DE19810821A1 - Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinen- Dichtungsvorrichtung zur Verhinderung eines Leckens von Kühlungsluft in einem Hochtemperatur-Verbrennungsgasdurchgang zwischen Endabschnitten einer Laufschaufelplattform und einer innenseitigen Umhüllung bzw. Ummantelung (z. B. Umhüllungs- bzw. Deckring) (shroud) einer Leitschaufel.

Die Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die eine Dichtungsvorrichtung zur Verhinderung eines Leckens von Kühlungsluft zwischen einer Laufschaufel und einer Leitschaufel einer herkömmlichen Gasturbine darstellt. In der Zeichnung ist mit Bezugsziffer 1 eine Laufschaufel, mit Bezugsziffer 2 eine Plattform hiervon und mit Bezugsziffer 3 ein zwischen die benachbarten Plattformen in einer Umfangsrichtung eingefügter Dichtungsstift bezeichnet, der aus einem in Axialrichtung verlaufenden Dichtungsstift 3a und einem auf beiden Seiten in geneigter Weise vorgesehenen Dichtungsstift 3b besteht. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet einen Schaftabschnitt, der unterhalb der Plattform 2 angeordnet ist, die Bezugsziffer 5 bezeichnet eine Scheibe, und die Bezugsziffern 6 und 7 bezeichnen eine Dichtungsplatte zum Abdichten beider Seiten des Schaftabschnitts 4.

Mit Bezugsziffer 11 ist eine Leitschaufel bezeichnet, mit Bezugsziffer 12 eine innenseitige Umhüllung bzw. Ummantelung (shroud), und mit Bezugsziffer 13 eine außenseitige Umhüllung bzw. Ummantelung. Die Bezugsziffer 14 gibt einen Hohlraum an, der unterhalb der innenseitigen Umhüllung bzw. Ummantelung 12 angeordnet ist, die Bezugsziffer 15 bezeichnet einen Dichtungskasten und die Bezugsziffern 16 und 17 eine Wabenelementdichtung, die an vorderen und hinteren Endabschnitten 12a und 12b der innenseitigen Umhüllung bzw. Ummantelung 12 nach unten hin montiert und so strukturiert ist, daß eine Anzahl von Wabenkernen in nach unten geöffneter Art und Weise angeordnet sind. Die Bezugsziffern 18 und 19 geben einen von den Dichtungsplatten 6 und 7 der Laufschaufel 1 und der anschließenden Leitschaufel 11 gebildeten Raum an, wobei dieser Raum ein Abschnitt zur Bildung eines hohen Luftdrucks ist.

In den Aufbau der vorstehend erwähnten Laufschaufel und Leitschaufel wird von der Scheibe 5 über einen Durchgang (nicht dargestellt) der Laufschaufel 1 Kühlungsluft eingeführt, indem die Kühlungsluft von dem Schaftabschnitt 4 einer Kühlungspassage für die Laufschaufel 1 zugeführt wird, wobei jedoch die Kühlungsluft von einem Kontaktabschnitt zwischen den Dichtungsstiften 3a und 3b oder einem Spalt zwischen den Endabschnitten 2a und 2b der Plattform 2 benachbarten Plattformen leckt und direkt in die Räume 18 und 19 oder in den Verbrennungsgasdurchgang ausströmt. Ferner stehen die Räume 18 und 19 unter hohem Druck, da eine Dichtungsluft für die Leitschaufel 11 von dem Hohlraum 14 durch den Dichtungskasten 15 leckt; die Endabschnitte 2a und 2b der Plattform 2 in der Laufschaufel 1 und die an der innenseitigen Umhüllung 12 der Leitschaufel 11 vorgesehenen Wabenstrukturdichtungen 17 und 16 liegen einander gegenüber, so daß der Abdichtungsmechanismus gebildet ist, wodurch verhindert wird, daß mehr als eine unvermeidliche Menge von Kühlluft von dem Hochtemperatur-Verbrennungsgasdurchgang ausleckt und verloren geht.

Wie erwähnt, wird die Dichtung zwischen der Laufschaufelplattform und dem innenseitigen Umhüllungs- Endabschnitt der Leitschaufel bei der herkömmlichen Gasturbine, wie Fig. 4 zeigt, derart erreicht, daß der Abdichtungsmechanismus zwischen den an den beiden Enden 12a und 12b der innenseitigen Umhüllung 12 in der Leitschaufel 11 und den Endabschnitten 2b und 2a der Laufschaufelplattform 2 gebildet wird, wodurch die Luft, die im Begriffe ist, in den Hochtemperatur-Verbrennungsgasdurchgang zu entweichen, abgedichtet ist. Bei diesem Abdichtmechanismus haben die Endabschnitte 2a und 2b der Plattform 2 jedoch eine einfache Form im Vergleich mit den Wabenstrukturdichtungen 17 und 18. Die Abdichtleistung ist somit nicht immer gut, so daß die Dichtung ungenügend ist. Entsprechend leckt ein mehr als unvermeidlicher Betrag der Dichtungsluft in den Hochtemperatur-Verbrennungsgasdurchgang, so daß die Kühlluftmenge erhöht wird, wodurch es zu einer Leistungsminderung in der Gasturbine kommen kann.

In dem Abdichtmechanismus wird das Lecken von Luft verringert und die Abdichtleistung verbessert, da der Strömungsdurchgang komplex wird und der Widerstand sich erhöht; in den Wabenstrukturdichtungen 16 und 17 jedoch tritt die Luft in einen inneren Abschnitt einer Vielzahl von Wabenkernen ein und aus diesen wieder aus; die Strömung wird komplex und der Widerstand erhöht sich, so daß ein Dichtungseffekt verstärkt wird; im Gegensatz dazu haben die Endabschnitte 2a und 2b der Plattform 2 eine einfache Formgebung, so daß der Effekt durch den Widerstand nicht besonders gut erzielt wird. Demgemäß besteht ein Spielraum für die Verbesserung des gängigen Abdichtmechanismus.

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung bereitzustellen, die so strukturiert ist, daß eine Form eines Abdichtmechanismus auf der Laufschaufelseite so gestaltet wird, daß ein Strömungswiderstand erhöht und eine Abdichtleistung vergrößert wird, um die Abdichtleistung zwischen einer Laufschaufelplattform und einer innenseitigen Umhüllung bzw. Ummantelung einer Leitschaufel zu verbessern und dadurch die Menge von Kühlluft zu vermindern, die in ein Hochtemperatur- Verbrennungsgas hinein leckt, und um eine Verschlechterung der Gasturbinenleistung zu verhindern.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es ferner, die Dichtungsvorrichtung in einer Form zu gestalten, daß sie einstückig herstellbar und damit leicht verarbeitbar und montierbar ist, so daß die Dichtungsvorrichtung, wie schon erwähnt, eine verbesserte Abdichtleistung aufweist.

Durch die Erfindung sind folgende Mittel bzw. Einrichtungen (1) bzw. (2) bereitgestellt, um die erwähnte erste und zweite Aufgabe zu erfüllen:

• (1) Eine Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung, bei der eine Dichtungsplatte in einem Innenabschnitt einer Umfangsrichtung einer Plattform einer am Umfang einer Welle angeordneten Laufschaufel vorgesehen ist, wobei ein Endabschnitt der Plattform, mit dem ein oberer Abschnitt der Dichtungsplatte verbunden ist, sowie eine an einem innenseitigen Ende einer Umhüllung bzw. Ummantelung (shroud) einer anschließend an die Laufschaufel angeordneten Leitschaufel vorgesehene Wabenstrukturdichtung einander gegenüberliegen, und ein von der Dichtungsplatte der Laufschaufel und der daran anschließenden Leitschaufel gebildeter Raum gegen einen Verbrennungsgasdurchgang hin abgedichtet ist, wobei eine Anzahl Dichtungsstege bzw. -grate in einer solchen Weise an einem oberen Abschnitt der Dichtungsplatte vorgesehen sind, daß sie einer Fläche der Wabenstrukturdichtung gegenüberliegen, wobei die Dichtungsstege bzw. -grate derart geneigt sind, daß sie einer Strömung ausströmender Luft entgegengesetzt sind, und ein Neigungswinkel derselben auf 0 < θ ≦ 90° festgelegt ist, wobei θ ein Winkel bezüglich der Wabenstrukturdichtungsfläche ist.
• (2) Eine Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung gemäß Punkt (1), wobei die Dichtungsplatte und die Dichtungsstege bzw. -grate einstückig ausgebildet sind.

Da im Aufbau (1) der Erfindung eine Vielzahl von Dichtungsstegen bzw. -graten, die der an der innenseitigen Umhüllung bzw. Ummantelung der Leitschaufel vorgesehenen Wabenstrukturdichtung gegenüberliegend am oberen Abschnitt der im Innenabschnitt der Plattform der Laufschaufel vorgesehenen Dichtungsplatte angeordnet sind und da ferner diese Dichtungsgrate bzw. -stege gegen den ausströmenden Luftstrom geneigt sind, wird die ausströmende Luft zusätzlich zum Strömungswiderstand beim Hinein- und Herausströmen innerhalb des Kerns der Wabenstrukturdichtung mit einer Vielzahl von Dichtungsgraten bzw. -stegen in Kontakt gebracht, so daß die Strömung gestört und der Widerstand gebildet wird, wodurch ein Strömungswiderstand ansteigt. Dementsprechend strömt die Luft im Vergleich zu dem einfachen Dichtungsaufbau in dem einfachen Erweiterungsabschnitt des herkömmlichen Laufschaufelabschnitts nicht leicht aus. Da eine Vielzahl von Dichtungsgraten längs der Wabenstrukturdichtungsfläche angeordnet und diese außerdem so geneigt sind, daß sie sich der Luftströmungsrichtung widersetzen, liegen die Dichtungsgrate nicht in der Richtung des Luftstroms sondern in der entgegengesetzten Richtung, so daß der Strömungswiderstand der Luft zunimmt und der Abdichteffekt durch ein Erschweren der Strömung im Vergleich mit der herkömmlichen Struktur verstärkt wird.

Im Aufbau (2) der Erfindung ist es, da die Dichtungsplatte und die Dichtungsstege bzw. -grate einstückig gestaltet sind, leicht, sie herzustellen und einzubauen, und außerdem wird der komplexe vorstehende Abschnitt in der Plattform, an der die Dichtungsplatte montiert ist, reduziert, so daß sie leicht durch Präzisionsformgießen herstellbar sind.

Im folgenden ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt zur Darstellung einer Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts X in Fig. 1,

Fig. 3(A) und 3(B) Ansichten, die einen Einbauzustand der Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellen, wobei Fig. 3(A) eine Laufschaufel pro Dichtungsplatte und Fig. 3(B) zwei Laufschaufeln pro Dichtungsplatte zeigt und

Fig. 4 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Dichtungsaufbaus einer herkömmlichen Gasturbine.

Im folgenden ist eine Ausführungsform gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung konkret beschrieben. Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die eine Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht zur detaillierten Darstellung einer Dichtungsplatte 21 eines Abschnitts X in Fig. 1. Da in Fig. 1 der Aufbau der betreffenden Abschnitte auf der Seite einer Laufschaufel 1 bzw. einer Leitschaufel 11 dieselbe Funktion erfüllt wie nach dem Stand der Technik, werden für gleiche Komponenten und Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet und eine detaillierte Beschreibung weggelassen. Da der charakteristische Teil der Erfindung jedoch die Dichtungsplatte 21 ist, wird nachstehend eine detaillierte Beschreibung hiervon gegeben.

In Fig. 1 ist die Dichtungsplatte 21 an einem Ende einer Plattform 2 der Laufschaufel 1 so montiert, daß sie sich von einer Scheibe 5 zur Plattform 2 hin erstreckt und mit einem Endabschnitt eines Dichtungsstifts 43 in Kontakt steht. Eine Anzahl Dichtungsstege bzw. -grate 22 (drei Stege in der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform) sind am oberen Abschnitt der Dichtungsplatte 21 so angeordnet, daß sie einer Fläche einer Wabenstrukturdichtung 16 gegenüberliegen, die an einem Endabschnitt 12a einer innenseitigen Versteifung 12 der Leitschaufel 11 vorgesehen ist. Ferner ist eine Dichtungsplatte 31 mit einem Dichtungssteg 32 an einer Laufschaufel 1' vorgesehen, welche auf der stromabwärtigen Seite der Leitschaufel 11 in derselben Weise angeordnet ist.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht zur detaillierten Darstellung der oben erwähnten Dichtungsplatte 21, wobei ein Abschlußende 21a der Dichtungsplatte 21 in die Plattform 2 eingefügt ist und ein Dichtungsstift sich mehr bzw. länger als der herkömmliche Dichtungsstift 3 erstreckt, um einen Dichtungsstift 43 zu bilden, so daß das Abschlußende 21a der Dichtungsplatte 21 in Kontakt mit einem Abschlußende des Dichtungsstifts 43 steht, wodurch der Spalt in diesem Abschnitt beseitigt ist und ein Lecken bzw. Entweichen der Luft verhindert wird. Ein vorspringender Abschnitt 21b ist am oberen Abschnitt der Dichtungsplatte 21 vorgesehen; drei Dichtungsstege bzw. -grate 22 sind so ausgebildet, daß sie der Wabenstrukturdichtung 17 gegenüberliegen, die an einer unteren Fläche des Endabschnitts 12a der innenseitigen Versteifung 12 der Leitschaufel 11 angeordnet ist.

Der Dichtungssteg 22 ist so geneigt, daß er einer Strömungsrichtung einer Luftströmung 30 entgegengesetzt ist. Es ist ausreichend, einen Neigungswinkel so festzulegen (innerhalb eines Bereichs von 0 < θ ≦ 90°), daß die Dichtungswirkung verstärkt werden kann. Dies liegt daran, daß der Winkel des Dichtungsstegs bzw. -grats 22 nicht in Richtung der Luftströmung liegt, sondern in der entgegengesetzten Richtung geneigt ist, so daß die Luftströmung durch eine Seitenfläche des Dichtungsstegs behindert und der (Strömungs-)Widerstand erhöht wird.

In diesem Fall wird der Strömungswiderstand durch die Dichtungsstege 22 erhöht, wenn die Dichtungsstege größer gestaltet werden und ihre Anzahl erhöht wird. Eine ausreichende Wirkung kann jedoch schon erzielt werden, wenn die Anzahl der Dichtungsstege etwa 3 beträgt, wobei sie durch die Struktur der Laufschaufel und der Leitschaufel in der Gasturbine beschränkt ist. Darüberhinaus ist die Dichtungsplatte 21 anstelle der herkömmlichen Dichtungsplatten 6 und 7 (sh. Fig. 4) vorgesehen und kann durch eine einstückige Formgebung hergestellt werden, so daß sie vorteilhaft in der Fertigung und außerdem leicht einzubauen ist.

Die Dichtungsplatte 31, die auf der stromabwärtigen Seite der Leitschaufel 11 an der Laufschaufel 1' vorgesehen ist, weist ferner dieselbe Struktur auf wie die Dichtungsplatte 21. Die Neigungsrichtung des Dichtungsstegs 32 der Dichtungsplatte 31 wird jedoch so festgelegt, daß sie zur Neigung des Dichtungsstegs 22 der Dichtungsplatte 21 entgegengesetzt ist, und zwar zu dem Zwecke, daß sie zur Luftströmung entgegengesetzt geneigt ist.

Fig. 3 ist eine Ansicht von einer Axialrichtung aus gesehen, welche die an der Laufschaufel montierte Dichtungsplatte zeigt. Der Aufbau ist so gestaltet, daß die Dichtungsplatte an die in der Umfangsrichtung befestigte Laufschaufel montiert ist, und zwar so, daß eine Dichtungsplatte 21 an einer Seitenfläche einer Laufschaufel 1 montiert ist, wie Fig. 3(A) zeigt.

Die Dichtungsplatte kann an der Seitenfläche aller Laufschaufeln so befestigt sein, daß eine Dichtungsplatte 21' an zwei Laufschaufeln 1 bzw. 1' befestigt ist, oder eine Dichtungsplatte an einer Mehrzahl von Laufschaufeln, wie Fig. 3(B) zeigt. Bei der Anordnung, bei der jeweils eine Dichtungsplatte 21 pro Laufschaufel vorgesehen ist (Fig. 3(A)) wird das Lecken der Dichtungsluft auch von dem Verbindungsabschnitt bezüglich der benachbarten Dichtungsplatte 21 erzeugt; bei der Anordnung jedoch, bei der jeweils eine Dichtungsplatte 21' für eine Mehrzahl von Laufschaufeln 1 bzw. 1' (sh. Fig. 3(B)) vorgesehen ist, ist der Verbindungsabschnitt zwischen den Dichtungsplatten 21' verkleinert, und die von dem Verbindungsabschnitt leckende bzw. entweichende Luftmenge ist verringert, so daß der Betrag der entweichenden Luft um diese Menge vermindert ist.

Wie vorstehend erwähnt, ist in der Gasturbinen- Dichtungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Widerstand gegen die Strömung im Vergleich mit herkömmlichen Dichtungsstrukturen verstärkt, und der Betrag bzw. die Menge ausleckender Luft ist verringert. Außerdem ist der Betrag der aus dem Spalt zwischen dem Dichtungsstift 43 und der Dichtungsplatte 21 entweichenden Luft verringert, so daß die Dichtungswirkung weiter verstärkt werden kann, wenn die Anzahl der Dichtungsplatte(n) 21 verringert wird (Fig. 3(B)).

Die Dichtungsplatte 21 kann des weiteren in einem getrennten Verfahren einstückig geformt werden, was vorteilhaft ist bei der Fertigung der Plattform 2. Da die Plattform 2 einen Präzisionsformguß eines harten Materials erfordert, ist eine komplexe Formgebung in der Fertigung nicht notwendig bzw. nicht von Vorteil. Wenn sie so strukturiert ist, daß die Dichtungsplatten 21 und 31 getrennt gefertigt und später zusammengebaut werden, ist es ausreichend, wenn die Endabschnitte 2a und 2b der Plattform 2 einen einfachen Aufbau haben.

Es wurde zwar eine bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung beschrieben, Variationen hierzu stehen jedoch dem Fachmann innerhalb der vorliegenden erfinderischen Konzepte offen, die durch die folgenden Ansprüche umrissen sind.

Claims (2)

1. Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung, bei der eine Dichtungsplatte (21, 31) in einem Innenabschnitt einer Umfangsrichtung einer Plattform (2, 2') einer am Umfang einer Welle angeordneten Laufschaufel (1, 1') vorgesehen ist, wobei ein Endabschnitt der Plattform (2, 2'), mit dem ein oberer Abschnitt der Dichtungsplatte (21, 31) verbunden ist, sowie eine an einem innenseitigen Ende einer Umhüllung bzw. Ummantelung (12) anschließend an die Laufschaufel (1, 1') angeordneten Leitschaufel (11) vorgesehene Wabenstrukturdichtung (16, 17) einander gegenüberliegen, und ein von der Dichtungsplatte (21, 31) der Laufschaufel (1, 1') und der daran anschließenden Leitschaufel (11) gebildeter Raum (18, 19) gegen einen Verbrennungsgasdurchgang hin abgedichtet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl Dichtungsstege bzw. -grate (22, 32) in einer solchen Weise an einem oberen Abschnitt der Dichtungsplatte (21, 31) vorgesehen sind, daß sie einer Fläche der Wabenstrukturdichtung (16, 17) gegenüberliegen, wobei die Dichtungsstege bzw. -grate (22, 32) derart geneigt sind, daß sie einer Strömung ausströmender Luft entgegengesetzt sind, und ein Neigungswinkel derselben auf 0 < θ ≦ 90° festgelegt ist, wobei θ ein Winkel bezüglich der Wabenstrukturdichtungsfläche (16, 17) ist.

2. Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte (21, 31) und die Dichtungsstege bzw. -grate (22, 32) einstückig ausgebildet sind.