DE19811294B4 - Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufelumhüllung und -plattform - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufelumhüllung und -plattform, bei dem ein Ausströmen einer Dichtungsluft den Verbrennungsgasstrom nicht stört und ein aerodynamischer Verlust beseitigt wird. Eine Leckluft (60) entweicht zwischen einer Plattform bzw. einem Schaufelfuß (2) einer Laufschaufel (1) und einer innenseitigen Umhüllung bzw. Ummantelung (12) in einer Leitschaufel (11); die Leckluft (60) strömt jedoch an einer Vorderseite der Laufschaufel (1) in einer S-förmigen Weise innerhalb eines von einem vorspringenden Endabschnitt (12b) der Umhüllung, einer Wabenstrukturdichtung (14) und einem vorspringenden Abschnitt (4) der Plattform gebildeten Raums (8, 17), und strömt in derselben Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50) längs einer Oberfläche der Plattform 2) aus. Auf der Hinterseite der Laufschaufel (1) strömt die Leckluft (60) in einer S-förmigen Weise innerhalb eines Raums (6, 9), gebildet durch einen vorspringenden Endabschnitt (2b) der Plattform, einen vorspringenden Endabschnitt (12b) der Umhüllung, eine Wabenstrukturdichtung (13) und eine Dichtungsplatte (3), und strömt in derselben Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50) längs einer Oberfläche der Umhüllung (12) aus. Somit strömt die Luft (60) in derselben Richtung wie das Verbrennungsgas (50), die Luft kann nicht einfach entweichen, und ein Kühleffekt der Plattform und der Umhüllung wird durch einen Schichtkühlungseffekt erhöht.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen einer Leitschaufelumhüllung bzw. -ummantelung, im Folgenden als ”Deckring” (shroud) bezeichnet, und einer anschließenden Laufschaufelplattform.
- In
4 ist in Schnittansicht eine Anordnung einer Leitschaufel und einer Laufschaufel in einer herkömmlichen Gasturbine dargestellt. In der Zeichnung bezeichnet Bezugsziffer21 eine Laufschaufel, Bezugsziffer31 eine Leitschaufel, und die Laufschaufel21 weist in einem Basisabschnitt eine Plattform22 auf und ist alternierend mit dazwischen angeordneten Leitschaufeln31 an einem Rotor montiert und wird durch eine Strömung eines Verbrennungsgases50 zum Umlauf gebracht. Die Bezugsziffer23 bezeichnet eine Dichtungsplatte, die vor und hinter einem unteren Abschnitt der Plattform22 vorgesehen ist, und die Bezugsziffern24 und25 bezeichnen einen vorderen bzw. hinteren Endabschnitt der Plattform22 . - Mit Bezugsziffer
32 ist ein innenseitiger Deckring der Leitschaufel31 bezeichnet, und die Bezugsziffern33 und34 bezeichnen einen vorderen bzw. hinteren Endabschnitt hiervon. Die Bezugsziffer35 bezeichnet einen unterhalb des Deckrings32 angeordneten Hohlraum, die Bezugsziffer36 einen Dichtungskasten, und die Bezugsziffern37 und38 bezeichnen einen zwischen benachbarten Laufschaufeln21 in einer Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ausgebildeten Raum, wobei dieser Raum einen hohen Druck durch die aus dem Hohlraum35 und dem Dichtungskasten36 etc. ausströmende Dichtungsluft aufweist. - In der Gasturbine mit dem erwähnten Aufbau strömt das Verbrennungsgas
50 mit hoher Temperatur in einen von der Laufschaufel21 und der Leitschaufel31 gebildeten Verbrennungsgasdurchgang und versetzt die Laufschaufel21 in Drehung, so daß die Gasturbine angetrieben wird. Im Betrieb fließt eine Dichtungsluft in den Hohlraum35 vom inneren Abschnitt der Leitschaufel21 durch einen Durchgang (nicht dargestellt), wodurch in dem Hohlraum35 ein hoher Druck entsteht, so daß das Verbrennungsgas50 hoher Temperatur daran gehindert wird, aus dem Verbrennungsgasdurchgang in die Schaufel einzutreten. - Dabei wird die Dichtungsluft veranlaßt, zwischen dem Endabschnitt
33 des innenseitigen Deckrings32 der Leitschaufel31 und dem Endabschnitt25 der Plattform22 der Laufschaufel21 sowie zwischen dem Endabschnitt34 des innenseitigen Deckrings32 und dem Endabschnitt24 der Plattform22 nach oben auszuströmen, wie durch einen Pfeil40 dargestellt ist, d. h. in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu dem in einer Axialrichtung strömenden Verbrennungsgas50 , wodurch ein Strömungswiderstand des Verbrennungsgases50 vergrößert wird. - Wie erwähnt, wird bei der herkömmlichen Gasturbine die Dichtungsluft
40 zwischen dem Deckring der Leitschaufel und der Plattform der benachbarten Laufschaufel in eine Richtung geleitet, die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases50 ist, wodurch der Strömungswiderstand des Verbrennungsgases50 erhöht wird und dabei ein Verlust entsteht, so daß es zu einer Verschlechterung der Turbinenleistung kommt. - Aus der
US 5358374 A ist ein Dichtungssystem zwischen einem inneren Deckring einer Leitschaufel und jeweils stromab und stromauf davon, bezogen auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgases, angeordneten Plattformen von Laufschaufeln. Eine Dichtungsvorrichtung ist an einer radial inneren Fläche des inneren Deckrings vorgesehen. Das Dichtungssystem umfasst einen Strömungsdurchgang zwischen der jeweiligen Plattform und dem Deckring, in dem die aus seitlichen Öffnungen des inneren Deckrings ausströmende Kühlluft aus der Laufschaufel in Zickzackform umgelenkt wird, bevor sie in einer Radialrichtung in den Verbrennungsgasdurchgang austritt. - Aus der
DE 2825219 A1 ist ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen einer Laufschaufel und stromab bzw. stromauf davon, bezogen auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgases, angeordneten Leitschaufeln bekannt, bei dem eine Dichtungsvorrichtung im Bereich des Strömungsdurchgangs zwischen dem inneren Deckring der stromaufwärtigen Leitschaufel und der Plattform der stromab davon angeordneten Laufschaufel vorgesehen ist. Auch hier tritt die Kühlluft im wesentlichen radial in den Verbrennungsgasdurchgang aus. - Aus der
EP 0550125 A1 ist eine weitere Dichtungsanordnung zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln bzw. zwischen einer Laufschaufel und einer stromab davon bezogen auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgases angeordneten Leitschaufel bekannt. - Aus der
DE 2140720 A ist schließlich eine Turbinenstufe für einen Turboverdichter oder ein Flugtriebwerk oder eine Turbine zum Antreiben eines elektrischen Generators bekannt, bei der zur Verringerung einer Leckströmung eines Arbeitsmediums durch einen Zwischenkranzspalt in demselben eine Labyrinthdichtung angeordnet ist, die an der stromabseitigen Rückseite des Leitschaufelkranzes einen Vorsprung besitzt, der eine Fußfläche einer benachbarten Laufschaufel teilweise überdeckt, einen Durchtritt für die Leckströmung bildet und eine Umlenkung der Leckströmung in Richtung des Hauptstroms des Arbeitsmediums bewirkt. Mittels schräger Nuten an der Innenfläche des Vorsprungs wird der Leckströmung ein Drall in der Drehrichtung des Laufrades aufgeprägt, um die Leckströmungsenergie auszunutzen. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen einem inneren Deckring einer Leitschaufel und einer Plattform einer Laufschaufel in Vorschlag zu bringen, durch das die Strömung eines Verbrennungsgases nicht behindert wird und die eine höhere Leistung der Gasturbine ermöglicht.
- Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Gasturbinen-Dichtungssystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
- Erfindungsgemäß strömt die Dichtungsluft, die zwischen der Plattform und dem Deckring entweicht, aus dem unteren Abschnitt des Zwischenraums in die Dichtungsvorrichtung. Nach dem Ausströmen aus der Dichtungsvorrichtung strömt sie nach oben und weiter zum Verbrennungsgasdurchgang durch den in einer Zickzackform gebildeten Strömungsdurchgang, und damit in einer Horizontalrichtung. Die zu dem Verbrennungsgasdurchgang hin entweichende Luft strömt längs einer Fläche der Plattform vor der Plattform, bzw. längs einer Fläche des anschließenden Deckrings hinter der Plattform, wodurch sie in derselben Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas strömt.
- Damit kann, da die Leckluft die Strömung des Verbrennungsgases nicht stört und sie in derselben Richtung wie das Verbrennungsgas ausströmt, ein aerodynamischer Verlust in der Gasturbine vermindert werden.
- Des weiteren wird eine Temperaturerhöhung durch ein Hochtemperaturgas an diesen Flächen durch einen Schichtkühleffekt unterdrückt, da die Leckluft längs der Oberflächen des Deckrings und der Plattform strömt, so daß ein Kühleffekt erhöht werden kann.
- Darüber hinaus strömt die Leckluft zickzackartig und in abgelenkter Weise aus, der Strömungswiderstand ist erhöht, die Luft entweicht nicht leicht, und die Leckluftmenge ist vermindert, so daß zusammen mit dem oben erwähnten Effekt die Leistung der Gasturbine verbessert ist.
- Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen nähert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine Schnittansicht, die eine Gesamtdarstellung eines Gasturbinen-Dichtungssystems zwischen Schaufeldeckring und -plattform gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, -
2 eine detaillierte Darstellung eines Abschnitts A in1 , -
3 eine detaillierte Darstellung eines Abschnitts B in1 , und -
4 eine Schnittansicht einer Leitschaufel und einer Laufschaufel in einer herkömmlichen Gasturbine. - Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Schnittansicht, die ein erfindungsgemäßes Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufeldeckring und -plattform darstellt,2 eine Ansicht, welche die Details eines Abschnitts A in1 zeigt, und3 eine Ansicht, welche die Details eines Abschnitts B in1 zeigt. - In
1 bezeichnet die Bezugsziffer1 eine Laufschaufel und die Bezugsziffer2 eine Plattform hiervon, welche an ihren beiden Enden weiter unten beschriebene Endabschnitte2a und2b aufweist. Mit der Bezugsziffer3 ist eine Dichtungsplatte an der Rückseite des unteren Abschnitts der Plattform2 bezeichnet, wobei die Dichtungsplatte3 zusammen mit einem Armabschnitt3a und einem Dichtungssteg bzw. -grat3b einstückig ausgebildet ist. Mit der Bezugsziffer4 ist ein vorspringender Abschnitt an einer Vorderseite der Plattform2 bezeichnet, der mit einem Dichtungssteg bzw. -grat4a an einem Abschlußende hiervon versehen ist. Die Bezugsziffern5 und6 bezeichnen einen vorderen Raum bzw. einen hinteren Raum bezüglich der anschließenden Leitschaufel. Die Bezugsziffer7 bezeichnet eine vordere Dichtungsplatte und die Bezugsziffer8 einen durch den Endabschnitt2a der Plattform und den vorspringenden Abschnitt4 gebildeten Raum. - Mit der Bezugsziffer
11 ist eine Leitschaufel bezeichnet, und mit der Bezugsziffer12 ein innenseitiger Deckring hiervon mit später beschriebenen Endabschnitten12a und12b an seinen beiden Enden. Die Bezugsziffer13 bezeichnet eine vordere Wabenstrukturdichtung und die Bezugsziffer14 eine hintere Wabenstrukturdichtung, wobei der Dichtungssteg3b und der Dichtungssteg4a der anschließenden Laufschaufeln1 in einer zueinander entgegengesetzten Weise angeordnet sind. Mit der Bezugsziffer15 ist ein Hohlraum bezeichnet und mit der Bezugsziffer16 ein Dichtungskasten. - Die
2 zeigt im Detail einen Abschnitt A von1 , wobei der Endabschnitt12b auf der Hinterseite des innenseitigen Deckrings12 der Leitschaufel11 vorspringt. Der Endabschnitt12b ist so strukturiert, daß die in seinem unteren Abschnitt angeordnete Wabenstrukturdichtung14 vorspringt, so daß er zusammen mit dieser Wabenstrukturdichtung14 einen Raum17 bildet. Des weiteren springt der Endabschnitt2a der Plattform2 der Laufschaufel1 mit einer sanft gekrümmten Oberfläche in den Raum17 vor, so daß die Räume17 und8 in einer Form eines komplizierten Zickzackpfads mit S-Form zwischen dem Deckring12 und der Plattform2 ausgebildet sind, wie die Zeichnung darstellt. - Gemäß der oben erwähnten Struktur strömt Leckluft
60 horizontal zwischen der Wabenstrukturdichtung14 und dem Dichtungssteg4a aus dem unteren Raum5 , ändert ihre Richtung nach oben zum Raum8 hin, strömt weiter horizontal in entgegengesetzter Richtung im Raum17 , strömt in einer zickzackartigen S-Form längs eines Raums zwischen dem Deckring-Endabschnitt12b und dem Plattform-Endabschnitt2a , und strömt in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas50 längs der glatten, gekrümmten Oberfläche der Plattform2 aus. - In
3 sind die Einzelheiten eines Abschnitts B von1 dargestellt, wobei der Endabschnitt2b der Plattform2 der Laufschaufel1 vorspringt und eine glatte, gekrümmte Fläche an der Unterseite ausgeformt ist. Ferner ist auch der Deckring-Endabschnitt12a der Leitschaufel11 vorspringend, und eine glatte, gekrümmte Fläche ist längs der unteren gekrümmten Oberfläche des Plattform-Endabschnitts2b der Laufschaufel1 ausgebildet. Die Dichtungsplatte3 mit dem Armabschnitt3a ist so angeordnet, daß der Dichtungssteg bzw. -grat3b horizontal unterhalb der Unterseite der Wabenstrukturdichtung13 des Deckring-Endabschnitts12a angeordnet ist, und die Dichtungsplatte3 ist am unteren Abschnitt der Plattform2 der Laufschaufel1 montiert. Wie schon erwähnt, ist durch den Endabschnitt2b der Plattform, den Deckring-Endabschnitt12a und den Armabschnitt3a der Dichtungsplatte3 ein Durchgang gebildet, durch den der Raum6 und der Raum9 eine zickzackartig geschlängelte S-Form erhalten. - Gemäß der obigen Struktur strömt die Leckluft
60 horizontal zwischen der Wabenstrukturdichtung13 und dem Dichtungssteg3b aus dem unteren Raum6 , ändert ihre Richtung nach oben in den Raum9 , strömt in einer zickzackartigen S-Form längs der unteren gekrümmten Fläche des Plattform-Endabschnitts2b und der gekrümmten Fläche des Deckring-Endabschnitts12a nach oben, so daß sie allmählich in die Richtung des Verbrennungsgasstroms strömt, um längs der Oberfläche des Deckrings12 auszuströmen. - In der Gasturbine mit der angegebenen Struktur strömt das Verbrennungsgas
50 mit hoher Temperatur zu dem durch die Laufschaufel1 und die Leitschaufel11 gebildeten Durchgang, um die Laufschaufel1 zu drehen, so daß die Gasturbine angetrieben wird. Im Betrieb strömt die Dichtungsluft in den Hohlraum15 der Leitschaufel11 , nachdem sie einen Durchgang (nicht dargestellt) von der Leitschaufel11 aus passiert hat, so daß im Hohlraum15 ein hoher Druck entsteht, wodurch verhindert wird, daß das Verbrennungsgas mit hoher Temperatur aus dem Verbrennungsgasdurchgang in die Schaufel eintritt. - Dabei srömt im Vorderabschnitt der Plattform
2 , wie in2 gezeigt ist, die Leckluft60 zwischen der Wabenstrukturdichtung14 und dem Dichtungsgrat bzw. -steg4a hindurch, und sie passiert den Raum8 und den Raum17 , die durch den Plattform-Endabschnitt2a und den Deckring-Endabschnitt12b gebildet sind, strömt in einer zickzackartigen S-Form weiter, so daß sie längs der gekrümmten Oberfläche der Plattform2 zum Ausströmen gebracht wird, und strömt in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas50 aus. - Außerdem strömt die Leckluft
60 im hinteren Abschnitt der Plattform2 , wie3 zeigt, zwischen der Wabenstrukturdichtung13 und dem Dichtungssteg3b hindurch, und sie passiert den von dem Deckring-Endabschnitt12a und dem Plattform-Endabschnitt2b gebildeten Raum9 , strömt in einer S-förmigen Art weiter, und strömt längs der gekrümmten Oberfläche des Deckrings12 von der gekrümmten Oberfläche des Deckring-Endabschnitts12a aus, wobei das Ausströmen in dieselbe Strömungsrichtung wie die des Verbrennungsgases50 geschieht. - In dem Gasturbinen-Dichtungssystem wird bezüglich des Leitschaufeldeckrings und der Laufschaufelplattform gemäß der obigen Ausführungsform die Strömung des Verbrennungsgases
50 nicht gestört, da die Leckluft60 in dieselbe Ausströmrichtung wie die des Verbrennungsgases50 ausströmt, so daß ein aerodynamischer Verlust verringert werden kann. - Da außerdem die Leckluft
60 längs der Oberfläche der Plattform2 der Laufschaufel1 und der Oberfläche des Deckrings12 der Leitschaufel11 strömt, kann eine Temperaturerhöhung durch das Verbrennungsgas hoher Temperatur durch den Schichtkühleffekt unterdrückt werden, so daß der Kühlungseffekt verstärkt werden kann. Darüber hinaus strömt die Leckluft60 längs eines Durchgangs aus, der in zickzackartiger S-Form und in umgelenkter Weise strukturiert ist, wobei der Strömungswiderstand erhöht, ein Entweichen erschwert und die Menge an entweichender Luft reduziert sind.
Claims (2)
- Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen einem inneren Deckring (
12 ) einer Leitschaufel (11 ) und einer Plattform (2 ) einer Laufschaufel (1 ), wobei ein Raum in einer Axialrichtung zwischen der Plattform (2 ) und dem Deckring (12 ) gebildet ist und der Raum einen Strömungsdurchgang für Dichtungsluft (60 ) bildet, wobei in dem Strömungsdurchgang eine Dichtungsvorrichtung angeordnet ist und der Strömungsdurchgang so gestaltet ist, dass die Dichtungsluft (60 ) in der Axialrichtung in Zickzackform strömt, bevor sie in einen Verbrennungsgasdurchgang austritt, wobei die Plattform (2 ) an einem in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (50 ) hinteren Ende einen Endabschnitt (2b ) aufweist, der zu dem Deckring (12 ) hin vorspringt und an einer Unterseite eine glatte, konkav gekrümmte Fläche besitzt, und der Deckring (12 ) an einem in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (50 ) vorderen Ende einen Endabschnitt (12a ) aufweist, der zu dem Endabschnitt (2b ) der Plattform (2 ) vorsteht und eine glatte, konvex gekrümmte Fläche besitzt, die sich entlang der glatten, gekrümmten Fläche an der Unterseite des Endabschnitts (2b ) der Plattform (2 ) erstreckt, derart, dass die Dichtungsluft durch die gekrümmten Flächen in Richtung der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (50 ) umgelenkt wird und entlang einer Oberfläche des Deckrings (12 ) in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50 ) ausströmt, und wobei die Dichtungsvorrichtung zwischen einer unteren Oberfläche des Endabschnitts (12a ) des Deckrings (12 ) und einem Armabschnitt (3a ) einer an einem unteren Abschnitt der Plattform (2 ) angebrachten Dichtungsplatte (3 ) angeordnet ist. - Gasturbinen-Dichtungssystem gemäß Anspruch 1, wobei der Deckring (
12 ) an einem in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (50 ) hinteren Ende einen Endabschnitt (12b ) aufweist, der zu einer Plattform (2 ) einer anschließenden Laufschaufel (1 ) hin vorspringt und an einer Unterseite eine Fläche besitzt, und die Plattform (2 ) der anschließenden Laufschaufel (1 ) ebenfalls einen Vorsprung (2a ) aufweist, der zu dem Endabschnitt (12b ) des Deckrings (12 ) vorsteht und eine sanft gekrümmte Oberfläche besitzt, so dass die Dichtungsluft umgelenkt wird und entlang einer glatten, gekrümmten Oberfläche der Plattform (2 ) in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50 ) ausströmt.
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