zähnen 34 auf der Labyrinthträgerscheibe 32, da diese sowohl als Befestigungszähne dienen, indem sie sich hinter die Befestigungszähne 35 des Bajonettverriegelungssystems der Rotorscheibe 38 setzen, und dank ihrer geneigten Seiten in Kombination mit den entsprechenden geneigten Seiten der Befestigungszähne 35 der Rotorscheibe 38 zugleich als radiale Anschläge dienen. Diese Befestigungszähne 34 der Labyrinthträgerscheibe 32 sitzen vorzugsweise im oberen Teil von Rippen 36.
Die in Fig. 4 dargestellte zweite Variante weist die gleichen Löcher 30 in der Hauptversteifung 33 auf. Das in Fig. 2 dargestellte Befestigungssystem ist hingegen das gleiche. Mit anderen Worten, es wird zur Bildung des Bajonettverriegelungssystems der gleiche Satz Befestigungszähne 24 auf der Labyrinthträgerscheibe 42 verwendet, der im Anschluß mit den Befestigungszähnen 25 der Rotorscheibe 8 angeordnet ist. Im äußeren Teil der Rippen 26 sind radiale Anschläge 28 vorgesehen und im Anschluß mit den Anschlägen 27 der Rotorscheibe 8 angeordnet.
In Fig. 5 ist eine dritte Variante dargestellt, bei der ebenfalls die alleinige Hauptversteifung 33 verwendet wird, die verlängert ist, um zu beiden Seiten der Versteifungsscheibe 52 Löcher 32 vorzusehen. Bei dieser Version sind die radialen Anschläge 58 gegenüber dem Befestigungssystem weiter außen angeordnet. Sie befinden sich gegenüber Anschlagflächen 59 der Rotorscheibe 8. Die axiale Befestigung erfolgt mittels eines Bajonettbefestigungssystems in Höhe der Rippen 56. Dabei werden Zähne 54 eingesetzt, die in Eingriff mit entsprechenden Zähnen des Bajonettverriegelungssystems 55 der Rotorscheibe 8 kommen.
Bei allen diesen Ausführungen ist die Bemessung dieser Gesamtanordnung, die die Labyrinthträgerscheibe bildet, in ihrer Konzeption weniger schwierig und ermöglicht längere Lebensdauer.
Die Betriebseigenschaften eines solchen Bauteils erlauben dank der Verteilung der Massen, die die Wärme speichern, und des Belüftungssystems für diese Gesamtanordnung, die die Labyrinthträgerscheibe bildet, viel härtere thermomechanische Bedingungen.

Claims

1. Labyrinthträgerscheibe (12, 32; 42, 52, 62) für Turbomaschinenrotoren, bestehend aus:

- einem Hauptscheibenkörper (13, 63),

- einem in dem Scheibenkörper (13) eingebauten Labyrinth (10),

- einer Wölbung (14, 64), die in der äußeren Verlängerung des Scheibenkörpers (13, 63) angeordnet ist und an der Vorderseite (19) der Scheibe (8, 38, 58, 68) des Rotors anliegt,

- Mitteln zur Befestigung der Labyrinthträgerscheibe (12, 32; 42, 52, 62) an der Scheibe (8) des Rotors, und

- einer radialen Hauptversteifung (23, 33), die in dem Scheibenkörper (13, 63) direkt innerhalb des Labyrinths (10) eingebaut ist,

wobei die Wölbung (14, 64) einen oberen, in radialer Richtung relativ langen Teil des Scheibenkörpers (13, 63) bildet und ihre Hinterseite (22) in Achsrichtung auf der Höhe des hinteren Endes der Hauptversteifung (23, 33) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung leicht gewölbt ist, daß die Befestigungsmittel im unteren Teil des Scheibenkörpers (13) und vor der Hauptversteifung (23) aus Befestigungslöchern bestehen, die Befestigungsbolzen (6) aufnehmen sollen, daß die Wölbung (14, 64) Rippen (26, 56, 66) aufweist, und daß die Wölbung (14) über die Rippen (26) als axialer Anschlag dient.