DE4447507B4 - Ringförmige Dichtung - Google Patents

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Abstract

Eine ringförmige Dichtung (11) in oder für eine Gasturbinenmaschine, die eine Rotationsachse (14) aufweist, einen ringförmigen Strömungspfad (13) konzentrisch zu der Rotationsachse (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 Wesentlichen 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 Abstand zu der ringförmigen Dichtung (11) angeordnet ist und die Oberfläche des Flügelprofils direkt benachbart zu der ringförmigen Dichtung (11) eine Kontur einer Schaufelspitze definiert und die ringförmige Dichtung (11) Hitze von dem Arbeitsfluid aufnimmt, mit:
einer Vielzahl von geschwungenen Dichtungssegmenten (19), die sich in Umfangsrichtung um den...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ringförmige Dichtung für eine Gasturbine von dem Typ, der einen ringförmigen Strömungspfad für das Arbeitsfluid aufweist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun mit einem Beispiel anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert.
  • 1 ist ein Querschnitt durch einen Teil der Gasturbinenmaschine, die eine Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • 2 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines geschwungenen Elementes der vorliegenden Dichtung entlang der Linie 2-2 in 1, darstellend eine Schaufelkontur.
  • 3 ist ein Querschnitt einer der Passagen der Dichtung entlang der Linie 3-3 in 2.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (16)

  1. Eine ringförmige Dichtung (11) in oder für eine Gasturbinenmaschine, die eine Rotationsachse (14) aufweist, einen ringförmigen Strömungspfad (13) konzentrisch zu der Rotationsachse (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 Wesentlichen 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 Abstand zu der ringförmigen Dichtung (11) angeordnet ist und die Oberfläche des Flügelprofils direkt benachbart zu der ringförmigen Dichtung (11) eine Kontur einer Schaufelspitze definiert und die ringförmige Dichtung (11) Hitze von dem Arbeitsfluid aufnimmt, mit: einer Vielzahl von geschwungenen Dichtungssegmenten (19), die sich in Umfangsrichtung um den Strömungspfad (13) erstrecken, 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) beabstandet angeordnet ist, wobei jedes Segment (19) umfasst: eine Dichtfläche (31), die dem Strömungspfad (13) des Arbeitsfluids gegenüberliegt und eine Vielzahl von länglichen ersten 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 Zuführfläche (40), radial außerhalb von der Dichtfläche (31) angeordnet, eine Vielzahl von Kühlluft-Einlassöffnungen (41), die sich durch die Zuführfläche (40) und in das Segment (19) erstrecken, und eine Vielzahl von Kühlluftpassagen (43), die vollständig zwischen der Zuführfläche (40) und der Dichtfläche (31) angeordnet sind, wobei jede Passage (43) einen der ersten Kühlschlitze (50) mit zumindest einer 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 Oberfläche (59) radial außerhalb der ersten inneren Oberfläche (58) relativ zur Rotationsachse aufweist und jedes Segment (19) eine Vielzahl von Sockeln hat, die sich radial von der Rotationsachse (14) weg erstrecken und jeder Sockel (62) die erste innere Oberfläche (58) einer der Passagen (43) mit der zweiten inneren 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 Referenzlinie (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 gezwungen 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 Einlassströmungsquerschnitt aufweist und der minimale Strömungsquerschnitt 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 Kühlschlitze (50) in einer ersten Reihe (68) ausgerichtet sind, wobei die erste Reihe (68) eine erste Referenzebene (71) senkrecht 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 Referenzebene (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 Referenzebene (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 Kühlschlitze (54) im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse (14) ist.
  10. Eine Dichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (19) weiterhin eine Zuführfläche (40), radial außerhalb von der Dichtfläche (31) angeordnet, umfasst und eine Vielzahl von Kühlluft-Einlassöffnungen (41), die sich durch die Zuführfläche (40) in das Segment (19) erstrecken und des Weiteren eine Vielzahl von Kühlluftpassagen (43), vollständig angeordnet zwischen der Zuführfläche (40) und der Dichtfläche (31), wobei jede Passage (43) eine der ersten (50) und zweiten Kühlschlitze (54) mit zumindest einem der Kühlluft-Einlassöffnungen (41) verbindet, 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 inneren 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) dieser 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 (66) eine Referenzlinie (44) definieren, die senkrecht zu der Rotationsachse (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 Oberfläche (58) zu stoßen, bevor sie die Passage (43) durch den Kühlschlitz (50, 54), der mit dieser in Verbindung ist, verlässt.
  13. Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Passage (43) einen minimalen Strömungsquerschnitt aufweist und jede der Kühlluft-Einlassöffnungen (41) einen minimalen Einlassströmungsquerschnitt hat, wobei der minimale 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 ersten 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) definiert, wobei die vierte Referenzebene (73) zwischen der dritten (72) und der zweiten Referenzebene (75) angeordnet ist.
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