DE10209295B4

DE10209295B4 - Spaltdichtung bei einer Gasturbine

Info

Publication number: DE10209295B4
Application number: DE10209295A
Authority: DE
Inventors: Arkadi Fokine; Igor Ossipov; Dmitry Petrunin; Jörg Dr. Stengele; Alexander Trishkin
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2022-03-02
Also published as: GB2387416A; US6857848B2; GB0304140D0; DE10209295A1; US20030165381A1; GB2387416B

Abstract

Spaltdichtung bei einer Gasturbine zum Abdichten eines zwischen einem Hitzeschild (4) und einem Hitzeschildträger (5) ausgebildeten Kühlraums (6) gegenüber einem Heißgasraum (7) einer Gasturbine, mit einem Dichtkörper (10), der einerseits am Hitzeschild (4) und andererseits an einem dem Hitzeschildträger (5) benachbarten Schaufelträger (2) beweglich gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hitzeschild (4) wenigstens einen Kanal (17) aufweist, der den Kühlraum (6) mit einem axial zwischen Hitzeschildträger (5) und Schaufelträger (2) ausgebildeten Spalt (8, 8_II) an einer durch den Dichtkörper (10) gegenüber dem Heißgasraum (7) abgedichteten Stelle (18) kommunizierend verbindet und
ein axial zwischen Hitzeschildträger (5) und Schaufelträger (2) ausgebildeter Spalt (8) in einem Abschnitt (8_II), der durch den Dichtkörper (10) gegenüber dem Heißgasraum (7) abgedichtet ist, einen Strömungsweg einer Kühlgasrückführung (19) bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Spaltdichtung bei einer Gasturbine zum Abdichten eines zwischen einem Hitzeschild und einem Hitzeschildträger ausgebildeten Kühlraums gegenüber einem Heißgasraum der Gasturbine.
Stand der Technik
Bei einer Gasturbine ist axial zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln jeweils ein Hitzeschild angeordnet, der über einen Hitzeschildträger an einem Stator oder am Gehäuse der Gasturbine befestigt ist. Ein entsprechender Aufbau ergibt sich auch für einen Rotor der Gasturbine, bei dem zwischen zwei benachbarten Rotorschaufeln ebenfalls ein Hitzeschild angeordnet sein kann, der mittels eines Hitzeschildträgers am Rotor befestigt ist. Die Leitschaufeln des Stators und die Rotorschaufeln des Rotors besitzen üblicherweise einen als Schaufelträger ausgebildeten Fuß, mit dem die jeweilige Schaufel im Stator bzw. im Rotor verankert ist. Die Schaufeln der Gasturbine sind dabei in einem Heißgasraum der Gasturbine angeordnet, der im Betrieb der Gasturbine von heißen Gasen durchströmt wird. Zur Kühlung des Hitzeschilds ist zwischen Hitzeschildträger und Hitzeschild ein Kühlraum ausgebildet, der im Betrieb der Gasturbine mit einem Kühlgas beaufschlagt bzw. durchströmt wird. Axial zwischen einem Hitzeschildträger und einem benachbarten Schaufelträger ist üblicherweise ein Spalt ausgebildet, der zum Heißgasraum hin offen ist und so mit diesem kommuniziert. Um nun einen Gasaustausch zwischen dem Kühlraum und dem Heißgasraum zu verhindern, werden Spaltdichtungen der eingangs genannten Art verwendet. Zu diesem Zweck kann ein Dichtkörper der Spaltdichtung einerseits am Hitzeschild und andererseits am Hitzeschildträger gehaltert sein, wodurch sich eine effektive Abdichtung des Kühlraums gegenüber dem Spalt und somit gegenüber dem Heißgasraum erzielen lässt. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der DE 19537282 A1 offenbart.
In US 5641267 A ist demgegenüber ein mit dem Schaufelträger zusammenwirkender Dichtkörper gezeigt.
Eine besondere Herausforderung für solcherart Dichtungen stellen die wechselnden thermischen Beanspruchungen und die daraus resultierenden Relativbewegungen der beteiligten Bauteile, insbesondere bei transienten Betriebszuständen, dar.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Spaltdichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine verbesserte Kühlung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Dichtkörper an seiner vom Hitzeschild abgewandten Seite nicht am Hitzeschildträger sondern am benachbarten Schaufelträger zu haltern und Hitzeschild und Hitzeschildträger mit wenigstens einem Kanal auszustatten, der den Kühlraum mit dem axial zwischen Hitzeschildträger und Schaufelträger ausgebildeten Spalt an einer durch den Dichtkörper gegenüber dem Heißgasraum abgedichteten Stelle kommunizierend verbindet, wobei der axial zwischen Hitzeschildträger und Schaufelträger ausgebildete Spalt in einem Abschnitt, der durch den Dichtkörper gegenüber dem Heißgasraum abgedichtet ist, einen Strömungsweg einer Kühlgasrückführung bildet.
Durch diese Bauweise erfolgt im Spalt zwischen Schaufelträger und Hitzeschildträger eine Unterteilung des Spalts in einen mit dem Heißgasraum kommunizierenden Abschnitt und einen durch den Dichtkörper davon getrennten Abschnitt. Da in dem vom Heißgasraum abgetrennten Abschnitt des Spalts keine Heißgase aus dem Heißgasraum eintreten können, sind der Schaufelträger und der Heißgasträger in diesem Spaltschnitt nur noch einer reduzierten thermischen Belastung ausgesetzt. Dementsprechend sinkt der Kühlbedarf bzw. kann mit derselben Kühlleistung eine bessere Kühlwirkung erzielt werden. Darüber hinaus erfolgt die Anbindung des Hitzeschilds an den Hitzeschildträger üblicherweise nicht gasdicht, so daß Kühlgas aus dem Kühlraum in den Spalt eindringen kann. Durch diese Leckage ergibt sich eine zusätzliche Kühlwirkung für den Schaufelträger und den Hitzeschildträger.
Indem Hitzeschild und Hitzeschildträger wenigstens einen Kanal aufweisen, der den Kühlraum mit dem axial zwischen Hitzeschildträger und Schaufelträger ausgebildeten Spalt an einer durch den Dichtkörper gegenüber dem Heißgasraum abgedichteten Stelle kommunizierend verbindet, kann gezielt der vom Heißgasraum abgetrennte Spaltabschnitt mit Kühlgas versorgt werden, wodurch die Kühlung von Schaufelträger und Hitzeschildträger verbessert ist. Da der Spalt in einem durch den Dichtkörper gegenüber dem Heißgasraum abgedichteten Abschnitt einen Strömungsweg einer Kühlgasrückführung bildet, kann der Spalt zur Kühlgasrückführung verwendet werden, wodurch im Spalt eine direkte und gezielte Beaufschlagung des Schaufelträgers und des Hitzeschildträgers mit Kühlgas möglich ist. Da bei dieser Bauweise die Kühlgasrückführung nicht oder nicht mehr vollständig innerhalb des Hitzeschildträgers erfolgt, stehen im Hitzeschildträger größere durchströmbare Querschnitte zur Verfügung, so daß insgesamt die Kühlleistung durch einen entsprechend erhöhten Kühlgasvolumenstrom vergrößert werden kann. Die erzielbare Kühlung des Schaufelträgers ist für eine hohe Standzeit der jeweiligen Schaufel von besonderem Interesse.
Entsprechend einer wichtigen Ausführungsart kann der Schaufelträger einen axial zum Hitzeschildträger abstehenden Kragen aufweisen, in dem eine Aufnahmenut ausgebildet ist, die zum Hitzeschild hin offen ist und in die der Dichtkörper mit seiner dem Schaufelträger zugeordneten Seite eingesetzt ist. Durch diese Bauweise ist es besonders einfach möglich, die Aufnahmenut des Schaufelträgers radial gegenüber einer Aufnahmenut anzuordnen, die am Hitzeschild ausgebildet ist, zum Hitzeschildträger hin offen ist und in die der Dichtkörper mit seiner dem Hitzeschild zugeordneten Seite eingesteckt ist. Hierdurch ergibt sich für den in die Aufnahmenuten eingesetzten Dichtkörper eine im wesentlichen radiale Ausrichtung, so daß Druckdifferenzen zwischen dem Kühlraum und dem Heißgasraum lediglich als axiale Druckkräfte am Dichtkörper angreifen, so daß dementsprechend auch nur axiale Kräfte vom Dichtkörper auf den Schaufelträger und den Hitzeschild und somit auf den Hitzeschildträger übertragen werden. Hierdurch kann eine zusätzliche radiale Belastung des Dichtkörpers, des Schaufelträgers, des Hitzeschilds und des Hitzeschildträgers vermieden oder zumindest reduziert werden.
Bei einer Weiterbildung kann der Hitzeschildträger einen axialen Einstich aufweisen, in den der Kragen hineinragt. Auf diese Weise wird die radiale Anordnung der beiden Aufnahmenuten von Schaufelträger und Hitzeschild vereinfacht.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Spaltdichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Gasturbine im Bereich einer erfindungsgemäßen Spaltdichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend 1 ist bei einer hier nur ausschnittsweise gezeigten Gasturbine eine Schaufel 1 mit ihrem Schaufelträger 2 an einem hier nicht gezeigten Stator der Turbine verankert, so daß es sich bei der Schaufel 1 um eine Leitschaufel 1 handelt. Obwohl die Erfindung im vorliegenden Fall mit Bezug auf eine Leitschaufel 1 erläutert wird, ist klar, daß die Erfindung grundsätzlich auch bei einer Rotorschaufel anwendbar ist, bei der in entsprechender Weise der Schaufelträger 2 an einem Rotor der Gasturbine verankert ist.
Die Schaufel 1 bzw. ihr Schaufelträger 2 grenzt in axialer Richtung, die in 1 durch einen Doppelpfeil symbolisiert und mit 3 bezeichnet ist, an einen Hitzeschild 4 sowie an einen Hitzeschildträger 5 an. Diese Axialrichtung 3 verläuft parallel zur Rotationsachse des Rotors der Gasturbine. Der Hitzeschild 4 ist am Hitzeschildträger 5 befestigt, der seinerseits im Stator bzw. im Rotor der Gasturbine verankert ist.
Zwischen dem Hitzeschildträger 5 und dem Hitzeschild 4 ist ein Kühlraum 6 ausgebildet, der an einer hier nicht gezeigten Stelle auf übliche Weise mit Kühlgas beaufschlagt ist. Der Hitzeschild 4 ist einem Heißgasraum 7 der Gasturbine ausgesetzt, in den die Schaufel 1 hineinragt. In der axialen Richtung 3 ist zwischen dem Schaufelträger 2 und dem Hitzeschildträger 5 mit daran angebrachtem Hitzeschild 4 ein Spalt 8 ausgebildet, der im Bereich des Hitzeschilds 4 bei 9 mit dem Heißgasraum 7 kommuniziert.
Um einen Gasaustausch zwischen dem Kühlraum 6 und dem Heißgasraum 7, z. B. aufgrund von Leckagen, zu verhindern, ist ein Dichtkörper 10 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist dieser Dichtkörper 10 einerseits mit einer ersten Seite 11 am Hitzeschild 4 und andererseits mit einer zweiten Seite 12 am Schaufelträger 2 beweglich gehaltert. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Dichtkörpers 10 durchdringt dieser den Spalt 8 und teilt dabei den Spalt 8 in einen mit dem Heißgasraum 7 kommunizierenden ersten Abschnitt 8_I und einen gegenüber dem Heißgasraum 7 abgedichteten zweiten Abschnitt 8_II . Der Dichtkörper 10 kann als Ring oder Ringsegment ausgebildet sein, der im vorliegenden Fall einen gestreckten Querschnitt besitzt. Die Seiten 11 und 12 des Dichtkörpers 10 sind relativ zu einem zwischen den beiden Seiten 11 und 12 liegenden Abschnitt dicker ausgebildet und besitzen einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt.
Zur Halterung des Dichtkörpers 10 weist der Hitzeschild 4 eine erste Aufnahmenut 13 auf, in die die erste Seite 11 des Dichtkörpers 10 hineinragt. Die erste Aufnahmenut 13 besitzt einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt und ist zum Hitzeschildträger 5 hin offen. Bei der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die erste Aufnahmenut 13 bezüglich ihrer offenen Seite radial ausgerichtet. In entsprechender Weise ist für die Halterung des Dichtkörpers 10 am Schaufelträger 2 eine zweite Aufnahmenut 14 ausgebildet, in die die zweite Seite 12 des Dichtkörpers 10 hineinragt. Die zweite Aufnahmenut 14 besitzt ebenfalls einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt und ist zum Hitzeschild 4 hin offen. Zweckmäßig ist auch die zweite Aufnahmenut 14 bezüglich ihrer offenen Seite radial ausgerichtet.
Gemäß der hier gezeigten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt der Schaufelträger 2 einen Kragen 15, in dem die zweite Aufnahmenut 12 ausgebildet ist. Dieser Kragen 15 steht in der axialen Richtung 3 zum Hitzeschildträger 5 vom Schaufelträger 2 ab. Zweckmäßig ist dieser Kragen 15 in den Schaufelträger 2 integriert, so daß der Kragen 15 einteilig oder einstückig am Schaufelträger 2 ausgebildet ist. Komplementär zum Kragen 14 besitzt der Hitzeschildträger 5 einen axialen Einstich 16, der hier als Absatz oder Stufe ausgebildet ist. In diesen Einstich 16 ragt der Kragen 15 des Schaufelträgers 2 axial hinein.
Mit Hilfe des Kragens 15 ist es besonders einfach möglich, die beiden Aufnahmenuten 13 und 14 relativ zueinander so anzuordnen, daß sie sich im wesentlichen radial gegenüberliegen. Demzufolge besitzt auch der in die Aufnahmenuten 13, 14 eingesetzte Dichtkörper 10 eine im wesentlichen radiale Orientierung. Durch diese Anordnung des Dichtkörpers 10 kann dieser lediglich axiale Kräfte auf den Schaufelträger 2 und den Hitzeschild 4 übertragen, die aufgrund von Druckdifferenzen zwischen Kühlraum 6 und Heißgasraum 7 auftreten können.
Die Aufnahmenuten 13, 14 und die Seiten 11, 12 des Dichtkörpers 10 sind so aufeinander abgestimmt, daß der Dichtkörper 10 in den Aufnahmenuten 13, 14 mit einem radialen Spiel und schwenkbar angeordnet ist. Hierdurch kann der Dichtkörper 10 Relativbewegungen zwischen Hitzeschild 4 und Schaufelträger 2 folgen und dabei die gewünschte Dichtungswirkung aufrechterhalten.
Bei der hier gezeigten speziellen Ausführungsform enthält der Hitzeschild 4 einen Kanal 17. Es ist klar, daß grundsätzlich auch mehrere derartige Kanäle 17 vorgesehen sein können. Der Kanal 17 verbindet den Kühlraum 6 mit dem vom Heißgasraum 7 abgetrennten Spaltabschnitt 8_II . Zu diesem Zweck mündet der Kanal 17 an einer durch den Dichtkörper 10 gegenüber dem Heißgasraum 7 abgedichteten und mit 18 bezeichneten Stelle in den Spalt 8 ein. Es ist klar, daß zusätzlich oder alternativ ein solcher Kanal 17 oder mehrere solche Kanäle 17 auch im Hitzeschildträger 5 ausgebildet sein können.
Besonders zweckmäßig ist es, den vom Heißgasraum 7 getrennten Spaltabschnitt 8_II zur Kühlgasrückführung zu verwenden. In 1 ist mittels Pfeilen eine Kühlgasströmung angedeutet, wodurch erkennbar ist, daß der gegenüber dem Heißgasraum 7 abgedichtete Spaltabschnitt 8_II einen Strömungsweg für das Kühlgas bildet, der zweckmäßig zur Kühlgasrückführung nutzbar ist. Die Kühlgasrückführung ist hierbei durch die Pfeile der Kühlgasströmung repräsentiert und mit 19 bezeichnet. Wenn der Spalt 8 bzw. sein vom Heißgasraum 7 abgetrennter Spaltabschnitt 8_II erfindungsgemäß zur Kühlgasrückführung 19 genutzt wird, können der Schaufelträger 2 und der Hitzeschildträger 5 zusätzlich gekühlt werden. Gleichzeitig kann durch den Hitzeschildträger 5 mehr Kühlgas dem Kühlraum 6 zugeführt werden, wodurch insgesamt die Kühlleistung erhöht werden kann.

1: Schaufel
2: Schaufelträger
3: Axialrichtung
4: Hitzeschild
5: Hitzeschildträger
6: Kühlraum
7: Heißgasraum
8: Spalt
8_I: mit 7 kommunizierender Spaltabschnitt
8_II: von 7 getrennter Spaltabschnitt
9: Verbindung zwischen 7 und 8
10: Dichtkörper
11: erste Seite von 10
12: zweite Seite von 10
13: erste Aufnahmenut
14: zweite Aufnahmenut
15: Kragen
16: Einstich
17: Kanal
18: Stelle
19: Kühlgasrückführung

Claims

Spaltdichtung bei einer Gasturbine zum Abdichten eines zwischen einem Hitzeschild (4) und einem Hitzeschildträger (5) ausgebildeten Kühlraums (6) gegenüber einem Heißgasraum (7) einer Gasturbine, mit einem Dichtkörper (10), der einerseits am Hitzeschild (4) und andererseits an einem dem Hitzeschildträger (5) benachbarten Schaufelträger (2) beweglich gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (4) wenigstens einen Kanal (17) aufweist, der den Kühlraum (6) mit einem axial zwischen Hitzeschildträger (5) und Schaufelträger (2) ausgebildeten Spalt (8, 8_II ) an einer durch den Dichtkörper (10) gegenüber dem Heißgasraum (7) abgedichteten Stelle (18) kommunizierend verbindet und ein axial zwischen Hitzeschildträger (5) und Schaufelträger (2) ausgebildeter Spalt (8) in einem Abschnitt (8_II ), der durch den Dichtkörper (10) gegenüber dem Heißgasraum (7) abgedichtet ist, einen Strömungsweg einer Kühlgasrückführung (19) bildet.
Spaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (4) zur Halterung des Dichtkörpers (10) eine Aufnahmenut (13) aufweist, die zum Hitzeschildträger (5) hin offen ist und in die der Dichtkörper (10) mit seiner dem Hitzeschild (4) zugeordneten Seite (11) eingesetzt ist.
Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelträger (2) zur Halterung des Dichtkörpers (10) eine Aufnahmenut (14) aufweist, die zum Hitzeschild (4) hin offen ist und in die der Dichtkörper (10) mit seiner dem Schaufelträger (2) zugeordneten Seite (12) eingesetzt ist.
Spaltdichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (10) in der Aufnahmenut (13) des Hitzeschilds (4) und/oder in der Aufnahmenut (14) des Schaufelträgers (2) mit radialem Spiel und schwenkbar angeordnet ist.
Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmenuten (13, 14) so angeordnet sind, daß sie sich im wesentlichen radial gegenüberliegen.
Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelträger (2) einen axial zum Hitzeschildträger (5) abstehenden Kragen (15) aufweist, in dem die Aufnahmenut (14) des Schaufelträgers (2) ausgebildet ist.
Spaltdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (15) einteilig oder einstückig am Schaufelträger (2) ausgebildet ist.
Spaltdichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschildträger (5) einen axialen Einstich (16) aufweist, in den der Kragen (15) hineinragt.