DE4447507A1 - Ringförmige Dichtung - Google Patents
Ringförmige DichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ringförmige
Dichtung für eine Gasturbine von dem Typ, der einen ringförmigen
Strömungspfad für das Arbeitsfluid aufweist. Die Erfindung
bezieht sich insbesondere auf eine Dichtung, die aus mehreren
Dichtungssegmenten besteht und sich in Umfangsrichtung um die
Längsachse einer Gasturbinenmaschine erstreckt und das Arbeits
fluid in dem Strömungspfad einschließt.
Ein Gasturbinenmotor mit axialem Strömungspfad weist einen Korn
pressionsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Tur
binenabschnitt auf. Ein ringförmiger Strömungspfad für das Ar
beitsfluid erstreckt sich axial durch diese Abschnitte. Ein Sta
toraufbau erstreckt sich um den ringförmigen Strömungspfad, um
das Arbeitsfluid in dem Strömungspfad einzuschließen, und das
Fluid entlang des Strömungspfads auszurichten.
Wenn das Arbeitsfluid entlang dieses Strömungspfads strömt, wird
das Arbeitsfluid in dem Kompressionsabschnitt komprimiert und
mit Brennstoff im Verbrennungsabschnitt verbrannt, womit Energie
dem Arbeitsfluid zugeführt wird. Das heiße und verdichtete Ar
beitsfluid wird im Turbinenabschnitt entspannt und verrichtet
somit Arbeit. Der größte Anteil dieser Arbeit wird benutzt, um
eine freilaufende Turbine anzutreiben, die den Schub für ein
Flugzeug liefert.
Ein verbleibender Anteil dieser Arbeit, die in der Turbine im
Turbinenabschnitt erzeugt wurde, wird nicht zu diesem Zweck be
nutzt. Statt dessen wird dieser Anteil benutzt, um das Arbeits
fluid zu verdichten. Ein Rotoraufbau erstreckt sich zwischen dem
Turbinenabschnitt und dem Verdichtungsabschnitt, um diese Arbeit
von dem Turbinenabschnitt auf den Verdichtungsabschnitt zu über
tragen. Der Rotoraufbau in dem Turbinenabschnitt weist Rotor
schaufeln auf, die sich nach außen in dem Strömungspfad für das
Arbeitsmedium erstrecken. Die Rotorschaufeln haben Flügelpro
file, die in einem bestimmten Winkel bezüglich der ankommenden
Strömung angeordnet sind, um die Arbeit von dem Arbeitsfluid
aufzunehmen und den Rotoraufbau um die Rotationsachse anzutrei
ben.
Eine äußere Luftdichtung umgibt die Rotorschaufeln, um das Ar
beitsfluid in dem Strömungspfad einzuschließen. Die äußere Luft
dichtung ist Teil des stator-Strukturaufbaus und wird aus einer
Vielzahl von geschwungenen Elementen gebildet. Der Statoraufbau
umfaßt weiterhin ein äußeres Gehäuse und eine Struktur zum La
gern der Segmente der äußeren Luftdichtung von dem äußeren Ge
häuse aus. Das äußere Gehäuse und die Lagerstrukturposition der
Dichtungselemente sind nahe zu den Schaufeln angeordnet, um eine
Leckage von Arbeitsfluid über die Spitzen der Schaufeln zu ver
meiden. Im Ergebnis daraus haben die Segmente einen innigen Kon
takt mit dem heißen Arbeitsfluid und nehmen Hitze von dem Ar
beitsfluid auf und werden daher gekühlt, um die Temperatur die
ser Segmente innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.
Die äußeren Luftdichtungen der Gasturbinenschaufeln sind Teil
des äußeren Strömungspfads der Turbinenmaschine, den Rotor
spitzen benachbart, und werden daher den harten thermischen
Bedingungen in der Turbinenumgebung unterworfen. Die meisten
äußeren Luftdichtungen für Schaufeln sind aus Metall hergestellt
und einige weisen auch eine keramische Beschichtung auf, um
diese thermisch von den heißen Strömungspfad-Bedingungen zu
isolieren. Ein enger Spalt zwischen der Spitze der Schaufeln und
den äußeren Luftdichtungen der Schaufeln ist notwendig, um eine
gute Betriebsleistungsfähigkeit zu erhalten.
Die Verwendung von Kühlluft erhöht die Betriebslebensdauer der
äußeren Luftdichtung im Vergleich zu Luftdichtungen, die nicht
gekühlt werden. Jedoch wird durch die Kühlluft der Wirkungsgrad
der Maschine vermindert, da ein Teil der Arbeitsleistung der
Maschine benutzt wird, um die Kühlluft in einem Kompressor zu
verdichten. Ein Abfall des Betrags an Kühlluft, die benötigt
wird, um eine zufriedenstellende Lebensdauer der Komponenten wie
der äußeren Luftdichtungen zu erreichen, erhöht den Arbeitsan
teil, der für andere Zwecke verwendet werden kann, um bspw.
Schub zu erzeugen oder die freie Turbine anzutreiben und somit
den gesamten Wirkungsgrad zu erhöhen.
Entsprechend besteht daher ein Bedarf nach einer äußeren Luft
dichtung, deren Bedarf an Kühlluft minimiert ist, während den
noch eine ausreichende Kühlung gewährleistet ist, um die Lebens
dauer der äußeren Luftdichtung zu vergrößern.
Von einem Gesichtspunkt aus gesehen wird mit der Erfindung eine
ringförmige Dichtung für eine Gasturbinenmaschine geschaffen,
wobei diese Maschine eine Rotationsachse aufweist, die durch
diese läuft, einen ringförmigen Strömungspfad, konzentrisch zu
dieser Achse für das Arbeitsfluid durch zumindest einen Rotorab
schnitt der Maschine, wobei dieser Strömungspfad benachbart
einem Statoraufbau ist und die ringförmige Dichtung an dem Sta
toraufbau radial außerhalb dieses Abschnitts befestigt ist. Die
ser Abschnitt umfaßt eine Vielzahl von im wesentlichen gleichen
Schaufeln, wobei jede Schaufel ein Flügelprofil aufweist, das
sich radial nach außen von der Rotationsachse erstreckt und an
der Schaufelspitze endet. Jede Schaufelspitze ist zu der ring
förmigen Dichtung beabstandet und die Flügelprofiloberfläche,
direkt benachbart dieser Dichtung, definiert eine Schaufel
spitzenkontur, wobei die Dichtung Hitze von dem Arbeitsfluid
aufnimmt und weiterhin umfaßt: eine Vielzahl von geschwungenen
Dichtungselementen, die sich in Umfangsrichtung des
Strömungspfads erstrecken, wobei jedes Segment radial nach außen
von den Schaufeln beabstandet ist und jedes Segment in Um
fangsrichtung von dem benachbarten Segment beabstandet ist, und
jedes Segment umfaßt: eine Dichtungsfläche, die dem
Strömungspfad für das Arbeitsfluid gegenüberliegt und eine
Vielzahl von länglichen ersten Kühlschlitzen aufweist, wobei
jeder erste Kühlschlitz wechselnd bedeckt und unbedeckt ist,
wenn die Spitze jeder Schaufel des Rotors über den ersten
Kühlschlitz wegdreht. Jeder der ersten Kühlschlitze weist eine
erste Längsachse auf und diese erste Längsachse jedes ersten
Kühlschlitzes ist im wesentlichen tangential zu der Kontur jeder
Schaufelspitze, wenn die Spitze an dem Schlitz vorbei rotiert.
Im weiteren Sinne wird mit der Erfindung somit eine ringförmige
Dichtung in bzw. für eine Gasturbinenmaschine geschaffen, die
eine Vielzahl von länglichen Kühlschlitzen aufweist, wobei jeder
Schlitz so angeordnet ist, daß er im wesentlichen tangential zu
der Kontur der Schaufelspitze der Maschine angeordnet ist, wenn
die Schaufeln an dem Spalt vorbei drehen.
Entsprechend wird mit der vorliegenden Erfindung eine Verbesse
rung der Kühlung für die äußere Luftdichtung einer Gasturbinen
maschinenschaufel geschaffen. Gemäß einem bevorzugten Aus
führungsbeispiel ist diese Dichtung aus einer Vielzahl von
geschwungenen Dichtungselementen zusammengesetzt, die interne
Kühlpassagen, eine Vielzahl von Kühlluft-Einlaßöffnungen in
einer Oberfläche und eine Vielzahl von Kühlschlitzen für eine
Filmkühlung an einer gegenüberliegenden Oberfläche aufweisen.
Ein Messen der Kühlluft und der Richtung dieser wird gesteuert,
wenn Kühlluft in die internen Passagen durch die Öffnungen von
einem Raum zur Zuführung von Kühlluft strömt. Die Öffnungen
richten die Kühlluft so aus, daß diese eine innere Fläche der
Passage berührt, die gegenüber den Öffnungen angeordnet ist, und
diese innere Fläche durch das Auftreffen gekühlt wird. Die Kühl
luft fließt dann durch einen sockelbereich, der die konvektive
Hitzeübertragung verbessert, indem er die Kühlluft dazu zwingt,
durch einen labyrinthartigen Strömungspfad zu fließen, der durch
eine Reihe von Sockeln oder Böcken ausgebildet ist mit der
Wirkung, daß der hydraulische Durchmesser dieser Passage ver
mindert wird. Auf diese Weise werden durch die Sockel die Koef
fizienten für die konvektive Hitzeübertragung erhöht und auch
die Wärmeleitung von der Dichtfläche der Dichtsegmente zu der
kühleren Lagerstruktur verbessert. Letztendlich tritt die Kühl
luft durch Filmkühlschlitze in den Träger und die Dichtfläche
aus, wo die Kühlluft eine Filmschicht ausbildet, die an der
Kühlfläche der äußeren Luftdichtung der Schaufeln anliegt und
dem Arbeitsfluid der Gasturbinenmaschine ausgesetzt ist. Die
Filmkühlungsschlitze sind länglich ausgebildet und einige die
ser Filmkühlungsschlitze sind so orientiert, daß deren Längsa
chse tangential zu der Kontur jeder Turbinenschaufel angeordnet
ist, wenn die Schaufel über den jeweiligen Kühlschlitz streicht.
Eine solche Orientierung der Filmschlitze bewirkt eine Ausgabe
der Kühlluft gemäß der Trajektorie des Strömungspfades des Arbe
itsfluids bzw. der benachbarten Schicht, wodurch die filmartige
Bedeckung der äußeren Luftdichtung der Schaufeln verbessert
wird. Durch die Ausrichtung des Films entlang der Trajektorie
wird der Austausch an Momenten in der Grenzschicht minimiert,
wodurch ein Vermischen und Turbulenzen vermindert werden und
somit der Wirkungsgrad der Filmkühlung erhöht wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun mit
einem Beispiel anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Teil der Gasturbinen
maschine, die eine Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines geschwun
genen Elementes der vorliegenden Dichtung entlang der Linie 2-2
in Fig. 1, darstellend eine Schaufelkontur.
Fig. 3 ist ein Querschnitt einer der Passagen der Dichtung
entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.
Fig. 4 ist eine teilweise aufgebrochene Draufsicht eines Seg
ments gemäß Fig. 2, wobei die Schaufelkontur weggelassen wurde,
die die Passagen, die Sockel und Öffnungen zeigt, durch die die
Kühlluft strömt.
Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer Gasturbinenmaschine 10 mit
einem axialen Strömungspfad, die eine Rotationsachse 14 aufweist
und bei der eine bevorzugte Dichtung 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen ist. Ein Abschnitt der Rotorstufe 12 der
Turbine der Maschine 10 ist in Fig. 1 dargestellt und umfaßt
einen ringförmigen Strömungspfad 13, der eine Achse 14 für die
Verbrennungsgase aufweist, die das Arbeitsfluid der Maschine
darstellen. Die Turbinenstufe 12 weist einen Statoraufbau 15 ax
ial stromoberhalb der Stufe 12 auf und einen weiteren Statorauf
bau 16 axial stromunterhalb davon. Die Statoren 15, 16 sind Teil
einer Statorstruktur der Maschine 10 und jeder Statoraufbau 15,
16 umfaßt ein äußeres Gehäuse 17. Das äußere Gehäuse 17 er
streckt sich in Umfangsrichtung entlang des Strömungspfads 13
für das Arbeitsfluid.
Die Turbinenstufe 12 weist eine Vielzahl von Rotorschaufeln auf,
die in den Zeichnungen durch eine einzige Rotorschaufel 18,
dargestellt in Fig. 1, repräsentiert werden, die sich radial
nach außen relativ von der Achse 14 über den Strömungspfad 13 in
nahe Nachbarschaft zu dem äußeren Gehäuse 17 erstrecken. Eine
äußere Luftdichtung 11 aus einer Vielzahl von geschwungenen
Dichtungselementen (dargestellt durch ein einziges Dichtungsele
ment 19 in Fig. 1) erstreckt sich um die Achse 14, um den ring
förmigen Strömungskanal 13 zu begrenzen, und diese Dichtung 11
umgibt die Spitzen der Rotorschaufeln 18. Die äußere Luft
dichtung 11 ist radial von dem äußeren Gehäuse 17 beabstandet
und läßt einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Raum 20
zwischen diesen offen. Der Raum 20 ist in Strömungsverbindung
mit einer Quelle für Kühlluft (nicht dargestellt), um die Seg
mente 19 der Dichtung 11 - wie weiter unten beschrieben - zu
kühlen. Jedes geschwungene Dichtungselement 19 weist einen stro
moberhalb angeordneten Haken 21 und ein stromunterhalb angeord
netes Befestigungselement 22 auf, um mit stromoberhalb und
stromunterhalb vorgesehenen Lagerungen 23, 24 in Eingriff ge
bracht zu werden, die sich von dem äußeren Gehäuse nach innen
erstrecken. Die Lagerungen 23, 24 sind an dem äußeren Gehäuse 17
vorgesehen, um die äußere Luftdichtung 11 um die Rotorschaufeln
18 herum zu lagern und zu positionieren. Jede Lagerung 23, 24
kann segmentartig aufgebaut sein, um die Ringfestigkeit der La
gerung 23, 24 zu vermindern.
Ein erster Strömungspfad 25 für Kühlluft erstreckt sich von dem
äußeren Gehäuse 17 nach innen. Dieser Kühlluft-Strömungspfad
wird durch das äußere Gehäuse 17 begrenzt und erstreckt sich
durch die Maschine vom Strömungspfad 13 für das Arbeitsfluid aus
gesehen nach außen. Der Kühlluft-Strömungspfad erstreckt sich in
den Raum 20 zwischen der äußeren Luftdichtung 11 und dem
äußeren Gehäuse 17.
Jedes Dichtungssegment 19 der äußeren Luftdichtung 11 weist eine
vorangehende Kante 26 und eine gezogene Kante 27 auf. Die
vorangehende Kante 26 ist bezüglich des benachbarten Statorauf
baus 15 beabstandet und läßt einen sich in Umfangsrichtung er
streckenden Raum 28 zwischen diesen offen. Der Raum 28 bildet
einen zweiten Kühlluft-Strömungspfad, der sich axial in Um
fangsrichtung benachbart zur Region der vorangehenden Kante er
streckt. Die gezogene Kante 27 ist bezüglich des benachbarten
Statoraufbaus 16 in einem Abstand angeordnet und läßt somit
einen ringförmigen Raum 29 zwischen diesen offen, der einen
dritten Kühlluft-Strömungspfad darstellt.
Jedes Dichtungssegment 19 weist eine metallische Basis 30 auf,
die eine geschwungene Dichtungsoberfläche 31 hat, die sich in
Umfangsrichtung um die Achse 14 erstreckt. Die metallische Basis
30 ist einstückig mit einem Träger 33 ausgebildet, der den Haken
21 und das Befestigungselement 22 aufweist. Benachbarte
Dichtungselemente sind in Umfangsrichtung voneinander beab
standet und lassen zwischen diesen Elementen einen Spalt, um
eine thermische Expansion der Elemente 19 zu ermöglichen. Dieser
Spalt zwischen den Segmenten variiert unter den jeweiligen Be
triebsbedingungen der Maschine 10.
Aufgrund der extrem hohen Temperaturen des Arbeitsfluids nehmen
die Segmente 19 der äußeren Dichtung 11 Hitze vom Arbeitsfluid
auf, was der Fachmann entsprechend erwartet haben wird. Die me
tallische Basis 30 ist aus einem Material hergestellt, das eine
relativ geringe Kriechfestigkeit bei der Temperatur des Arbeits
fluids aufweist, und daher muß jedes der Segmente 19 gekühlt
werden, um die Temperatur der metallischen Basis 30 unterhalb
der Temperatur des Arbeitsfluids zu halten.
Wieder Bezug nehmend auf Fig. 1 ist zu sehen, daß die
Dichtungsfläche 31 jedes Segments den Turbinenschaufeln 18 und
dem Strömungspfad 13 für das Arbeitsfluid gegenüberliegt. Ein
Abschnitt der Dichtungsfläche 31 jedes Segments 19 erstreckt
sich radial nach außen von der Spitze der Schaufel weg und ist
bevorzugt mit einer Beschichtung eines abriebfesten Materials
versehen. Ein anderer Abschnitt der Dichtungsfläche 31 an der
vorangehenden bzw. gezogenen Kante 26, 27 ist bevorzugt mit
einer Beschichtung eines Materials versehen, das thermische
Stoppeigenschaften aufweist. Solche abriebfesten und thermischen
Stoppmaterialien sind gut bekannt und werden daher in dieser
Beschreibung nicht weiter erläutert. Gegenüber der
Dichtungsfläche 31 und radial nach außen von dieser ist eine
Kühlungs-Zufuhrfläche 40 vorgesehen, die im wesentlichen paral
lel zu dieser ist, aber von der Dichtungsfläche 31 beabstandet
ist. Die Kühlungs-Zufuhrfläche 40 weist eine Vielzahl von Kühl
luft-Einlaßöffnungen 41 auf, die sich über diese erstrecken.
Diese Öffnungen 41 sind so bemessen, daß sie den Strom an Kühl
luft durch diese, basierend auf dem Zufuhrdruck der Kühlluft,
dosieren und sich somit die gewünschte Hitzeübertragung von den
Dichtungssegmenten ergibt.
Jedes Segment 19 weist eine Vielzahl von Kühlluftpassagen 43
auf, die zwischen der Dichtungsfläche 31 und der Kühlungs-Zufuhrfläche
40 ausgebildet sind - wie dargestellt in Fig. 1.
Die Kühlluftpassagen 43 erstrecken sich von einer oder mehreren
der Öffnungen 41 entlang länglicher Filmkühlungsschlitze 50, 54
in der Dichtungsfläche 31 und jeder dieser Kühlluftpassagen 43
schneidet die Dichtungsfläche 31 an einem Filmkühlungsschlitz
50, 54. Jede Kühlluftpassage 43 ist mit dem Raum 20 zur
Zuführung der Kühlluft der Statorstruktur durch einen der Kühl
luft-Einlaßöffnungen 41 in Verbindung.
Von der vorangehenden Beschreibung sollte klar geworden sein,
daß innerhalb eines Segments 19 die Kühlluft von der Zuführung
in dem Raum 20 durch die Kühlluftpassage 43 in einer Richtung
strömt und an der Dichtungsfläche 31 durch die Schlitze 50, 54
zum Arbeitsfluid 13 hin ausströmt.
Jede Schaufel 47 weist eine Oberfläche eines Flügelprofils 47
auf und erstreckt sich radial nach außen von der Achse 14 aus
und endet in der Schaufelspitze 48. Die Schaufelspitze 48 jeder
Schaufel 47 ist in einem bestimmten Abstand zur ringförmigen
Dichtung 11 angeordnet und die Fläche des Flügelprofils 47 ist
unmittelbar benachbart zu der Dichtung 11 und definiert die Kon
tur 49 der Schaufelspitze - wie dargestellt in Fig. 2. Eine
Vielzahl von geschwungenen Dichtungssegmenten 19 erstreckt sich
in Umfangsrichtung um den Strömungspfad 13 und jedes Segment 19
ist radial außerhalb von den Schaufeln 47 in einem bestimmten
Abstand angeordnet.
Die Dichtungsfläche 31 jedes Dichtungssegments weist eine
Vielzahl von ersten Kühlschlitzen 50 - wie in Fig. 2 dargestellt - auf.
Jeder längliche erste Kühlschlitz 50 ist abwechselnd be
deckt bzw. unbedeckt, wenn die Spitze 48 jeder Schaufel 47 des
Turbinenrotors an dem Kühlschlitz 50 in Richtung 60 - wie in
Fig. 2 dargestellt - vorbei rotiert. Aus Gründen einer einfachen
klaren Darstellung ist in Fig. 2 nur die Kontur 49 einer
Schaufelspitze dargestellt. Es ist jedoch klar, daß sich die
Schaufelspitzen der verbliebenen Schaufeln 47 der Rotorstufe in
ähnlicher Weise in Richtung 60 mit derselben Orientierung
bewegen. Jeder der ersten Kühlschlitze 50 weist eine erste
Längsachse 52 auf und jeder der ersten Kühlschlitze 50 ist so
orientiert, daß die erste Längsachse 52 dieser im wesentlichen
tangential zu der Kontur 49 jeder Schaufelspitze 48 ist, wenn
die Spitze an dem Schlitz 50 vorbei rotiert. Jedes Dichtungsseg
ment 19 weist auch eine Vielzahl von Kühlschlitzen 54 der ge
zogenen Kante auf, die aus einer zweiten Vielzahl von länglichen
Kühlschlitzen 54 bestehen. Jeder zweite Kühlschlitz 54 weist
eine zweite Längsachse 56 auf und jede zweite Längsachse 56 ist
im wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse 14.
Jeder der Vielzahl von Kühlluft-Einlaßöffnungen 41 erstreckt
sich durch die Zuführfläche 40 und in das Segment 19 und verbin
det eine der Kühlluftpassagen 43, angeordnet zwischen der
Zuführfläche 40 und der Dichtungsfläche 31. Jede Passage 43 en
det an einem Kühlschlitz 50, 54, wodurch die Kühlschlitze 50, 54
mit zumindest einer Kühlluft-Einlaßöffnung 41 verbunden werden.
Auf diese Weise wird jeder der ersten und zweiten Kühlschlitze
50, 54 mit einer der Kühlluftpassagen 43 über zumindest eine der
Einlaßöffnungen 41 in Verbindung gebracht.
Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, hat jede Passage 43 eine erste
innere Oberfläche 58 und eine zweite innere Oberfläche 59, die
sich von der ersten inneren Oberfläche 58 radial nach außen
(relativ zur Rotationsachse) erstrecken. Eine Vielzahl von
Sockeln 62 erstrecken sich radial von der Rotationsachse 14 und
jeder Sockel 62 verbindet eine erste innere Oberfläche 58 einer
der Passagen 43 mit der zweiten inneren Oberfläche 58 derselben
Passage 43. Die Sockel 62 schaffen einen kurvenreichen Strö
mungspfad für die Kühlluft 64, die in die Passage 43 über eine
der Kühlluft-Einlaßöffnungen 41 eindringt und durch die Passage
43 zu den Kühlschlitzen 50, 54 strömt, die mit dieser in Ver
bindung sind. Zusätzlich stellen die Sockel 62 Lastaufnahmeele
mente dar, die die Dichtungsfläche 31 stützen, um zu verhindern,
daß die Passage 43 zusammenbricht für den Fall, daß die Blatt
spitze 48 die Dichtungsfläche 31 während des Betriebs der
Maschine berührt.
Die Rotationsachse 14 und jede Kühlluft-Einlaßöffnung 41
definieren eine Referenzlinie 66, die rechtwinklig zur Rota
tionsachse 14 ist - wie in Fig. 3 dargestellt. Die Kühlschlitze
50, 54 sind mit jeder Kühlluft-Einlaßöffnung 41 in Verbindung
und sind bezüglich der Referenzlinie 66 beabstandet angeordnet,
wodurch die Kühlluft 64, die in eine Passage 43 durch eine der
Kühlluft-Einlaßöffnungen 41 eintritt, auf die erste innere
Fläche 58 trifft und nachfolgend in Umfangsrichtung innerhalb
des Segments 19 über die Sockel 62 strömt, bevor sie die Passage
43 durch die Kühlschlitze 50, 54 verläßt, die mit dieser in Ver
bindung sind.
Wie vom Fachmann erwartet, weist jede Passage 43 einen minimalen
Strömungsquerschnitt auf und jede der Kühlluft-Einlaßöffnungen
41 entsprechen einem minimalen Einlaßquerschnitt, wodurch der
Betrag an Kühlluft 64, der durch diese fließt, geregelt wird.
Die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte der Kühlluft-Einlaßöffnung
41 in Verbindung mit einer bestimmten Passage 43
regelt effektiv den Betrag an Luft 64, der in die Passage 43
eintreten kann, für ein bestimmtes Druckdifferential über die
Öffnung 41. Der minimale Strömungsquerschnitt ist bevorzugter
weise zumindest zweimal so groß wie die Summe der Strömungsquer
schnitte der Kühlluft-Einlaßöffnung 41, die mit dieser in Ver
bindung sind, um zu gewährleisten, daß die Kühlluft 64, die auf
die erste Oberfläche 58 der Passage auftritt, genügend Geschwin
digkeit aufweist, um eine hochturbulente Wärmeübertragung zu
gewährleisten.
Wie aus Fig. 2 zu entnehmen, sind die ersten Kühlschlitze in
einer oder mehreren Reihen 68, 69, 70 ausgerichtet, wobei jede
Reihe eine Referenzebene 71, 72, 73 definiert, die rechtwinklig
zur Rotationsachse 14 ist. Bevorzugterweise sind einige der er
sten Kühlschlitze 50 in einer ersten Reihe 68 ausgerichtet, die
eine erste Referenzebene 71 senkrecht zur Rotationsachse 14
definiert und die zweiten Kühlschlitze 54 sind in einer zweiten
Reihe 74 ausgerichtet, die eine zweite Referenzebene 75
definiert, die ebenfalls rechtwinklig zur Rotationsachse 14
angeordnet ist. Zusätzlich sind einige der ersten Kühlschlitze
50 in einer dritten Reihe 69 und einer vierten Reihe 70 aus
gerichtet, wobei die dritte Reihe 69 eine dritte Referenzebene
73 rechtwinklig zur Rotationsachse definiert und die vierte
Reihe 70 eine vierte Referenzebene 73 ebenfalls rechtwinklig zur
Rotationsachse 14 definiert. Die dritte Referenzebene 72 ist
zwischen der ersten 71 und der zweiten 75 Referenzebene aus
gerichtet und die vierte Referenzebene 73 ist zwischen der drit
ten 72 und der zweiten Referenzebene 75 angeordnet.
Im Betrieb fließt die Kühlluft 64 in die konische Kühlluftpas
sage 43 der vorliegenden Erfindung durch die Be
messungsöffnungen 41, angeordnet in der Zufuhrfläche 40 des
Kühlsegments 19. Die Kühlluft 64 trifft auf die erste innere
Oberfläche 58 der Passage und kühlt dadurch den Träger 33 ra
dial außerhalb der Dichtungsfläche 31. Die Kühlluft 64 fließt
dann über die Sockel 62, die eine Turbulenz der Kühlluft 64
erzeugen, indem sie einen gekrümmten Strömungspfad durch jede
Passage 43 schaffen, wodurch der interne Wärmeübertragungskoef
fizient der Kühlluft 64 erhöht wird. Die Kühlluft 64 tritt dann
aus der Passage 43 durch einen der Schlitze 50, 54 aus und
schafft eine Filmkühlung auf der Dichtungsfläche 31. Zusätzlich
kann die Größe der Bemessungsöffnungen 41 variiert werden, um
individuell den Strom an Kühlluft durch die Passage zu steuern
und eine Fähigkeit zu gewährleisten, das Kühlpotential der
Hitzeübertragung durch Erhöhen des Stroms an Kühlluft auf heiße
Stellen (hot spots) entlang der axialen Richtung jedes Segments
19 anzupassen und die Kühlung an kühleren Flächen (cool spots)
zu vermindern und somit den Gesamtstrom an benötigter Kühlluft
zu vermindern.
Wie der Fachmann bereits erkannt haben wird, kann durch Orien
tierung einer der Filmkühlungsschlitze 50 so, daß die Längsachse
52 dieser tangential zur Kontur 49 jeder Turbinenschaufel 47
ist, wenn die Schaufel 47 über diesen Kühlschlitz 50 streicht,
erreicht werden, daß die Kühlluft 64 entlang der Trajektorie der
Grenzschicht des Strömungspfads des Arbeitsfluids ausgegeben
wird. Dadurch wird die filmartige Bedeckung der äußeren Luft
dichtung 11 der Turbinenschaufel verbessert, während der Momen
teaustausch in der Grenzschicht minimiert wird, wodurch das Ver
mischen und die Erzeugung von Turbulenzen vermindert werden und
auf diese Weise der Wirkungsgrad der Filmkühlung erhöht wird.
Die Dichtung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Kühl
anordnung ermöglichen, die Merkmale aufweist, durch die der Ein
gang der Kühlluftpassage und die Austrittsorte benutzt werden,
um Kerne bei der Herstellung zu lagern und somit die Gießbarkeit
der Teile zu erhöhen und einen Guß mit hoher Festigkeit aus
hochfestem und hochtemperaturfestem Turbinenmaterial zu ermögli
chen. Der Kühlwirkungsgrad der Sockel 62 kann durch Variieren
der Strömungsrate des Kühlmittels zu den jeweiligen Reihen von
Passagen 68, 69, 70, 74 an die Hitzeübertragung im ersten
Strömungspfad angepaßt werden, während die Fähigkeit der Sockel
62, eine Last aufzunehmen, zu einer äußeren Luftdichtung 11
führt, die unempfindlich bezüglich Berührungen durch die Turbin
enschaufel ist. Die Sockel 62 verstärken die Filmkühlschlitze
50, 54, die so orientiert sind, daß ein Verstopfen dieser ver
hindert wird und mit einer abriebefesten Beschichtung versehen
werden können, ohne daß der Kühlmittelstrom vermindert wird.
Zusätzlich zu der abriebsfesten Beschichtung zur Erhöhung der
Dichteigenschaften kann die äußere Luftdichtung 11 gemäß der
vorliegenden Erfindung auch eine Kombination von Beschichtungen
der Dichtoberfläche, wie oxidations- und erosionswiderstands
fähiger Beschichtungen, benutzen, um die Lebensdauer der Dich
tung 11 zu erhöhen, und Thermostop-Beschichtungen, um die Be
triebstemperaturen der Dichtung 11 zu vermindern.
Es dürfte von der obigen Beschreibung der Erfindung deutlich ge
worden sein, daß zumindest die bevorzugten Ausführungsbeispiele
eine äußere Luftdichtung ermöglichen, die nur einen minimalen
Bedarf an Kühlluft aufweisen, wobei eine Kühlung erforderlich
ist, um die Lebensdauer der äußeren Luftdichtung zu verlängern,
und diese äußere Dichtung, Aufschlagskühlung, Sockel und
Schlitzfilmkühlung in ihren Merkmalen kombiniert zum Gebrauch
einer äußeren Luftdichtung bei Turbinenmaschinenschaufeln, wobei
der Kühlluftfilm gemäß der Trajektorie der Grenzschicht am
Strömungspfad des Arbeitsfluids ausgerichtet wird, um den Aus
tausch an Turbulenzmomenten zwischen der Kühlluft und dem Ar
beitsfluid zu minimieren.
Obwohl diese Erfindung anhand eines detaillierten Aus
führungsbeispiels dargestellt und beschrieben wurde, dürfte es
für den Fachmann klar sein, daß verschiedene Änderungen in der
Ausgestaltung und im Detail dieser vorgenommen werden können,
ohne daß der Schutzbereich der Erfindung, wie definiert durch
die anliegenden Ansprüche, verlassen wird.
Claims (17)
1. Eine ringförmige Dichtung (11) in oder für eine Gastur
binenmaschine, die eine Rotationsachse (14) aufweist, einen
ringförmigen Strömungspfad (13) konzentrisch zu der Rotations
achse (14) zum Durchstrom eines Arbeitsfluids durch zumindest
eine Rotorstufe (12) der Maschine, wobei der Strömungspfad durch
eine Statorstruktur begrenzt wird und die ringförmige Dichtung
(11) an dieser Statorstruktur radial außerhalb der ersten Stufe
befestigt ist, wobei die erste Stufe eine Vielzahl von im wesen
tlichen gleichen Schaufeln (18) umfaßt, von denen jede Schaufel
eine Oberfläche gemäß einem Flügelprofil aufweist, die sich von
der Rotationsachse (14) nach außen erstreckt und in einer
Schaufelspitze (48) endet, wobei jede Schaufelspitze (48) in Ab
stand zu der ringförmigen Dichtung (11) angeordnet ist und die
Oberfläche des Flügelprofils direkt benachbart zu der ringförmi
gen Dichtung (11) eine Kontur einer Schaufelspitze definiert und
die ringförmige Dichtung (11) Hitze von dem Arbeitsfluid auf
nimmt, mit:
einer Vielzahl von geschwungenen Dichtungssegmenten (19), die sich in Umfangsrichtung um den Strömungspfad (13) er strecken, wobei jedes Segment (19) radial außerhalb der Schaufeln (18) in einem Abstand angeordnet ist und jedes Segment (19) in Umfangsrichtung von dem benachbarten Element (19) beab standet angeordnet ist, wobei jedes Segment (19) umfaßt:
eine Dichtfläche (31), die dem Strömungspfad (13) des Ar beitsfluids gegenüberliegt und eine Vielzahl von länglichen er sten Kühlschlitzen (50) aufweist, wobei jeder erste Kühlschlitz (50) abwechselnd bedeckt und unbedeckt ist, wenn die Spitze (48) jeder Schaufel (47) des Rotors an den ersten Kühlschlitz (50) vorbei rotiert, wobei jeder erste Kühlschlitz (50) eine erste Längsachse (52) aufweist und diese erste Längsachse (52) jedes ersten Kühlschlitzes (50) sich im wesentlichen tangential zu der Kontur (49) jeder Blattspitze (48) erstreckt, wenn die Spitze (48) an dem Schlitz (50) vorbei rotiert.
einer Vielzahl von geschwungenen Dichtungssegmenten (19), die sich in Umfangsrichtung um den Strömungspfad (13) er strecken, wobei jedes Segment (19) radial außerhalb der Schaufeln (18) in einem Abstand angeordnet ist und jedes Segment (19) in Umfangsrichtung von dem benachbarten Element (19) beab standet angeordnet ist, wobei jedes Segment (19) umfaßt:
eine Dichtfläche (31), die dem Strömungspfad (13) des Ar beitsfluids gegenüberliegt und eine Vielzahl von länglichen er sten Kühlschlitzen (50) aufweist, wobei jeder erste Kühlschlitz (50) abwechselnd bedeckt und unbedeckt ist, wenn die Spitze (48) jeder Schaufel (47) des Rotors an den ersten Kühlschlitz (50) vorbei rotiert, wobei jeder erste Kühlschlitz (50) eine erste Längsachse (52) aufweist und diese erste Längsachse (52) jedes ersten Kühlschlitzes (50) sich im wesentlichen tangential zu der Kontur (49) jeder Blattspitze (48) erstreckt, wenn die Spitze (48) an dem Schlitz (50) vorbei rotiert.
2. Eine Dichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Segment (19)
weiterhin umfaßt: eine Zufuhrfläche (40), radial außerhalb von
der Dichtfläche (31) angeordnet, eine Vielzahl von Kühlluft-Einlaßöffnungen
(41), die sich durch die Zufuhrfläche (40) und
in das Segment (19) erstrecken, und eine Vielzahl von Kühlluft
passagen (43), die vollständig zwischen der Zufuhrfläche (40)
und der Dichtfläche (31) angeordnet sind, wobei jede Passage
(43) einen der ersten Kühlschlitze (50) mit zumindest einem der
Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) verbindet, wobei jeder der ersten
Kühlschlitze (50) mit zumindest einer der Einlaßöffnungen (41)
durch zumindest eine der Kühlluftpassagen (43) verbunden ist.
3. Eine Dichtung nach Anspruch 2, wobei jede Passage (43)
eine erste innere Oberfläche (58) und eine zweite innere Ober
fläche (59) radial außerhalb der ersten inneren Oberfläche (58)
relativ zur Rotationsachse aufweist und jedes Segment (19) eine
Vielzahl von Sockeln (62) hat, die sich radial von der Rotations
achse (14) weg erstrecken und jeder Sockel (62) die erste in
nere Oberfläche (58) einer der Passagen (43) mit der zweiten in
neren Oberfläche (59) dieser verbindet, wobei die Sockel (62)
einen gekrümmten Strömungspfad für die Kühlluft (64) schaffen,
die in die Passage (43) durch einen der Kühlluft-Einlaßöffnungen
(41) eintritt und durch die Passage (43) zu den Kühlschlitzen
(50), die mit dieser in Verbindung sind, strömt.
4. Eine Dichtung nach Anspruch 3, wobei jede Kühlluft-Einlaßöffnung
(41) und die Rotationsachse (14) eine Referenz
linie (66) definieren, die senkrecht zu der Rotationsachse (14)
ist und der Kühlschlitz (50) in Verbindung mit jeder Kühlluft-Einlaßöffnung
(41) ist und in einem Abstand zu der Referenzlinie
angeordnet ist, wodurch die Kühlluft, die in die Passage (43)
durch eine der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) eintritt, dazu ge
zwungen wird, auf die erste innere Fläche (58) aufzutreffen,
bevor sie die Passage (43) durch den Kühlschlitz (50), der mit
dieser in Verbindung ist, verläßt.
5. Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei jede
Passage (43) einen minimalen Strömungsquerschnitt aufweist und
jede der Kühlluft-Einlaßöffnungen einen minimalen Ein
laßströmungsquerschnitt aufweist und der minimale Strömungs
querschnitt zumindest zweimal so groß ist wie die Summe der
Strömungseinlaßquerschnitte der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41),
die mit der Passage in Verbindung sind.
6. Eine Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der ersten Kühl
schlitze (50) in einer ersten Reihe (68) ausgerichtet sind,
wobei die erste Reihe (68) eine erste Referenzebene (71) senk
recht zur Rotationsachse (14) definiert.
7. Eine Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer zweiten Reihe (69)
ausgerichtet sind und die zweite Reihe (69) eine zweite Refe
renzebene (72) senkrecht zur Rotationsachse (14) definiert,
wobei die zweite Referenzebene (72) in einem Abstand zur ersten
Referenzebene (71) vorgesehen ist.
8. Eine Dichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer dritten Reihe (70)
ausgerichtet sind und die dritte Reihe (70) eine dritte Refe
renzebene (73) senkrecht zur Rotationsachse (14) definiert, wobei
die zweite Referenzebene (72) zwischen der ersten (71) und der
dritten Referenzebene (73) angeordnet ist.
9. Eine Dichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Vielzahl von länglichen zweiten Kühlschlitzen (54), von denen
jeder Kühlschlitz (54) eine zweite Längsachse (56) aufweist,
wobei diese zweite Längsachse (56) jeder der zweiten Kühl
schlitze (54) im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse (14)
ist.
10. Eine Dichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
jedes Segment (19) weiterhin eine Zufuhrfläche (40), radial
außerhalb von der Dichtfläche (31) angeordnet, umfaßt und eine
Vielzahl von Kühlluft-Einlaßöffnungen (41), die sich durch die
Zufuhrfläche (40) in das Segment (19) erstrecken und desweiteren
eine Vielzahl von Kühlluftpassagen (43), vollständig angeordnet
zwischen der Zufuhrfläche (40) und der Dichtfläche (31), wobei
jede Passage (43) eine der ersten (50) und zweiten Kühlschlitze
(54) mit zumindest einem der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) ver
bindet, wobei jeder erste (50) und zweite Kühlschlitz (54) mit
zumindest einem der Kühlluft-Einlaßöffnungen durch eine der
Kühlluftpassagen (43) in Verbindung sind.
11. Eine Dichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Passage (43) eine erste innere Oberfläche (58) und eine
zweite innere Oberfläche (59) radial außerhalb der ersten in
neren Oberfläche (58) relativ zur Rotationsachse aufweist, wobei
jedes Segment (19) eine Vielzahl von Sockeln (62) umfaßt, die
sich von der Rotationsachse (14) radial nach außen erstrecken,
und jeder Sockel (62) eine erste innere Oberfläche (58) mit
einer der Passagen (43) der zweiten inneren Oberfläche (59) die
ser verbindet und die Sockel (62) einen gekrümmten Strömungspfad
für die Kühlluft (64) erzeugen, wenn diese in die Passage (43)
durch eine der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) eintritt und durch
die Passage (43) zu den Kühlschlitzen (50, 54) fließt, die mit
dieser in Verbindung ist.
12. Eine Dichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Kühlluft-Einlaßöffnung (41) und die Rotationsachse (14)
eine Referenzlinie (66) definieren, die senkrecht zu der Rota
tionsachse (14) ist und die Kühlschlitze (50, 54), die mit jeder
Kühlluft-Einlaßöffnung in Verbindung sind, in einem Abstand von
dieser Referenzlinie (66) angeordnet sind, wodurch die Kühlluft,
die in die Passage (43) durch eine der Kühlluft-Einlaßöffnungen
(41) eintritt, dazu gezwungen wird, an die erste innere Ober
fläche (58) zu stoßen, bevor sie die Passage (43) durch den
Kühlschlitz (50, 54), der mit dieser in Verbindung ist, ver
läßt.
13. Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Passage (43) einen minimalen Strömungs
querschnitt aufweist und jede der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41)
einen minimalen Einlaßströmungsquerschnitt hat, wobei der mini
male Strömungsquerschnitt zumindest das zweifache der Summe der
Einlaßströmungsquerschnitte der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41)
beträgt, die mit dieser in Verbindung sind.
14. Eine Dichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer er
sten Reihe (68) ausgerichtet sind, wobei die erste Reihe (68)
eine erste Referenzebene (71) senkrecht zur Rotationsachse
definiert und die zweiten Kühlschlitze (54) in einer zweiten
Reihe (74) ausgerichtet sind, wobei die zweite Reihe (74) eine
zweite Referenzebene (75) senkrecht zur Rotationsachse (14)
definiert.
15. Eine Dichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer dritten Reihe
(69) ausgerichtet sind, wobei die dritte Reihe (69) eine dritte
Referenzebene (72) senkrecht zur Rotationsachse (14) definiert
und die dritte Referenzebene (72) zwischen der ersten (71) und
der zweiten Referenzebene (75) angeordnet ist.
16. Eine Dichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer vierten Reihe
(70) angeordnet sind, wobei die vierte Reihe (70) eine vierte
Referenzebene (73) senkrecht zu der Rotationsachse (14) de
finiert, wobei die vierte Referenzebene (73) zwischen der drit
ten (72) und der zweiten Referenzebene (75) angeordnet ist.
17. Eine ringförmige Dichtung für eine Gasturbinenmaschine mit
einer Vielzahl von länglichen Kühlschlitzen (50), wobei jeder
Schlitz (50) so angeordnet ist, daß er im wesentlichen tangen
tial zu der Kontur (49) der Schaufelspitze (48) der Maschine
angeordnet ist, wenn diese an dem Schlitz (50) vorbei rotiert.
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