-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Wärmestausegment
zum lokalen Abtrennen eines Strömungskanals
innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine,
insbesondere einer Gasturbinenanlage, gegenüber eines den Strömungskanal
radial umgebenden Statorgehäuses,
mit zwei axial gegenüberliegenden
Fügekonturen,
die jeweils in Eingriff mit zwei längs des Strömungskanals axial benachbarten Komponenten
bringbar sind, die zu den Fügekonturen
jeweils eine gegenkonturrierte Aufnahmekontur vorsehen, von denen
wenigstens eine Aufnahmekontur ein axiales Spiel aufweist, längs dem
die darin gefügte
Fügekontur
axial verschiebbar gelagert ist, wobei zwischen der axial verschiebbaren
Fügekontur und
der Aufnahmekontur wenigstens ein Dichtmittel vorgesehen ist.
-
Wärmestausegmente
der vorstehend bezeichneten Gattung sind Teil axial durchströmter Strömungsmaschinen,
durch die zur Kompression oder gezielten Expansion gasförmige Arbeitsmedien hindurchströmen und
aufgrund ihrer hohen Prozesstemperaturen die mit dem heissen Arbeitsmedien
unmittelbar beaufschlagten Anlagenkomponenten thermisch stark belasten.
Insbesondere in den Turbinenstufen von Gasturbinenanlagen werden
die in Lauf- und Leitschaufelreihen axial hintereinander angeordnete
Lauf- und Leitschaufeln mit den in der Brennkammer entstehenden
heissen Verbrennungsgasen unmittelbar beaufschlagt. Um zu verhindern,
dass die den Strömungskanal
durchströmenden
Heissgase nicht Bereiche innerhalb der Strömungsrotationsmaschine thermisch
belasten, die in den Strömungskanal
abgewandten Statorbereichen vorgesehen sind, sorgen sogenannte Wärmestausegmente,
die statorseitig zwischen jeweils zwei axial benachbart zueinander
angeordneten Leitschaufelreihen vorgesehen sind, für eine möglichst
Gasdichte brückenartige
Abdichtung zwischen zwei axial benachbart angeordneten Leitschaufelreihen.
Entsprechend konzipierte Wärmestausegmente
können
auch längs
der Rotoreinheit vorgesehen werden, die jeweils zwischen zwei axial
benachbarte Laufschaufelreihen rotorseitig angebracht sind, um mitrotierende
Rotorkomponenten vor einem zu hohen Wärmeeintrag zu schützen.
-
Gleichwohl
sich die nachstehenden Ausführungen
ausschliesslich auf Wärmestausegmente
beziehen, die zwischen zwei Leitschaufelreihen angeordnet sind und
insofern das statorseitige Gehäuse und
die damit verbundenen Komponenten gegenüber dem hitzebelasteten Strömungskanal
abzutrennen und entsprechend zu schützen vermögen, ist es auch denkbar, die
nachfolgenden Massnahmen an einem Wärmestausegment vorzusehen,
das dem Schutz mitrotierender Rotorkomponenten dient und zwischen
zwei axial benachbart zueinander angeordneten Laufschaufelreihen
einbringbar ist.
-
In 1 ist ein schematisierter Längsausschnitt
durch eine Gasturbinenstufe dargestellt, in dessen Strömungskanal
K radial von aussen mit einem Statorgehäuse S, dessen spezielle Ausgestaltung
im Weiteren keine weitere Bedeutung hat, verbundene Leitschaufeln 1 hineinragen.
-
Zwischen
zwei in Leitschaufelreihen benachbart angeordnete Leitschaufeln 1 ragt
mit einer nicht dargestellten Rotoreinheit verbunden, eine Laufschaufel 2,
die radial stirnseitig gegenüber
einem Wärmestausegment 3 beabstandet
ist, das mit der Leitschaufel 2 einen möglichst kleinen freien Zwischenspalt 4 einschliesst,
um Leckageverluste hinsichtlich Strömungsanteile des Heissgasstromes durch
den Zwischenspalt 4 möglichst
zu vermeiden. Hierzu weist die Laufschaufelspitze Dichtstrukturen 5 auf,
die gegenüber
sogenannten Abriebelementen 6 frei rotierend angeordnet
sind.
-
Um
zu vermeiden, dass heisse Verbrennungsgase im Bereich des Wärmestausegmentes 3, das
den Zwischenraum zwischen zwei axial zueinander benachbart angeordneten
Leitschaufeln 1, 1' brückenartig überspannt,
in den vom Strömungskanal
K radial abgewandten Bereich des Wärmestausegmentes 3 gelangen
können,
sieht das Wärmestausegment 3 zwei
axial gegenüberliegende
Fügekonturen 7, 8 vor,
die in entsprechende Aufnahmekonturen 9, 10 innerhalb
der Leitschaufelfüsse
axialwärts
einmünden.
-
Die
Aufnahmekontur 9 entspricht einer passgenau an die Fügekontur 7 gegenkonturriert
ausgeführten
nutförmigen
Ausnehmung, die im Fussbereich der Leitschaufel 1 eingearbeitet
ist. Die axial gegenüberliegende
Fügekontur 8 des
Wärmestausegmentes 3 ist
gleichfalls in eine entsprechend zur Aussenkontur der Fügekontur 8 gegenkonturriert
ausgeführte
Aufnahmekontur 10, die im Fussbereich der Leitschaufel 1' eingebracht
ist, eingefügt.
Die Aufnahmekontur 10 weist jedoch ein axiales Spiel 11 auf, so
dass die Fügekontur 8 bei
entsprechender betriebsbedingter, thermischer Ausdehnung des Wärmestausegmentes 3 axial
gleitend gelagert ist.
-
Zur
fluiddichten Abdichtung des Wärmestausegmentes 3 gegenüber den
jeweiligen Aufnahmekonturen 9, 10 in den Fussbereichen
der Leitschaufeln 1, 1' sind Dichtmittel 12, 13 zwischen
den Fügekonturen 7, 8 und
den zugehörigen
Aufnahmekonturen 9, 10 vorgesehen. Die Dichtmittel 12, 13 befinden sich
jeweils in einer nutförmigen
Ausnehmung 14 innerhalb der Fügekonturen 7, 8 (siehe
auch Detailldarstellung gem 2b des
Fügebereiches
zwischen der Fügekontur 8 und
der Aufnahmekontur 10). Die Dichtmittel 12, 13 sind
vorzugsweise aus einem elastischen Dichtmaterial in Form eines Rundstabes
gefertigt, überragen
teilweise die radial äussere
Begrenzungsfläche 16 und
schmiegen sich formbündig, zumindest
längs einer
Fügelinie
an den Oberflächenbereich 17 der
Aufnahmekontur 10 an. Durch die Dichtwirkung der Dichtmittel 12, 13 kann
einerseits vermieden werden, dass Heissgase aus dem Strömungskanal
K in die radial dem Strömungskanal
K abgewandten Bereiche zum Wärmestausegment 3 eindringen,
gleichfalls wird verhindert, dass statorseitig eingespeiste Kühlluft L
durch entsprechende Leckagestellen in den Strömungskanal K gelangen können. Wie
bereits eingangs erläutert,
dient das in der Ausnehmung 10 vorgesehene Spiel 11 für eine thermisch
bedingte Materialausdehnung längs
des Wärmestausegmentes 3,
wodurch die Fügekontur 8 samt dem
in ihr vorgesehenen Dichtmittel 12 eine in der Darstellung
ersichtliche rechte Position verschoben wird. Wird hingegen die
Gasturbinenstufe ausgeschaltet und die einzelnen Komponenten kühlen sich ab,
so kehrt die Fügekontur 8 samt
dem in ihr vorgesehenen Dichtmittel 12 in die ursprünglich Ausgangslage
zurück.
Es liegt auf der Hand, dass das Dichtmittel 12 durch die
thermisch bedingten Relativbewegungen zwischen der Aufnahmekontur 8 und
dem Oberflächenbereich 17 Materialabrieberscheinungen unterliegt,
die bei Überschreiten
einer maximal zulässigen
Toleranzgrenze zu einer verschleissbedingten Verminderung der Abdichtfunktion
des Dichtmittels führt,
so dass Kühlluft
L durch die sich einstellenden oder bereits vorhandenen Zwischenspalte
zwischen der Fügekontur 8 und
der Aufnahmekontur 10 entweichen kann. Dies führt nicht
nur zu einem erheblichen Kühlluftverlust,
wodurch die Kühlwirkung
drastisch verringert wird, gleichwohl besteht die Gefahr, dass Heissgase
auch in Bereiche eintreten können, die
den Strömungskanal
K bezogen zum Wärmestausegment 3 abgewandt
gelegen sind. Hinzu kommt, dass für gewöhnlich Dichtmittel eingesetzt werden,
die aus einem Gewebematerial bestehen, das bei zu hoher mechanischer
Reibebeanspruchung ausgedünnt
werden kann, wodurch die Dichtwirkung des Dichtmittels mit zunehmender
Betriebszeit abnimmt.
-
Darstellung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmestausegment zum lokalen
Abtrennen eines Strömungskanals
innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine,
insbesondere einer Gasturbinenanlage, gegenüber eines den Strömungskanal
radial umgebenden Statorgehäuses,
mit zwei axial gegenüberliegenden
Fügekonturen,
die jeweils in Eingriff mit zwei längs des Strömungskanals axial benachbarten
Komponenten bringbar sind, die zu den Fügekonturen jeweils eine gegenkonturrierte
Aufnahmekontur vorsehen, von denen wenigstens eine Aufnahmekontur
ein axiales Spiel aufweist, längs
dem die darin gefügte
Fügekontur
axial verschiebbar gelagert ist, wobei zwischen der axial verschiebbaren
Fügekontur
und der Aufnahmekontur wenigstens ein Dichtmittel vorgesehen ist,
derart auszubilden, dass das Dichtmittel keinerlei oder erheblich
geringere Abriebeigenschaften bedingt durch die thermisch verursachten
Materialausdehnungen und Schrumpfungen hervorgerufenen Relativbewegungen
zwischen der Fügekontur
und der Aufnahmekontur erfahren soll. Insbesondere gilt es Vorkehrungen
zu treffen, die den Verschleiss des Dichtmittels erheblich reduzieren, obgleich
die hierfür
zu treffenden Massnahme konstruktiv möglichst einfach auszuführen sind. Schliesslich
gilt es, die Wartungszyklen der wartungsunterworfenen Komponenten
am Wärmestausegment,
so insbesondere die Dichtmittel betreffend, entscheidend zu verlängern und
ihre Betriebssicherheit zu verbessern.
-
Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand
der Unteransprüche
und insbesondere der Beschreibung unter Bezugnahme auf das weitere
Ausführungsbeispiel
zu entnehmen.
-
Lösungsgemäss ist ein
Wärmestausegment gemäss den Merkmalen
des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass das
Dichtmittel innerhalb der Aufnahmekontur oder der Fügekontur derart
beweglich gelagert ist, dass das Dichtmittel gegen einen Oberflächenbereich
der Aufnahmekontur oder der Fügekontur
kraftbeaufschlagt auslenkbar ist.
-
Die
lösungsgemässe Idee
sieht vor, das Dichtmittel, das vorzugsweise aus einem metallischen
Material, vorzugsweise aus einem inkompressiblen Material besteht,
gleichsam wie beim Stand der Technik innerhalb einer Ausnehmung
längs der Aufnahmekontur
oder Fügekontur
einzubringen, jedoch zusätzlich
kraftbeaufschlagt, vorzugsweise federkraftbeaufschlagt gegen einen
Oberflächenbereich
der Aufnahmekontur bzw. Fügekontur
auszulenken bzw. zu pressen. Die folgenden Überlegungen sehen vor, das
Dichtmittel in die Fügekontur
des Wärmestausegmentes
zu integrieren, so dass das Dichtmittel federkraftbeaufschlagt gegen
einen Oberflächenbereich
der Aufnahmekontur gedrückt
wird. Gleichfalls ist es jedoch auch möglich, das Dichtmittel in einer
entsprechenden innerhalb der Aufnahmekontur vorgesehenen Ausnehmung
zu integrieren, so dass das Dichtmittel gegen einen Oberflächenbereich
der Fügekontur
gepresst wird. Die Wahl der Anbringung des Dichtmittels sei den
jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten der Fügeverbindung zwischen dem Wärmestausegment
und der sich axialwärts
anschliessenden Komponente der Gasturbinenanlage überlassen.
Ohne Einschränkung
auf den allgemeinen Erfindungsgedanken soll im Weiteren die erfindungsgemässe Dichtmittelausbildung
als integraler Bestandteil der Fügekontur
des Wärmestausegmentes
beschrieben werden. In diesem Zusammenhang wird auf das in den Figuren
beschriebene Ausführungsbeispiel
Bezug genommen.
-
Kurze Beschreibung der
Erfindung
-
Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
-
1a schematisierte
Teil-Längsschnittdarstellung
durch einen Fügebereich
zwischen einem Wärmestausegment
und einer axialwärts
angrenzenden Leitschaufel,
-
1b perspektivische
Darstellung des Dichtelementes mit Federelement in senkrechter Projektion über einer
Ausnehmung innerhalb der Fügekontur,
-
2a,
b Längsschnittteildarstellung
durch ein Wärmestausegment
mit axial angrenzenden Leitschaufeln sowie Detailldarstellung hierzu
gemäss Stand
der Technik.
-
Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
-
1a zeigt
eine Teilansicht durch einen Längsschnitt
eines Wärmestausegmentes 3 im
Bereich der Fügekontur 8,
die in eine entsprechende nutförmige
Aufnahmekontur 10 eines axial angrenzenden Fusses einer
Leitschaufel 1' einmündet. Die axiale
Tiefe der Aufnahmekontur 10 ist gleichsam zum eingangs
beschriebenen Stand der Technik derart bemessen, dass bei thermisch
bedingter Materialausdehnung des Wärmestausegmentes 3 die
Fügekontur 8 längs des
axialwärts
orientierten Spiels 11 gleitend gelagert ist. Die Fügekontur 8 führt demzufolge
eine in Pfeilrichtung B angegebene translatorische Bewegung aus.
In dem in 1a dargestellten Ausführungsbeispiel
weist die Fügekontur 8 eine
radial äussere
Fügefläche 16 auf,
in der eine nutförmige
Ausnehmung 14 eingearbeitet ist. Die Tiefe der nutförmigen Ausnehmung 14,
gemessen von der Fügefläche 16 entspricht
wenigstens der maximalen radialen Erstreckung des Dichtmittels 12,
dessen Formgebung an die Innenkontur der nutförmigen Ausnehmung 14 angepasst
ist, so dass das Dichtmittel 14 vollständig in die Ausnehmung 14 eingeschoben
werden kann. Ferner ist innerhalb der nutförmigen Ausnehmung 14 ein
Federelement 18 vorgesehen, das zwischen dem Nutboden der
Ausnehmung 14 und dem Federelement 12 eingebracht
ist, so dass das Federelement 18 das Dichtmittel 12 radial nach
oben zu treiben vermag. Zur ergänzenden Übersicht
der Ausbildung des Dichtmittels 12, des Federelementes 18 sowie
der nutförmigen
Ausnehmung 14 innerhalb der Fügekontur 8 sei auf
die perspektivische Darstellung gemäss 1b verwiesen, deren
Betrachtung im folgenden gemeinsam mit 1a vorgenommen
werden soll.
-
Das
Dichtmittel 12 ist in der in 1b perspektivisch
dargestellten Weise stangenförmig
ausgebildet und vorzugsweise aus einem inkompressiblen metallischen
Material gefertigt, das weitgehend keinerlei Abriebeigenschaften
aufweist. Das Dichtmittel 12 weist mittig eine rechteckförmig ausgebildete
Auskragung 19 auf, die in eine entsprechend rechteckförmig ausgebildete
Ausnehmung 20 im eingefügten Zustand
innerhalb der nutförmigen
Ausnehmung 14 eingreift. Das Dichtmittel 12 wird
durch die Auskragung 19 linear radial zwangsgeführt, so
dass ein Verrutschen des Dichtmittels 12 in Umfangsrichtung längs der
nutförmigen
Ausnehmung 14 vermieden wird. Zwischen dem Dichtmittel 12 und
dem Boden der nutförmigen
Ausnehmung 14 ist ein geschwungen ausgebildetes Federelement 18 eingebracht, das
das Dichtmittel 12 radial nach oben federkraftbeaufschlagt
zu pressen vermag. Um zu verhindern, dass das Federelement 18 in
Umfangsrichtung längs der
nutförmigen
Ausnehmung 14 verrutscht, mündet der den Nutboden zugewandte
gekrümmte
Federelementabschnitt 18' in
eine entsprechend im Nutboden eingebrachte Ausnehmung (nicht dargestellt)
ein.
-
Die
der rechteckförmig
ausgebildeten Aussparung 20 axial gegenüberliegende Begrenzungswand 21 innerhalb
der nutförmigen
Ausnehmung 14 ist aus einem Dichtmaterial gefertigt und
vermag auf diese Weise in einen fluiddichten Kontakt mit dem Dichtmittel 12 herzustellen.
-
In 1a ist
der eingefügte
Zustand der Fügekontur 8 innerhalb
der Aufnahmekontur 10 dargestellt, wobei in der dargestellten
Längsschnittdarstellung
ersichtlich ist, dass das Federelement 18 das Dichtmittel 12 radial
nach aussen gegen einen Oberflächenbereich 17 der
Aufnahmekontur 10 drückt
und somit das Wärmestausegment 3 fluiddicht
gegen die Aufnahmekontur 10 innerhalb des Fusses der Leitschaufel 1' drückt. Um
zu gewährleisten,
dass das Dichtmittel 12 sowohl einerseits kraftbeaufschlagt gegen
den Oberflächenbereich 17 als
auch rückseitig gegen
die Begrenzungswand 21 gepresst wird, ist die radial untere
Seitenkante des Dichtmittels 12 schräg geneigt ausgebildet, so dass
das Federelement 18 das Dichtmittel 12 auch axial
gegen die hintere Begrenzungsfläche 21 fluiddicht
zu pressen vermag.
-
Um
die Dichtwirkung des Dichtmittels 12 gegen den Oberflächenbereich 17 der
Aufnahmekontur 10 zu verbessern, ist die dem Oberflächenbereich 17 zugewandte
Seitenkante 12' des
Dichtmittels konturgetreu an den Oberflächenbereich 17 ausgebildet.
-
Zwar
vermag das löungsgemäss ausgebildete
Dichtsystem die axiale Längsbewegungen
des Wärmestausegmentes 3 bedingt
durch die thermische Materialausdehnung bzw. -schrumpfung nicht zu
vermeiden, doch tritt der Materialabrieb bei geeigneter Wahl des
Dichtmittelmaterials vollständig
in den Hintergrund, zumal das Dichtmittel 12 aus einem inkompressiblen,
verschleissfreien, vorzugsweise metallischen Material gewählt ist,
das aufgrund der federkraftbeaufschlagten Pressung für eine fluiddichte
Abdichtung sorgt.
-
Ebenso
denkbar ist es die federkraftbeaufschlagte Dichtmittelanordnung
anstelle der in 1a und b angegebenen Weise innerhalb
der Fügekontur 8 alternativ
im Bereich der Aufnahmekontur 10 vorzusehen, so beispielsweise
im Bereich der Fläche 22.
-
Ferner
vermag die unter hohem Druck einströmende Kühlluft L innerhalb des vom
Wärmestausegment 3 eingeschlossenen
Kühlvolumens
V auf die axial gerichtete Fläche 23 der
Auskragung 19 einen hohen Anpressdruck auszuüben, so
dass das Dichtmittel in axialer Richtung zusätzlich zur Federkraftkomponente
gegen die aus Dichtmaterial bestehende Begrenzungsseite 21 gepresst
wird.
-
Neben
der in den 1a und b dargestellte konkrete
Ausführungsform
des Federelementes 18 sind auch weitere Federelementausführungen
denkbar, wie beispielsweise eine Vielzahl einzelner Spiralfederelemente,
helikal geformte oder gewundene Federelemente sowie geeignet geformte
Flachfedern.
-
Aus
Gründen
der Vollständigkeit
halber wird zudem darauf hingewiesen, dass das in 1a und b
dargestellte Wärmestausegment
in einer ringartigen Vielfachanordnung den gesamten Umfangsbereich
zwischen zwei benachbart zueinander angeordnete Leitschaufelreihen
begrenzt. Hierzu greifen zwei in Umfangsrichtung benachbart zueinander
angeordnete Wärmestausegmente über eine
gemeinsame Streifenbanddichtung 24 in Eingriff, durch die ein
möglicher
Kühlluftverlust
längs zweier
in Umfangsrichtung aneinander grenzender Wärmestausegmente vermieden werden
kann.
-
Die
lösungsgemässe Dichtungsanordnung ist
somit mit folgenden Vorteilen verbunden:
Die Dichtheit des
Kühlluftvolumens,
das durch das Wärmestausegment
vom Strömungskanal
abgetrennt wird, wird aufgrund des abnutzungsfreien Dichtmittels
erheblich verbessert, zumal die Dichtwirkung trotz thermischer Ausdehnungs-
und Schrumpfungserscheinungen durch die federkraftbeaufschlagte
Anpressung des Dichtmittels an den jeweiligen dem Dichtmittel gegenüberliegenden
Oberflächenbereich
gewährleistet
wird.
-
Unabhängig von
vorgegebenen Toleranzmassen hinsichtlich der Ausführung der
Aufnahmekontur bzw. der Fügekontur
stellt die federkraftbedingte Anpressung des Dichtmittels jederzeit
eine Abdichtung des Fügebereiches
bezüglich
seiner radial oben und unten liegenden Begrenzungsflächen sicher,
zumal das radial oben liegende Dichtmittel 12 durch die
auf den Fügebereich
ausgeübte
Gegenkraft auch die radial unten liegende Begrenzungsfläche des
Fügebereiches
gegen die Begrenzungsfläche 22 der
Aufnahmekontur 10 fluiddicht zu pressen vermag. Sollte
das Dichtmittel im Bereich der Begrenzungsfläche 22 vorgesehen
sein, gilt entsprechend das gleiche.
-
Durch
die federkraftbeaufschlagte Anpresswirkung des Dichtmittels 12 gegen
den Oberflächenbereich 16 der
Aufnahmekontur 10 trägt
das Federelement 18 aufgrund seiner Eigenelastizität zu einem gewissen
Vermögen
an Stoß-
oder Vibrationsabsorption bei, so dass auftretende mechanische Erschütterungen
innerhalb des Fügebereiches
durch das Federelement 18 aufgefangen werden können und
somit den Fügebereich
nicht zu stark mechanisch beanspruchen.
-
- 1,
1'
- Leitschaufel
- 2
- Laufschaufel
- 3
- Wärmestausegment
- 4
- Zwischenspalt
- 5
- Rippen
- 6
- Abriebelemente
- 7,
8
- Fügekontur
- 9,
10
- Aufnahmekontur
- 11
- axiales
Spiel
- 12
- Dichtmittel
- 13,
14
- nutförmige Ausnehmung
- 15
- n.n.
- 16
- Fügefläche
- 17
- Oberflächenbereich
- 18
- Federelement
- 18'
- Teilbereich
des Federelementes
- 19
- Auskragung
- 20
- Aussparung
- 21
- Begrenzungsfläche
- 22
- Begrenzungsfläche
- 23
- radiale
Seitenfläche
der Auskragung