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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere
ein Bürstendichtung
zum Minimieren von Luftleckage darin.
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Eine
typische Gasturbinenmaschine weist einen Niederdruckverdichter,
einen Hochdruckverdichter, eine Brennereinrichtung, eine Hochdruckturbine und
eine Niedrigturbine auf, die sequenziell um eine Längsachse
angeordnet sind. Die Abschnitte der Gasturbinenmaschine sind in
einem Maschinengehäuse
eingeschlossen, wobei Luft axial durch die Maschine entlang einem
ringförmigen
Luftweg strömt. Wie
in dem Technikgebiet bekannt, gelangt die Luft in den Niederdruckverdichter
bei im Wesentlichen Umgebungstemperatur und -druck und wird von
dem Niederdruckabschnitt bzw. dem Hochdruckabschnitt verdichtet,
um ihre Temperatur und ihren Druck zu erhöhen. Die verdichtete Luft wird
dann in der Brennereinrichtung mit Brennstoff vermisch, entzündet und verbrannt.
Die heißen
Verbrennungsprodukte, die aus der Brennereinrichtung kommen, lässt man
in der Hochdruckturbine bzw. der Niederdruckturbine expandieren
und so die Turbine drehen und den Verdichter antreiben.
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Der
Hochdruckturbinenabschnitt der Gasturbinenmaschine ist einer extrem
harschen Umgebung ausgesetzt, die durch sehr hohe Temperaturen und sehr
hohe Drücke
gekennzeichnet ist. Die Bauteile der Hochdruckturbine müssen gekühlt werden,
um zu verhindern, dass diese Bauteile in einer sehr kurzen Zeitdauer
verbrennen. Die Kühlluft
wird typischerweise von dem Hochdruckverdichter abgezapft und zu
der Hochdruckturbine geleitet. Obwohl die Zapfkühlluft erforderlich ist, um
bestimmte Maschinenteile zu kühlen,
ist ein Verlust der Kühlluft
von dem Verdichter höchst
unerwünscht.
Die von dem Verdichter abgeleitete Kühlluft steht nicht länger zum Erzeugen
von Schub zur Verfügung
und beeinflusst somit negativ die Effizienz der Gasturbinenmaschine. Deshalb
wird die Kühlluft
behutsam von dem Hochdruckverdichter zu der Hochdruckturbine geleitet,
um sicherzustellen, dass diese wertvolle Kühlluft nicht verschwendet wird.
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Die
Kühlluft
wird durch die Maschine in die Kühlluftcompartments
geleitet, die dem Hochdruckturbinenluftweg im Wesentlichen benachbart
sind. Die Kühlluft
aus den Kühlluftcompartments
wird behutsam zugemessen, um verschiedene Bauteile des Turbinenabschnitts
der Gasturbinenmaschine zu kühlen.
Es ist jedoch eine Barriere erforderlich, um ein Entkommen der Kühlluft aus
dem Kühlluftcompartment
in dem Turbinenluftweg anders als durch die zugewiesenen Zapföffnungen
zu verhindern, da die Kühlluft
einen höheren
Druck hat als die Luft in dem Turbinenluftweg.
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Die
konventionellen Barrieren sind ringförmige Metalldichtungen, die
aus einer Anzahl von Gründen
nicht vollständig
effizient sind. Zum Einen gilt, dass bestimmte Dichtungsoberflächen, die
an diese Dichtungen angrenzen, nicht gleichförmig sind. Beispielsweise bildet
eine Mehrzahl von äußeren Laufschaufelluftdichtungen
einen unterteilten Ring um die Spitzen von rotierenden Laufschaufeln.
Selbst geringfügige
Größenunterschiede
bei den äußeren Laufschaufelluftdichtungen
führen
zu Spalten zwischen manchen der äußeren Laufschaufelluftdichtungen
und der Barrieredichtungen und erlauben es so etwas Kühlluft,
dort hindurch zu entkommen. Eine zweite Schwierigkeit beim effektiven
Abdichten der Kühlluftcompartments,
die in der Hochdruckturbine der Gasturbinenmaschine angeordnet sind,
ist, dass die Hochdruckturbine große Temperaturfluktuationen erfährt. In
der Folge dieser großen
Temperaturgradienten sind die Turbinenbauteile einer signifikanten Wärmeausdehnung
ausgesetzt. Wenn, sich Bauteile der Hochdruckturbine ausdehnen,
können
sich konventionelle Dichtungen daran nicht anpassen und den Spalt
zwischen expandierten Bauteilen und der Dichtung abdichten und erlauben
es somit etwas Kühlluft,
durch diesen Spalt zu entkommen. Deshalb besteht ein großes Bedürfnis nach
einem effektiven Abdichten von Kühlluftcompartments
in der Hochdruckturbine.
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US-A-5
609 469 beschreibt eine Gasturbinenmaschine mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 1. US-A-5 749 584 beschreibt eine Bürstendichtungskonstruktion.
EP-A-856 640 beschreibt eine Federdichtungsanordnung.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Leckage von Hochdruckluft
in einen Bereich von Luft niedrigeren Drucks in einer Gasturbinenmaschine
zu minimieren.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Luftdichtung
bereitzustellen, die eine Luftleckage zwischen expandierenden und
kontrahierenden Bauteilen der Gasturbinenmaschine und zwischen Dichtungsoberflächen, die
nicht gleichförmig
sind, minimiert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
In den bevorzugten Ausführungsformen
erstreckt sich die Bürstendichtung
axial zwischen einer Leitschaufelabstützung und einer Mehrzahl von äußeren Laufschaufelluftdichtungen,
wobei die Borstenspitzen gegen eine Dichtungsoberfläche der
Leitschaufelabstützung
und gegen Dichtungsoberflächen
der äußeren Laufschaufelluftdichtungen
gepresst sind. Die Bürstendichtungen
lagern an einer Mehrzahl von Flanschen an, die an jeder der äußeren Laufschaufelluftdichtungen
gebildet sind, so dass die Bewegung der Bürstendichtung nicht signifikant
beschränkt
ist. Wenn sich die Leitschaufelabstützung und die äußeren Laufschaufelluftdichtungen
radial und axial in der Folge von Wärmeausdehnung bewegen, behält die axiale
Bürstendichtung
den Kontakt mit beiden Dichtungsoberflächen bei. Außerdem kompensiert
die axiale Bürstendichtung
jegliches Fehlen an Gleichförmigkeit
in den äußeren Laufschaufelluftdichtungen,
indem einige der Borstenspitzen geringfügig mehr oder geringfügig weniger
komprimiert sind.
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Somit
kann eine axiale Bürstendichtung,
welche die vorliegende Erfindung realisiert, zum Abdichten von Bauteilen
verwendet werden, die keine gleichförmige umfangsmäßige Oberfläche haben, und
zum Kompensieren für
Wärmeausdehnung
von Bauteilen in Hochtemperaturabschnitten der Gasturbinenmaschine.
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Gemäß einem
bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung weist die Bürstendichtung
eine Dichtungslippe auf, die von dem ersten Ring der Bürs tendichtung
nach außen
ragt, zum korrekten Orientieren der Bürstendichtung in der Gasturbinenmaschine.
Die Dichtungslippe schafft auch eine zusätzliche Barriere gegen Luftleckage.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen
ist, dass die Dichtung nicht mit Schrauben oder anders fest befestigt
werden muss, was die Kosten der Dichtung verringert und die Montagezeit
während
der Herstellung verringert. Auch verschlechtert das Anbringen von Schrauben
oder Nieten durch die Dichtung die Qualität der Dichtung und führt zu losen
Borsten, die tendenziell aus der Dichtung fallen und so die Effizienz der
Dichtung verringern.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine vereinfachte, zum Teil weggebrochene Darstellung einer Gasturbinenmaschine;
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2 ist
eine vergrößerte Teilschnittansicht eines
Hochdruckturbinenabschnitts der Gasturbinenmaschine von 1 mit
einer darin angeordneten axialen Bürstendichtung;
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3 ist
eine zum Teil weggebrochene perspektivische Ansicht der axialen
Bürstendichtung
von 2; und
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4 ist
eine Teildraufsicht auf die axiale Bürstendichtung von 3.
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 weist
einen Verdichter 12, eine Brennereinrichtung 14 und
eine Turbine 16 auf, die sequenziell um eine Längsachse 18 angeordnet
sind. Ein Gasturbinenmaschinengehäuse 20 schließt die Abschnitt 12, 14, 16 der
Gasturbinenmaschine 10 ein. Luft strömt im Wesentlichen axial entlang
einem ringförmigen
Luftweg 22 durch die Abschnitte 12, 14, 16 der
Gasturbinenmaschine 10 und wird durch einen hinteren Bereich 24 der
Gasturbinenmaschine 10 abgegeben. Der Verdichter 12 weist einen
Niederdruckverdichterabschnitt 26 und einen Hochdruckverdichterabschnitt 28 auf,
und die Turbine 16 weist einen Hochdruckturbinenabschnitt 32 und
einen Niederdruckturbinenabschnitt 34 auf. Der Verdichter 12 und
die Turbine 16 weisen alternierende Reihen von stationären Leitschaufeln 36 und
rotierenden Laufschaufeln 38 auf. Die stationären Leitschaufeln 36 sind
an dem Maschinengehäuse 20 angebracht.
Die rotierenden Laufschaufeln 38 des Niederdruckverdichters 26 und
der Niederdruckturbine 34 sind an einem rotierenden Niederdruckrotor 42 befestigt.
Die rotierenden Laufschaufeln 38 des Hochdruckverdichters 28 und
der Hochdruckturbine 32 sind an einem rotierenden Hochdruckrotor 44 befestigt,
der radial außerhalb
des rotierenden Niederdruckrotors 42 angeordnet ist.
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Es
wird auf 2 Bezug genommen. Der Hochdruckturbinenabschnitt 32 der
Gasturbinenmaschine 10 weist eine erste und eine zweite
im Wesentlichen ringförmige
Leitschaufelabstützung 48, 50 auf,
die zum Abstützen
von Leitschaufelplattformbereichen 52 der Leitschaufeln 36 an
dem Maschinengehäuse 20 befestigt
sind. Die erste Leitschaufelabstützung 48 weist
eine Leitschaufelabstützungs-Dichtungsoberfläche 53 auf.
Die Hochdruckturbine 32 weist auch eine im Wesentlichen
ringförmige äußere Laufschaufel-Luftdichtungsabstützung 54 auf,
die an dem Maschinengehäuse 20 befestigt
ist und zwischen der ersten und der zweiten Leitschaufelabstützung 48, 50 sandwichartig
angeordnet ist. Ein erster Luftraum 56 und ein zweiter
Luftraum 58 sind zwischen der äußeren Laufschaufelluftdichtungsabstützung 54 und
der Leitschaufelabstützung 48 definiert.
Die äußere Laufschaufelluftdichtungsabstützung 54 stützt eine
Mehrzahl von äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 ab,
die radial außerhalb von
den rotierenden Laufschaufeln 38 positioniert sind. Die
Mehrzahl von äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 bildet
um den äußeren Umfang
des Luftwegs 22 einen segmentierten Ring, um ein Laufspiel 64 zwischen
den äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 und
den Laufschaufelspitzen 66 der rotierenden Laufschaufeln 38 zu
definieren.
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Jede äußere Laufschaufelluftdichtung 62 weist
einen ersten und einen zweiten äußeren Laufschaufelluftdichtungsansatz 70, 72 auf,
die in die äußere Lauf schaufelluftdichtungsabstützung 54 passen und
einen dritten Kühlluftraum 74 dazwischen
definieren. Jede äußere Laufschaufelluftdichtung 62 weist
auch eine äußere Laufschaufelluftdichtungs-Dichtungsoberfläche 76 und
eine äußere Laufschaufelluftdichtungs-Spieloberfläche 78 auf.
Jede der äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 weist
außerdem
eine Mehrzahl von äußeren Laufschaufelluftdichtungs-Kühlöffnungen 82 auf,
welche es Kühlluft aus
dem dritten Kühlluftraum 74 erlauben,
hindurch zu strömen,
um die Spieloberfläche 78 und
einen davon radial nach außen
ragenden Flansch 83 zu kühlen.
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Die
Hochdruckturbine 32 weist ferner eine axiale Bürstendichtung 84 auf,
die sich axial zwischen der Dichtungsoberfläche 53 der Leitschaufelabstützung 48 und
den Dichtungsoberflächen 76 der äußeren Luftdichtungen 62 erstreckt.
Die axiale Dichtung 84 ist von den Flanschen 83 der äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 abgestützt. Es
wird auf 3 Bezug genommen. Die axiale
Bürstendichtung 84 weist
einen ersten Dichtungsring 86 und einen zweiten Dichtungsring 88 auf,
wobei sich eine Mehrzahl von Borsten 92 dazwischen im Wesentlichen axial
erstreckt. Der erste Ring 86 weist eine axiale Dichtungslippe 94 auf,
die radial nach außen
ragt, um in eine äußere Laufschaufelluftabstützungsnut 96 zu passen,
wie man am besten in 2 erkennt. Jede der Mehrzahl
von Borsten 92 hat ein vorderes Borstenende 98 und
ein hinteres Borstenende 100. Der erste und der zweite
Ring 86, 88 mit einer Mehrzahl von Borsten 92 sind
in deren Zentralbereich verschweißt, um eine im Wesentlichen
umfangsmäßige Naht 102 zu
bilden. In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ragen die Mehrzahlen von Borsten 92 aus
dem ersten und zweiten Ring 86, 88 mit einem Winkel,
wie in 4 gezeigt.
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Wenn
die Gasturbinenmaschine 10 zu arbeiten beginnt, nimmt der
Druck der entlang dem Luftströmungsweg 22 abschnittsweise
durch den Niederdruck- und
den Hochdruckverdichter 26, 28 strömenden Luft
zu und bewirkt so ein Komprimieren der ankommenden Luftströmung 22,
wie man am besten in 1 erkennt. Ein Teil der verdichteten
Luft wird abgezapft und zu der Hochdruckturbine 32 geleitet.
Die verbleibende verdichtete Luft wird in der Brennereinrichtung 14 mit
Brennstoff vermischt, entzündet
und verbrannt. Die heißen
Verbrennungsprodukte kommen aus der Brennereinrichtung 14 und gelangen
bei einer extrem hohen Temperatur und extrem hohem Druck in die
Hochdruckturbine 32. Die Turbinenlaufschaufeln 38 lassen
die heiße
Luft expandieren, erzeugen Schub und entziehen Energie, um den Verdichter 12 anzutreiben.
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Beim
Leiten der Kühlluft
aus dem Hochdruckverdichter 28 und zu den Kühllufträumen 56, 58, 74 minimiert
die axiale Bürstendichtung 84 eine Leckage
der Kühlluft
aus den Kühllufträumen 56, 58, 74 in
den Luftweg 22. Anfangs sind die Borsten 92 der
axialen Dichtung 84 zwischen der Leitschaufelabstützung 48 und
der äußeren Laufschaufelluftdichtung 62 komprimiert,
wobei die Mehrzahl der hinteren Borstenspitzen 100 die
axiale Bürstendichtung 84 gegen
die äußere Laufschaufelluftdichtungs-Dichtungsoberfläche 76 gedrückt ist
und die Mehrzahl von vorderen Borstenspitzen 98 der Bürstendichtung 84 gegen
die Leitschaufelabstützungs-Dichtungsoberfläche 53 gedrückt ist.
Manche der hinteren Borstenspitzen 100 sind etwas mehr
komprimiert, und andere der hinteren Borstenspitzen 100 sind
etwas weniger komprimiert, um fehlende Gleichförmigkeit in der Größe und Herstellungsvariationen
bei den äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 zu
kompensieren.
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Wenn
die extrem heiße
Luft durch den Luftweg 22 in die Hochdruckturbine 32 strömt, erfahren die
rotierenden Laufschaufeln 38 eine Wärmeausdehnung. Ebenso bewegen
sich in der Folge der Zentrifugalkräfte die Spitzen 66 der
rotierenden Laufschaufeln 38 radial nach außen in Richtung
zu den äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62.
Um das Laufschaufelspitzenspiel 64 bei allen Betriebsphasen der
Gasturbinenmaschine 10 klein genug zu halten und dabei
Kontakt zwischen den Laufschaufelspitzen 66 und den äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 zu
vermeiden, müssen
sich die äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 radial
nach außen
bewegen, wenn die Laufschaufelspitzen 66 radial nach außen expandieren.
Die Ausdehnung der äußeren Laufschaufelluftdichtungsabstützung 54 und
der äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 wird
durch das Leiten der Kühlluft
in die Kühllufträume 56, 58, 74 und
durch Zumessen von Kühlluft
durch die Kühlöffnungen 82 der äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 präzise kontrolliert.
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Außerdem bewegen
sich, wenn der Turbinenabschnit 32 anfängt, hohe Temperaturen zu erfahren,
die Leitschaufelabstützungen 48 radial
und axial als Folge der Wärmeausdehnung.
Die Mehrzahl von vorderen Borstenspitzen 98 ist weiterhin
in Kontakt mit der Leitschaufelabstützungs-Dichtungsoberfläche 53,
sich entweder weiter komprimierend oder weiter ausdehnend. Auch
bewegt sich die axiale Dichtung 84 radial mit den sich
thermisch ausdehnenden oder schrumpfenden äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62,
da die axiale Dichtung 84 an den Flanschen 83 der äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 ruht.
Die Dichtungslippe 94 erlaubt, eine gewisse Radialbewegung
der axialen Dichtung 84 und fungiert als ein weiteres Luftströmungshindernis
für axiale
Luftleckage. Die Dichtungslippe 94 stellt eine korrekte
Platzierung der axialen Dichtung 84 in der Gasturbinenmaschine 10 sicher.
Somit kompensiert die zwischen der Leitschaufelabstützung 84 und
der Mehrzahl von äußeren Laufschaufelluftdichtungen 62 positionierte
axiale Bürstendichtung 84 thermische
Expansion benachbarter Bauteile sowie größen- und dimensionsmäßige Variationen
der äußeren Laufschaufelluftdichtungssegmente 62.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die axiale Dichtung 84 nicht
durch Schrauben oder sonstwie fest befestigt werden muss, was die Kosten
der Dichtung verringert und Montagezeit während der Herstellung verringert.
Auch verschlechtert das Anbringen von Schrauben oder Nieten durch
die Dichtung die Qualität
der Dichtung und führt
zu losen Borsten, die tendenziell aus der Dichtung fallen und so
die Effizienz der Dichtung verringern.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ragen die Borsten 92 von den Dichtungsringen 86, 88 mit
einem Winkel, wie in 4 gezeigt, weg. Der bevorzugte
Winkel beträgt etwa
fünfundvierzig
Grad (45°).
Jedoch können
die Borsten 92 im Wesentlichen rechtwinklig zu den Dichtungsringen 86, 88 ragen
oder andere Winkel dazwischen ausbilden.
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Obwohl
die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die axiale Bürstendichtung 84 mit
der Dichtungslippe 94 beschreibt, ist die Dichtungslippe 94 für bestimmte
Anwendungen nicht essenziell, wo die Orientierung der axialen Dichtung 84 nicht
kritisch ist. Eine "schwimmende" Bürstendichtung,
die nicht an irgendwelchen Bauteilen fest angebracht ist, kann auch
in Radialrichtung ragen, wenn Luft in Axialrichtung leckt.
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Obwohl
die Verwendung von Bürstendichtungen
in Gasturbinenmaschinen in einem US-Patent Nr. 5 114 159 mit dem
Titel "Brush Seal
and Damper" an Baird
et al. und auf die vorliegende Anmelderin übertragen, beschrieben wurden,
ist diese Bürstendichtung
und deren Verwendung ziemlich verschieden von der beschriebenen
axialen Dichtung 84. Zum Einen wird die '159 Bürstendichtung
in einem Verdichterabschnitt verwendet, während die axiale Dichtung der
vorliegenden Erfindung in dem Turbinenabschnitt verwendet wird,
der extreme Temperaturänderungen
erfährt,
was zu signifikanter thermischer Ausdehnung und Kontraktion der
Turbinenbauteile führt.
Zum Zweiten ist die '159
Dichtung fest befestigt, während
die axiale Dichtung 84, die hier beschrieben ist, sowohl
in axialer Richtung als auch in radialer Richtung "schwimmt", um eine Ausdehnung von
Maschinenbauteilen und fehlende Gleichförmigkeit davon zu kompensieren,
wodurch deren Effizienz gegen Luftleckage signifikant verbessert
ist.