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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ringförmige Dichtung
für eine
Gasturbine von dem Typ, der einen ringförmigen Strömungspfad für das Arbeitsfluid aufweist.
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Ein
Gasturbinenmotor mit axialem Strömungspfad
weist einen Kompressionsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und
einen Turbinenabschnitt auf. Ein ringförmiger Strömungspfad für das Arbeitsfluid erstreckt
sich axial durch diese Abschnitte. Ein Statoraufbau erstreckt sich
um den ringförmigen
Strömungspfad,
um das Arbeitsfluid in dem Strömungspfad
einzuschließen,
und das Fluid entlang des Strömungspfads
auszurichten.
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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 Arbeitsfluid 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.
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Ein
verbleibender Anteil dieser Arbeit, die in der Turbine im Turbinenabschnitt
erzeugt wurde, wird nicht zu diesem Zweck benutzt. Stattdessen wird
dieser Anteil benutzt, um das Arbeitsfluid zu verdichten. Ein Rotoraufbau
erstreckt sich zwischen dem Turbinenabschnitt und dem Verdichtungsabschnitt,
um diese Arbeit von dem Turbinenabschnitt auf den Verdichtungsabschnitt
zu übertragen.
Der Rotoraufbau in dem Turbinenabschnitt weist Rotorschaufeln auf, die
sich nach außen
in dem Strömungspfad
für das Arbeitsmedium
erstrecken. Die Rotorschaufeln haben Flügelprofile, die in einem bestimmten
Winkel bezüglich
der ankommenden Strömung
angeordnet sind, um die Arbeit von dem Arbeitsfluid aufzunehmen
und den Rotoraufbau um die Rotationsachse anzutreiben.
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Eine äußere Luftdichtung
umgibt die Rotorschaufeln, um das Arbeitsfluid in dem Strömungspfad
einzuschließen.
Die äußere Luftdichtung
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 Lagern der Segmente der äußeren Luftdichtung von dem äußeren Gehäuse 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 vermeiden. Im Ergebnis daraus haben die Segmente einen innigen Kontakt
mit dem heißen
Arbeitsfluid und nehmen Hitze von dem Arbeitsfluid auf und werden
daher gekühlt,
um die Temperatur dieser Segmente innerhalb akzeptabler Grenzen
zu halten.
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Die äußeren Luftdichtungen
der Gasturbinenschaufeln sind Teil des äußeren Strömungspfads der Turbinenmaschine,
den Rotorspitzen 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.
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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 Arbeitsanteil, der für
andere Zwecke verwendet werden kann, um bspw. Schub zu erzeugen
oder die freie Turbine anzutreiben und somit den gesamten Wirkungsgrad zu
erhöhen.
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Aus
der
DE 16 01 564 A ist
ein Mantelring für eine
Gasturbine bekannt, der mit einer Kühleinrichtung versehen ist,
mittels der Kühlluft
zwischen kleine Löcher
im Mantelring geführt
wird, wobei der Mantelring von Kühlkanälen durchsetzt
ist und an seiner Innenwandung Umfangsnuten oder Vertiefungen aufweist,
in denen die Kühlkanäle münden. Durch
diese Konstruktion wird gewährleistet,
dass auch bei einem Reiben der Schaufeln des Läufers der Gasturbine an dem
Mantelring die Kühlkanäle nicht
verschlossen werden.
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Die
DE 11 58 321 B offenbart
einen Läufer
einer Axialströmungsmaschine
mit einer am Umfang angeordneten, mit Strömungsmitteln beaufschlagten Kammer,
die zwischen dem Läufer
und dem feststehenden Element der Maschine angeordnet ist und mit einer
Labyrinthdichtung versehen ist, wobei der Druck in der Kammer so
hoch gehalten wird, dass eine wesentliche Minderung der Fliehkraftbeanspruchung
des Läufers
eintritt.
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Aus
der
US 4 732 531 ist
eine Gasturbine bekannt, die, um einen Leckstrom des Primärfluids durch
den Spalt zwischen den Rotorblättern
und dem feststehenden Gehäuse
zu vermeiden, mit einer Einrichtung versehen ist, mittels der ein
zweites Fluid durch eine Vielzahl von Löchern in das Gehäuse einströmt, und
zwar in einer Richtung, die der Strömungsrichtung des ersten Fluids
entgegensteht, um so den Leckstrom des ersten Fluids zu vermindern.
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Aus
der
US 4 466 772 ist
eine Gasturbine bekannt, deren Mantel auf der zum Läufer hin
gerichteten Seite mit einer Vielzahl von Ausnehmungen versehen ist,
so dass zwischen diesen schaufelartige Stege entstehen, mittels
denen der Leckstrom von der Überdruckseite
der Schaufelblätter
zur Unterdruckseite abgelenkt wird, um so den Gesamtleckstrom zu
vermindern.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ringförmige Dichtung
für eine
Gasturbine zu schaffen, die einen geringen Bedarf an Kühlluft aufweist,
aber dennoch eine ausrei chende Kühlung gewährleistet,
um eine hinreichende Lebensdauer der äußeren Luftdichtung zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Mit
der Erfindung wird 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 Rotorabschnitt der Maschine,
wobei dieser Strömungspfad benachbart
einem Statoraufbau ist und die ringförmige Dichtung an dem Statoraufbau
radial außerhalb dieses
Abschnitts befestigt ist. Dieser 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 ringförmigen
Dichtung beabstandet und die Flügelprofiloberfläche, direkt benachbart
dieser Dichtung, definiert eine Schaufelspitzenkontur, 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 Umfangsrichtung 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.
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Gemäß der Erfindung
wird 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.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Verbesserung der Kühlung für die äußere Luftdichtung einer Gasturbinenmaschinenschaufel
geschaffen werden. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
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 Kühlluft
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 vermindert
wird. Auf diese Weise werden durch die Sockel die Koeffizienten
für die
konvektive Hitzeübertragung
erhöht und
auch die Wärmeleitung
von der Dichtfläche
der Dichtsegmente zu der kühleren
Lagerstruktur verbessert. Letztendlich tritt die Kühlluft 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 dieser Filmkühlungsschlitze sind
so orientiert, dass deren Längsachse
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 Arbeitsfluids 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.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nun mit einem Beispiel anhand der begleitenden
Zeichnungen erläutert.
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1 ist
ein Querschnitt durch einen Teil der Gasturbinenmaschine, die eine
Dichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist.
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2 ist
eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines geschwungenen Elementes
der vorliegenden Dichtung entlang der Linie 2-2 in 1,
darstellend eine Schaufelkontur.
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3 ist
ein Querschnitt einer der Passagen der Dichtung entlang der Linie
3-3 in 2.
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4 ist
eine teilweise aufgebrochene Draufsicht eines Segments gemäß 2,
wobei die Schaufelkontur weggelassen wurde, die die Passagen, die
Sockel und Öffnungen
zeigt, durch die die Kühlluft
strömt.
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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 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 axial
stromoberhalb der Stufe 12 auf und einen weiteren Statoraufbau 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 erstreckt
sich in Umfangsrichtung entlang des Strömungspfads 13 für das Arbeitsfluid.
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Die
Turbinenstufe 12 weist eine Vielzahl von Rotorschaufeln
auf, die in den Zeichnungen durch eine einzige Rotorschaufel 18,
dargestellt in 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 Dichtungselement 19 in 1)
erstreckt sich um die Achse 14, um den ringförmigen Strömungskanal 13 zu begrenzen,
und diese Dichtung 11 umgibt die Spitzen der Rotorschaufeln 18.
Die äußere Luftdichtung 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 Segmente 19 der Dichtung 11 – wie weiter
unten beschrieben – zu
kühlen.
Jedes geschwungene Dichtungselement 19 weist einen stromoberhalb
angeordneten Haken 21 und ein stromunterhalb angeordnetes
Befestigungselement 22 auf, um mit stromoberhalb und stromunterhalb
vorgesehenen Lagerungen 23, 24 in Eingriff gebracht
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 Lagerung 23, 24 zu
vermindern.
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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.
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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 Statoraufbaus 15 beabstandet
und lässt
einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden 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
erstreckt. 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.
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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
beabstandet 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
Betriebsbedingungen der Maschine 10.
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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 metallische Basis 30 ist aus einem Material hergestellt,
das eine relativ geringe Kriechfestigkeit bei der Temperatur des
Arbeitsfluids aufweist, und daher muss jedes der Segmente 19 gekühlt werden,
um die Temperatur der metallischen Basis 30 unterhalb der Temperatur
des Arbeitsfluids zu halten.
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Wieder
Bezug nehmend auf 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 parallel zu dieser ist, aber von der Dichtungsfläche 31 beabstandet
ist. Die Kühlungs-Zufuhrfläche 40 weist
eine Vielzahl von Kühlluft-Einlassöffnungen 41 auf,
die sich über
diese erstrecken. Diese Öffnungen 41 sind
so bemessen, dass sie den Strom an Kühlluft durch diese, basierend
auf dem Zufuhrdruck der Kühlluft,
dosieren und sich somit die gewünschte
Hitzeübertragung
von den Dichtungssegmenten ergibt.
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Jedes
Segment 19 weist eine Vielzahl von Kühlluftpassagen 43 auf,
die zwischen der Dichtungsfläche 31 und
der Kühlungs-Zuführfläche 40 ausgebildet
sind – wie
dargestellt in 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 Kühlluft-Einlassöffnungen 41 in Verbindung.
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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.
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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 Kontur 49 der Schaufelspitze – wie dargestellt in 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.
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Die
Dichtungsfläche 31 jedes
Dichtungssegments weist eine Vielzahl von ersten Kühlschlitzen 50 – wie in 2 dargestellt – auf. Jeder
längliche
erste Kühlschlitz 50 ist
abwechselnd bedeckt bzw. unbedeckt, wenn die Spitze 48 jeder
Schaufel 47 des Turbinenrotors an dem Kühlschlitz 50 in Richtung 60 – wie in 2 dargestellt – vorbei
rotiert. Aus Gründen einer
einfachen klaren Darstellung ist in 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
Dichtungssegment 19 weist auch eine Vielzahl von Kühlschlitzen 54 der
gezogenen 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.
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Jede
der Vielzahl von Kühlluft-Einlassöffnungen 41 erstreckt
sich durch die Zuführfläche 40 und in
das Segment 19 und verbindet eine der Kühlluftpassagen 43,
angeordnet zwischen der Zuführfläche 40 und
der Dichtungsfläche 31.
Jede Passage 43 endet 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.
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Wie
in 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
Strömungspfad
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 Verbindung sind. Zusätzlich stellen die Sockel 62 Lastaufnahmeelemente
dar, die die Dichtungsfläche 31 stützen, um
zu verhindern, dass die Passage 43 zusammenbricht für den Fall, dass
die Blattspitze 48 die Dichtungsfläche 31 während des
Betriebs der Maschine berührt.
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Die
Rotationsachse 14 und jede Kühlluft-Einlassöffnung 41 definieren
eine Referenzlinie 66, die rechtwinklig zur Rota tionsachse 14 ist – wie in 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 Verbindung sind.
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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 bevorzugterweise zumindest zweimal so groß wie die Summe der Strömungsquerschnitte
der Kühlluft-Einlassöffnung 41,
die mit dieser in Verbindung sind, um zu gewährleisten, dass die Kühlluft 64, die
auf die erste Oberfläche 58 der
Passage auftrifft, genügend
Geschwindigkeit aufweist, um eine hochturbulente Wärmeübertragung
zu gewährleisten.
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Wie
aus 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 ersten 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 ausgerichtet,
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 ausgerichtet und die vierte
Referenzebene 73 ist zwischen der dritten 72 und
der zweiten Referenzebene 75 angeordnet.
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Im
Betrieb fließt
die Kühlluft 64 in
die konische Kühlluftpassage 43 der
vorliegenden Erfindung durch die Bemessungsöffnungen 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 radial
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 Wärmeübertragungskoeffizient
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.
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Wie
der Fachmann bereits erkannt haben wird, kann durch Orientierung
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 Luftdichtung 11 der
Turbinenschaufel verbessert, während der
Momenteaustausch in der Grenzschicht minimiert wird, wodurch das
Vermischen und die Erzeugung von Turbulenzen vermindert werden und
auf diese Weise der Wirkungsgrad der Filmkühlung erhöht wird.
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Die
Dichtung 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Kühlanordnung
ermöglichen,
die Merkmale aufweist, durch die der Eingang 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 ermöglichen.
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 Turbinenschaufel ist. Die Sockel 62 verstärken die
Filmkühlschlitze 50, 54,
die so orientiert sind, dass ein Verstopfen dieser verhindert wird
und mit einer abriebsfesten 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 erosionswiderstandsfähiger Beschichtungen, benutzen,
um die Lebensdauer der Dichtung 11 zu erhöhen, und
Thermostop-Beschichtungen, um die Betriebstemperaturen der Dichtung 11 zu
vermindern.
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Es
dürfte
von der obigen Beschreibung der Erfindung deutlich geworden 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 Austausch an Turbulenzmomenten
zwischen der Kühlluft
und dem Arbeitsfluid zu minimieren.