DE60212751T2

DE60212751T2 - Spaltdichtung und Gasturbine mit einer solchen Spaltdichtung

Info

Publication number: DE60212751T2
Application number: DE60212751T
Authority: DE
Inventors: Dr. Hans-Thomas Bolms
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: GB0108398D0; EP1247942A2; DE60212751D1; ES2266330T3; EP1247942A3; US6682300B2; JP2003013705A; EP1247942B1; JP4191946B2; CN1320256C; CN1379166A; ATE331874T1; US20020168263A1

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement zum Abdichten eines Spalts zwischen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Bauteilen einer Turbomaschine, insbesondere einer Verbrennungsturbine, gebildet haben kann. Die Erfindung betrifft auch eine Verbrennungsturbine mit einem Dichtungselement.
In Industrieanlagen, insbesondere in thermomechanischen Maschinen und Chemieanlagen, in denen unterschiedliche Fluide verwendet werden, kann es erforderlich sein, diese Fluide innerhalb der Anlagen voneinander getrennt zu halten. In thermischen Verbrennungskraftanlagen müssen beispielsweise Strömungsbereiche heißer Verbrennungsgase von Kühlgasströmungsbereichen mit geringerer Temperatur in abdichtender Weise getrennt werden. In Gasturbinenanlagen mit hohen Turbineneinlaßtemperaturen von beispielsweise mehr als 1000 Grad Celsius treten thermische Ausdehnungen der individuellen Bauteile der Gasturbinenanlage auf, so daß angrenzende Bauteile manchmal durch die Verwendung eines Spalts voneinander beabstandet vorgesehen werden, um hohe thermische Beanspruchungen und die Bildung von Rissen zu vermeiden. Derartige Spalte können Verbindungen zwischen Strömungsbereichen heißer Gase und Strömungsbereichen kalter Gase darstellen. Es ist vorteilhaft, den Spalt abzudichten, um das Einströmen von kaltem Gas in den Strömungsbereich heißer Gase zu reduzieren, um damit die Temperatur im Strömungsbereich heißer Gase nicht zu verringern.
In den US-Patenten 3,341,172 und 2,991,045, in denen jeweils eine Gasturbine mit einem äußeren Gehäuse und einem zweiteiligen inneren Gehäuse beschrieben ist, ist dementsprechend ein Dichtungselement spezifiziert, das einen Querschnitt in der Form eines länglichen C zum Abdichten eines Spalts zwischen den zwei inneren Gehäusen hat. Ein ringförmiger Spalt, durch den Kühlfluid geleitet wird, ist zwischen dem inneren Gehäuse und dem äußeren Gehäuse ausgebildet. Das Heißgas zum Antreiben der Gasturbine strömt innerhalb des inneren Gehäuses.
Im US-Patent 4,537,024 ist eine Gasturbinenanlage beschrieben, in der Bauteile einer Düsenkonstruktion durch die Verwendung eines axialen und eines radialen Dichtungselements abgedichtet sind. Die Dichtungselemente sollen verhindern, daß durch die Düsenkonstruktion strömendes Heißgas in die Turbinenbereiche außerhalb des Heißgaskanals eindringen kann. Ein Dichtungselement kann im Querschnitt in etwa die Form einer zusammengedrückten Acht haben.
Im US-Patent 5,975,844 ist eine Einheit mit zwei gegenseitig thermisch bewegbaren Bauteilen beschrieben, wobei jedes Bauteil eine dem anderen Bauteil gegenüberliegende Bauteilnut, d.h. ein Dichtungselement, hat. Dieses Dichtungselement ist entlang einer Hauptlinie ausgerichtet, um einen Spalt zwischen den Bauteilen abzudichten. Es umfaßt ein erstes Ende, ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende sowie einen mittleren Bereich, wobei der Querschnitt im wesentlichen senkrecht zur Hauptlinie entlang einer Mittellinie verläuft, so daß der mittlere Bereich zwischen den Enden vorgesehen ist und das Dichtungselement eine verzahnte erste Oberfläche hat.
Das US-Patent 5,657,998 betrifft eine Gaswegleckagendichtung zum allgemeinen Abdichten eines Gaswegleckagenspalts zwischen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Elementen einer Gasturbine, insbesondere eines ersten und zweiten Segments eines Gasturbinencombustorgehäuses. Diese Dichtung umfaßt einen allgemein unperforierten Folienschichtaufbau, der im wesentlichen aus Materialien besteht, die aus der aus Metallen, Keramiken und Polymeren bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Diese Folienschicht, die gasundurchlässig ist, ist im Gaswegleckagenspalt vorgesehen. Der Folienschichtaufbau hat eine erste Folienschicht mit einer Längsausrichtung. Die Gasleckagendichtung umfaßt weiterhin einen Gewebeschichtaufbau, der allgemein die gesamte Außenfläche des ersten Folienaufbaus abdeckt und damit in Berührung steht und im wesentlichen aus Materialien besteht, die aus der aus Metallen, Keramiken und Polymeren bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Der Gewebeschichtaufbau hat vorzugsweise zwei Schichten mit einer Dicke von jeweils etwa 10– 25 Mikron. Die aus Gewebe bestehenden Schichten umfassen jeweils eine auf Nickel basierende Hochtemperatur-Superlegierung, wie beispielsweise Inconel X-750. Der Dichtungsaufbau ist entweder in Nuten angrenzender Teile einer Gasturbine fixiert oder in einen U-förmigen Flansch eines Combustors eingepaßt oder wird in einer Doppeldichtungsinstallation oder einer Mehrfachdichtungsinstallation verwendet. In jedem Fall liegt die Dichtung vollständig innerhalb des Leckagenspalts und stellt eine Dichtungswirkung dadurch bereit, daß sie entweder eine Oberfläche innerhalb des Spalts berührt, in eine Nut eingefügt ist oder einen anderen Dichtungsaufbau berührt. Im Vergleich zu einer herkömmlichen starren Metalldichtung reduziert diese Dichtung mit einem Zweifolienaufbau die Gaswegleckage von 2,4% auf allgemein 1,0% gemäß dem US-Patent 5,657,998.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gaswegleckagendichtungselement insbesondere für eine Turbomaschine, wie beispielsweise eine Verbrennungsturbine, bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsturbine mit einem Dichtungselement bereitzustellen.
In Anbetracht der vorstehenden sowie anderer Aufgaben wird in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Dichtungselement zum Abdichten eines Gaswegleckagenspalts zwischen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Bauteilen, insbesondere einer Turbomaschine bereitgestellt.
Die ersten und zweiten Bauteile haben gegenüberliegende, außerhalb des Leckagenspalts befindliche innere und äußere Oberflächen. Das Dichtungsteil umfaßt ein allgemein gasundurchlässiges Dichtungsteil und eine Keramikfasern umfassende Schicht, wobei diese Schicht mindestens teilweise das Dichtungsteil bedeckt und eine Dichtungsoberfläche definiert, die außerhalb des Spalts die äußeren Oberflächen der ersten und zweiten Bauteile berührt.
Dank der aus Keramikfasern bestehenden Schicht, die einen flexiblen und verformbaren Dichtungsabschnitt bilden, kann ein gutes Dichtungsleistungsverhalten sichergestellt werden. Die Keramikfasern können bis zu Temperaturen von etwa 1200°C oder sogar für noch höhere Temperaturen verwendet werden. Das Dichtungselement läßt sich daher zum Abdichten von Bauteilen einer Turbomaschine, von Öfen, Brennern oder dergleichen, die Heißgasen ausgesetzt sind, verwenden. Das Dichtungsteil verbessert die Steifigkeit des Dichtungselements, wodurch sichergestellt wird, daß das Dichtungselement nicht zerbricht und durch den Spalt fällt. Das Positionieren des Dichtungselements außerhalb des Spalts an den äußeren Oberflächen der Bauteile hat weiterhin den Vorteil, daß die Bauteile selbst nicht mit Nuten, Rücksprüngen oder dergleichen hergestellt und zu Wärmeleitzwecken im Spaltbereich nicht verdickt ausgeführt werden müssen.
In Übereinstimmung mit einem anderen Merkmal umfaßt die Schicht ein Keramikfasergewebe, ein Keramikfaserband, eine Keramikfaserhülse oder eine Keramikfasermatte. Die Schicht selbst ist vorzugsweise ein Gegenstand, der getrennt vom Dichtungsteil hergestellt wird. Sie wird in Kontakt mit dem Dichtungsteil gebracht, um mindestens einen Abschnitt des Dichtungsteils nach dessen eigener Herstellung abzudecken. Sie stellt somit vorzugsweise einen losen Kontakt mit dem Dichtungsteil bereit und läßt sich vom Dichtungsteil entfernen. Im letzteren Fall kann sie während einer Wartung der Turbomaschine leicht durch eine neue Schicht ersetzt werden. In einer Ausführungsform, in der die Schicht als eine Hülse bereitgestellt wird, wird das Dichtungsteil in die Hülse eingeführt, und somit werden alle Oberflächen des Dichtungsteils von der Keramikfaserschicht bedeckt. Es ist ebenfalls möglich, eine dicht an das Dichtungsteil angrenzende Keramikfaserschicht vorzusehen.
In Übereinstimmung mit noch einem anderen Merkmal besteht das Dichtungsteil im wesentlichen aus einem Metall. Geeignete Metalle sind diejenigen, die hohen Temperaturen widerstehen, beispielsweise Hochtemperaturstähle wie Chromstähle oder Hochtemperaturlegierungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt. Das Dichtungsteil ist vorzugsweise flach ausgeführt und insbesondere aus Blech geformt. Es kann ein oder mehrere flache Elemente umfassen. Das Metall verleiht den Dichtungsteilen einerseits eine ausreichende mechanische Steifigkeit und andererseits eine ausreichende Elastizität, so daß sie, wenn sie mechanischen Belastungen, z.B. Druck oder Kraft, ausgesetzt sind, nicht in mehrere Teile zerbrechen.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal umfaßt die Schicht Keramikfasern, die im wesentlichen aus einem Material wie Zirkonoxid (ZrO₂), Siliziumoxid (SiO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen. Es versteht sich, daß solche Keramikmaterialien mit anderen Materialien, beispielsweise Yttriumoxid (Y₂O₃), kombiniert und auch stabilisiert werden können. Die Keramikfasern können beispielsweise im wesentlichen (in Gewichtsprozent) aus 62,5% Al₂O₃, 24,5% SiO₂, 13% B₂O₃ mit einer Kristallphase in Mullitart, sowie amorph oder ausschließlich amorph, aus 70% Al₂O₃, 28% SiO₂, 2% B₂O₃, mit γ-Al₂O₃, Mullit und amorphem SiO₂, aus 73% Al₂O₃, 27% Si0₂, mit γ-Al₂O₃ und amorphem SiO₂, aus 89% Al₂O₃, 10% ZrO₂, 1% Y₂O₃, mit α-Al₂O₃ und Yttriastabilisiertem Zirkonoxid, aus 85% Al₂O₃ und 15% SiO₂, mit α-Al₂O₃und Mullit, aus >99% Al₂O₃ als α-Al₂O₃ bestehen. Derartige Keramikfasermaterialien sind beispielsweise von 3M (Minnesota Mining and Manufacturing Company), St. Paul, Minnesota, USA, unter dem Warenzeichen "Nextel" erhältlich. Die Herstellung von Keramikfasern sowie die Herstellung von Keramikfasern umfassenden Schichten sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Daher kann eine Keramikfasern umfassende geeignete Schicht, die spezifizierte Eigenschaften, insbesondere eine Wärmebeständigkeit von mehr als 1200°C bis zu etwa 1372°C, Flexibilität und andere mechanische Merkmale, aufweisen, vom Fachmann auf diesem Gebiet gewählt werden, um eine an das Dichtungsteil angrenzende oder das Dichtungsteil gerade bedeckende Schicht bereitzustellen. Andere Merkmale, wie beispielsweise Porosität oder Grad der Gasdurchlässigkeit, können in einem vordefinierten Bereich bereitgestellt werden.
In Übereinstimmung mit einem zusätzlichen Merkmal umfaßt das Dichtungselement einen Spalteinfügungsabschnitt zum Einfügen in den Spalt, der mit der Schicht verbunden ist. Dieser Einfügungsabschnitt kann als ein Positionierungsmittel zum Positionieren des Dichtungselements im Verhältnis zum Spalt dienen. Er kann weiterhin dazu dienen, eine zusätzliche Dichtungswirkung bereitzustellen. Er erstreckt sich vorzugsweise über die Breite des Spalts und hat darüber hinaus vorzugsweise entweder eine Querschnittsform, die eine Verformung in der Richtung des Spalts zuläßt, und/oder eine interne Konstruktion, die eine Verformung ermöglicht. Der Einfügungsabschnitt kann eine schleifenförmige, kreisförmige oder ausgebauchte Ausbildung haben. Er kann aus dem gleichen Material wie die Schicht bestehen oder sogar Teil der Schicht sein.
In Übereinstimmung mit einem zusätzlichen Merkmal umfaßt das Dichtungselement ein Befestigungselement. Dieses Befestigungselement kann dauerhaft mit dem Dichtungselement, insbesondere mit dem Dichtungsteil, verbunden oder entfernbar mit dem Dichtungselement verbunden sein, und zwar nur bei einer Einführung in eine Turbomaschine. Bei dem Befestigungselement kann es sich um ein beliebiges geeignetes Mittel zum Befestigen des Dichtungselements an den äußeren Oberflächen der Bauteile handeln. Das Dichtungselement ist vorzugsweise lose mit den äußeren Oberflächen verbunden. Das Befestigungselement umfaßt daher vorzugsweise ein Federelement, insbesondere eine Blattfeder. Ein solches Federelement übt zusätzlichen Druck auf das Dichtungselement aus und bewirkt, daß die Dichtungsoberfläche in engem Kontakt mit den äußeren Oberflächen steht, und stellt weiterhin sicher, daß sich das Dichtungselement während des Betriebs einer Turbomaschine in einer festen Position im Verhältnis zu den äußeren Oberflächen der Bauteile befindet.
In Übereinstimmung mit einem noch anderen Merkmal ist das Dichtungselement in einer Verbrennungsturbine positioniert. Die Verbrennungsturbine umfaßt mehrere erste und zweite Bauteile, die in axialer und Umfangsrichtung vorgesehen sind, wobei mindestens die ersten und zweiten der Bauteile in der Umfangsrichtung oder in der axialen Richtung durch einen Leckagenspalt voneinander beabstandet sind. Des weiteren gibt es in den voneinander durch die Bauteile getrennten Verbrennungsturbinenbereichen hauptsächlich Bereiche, die einen Heißgasbereich und einen Kühlgasbereich beinhalten. Die inneren Oberflächen der Bauteile sind dem Heißgasbereich und die äußeren Oberflächen dem Kühlgasbereich ausgesetzt. Die Dichtungsoberfläche des Dichtungselements ist an den äußeren Oberflächen zu angrenzenden ersten und zweiten Bauteilen plaziert und dichtet daher den Leckagenspalt ab. Das Dichtungselement kann verwendet werden, um entweder einen Spalt zwischen ersten und zweiten Bauteilen in der axialen Richtung oder zwischen ersten und zweiten Bauteilen in der Umfangsrichtung abzudichten. Das Dichtungselement wird aufgrund des höheren Drucks des Kühlgases im Vergleich zum niedrigeren Druck des im Heißgasbereich strömenden Heißgases gegen die äußeren Oberflächen gedrückt. Um den Druck auf das Dichtungselement und damit den Dichtungswirkungsgrad zu erhöhen, übt ein Befestigungselement eine zusätzliche mechanische Kraft auf das Dichtungselement aus. Da das Dichtungselement eine Dichtungsoberfläche in Kontakt mit den äußeren Oberflächen der Bauteile der Verbrennungsturbine definiert und lediglich eine kleine Überlappung des Dichtungsteils mit den äußeren Oberflächen besteht, ist eine Kühlung der Bauteile im Bereich des Spalts sichergestellt. Daher können die Bauteile am Spalt die gleiche Dicke wie in einem weit vom Spalt entfernten Bereich haben. Des weiteren sind keine Nuten, Rücksprünge oder dergleichen in den Bauteilen erforderlich, um das Dichtungselement aufzunehmen und zu fixieren.
In Übereinstimmung mit einer anderen Aufgabe der Erfindung wird eine Verbrennungsturbine bereitgestellt, die mehrere in axialer und Umfangsrichtung vorgesehene Bauteile umfaßt. Die Bauteile beinhalten von Leitschaufeln getrennte Leitschaufelbleche. Solche Leitschaufelbleche werden auch als Deckbänder bezeichnet. Andere Bauteile sind Wandbauteile, die auch als Bauteile eines Dichtungsrings bezeichnet werden. Mindestens die ersten und die zweiten Bauteile sind in der Umfangsrichtung oder in der axialen Richtung durch einen Leckagenspalt voneinander beabstandet. Jedes der Bauteile hat eine gegenüberliegende innere und äußere Oberfläche außerhalb des Leckagenspalts. Die Verbrennungsturbine umfaßt weiterhin Bereiche, die durch die Bauteile voneinander getrennt sind, wobei die Bereiche einen Heißgasbereich und einen Kühlgasbereich beinhalten, wobei die inneren Oberflächen dem Heißgasbereich und die äußeren Oberflächen dem Kühlgasbereich ausgesetzt und gegenüber dem Heißgasbereich abgedichtet sind. Ein Dichtungselement mit einem allgemein gasundurchlässigen Dichtungsteil und eine Keramikfasern umfassende Schicht dienen zum Abdichten des Leckagenspalts. Die Schicht bedeckt mindestens teilweise das Dichtungsteil und definiert eine Dichtungsoberfläche, wobei die Dichtungsoberfläche in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der ersten und zweiten Bauteile steht und dadurch den Leckagenspalt abdichtet. Das Dichtungselement wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckkühlgas und dem geringer druckbeaufschlagten Heißgas gegen die äußeren Oberflächen gedrückt. Das Dichtungselement kann weiterhin durch ein zusätzliches Befestigungselement an den äußeren Oberflächen befestigt werden.
In Übereinstimmung mit einem noch weiteren Merkmal befindet sich das Befestigungselement zwischen einer auch als Gehäuse bezeichneten Wandkonstruktion der Gasturbine und den äußeren Oberflächen der Bauteile. Das Befestigungselement drückt das Dichtungselement vorzugsweise gegen die äußeren Oberflächen.
In Übereinstimmung mit einem noch zusätzlichen Merkmal umfaßt eine Verbrennungsturbine ein im Kühlgasbereich zwischen der Wandkonstruktion und den äußeren Oberflächen befindliches Prallblech. Das Befestigungselement ist auf einer Seite mit dem Prallblech und auf der anderen Seite mit dem Dichtungselement verbunden. Das Befestigungselement kann ein Federelement umfassen, das somit als eine Feder ausgebildet ist. Das Federelement kann eine Blattfeder umfassen.
Obwohl die Erfindung hierin in den Ausführungsformen eines Dichtungselements zum Abdichten eines Spalts und einer Verbrennungsturbine dargestellt und beschrieben wird, ist sie dennoch nicht auf die dargestellten Details beschränkt, sondern es können verschiedene Modifizierungen und Konstruktionsänderungen daran vorgenommen werden, ohne vom Geist der Erfindung sowie vom Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.
Die Konstruktion und die Betriebsweise der Erfindung wird jedoch, zusammen mit zusätzlichen Aufgaben und Vorteilen davon, am besten durch die nachstehende Beschreibung spezifischer Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine fragmentarische, schematische Längsschnittansicht einer Verbrennungsturbine; und
2 ist eine vergrößerte, fragmentarische Ansicht eines Abschnitts II von 1, die ein Dichtungselement in einer Verbrennungsturbine zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie aus den Figuren der Zeichnungen im Detail und zunächst insbesondere aus 1 davon ersichtlich, ist eine (nachstehend auch als Gasturbine bezeichnete) Verbrennungsturbine 22 entlang einer Hauptachse 14 ausgerichtet. Die Gasturbine 22 hat Leitschaufeln 16 und Laufschaufeln 15, die in der axialen Richtung in einer (nachstehend auch als Gehäuse bezeichneten) Wandkonstruktion 17 abwechselnd vorgesehen sind. Die Leitschaufeln oder Schaufeln 16 sind entlang einer Achse 18 senkrecht zur Hauptachse 14 ausgerichtet und entlang dem Umfang der Gasturbine 22 so vorgesehen, daß sie einen Kreis bilden. Die Leitschaufeln 16 sind jeweils mit dem Gehäuse 17 der Gasturbine 22 durch ein Leitschaufelblech 12 verbunden. Ein Leitschaufelblech 12 wird auch als Deckband oder als der Dichtungsstreifen an Turbinenschaufeln bezeichnet. Sein Zweck besteht darin, den Schaufeln Steifigkeit zu verleihen, Schwingungen zu verringern und in einem gewissen Ausmaß für eine Abdichtung zwischen den Stufen zu sorgen.
Angrenzende Leitschaufeln 16 sind entlang dem Umfang durch die Verwendung eines jeweiligen Leckagenspalts 5 (siehe 2) voneinander beabstandet, mit dem Ergebnis, daß sie sich im wesentlichen thermisch frei ausdehnen können. Das Leitschaufelblech 12 trennt einen um die Hauptachse 14 der Gasturbine 22 gebildeten Heißgasbereich 11 von einem zwischen dem Leitschaufelblech 12 und dem Turbinengehäuse 17 gebildeten Kühlgasbereich 8. Die Laufschaufeln 15 erstrecken sich entlang einer jeweiligen Hauptachse 19, die gleichermaßen im wesentlichen orthogonal zur Hauptachse 14 der Gasturbine 22 verläuft. Die Laufschaufeln 15 liegen. vollständig innerhalb des Heißgasbereichs 11. Dieser Heißgasbereich 11 ist vom Kühlluftbereich 8 durch mehrere (auch Bauteile eines Dichtungsrings genannte) Wandbauteile 13 entlang dem Umfang der Gasturbine 22 getrennt. In diesem Fall sind die Wandbauteile 13 jeweils angrenzend an die Laufschaufeln 15 vorgesehen. Die Wandbauteile 13 sind mit dem Turbinengehäuse 17 verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in jedem Fall nur eine Leitschaufel 16, eine Laufschaufel 15 und ein Wandbauteil 13 dargestellt. Ein jeweiliges Wandbauteil 13 ist von einer jeweiligen Leitschaufel 16, insbesondere vom Leitschaufelblech 12, in der axialen Richtung durch die Verwendung eines Spalts 5 beabstandet.
Dieser Spalt 5 ist durch ein Dichtungselement 1 abgedichtet, wodurch weitgehend verhindert wird, daß Kühlgas aus dem Kühlgasbereich 8 in den Heißgasbereich 11 einströmt, sowie verhindert wird, daß Heißgas durch den Spalt 5 in den Kühlgasbereich 8 strömt. In diesem Fall stellt das Leitschaufelblech 12 ein erstes Bauteil 2 und das Wandteil 13 ein zweites Bauteil 3 dar. Die ersten und zweiten Bauteile 2, 3 haben jeweils eine zum Kühlgasbereich 8 ausgerichtete jeweilige äußere Oberfläche 10 und eine zum Heißgasbereich 11 ausgerichtete innere Oberfläche 9. Das Dichtungselement 1 wird in engen Kontakt mit den äußeren Oberflächen 10 der angrenzenden ersten und zweiten Bauteile 2, 3 gebracht. Die Bauteile 2, 3 sind im Verhältnis zu einander thermisch bewegbar. Somit erfolgt das Abdichten des Kühlgasbereichs 8 gegenüber dem Heißgasbereich 11 zwischen angrenzenden Leitschaufelblechen 12 (Deckbändern) und Wandbauteilen 13 in einer axialen Richtung, und das Abdichten zwischen zwei angrenzenden Leitschaufelblechen 12 sowie entsprechend zwischen zwei angrenzenden Wandbauteilen 13 erfolgt in jedem Fall in einer Umfangsrichtung.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des in 1 angegebenen Bereichs, wobei ein Dichtungselement 1 zwischen einem Prallblech 23 und ersten und zweiten Bauteilen 2, 3 positioniert ist. Das Dichtungselement 1 dient zum Abdichten eines Spalts 5 mit einer Breite D in der axialen Richtung der Gasturbine 22 zwischen einem ersten Bauteil 2, das ein Leitschaufelblech 12 ist, und einem zweiten Bauteil 3, das ein Wandbauteil 13 der Gasturbine 22 ist. Das Dichtungselement 1 umfaßt ein Dichtungsteil 4, das allgemein gasundurchlässig ist. Dieses Dichtungsteil 4 ist ein flaches Teil, insbesondere ein aus Blech geformter Metallstreifen. Die Breite des Metallstreifens ist größer als die Breite D des Spalts 5. Das Dichtungsteil 5 verleiht dem Dichtungselement 1 eine gute mechanische Steifigkeit und Elastizität, so daß es auch Hochdruckbelastungen widerstehen kann, nicht zerbricht und auch nicht in den Spalt fallen kann. Bei dem gewählten Metall handelt es sich vorzugsweise um einen wärmebeständigen Stahl oder eine Hochtemperatur-NiCr-Legierung. Das Dichtungsteil 4 ist an allen Seiten von einer Keramikfasern umfassenden Schicht 6 bedeckt. Die Schicht 6 aus Keramikfasern besteht aus einer Keramikfaserhülse, in die das Dichtungsteil 4 eingeführt wird. Die Schicht 6 aus Keramikfasern definiert eine flexible und verformbare Dichtungsoberfläche 21. Das Dichtungsteil 4 wird mit seiner Dichtungsoberfläche 21 in engen Kontakt mit den beiden äußeren Oberflächen 10 der angrenzenden ersten und zweiten Bauteile 2, 3 gebracht, so daß die Keramikfasern gegen die äußeren Oberflächen 10 gedrückt werden, um den Spalt 5 abzudichten. Die Fasern bestehen vorzugsweise aus einem Gemisch aus Siliziumoxid SiO₂ und Aluminiumoxid Al₂O₃, beispielsweise (in Gewichtsprozent) aus 73% Al₂O₃ und 27% SiO₂ mit γ-Al₂O₃ und amorphem SiO₂.
Das Dichtungselement 1 umfaßt weiterhin einen Einfügungsabschnitt 7, der mit der Dichtungsoberfläche 21 verbunden ist und sich in den Spalt 5 erstreckt. Der Einfügungsabschnitt bildet eine Art von Ausbauchung und hat in einer Querschnittsansicht eine schleifenförmige Ausbildung, so daß er sich über die Breite D des Spalts 5 erstreckt. Er besteht aus dem gleichen Material wie die Schicht 6 und ist aufgrund seiner Form sowie aufgrund seiner flexiblen und elastischen Faserkonstruktion verformbar. Eine seitliche Bewegung der Bauteile 2, 3 aufgrund von Wärmeausdehnung oder Schrumpfung kann daher durch den Einfügungsabschnitt 7 ausgeglichen werden. Er dient ebenfalls dazu, den Spalt 5 abzudichten und das Dichtungselement 1 im Verhältnis zum Spalt 5 zu positionieren.
Das Dichtungselement 1 wird durch das in den Kühlgasbereich 8 eingeleitete Kühlgas gegen die äußeren Oberflächen 10 gedrückt. Der Druck des Kühlgases 25 ist höher als der Druck des Heißgases (nicht dargestellt), das durch die Turbine 22 in den Heißgasbereich 11 strömt. Es besteht daher eine Druckdifferenz, die bewirkt, daß das Dichtungselement 1 gegen die äußeren Oberflächen 10 gedrückt wird.
Im Kühlgasbereich 9 ist das Prallblech 23 positioniert, das Öffnungen 24, insbesondere Bohrungen, hat, durch die Kühlgas 25 zu Kühlungszwecken den Bauteilen 2, 3 zugeleitet wird. Zwischen dem Prallblech 23 und dem Dichtungselement 1 ist ein Befestigungselement 20 vorgesehen. Dieses Befestigungselement 20 ist an einer Seite mit dem Prallblech 23 und an der anderen Seite mit dem Dichtungselement 1 verbunden. Das Befestigungselement 20 hat die Form einer Blattfeder, deren gewölbter Teil in Kontakt mit dem Dichtungselement 1 steht. Das Befestigungselement 20 erhöht somit den auf das Dichtungselement 1 ausgeübten Druck, wodurch der Dichtungswirkungsgrad verbessert und die Position des Dichtungselements 1 fixiert wird.
Die Bauteile 2, 3 haben abgerundete Kanten, die vom Spalt 5 zu den äußeren Oberflächen 10 führen, wodurch das Einfügen des Einfügungsabschnitts 7 in den Spalt 5 erleichtert und die Möglichkeit einer den Wirkungsgrad des Dichtungselements 1 reduzierenden Beschädigung verringert wird. Das Dichtungselement 1 bedeckt nur einen kleinen Abschnitt der äußeren Oberflächen 10, so daß noch eine wirksame Kühlung der Bauteile 2, 3 durch das Kühlfluid 25 sogar an den Kanten 26 aufrechterhalten wird. Eine spezielle Konstruktion der Bauteile 2, 3 direkt neben dem Spalt 5, beispielsweise eine Verdickung der Bauteile 2, 3 in der Nähe des Spalts 5 aus Gründen der Wärmeleitung ist nicht erforderlich.

Claims

Dichtungselement (1) zum Abdichten eines Gaswegleckagenspalts (5) zwischen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Bauteilen (2, 3) einer Turbomaschine (22), wobei die ersten und zweiten Bauteile (2, 3) außerhalb des Leckagenspalts (5) befindliche gegenüberliegende innere und äußere Oberflächen (9, 10) haben, wobei das Dichtungsteil (4) folgendes umfaßt: a) ein allgemein gasundurchlässiges Dichtungsteil (4); und b) eine Schicht (6), die Keramikfasern umfaßt und mindestens teilweise das Dichtungselement (1) bedeckt, gekennzeichnet durch die Schicht (6), die eine Dichtungsoberfläche (21) definiert, um außerhalb des Spalts (5) die äußeren Oberflächen (10) der ersten und zweiten Bauteile (2, 3) der Turbomaschine (22) zu berühren.
Dichtungselement (1) nach Anspruch 1, bei dem die Schicht (6) ein Keramikfasergewebe, ein Keramikfaserband, eine Keramikfaserhülse oder eine Keramikfasermatte umfaßt.
Dichtungselement (1) nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, bei dem die Schicht (6) lose mit dem Dichtungsteil (4) verbunden ist.
Dichtungselement (1) nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, bei dem das Dichtungsteil (4) aus einem Metall, insbesondere aus Blech, besteht.
Dichtungselement (1) nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, bei dem die Schicht (6) aus ZrO₂, SiO₂, Al₂O₃ bestehende Keramikfasern umfaßt.
Dichtungselement (1) nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, das weiterhin einen mit der Schicht (6) verbun- denen Spalteinfügungsabschnitt (7) zum Einfügen in den Spalt (5) umfaßt.
Dichtungselement (1) nach Anspruch 6, bei dem der Spalteinfügungsabschnitt (7) Keramikfasern umfaßt.
Dichtungselement (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem sich der Spalteinfügungsabschnitt (7) über die Breite (D) des Spalts(5) erstreckt.
Dichtungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Spalteinfügungsabschnitt (7) in einem Querschnitt eine Form hat, die eine Verformung in der Richtung der Breite (D) des Spalts (5) zuläßt.
Dichtungselement (1) nach Anspruch 9, bei dem der Spalteinfügungsabschnitt (7) in einem Querschnitt eine schleifenförmige Ausbildung hat.
Dichtungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das weiterhin ein Befestigungselement (20) umfaßt, um die Schicht (6) gegen die äußeren Oberflächen (10) der Bauteile (2, 3) der Turbomaschine (22) zu drücken.
Dichtungselement (1) nach Anspruch 11, bei dem das Befestigungselement (20) ein Federelement, insbesondere eine Blattfeder, umfaßt.
Dichtungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Verbrennungsturbine (22), wobei die Verbrennungsturbine (22) mehrere der in axialer und/oder Umfangsrichtung vorgesehenen ersten und zweiten Bauteile (2, 3) umfaßt, wobei mindestens ein erstes und ein zweites der Bauteile (2, 3) in der Umfangsrichtung oder der axialen Richtung durch den Leckagenspalt (5) voneinander beabstandet sind, wobei die Turbine weiterhin durch die Bauteile (2, 3) voneinander getrennte Bereiche (11, 8) um faßt, wobei die Bereiche (11, 8) einen Heißgasbereich (11), und einen Kühlgasbereich (8) beinhalten, wobei die inneren Oberflächen (9) dem Heißgasbereich (11) und die äußeren Oberflächen (10) dem Kühlgasbereich (8) ausgesetzt sind, wobei die Dichtungsoberfläche (21) in Kontakt mit den äußeren Oberflächen (10) der ersten und zweiten Bauteile (2, 3) steht, so daß dadurch der Leckagenspalt (5) abgedichtet ist.
Verbrennungsturbine (22), die folgendes umfaßt: mehrere in axialer und Umfangsrichtung vorgesehene Bauteile (2, 3), wobei die Bauteile Leitschaufelbleche (12) der Leitschaufeln (16) und Wandbauteile (13) beinhalten, wobei mindestens ein erstes und ein zweites der Bauteile (2, 3) in der Umfangsrichtung oder der axialen Richtung durch einen Leckagenspalt (5) voneinander beabstandet sind, und wobei jedes der Bauteile (2, 3) gegenüberliegende, außerhalb des Leckagenspalts (5) befindliche innere und äußere Oberflächen (9, 10) hat; Bereiche (11, 8), die durch die Bauteile (2, 3) voneinander getrennt sind, wobei die Bereiche (11, 8) einen Heißgasbereich (11) und einen Kühlgasbereich (8) beinhalten, wobei die inneren Oberflächen (9) dem Heißgasbereich (11) und die äußeren Oberflächen (10) dem Kühlgasbereich (8) ausgesetzt und gegenüber dem Heißgasbereich (11) abgedichtet sind; ein Dichtungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Dichtungsoberfläche (21) in Kontakt mit den äußeren Oberflächen (10) der ersten und zweiten Bauteile (2, 3) steht, so daß der Leckagenspalt (5) abgedichtet ist.
Verbrennungsturbine (22) nach Anspruch 14, die eine die ersten und zweiten Bauteile (2, 3) umgebende Wandkonstruktion (17) sowie weiterhin ein zwischen der Wandkonstruktion (17) und den äußeren Oberflächen (2, 3) befindliches Befestigungselement (20) umfaßt, um das Dichtungselement (1) gegen die äußeren Oberflächen (10) zu drücken.
Verbrennungsturbine (22) nach Anspruch 15, die ein im Kühlgasbereich (8) zwischen der Wandkonstruktion (17) und den äußeren Oberflächen (10) vorgesehenes Prallblech (23) umfaßt, wobei das Befestigungselement (17) mit dem Prallblech (23) verbunden ist.
Verbrennungsturbine (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Befestigungselement (17) als eine Feder ausgeführt ist und insbesondere eine Blattfeder umfaßt.