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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine besondere Dichtungsstruktur
zur Verbesserung der axialen Abdichtung gegen den Sekundärluftstrom
in den Laufradzwischenräumen
von Gasturbinen.
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Zur
Erzielung hoher Leistungswerte in einer Gasturbine ist es erforderlich,
Leckströme
der Sekundärluft überall in
den Laufradräumen
auf ein Minimum zu reduzieren. Dies stellt eine Herausforderung dar,
weil die Dichtungseinrichtung ausgelegt sein muss, um ein Mittel
zur effektiven Abdichtung zwischen umlaufenden Komponenten (Laufschaufeln/Laufscheiben/Abstandshaltern)
und stationären Komponenten
(Leiteinrichtungen/Leitschaufeln/Zwischenwänden) zu schaffen. Es ist üblich, labyrinthartige
Dichtungen einzusetzen, die den Bereich, in dem die Leckage auftreten
kann, beschränken
und ferner eine Reihe von Druckverlustmechanismen erzeugen, um den
Luftleckstrom weiter zu reduzieren. Es sind unterschiedliche Anordnungen
von Labyrinthdichtungszähnen
verwendet worden, von denen einige längs des Umfangs zueinander
ausgerichtet und einige in Umfangsrichtung abgestuft eingerichtet
sind. Ferner werden üblicherweise
unterschiedlich viele Dichtungszähne
in einer Reihe bzw. hintereinander eingesetzt, um zusätzliche
Druckabfälle
zu erzielen und die Leckage bedarfsweise weiter zu reduzieren.
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Die
Labyrinthdichtungszähne
können
entworfen sein, um mit der gegenüberliegenden
Wand, die gewöhnlich
aus einem honigwabenartigen oder einem alternativen abreibbaren
Material besteht, in Eingriff zu kommen und in diese einzuschneiden,
um einen minimalen Spalt und Leckbereich im Betrieb zu erzielen.
Jedoch kommt es in den meisten großen Gasturbinen während heißer An laufübergangsvorgänge zu einem
zusätzlichen
Verschluss bzw. einer zusätzlichen
Annäherung,
der bzw. die zur Folge hat, dass sich die Dichtungszähne während des Übergangsstarts
tiefer in die abreibbare Wand einschneiden, jedoch anschließend öffnen, so
dass sie im stationären
Betriebszustand einen größeren Spalt
freigeben.
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Ein
weiteres Verfahren zur Abdichtung zwischen den umlaufenden und den
stationären
Komponenten, das gemeinsam mit Labyrinthdichtungen eingesetzt wird,
besteht darin, Bürstendichtungen
hintereinander einzubauen. Bürstendichtungen
können Leckagen
weiter reduzieren, wobei sie jedoch kostspielig sind und die Komplexität der Gasturbine
erhöhen.
Ferner ist die Länge, über die
sich die Bürstendichtungsborsten über das
Gehäuse,
das diese enthält,
hinaus erstrecken können,
begrenzt, und wenn der Verschluss in dem Übergangszustand zu groß ist, können Bürstendichtungen
nicht eingesetzt werden, ohne dass die Gefahr eines harten Anstreifens
zwischen dem Bürstendichtungsgehäuse und
den umlaufenden Komponenten besteht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung liefert ein besonderes Mittel zur Verbesserung der axialen
Abdichtung eines Sekundärluftstroms
in den Laufradräumen
von Gasturbinen. Sie wird, wie sie derzeit vorgeschlagen wird, in Verbindung
mit üblicherweise
verwendeten labyrinthartigen Dichtungen eingesetzt, die eine Abdichtung zwischen
einer rotierenden Komponente und einer stationären Komponente erzielen. Insbesondere führt die
Erfindung einen besonders konfigurierten umlaufenden Dichtungszahn
ein, der einen Kompressionsmechanismus erzeugt, der einem Leckstrom
durch das Labyrinth aus Dichtungszähnen entgegenwirkt, wodurch
er das Druckgefälle,
das die Leckage antreibt, verringert und die Richtung eines Teils
des Leckstroms umkehrt.
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Somit
kann die Erfindung in einer Labyrinthdichtung für eine Turbine verkörpert sein,
die ein stationäres
Gehäuse
aufweist, durch das sich ein umlaufendes Element erstreckt, wobei
die Turbine Medienströmungsregionen
mit Druckdifferenzen enthält, wobei
die Labyrinthdichtung eine erste Dichtungsanordnung aufweist, die
eine erste Anzahl benachbarter Dichtungskomponenten aufweist, die
sich im Wesentlichen radial entweder von 1) einem Abschnitt des
stationären
Gehäuses
oder von 2) einem Abschnitt des umlaufenden Elementes aus erstrecken, wobei
die erste Anzahl von Dichtungskomponenten wenigstens eine erste
Dichtungsrippenstruktur und eine zweite Dichtungsrippenstruktur
enthält,
wobei die erste Dichtungsrippenstruktur wenigstens eine längs des
Umfangs verlaufende Rippe aufweist, wobei die zweite Dichtungsrippenstruktur
mehrere in Umfangsrichtung hintereinander liegende Dichtrippen aufweist,
von denen jede unter einem Winkel in Bezug auf die wenigstens eine
längs des
Umfangs verlaufende Rippe geneigt und im Abstand zu dieser angeordnet
ist, um dazwischen einen sich längs
des Umfangs erstreckenden Dämm- bzw. Stauraum zu bilden.
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Die
Erfindung kann ferner in einer Turbine verkörpert sein, die ein stationäres Gehäuse aufweist,
durch das sich ein umlaufendes Element erstreckt, wobei die Turbine
Medienströmungsregionen mit
Druckdifferenzen und eine Labyrinthdichtung enthält, die eine erste Dichtungsanordnung
aufweist, die eine erste Anzahl benachbarter Dichtungskomponenten
aufweist, die von entweder 1) einem Teil des stationären Gehäuses oder
2) einem Teil des umlaufenden Elementes aus im Wesentlichen radial
vorragen, wobei die erste Anzahl von Dichtungskomponenten wenigstens
eine erste Dichtungsrippenstruktur und eine zweite Dichtungsrippenstruktur
enthält, wobei
die erste Dichtungsrippenstruktur wenigstens eine längs des
Umfangs verlaufende Rippe aufweist, die zweite Dichtungsrippenstruktur
mehrere längs des
Umfangs hintereinander angeordnete Dichtrippen aufweist, von denen
jede in Bezug auf die wenigstens eine längs des Umfangs verlaufende
Rippe unter einem Winkel geneigt und im Abstand zu dieser angeordnet
ist, um dazwischen einen sich längs
des Umfangs erstreckenden Stauraum zu bilden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden verständlicher
und offensichtlicher, wenn die folgende detailliertere Beschreibung der
momentan bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
sorgfältig
studiert wird, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen angegeben
ist, in denen zeigen:
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1 eine
schematisierte teilweise aufgebrochene Querschnittsansicht einer
Gasturbine unter Veranschaulichung einer herkömmlichen labyrinthartigen Dichtung;
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2 eine
Perspektivansicht eines Teils einer herkömmlichen Abstandshalter-Dichtungszahn-Konfiguration;
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3 eine
Perspektivansicht einer mit Schaufeln bzw. Blättern versehenen Abstandshalter-Dichtungszahnkonfiguration,
die die Erfindung verkörpert;
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4 eine
teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht einer herkömmlichen
Abstandshalter-Dichtungszahnkonfiguration mit Blick in Umfangsrichtung;
und
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5 eine
teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht einer Abstandshalter-Dichtungskonfiguration
mit beschaufelten Zähnen,
die die Erfindung verkörpert,
mit Blick in Umfangsrichtung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist eine einzigartige Struktur geschaffen, die die
axiale Abdichtung für
einen Sekundärluftstrom
in den Laufradräumen
von Gasturbinen verbessert. Wie derzeit vorgeschlagen, wird diese
in Verbindung mit gewöhnlich
eingesetzten labyrinthartigen Dichtungen verwendet, die eine Abdichtung
zwischen einer umlaufenden Komponente und einer stationären Komponente
erzielen. Insbesondere führt
die Erfindung einen einzigartig konfigurierten umlaufenden Dichtungszahn
ein, der einen Kompressionsdruckmechanismus erzeugt, der einem Leckstrom
durch das Labyrinth aus Dichtungszähnen entgegenwirkt und dadurch
das Druckgefälle,
das den Leckstrom antreibt, verkleinert und die Richtung eines Teils
des Leckstroms umkehrt.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
vermeidet die vorliegende Erfindung die Kosten, Komplexitäten und
Risiken, wie sie mit Bürstendichtungen verbunden
sind, durch eine Neukonfiguration der Gestalt und Anordnung von
Labyrinthzähnen
zur Herbeiführung
eines Zusammendrückens
oder entgegengesetzt wirkenden Pumpens des Leckstroms. Somit werden
gemäß einem
Aspekt der Erfindung, anders als bei Bürstendichtungen, keine zusätzlichen Komponenten
hinzugefügt.
Stattdessen werden die Merkmale, die die Erfindung enthalten, in
der umlaufenden Komponente gemeinsam mit den herkömmlichen
Labyrinthdichtungszähnen
maschinell eingearbeitet. Obwohl damit eine zusätzliche Bearbeitung verbunden
ist, stellt dies einen deutlich geringeren Aufwand dar, als er mit
der Herstellung und dem Einbau von Bürstendichtungen verbunden wäre. Da Bürstendichtungen
verschleißen
und bei der Handhabung leicht einen Schaden erleiden können, ist
die Erfindung außerdem
deutlich beständiger
und zuverlässiger
als herkömmliche
Bürstendichtungen,
die insbesondere zur Ergänzung
von Labyrinthdichtungen vorgesehen sind.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform schlägt die Erfindung
vor, den Bearbeitungsprozess der umlaufenden Komponente zu modifizieren,
um eine Reihe von wiederholten Umfangsdichtungszähnen zu erzeugen, die einen
kleinen Neigungswinkel in Bezug auf den Umlaufweg der rotierenden
Komponente aufweisen. Die genaue Einarbeitung dieser wiederholt
schräg
ausgerichteten Dichtungszähne bildet
im Wesentlichen eine geringe Höhe
aufweisende Schaufeln bzw. Flügel,
die ähnlich
wie Verdichterlaufschaufeln oder Laufradschaufeln bzw. -flügel wirken.
Anders als eine typische Laufschaufel oder Laufradstufe, die das
Ziel haben, einen Durchfluss zu maximieren, werden die beschaufelten
Dichtungszähne
jedoch in Verbindung mit einer oder mehreren herkömmlichen
Dichtungszähnen
verwendet. Dies, um kleine Volumenströme mit zu einem Leckstrom entgegengesetzter
Strömungsrichtung
zu erzeugen, um den Strom einzudämmen
bzw. anzustauen, um einen örtlich
begrenzten ringförmigen
Druckbereich zu schaffen, der von einem herkömmlichen Dichtungszahn durchdrungen
ist, um dem Leckstrom entgegenzuwirken, wie dies in größeren Einzelheiten nachstehend
beschrieben ist.
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Es
ist verständlich,
dass die hier beschriebene Ausführungsform
der Erfindung gegenüber
derzeitigen Labyrinthdichtungsanordnungen mit oder ohne Bürstendichtungen
verschiedene Vorteile bietet. Zuerst weist sie das Vermögen auf,
Sekundärleckströme in den
Laufradzwischenräumen
deutlich zu reduzieren. Zwischen allen Stufen in dem Turbinenabschnitt
einer Gasturbine werden herkömmlich Labyrinthdichtungen
eingesetzt. Folglich kann die Erfindung eine mögliche Verbesserung für sämtliche Stufen
einer Gasturbine erzielen. Außerdem
kann das erfindungsgemäße Konzept
auf bodengestützte industrielle
Turbinen, Schiffs- und Flugzeugtriebwerke sowie auch auf Dampfturbinen
angewandt werden. Darüber
hinaus ergibt es gegebenenfalls deutliche Kostenersparnisse sowie
eine Vereinfachung der Einrichtung für Systeme, die momentan Bürstendichtungen
verwenden.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
wird die Erfindung in Verbindung mit der GE 9H Gasturbine einer
Kombikreislaufanlage beschrieben, wie sie eingebaut ist, um Kosten
zu reduzieren und die Abdichtung zwischen der Leiteinrichtung bzw.
-schaufel der dritten Stufe und dem 2–3-Abstandshalter (zwischen
der zweiten und der dritten Stufe) in dem Laufradraum zu verbessern,
der sich radial innen in Bezug auf die Leiteinrichtung befindet.
Die stationäre Komponente
der Leiteinrichtung weist eine an ihrem Innenumfang angebrachte
Honigwabenstruktur auf, während
der 2–3-Abstandshalter den
auf seinem Außenumfang
maschinell eingearbeiteten Dichtungszahn aufweist. Jedoch ist die
Erfindung nicht auf die veranschaulichte beispielhafte Ausführungsform
zu beschränken.
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Indem
insbesondere auf die schematisierte Darstellung gemäß 1 Bezug
genommen wird, ist dort eine herkömmliche 9H-Konstruktion ausschnittsweise veranschaulicht,
wobei die Laufschaufel 12 der Stufe 2, die Leiteinrichtung
bzw. -schaufel 14 der Stufe 3 und die Laufschaufel 16 der
Stufe 3 veranschaulicht sind. An der Trennstelle zwischen
der Leiteinrichtung der dritten Stufe und dem 2–3-Abstandshalter 18 ist
an dem Innenumfang der stationären
Leitkomponente 14 der dritten Stufe ein Honigwabenmaterial 20 angebracht,
und der umlaufende 2–3-Abstandshalter 18 weist
in der veranschaulichten herkömmlichen
Struktur herkömmliche
in Umfangsrichtung verlaufende Labyrinthdichtungszähne 22 auf, die
an seinem Außenumfang
maschinell eingearbeitet sind. Die Labyrinthdichtungszähne sind
vorgesehen, um den Leckstrom der durch die Leiteinrichtung der Stufe 3 geführten Luft
zur Kühlung
der Schaufel der Stufe 3, wie sie schematisiert anhand
der Pfeile 26, 28 veranschaulicht ist, auf ein
Minimum zu reduzieren.
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2 zeigt
eine Perspektivansicht eines Ausschnitts des 2–3-Abstandshalters 18 unter
Veranschaulichung der ersten und zweiten längs des Umfangs verlaufenden
Dichtungszähne 22,
die sowohl auf der stromaufwärtigen
als auch auf der stromabwärtigen
Seite des Kühlluftströmungskanals
eingearbeitet sind. In 2 sind Pfeile 30, 32 enthalten,
die die Leckstromrichtung zu dem hinteren Laufradraum der Laufschaufel
der Stufe 2 bzw. die Leckstromrichtung zu dem vorderen
Laufradraum der Laufschaufel der Stufe 3 veranschaulichen.
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3 zeigt
eine der 2 ähnliche Ansicht, wobei sie
jedoch beschaufelte Zähne 124 veranschaulicht,
die in der Außenfläche des
2–3-Abstandshalters 118 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung maschinell eingearbeitet sind. Wie veranschaulicht,
sind darin eine Reihe von sich wiederholenden, sich teilweise in
Umfangsrichtung erstreckenden Dichtungszähnen 124 geschaffen,
die unter einem Winkel in Bezug auf den Umlaufweg der umlaufenden
Komponente und somit unter einem Winkel in Bezug auf die herkömmlichen
Dichtungszähne 122 angeordnet
sind. Wie anhand der veranschaulichten Ausführungsform verständlich,
ersetzen die beschaufelten Dichtungszähne 124 die herkömmlichen
umfangsseitigen Dichtungszähne 122 nicht
gänzlich,
sondern werden vielmehr in Verbindung mit einem oder mehreren herkömmlichen
Dichtungszähnen 122 verwendet.
Wie in den 3, 4 und 5 veranschaulicht,
geschieht dies, um kleine Volumenströme 134, 136 zwischen
den schräg verlaufenden
Dichtungszähnen 124 zu
schaffen, die in einer zu dem Leckstrom 130, 132 entgegengesetzten
Richtung strömen,
wodurch der Druck auf der axial äußeren Seite
des zugehörigen
Umfangsdichtungszahns 122 in Bezug auf den Kühlkanal
erhöht wird,
um den Strom einzudämmen,
um ringförmige Bereiche
mit lokal begrenzt erhöhtem
Druck PX2vorder und PX2hinter in
Reihe mit dem jeweiligen herkömmlichen
Dichtungszahn 122 zu schaffen, die dem Leckstrom 130 bzw. 132 entgegenwirken.
Somit ist der Druck PX2vorder bzw. PX2hinter neben dem herkömmlichen Dichtungszahn 122,
wie in 5 veranschaulicht, größer als der Druck PX1vorder bzw. PX1hinter zwischen
benachbarten Paaren herkömmlicher
Dichtungszähne 22,
wie in 4 veranschaulicht. Wie in 5 veranschaulicht,
sind die beschaufelten Dichtungszähne 124 auf der stromaufwärtigen und
der stromabwärtigen
Seite des Bereichs, der abgedichtet wird, in entgegengesetzte Richtungen
geneigt bzw. schräg
ausgerichtet, um jeweils dem axial stromaufwärts bzw. stromabwärts von
diesem strömenden Lecktrom
entgegenzuwirken.
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Obwohl
die Erfindung im Zusammenhang mit der momentan als die am meisten
praktikable und bevorzugte angesehenen Ausführungsform beschrieben worden
ist, ist ohne Weiteres zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf
die offenbarte Ausführungsform
zu beschränken
ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen mit umfassen soll, die in dem Rahmen und Schutzumfang
der beigefügten
Ansprüche
enthalten sind.
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Es
wird ein besonders konfigurierter umlaufender Dichtungszahn 124 in
Verbindung mit üblicherweise
verwendeten labyrinthartigen Dichtungen 122 eingesetzt,
die eine Abdichtung zwischen einer umlaufenden Komponente 118 und
einer stationären Komponente 14 schaffen.
Der besonders konfigurierte umlaufende Dichtungszahn schafft einen
Kompressionsmechanismus 134, 136, der einem Leckstrom 130, 132 durch
das Labyrinth aus Dichtungszähnen
entgegenwirkt und dadurch das Druckgefälle, das den Leckstrom antreibt,
verkleinert und die Richtung eines Teils des Leckstroms umkehrt.
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- 12
- Laufschaufel
der Stufe 2
- 14
- Leitschaufel
der Stufe 3
- 16
- Laufschaufel
der Stufe 3
- 18
- 2–3-Abstandshalter
- 20
- Honigwabenmaterial
- 22
- Labyrinthdichtungszähne
- 26,
28
- Kühlluftpfeile
- 30,
32
- Leckstrom-Richtungspfeile
- PX1vorder und Px1hinter
- Druck
- 118
- 2–3-Abstandshalter
- 122
- Herkömmliche
Dichtungszähne
- 124
- Teilweise
in Umfangsrichtung ausgerichtete, beschaufelte Zähne
- 130,
132
- Leckstrom
- 134,
136
- Volumenströme
- PX1vorder und Px2hinter
- Druck