CH704034B1 - Turbine und Verfahren zur Herstellung derselben. - Google Patents

Abstract

Die Turbine (10) mit einem um eine Achse drehbaren Rotor und mit diesem verbundenen umlaufenden Turbinenschaufeln (22, 24) sowie mit Düsen (18, 20) ist zur Verhinderung des Eindringens von Heissgas aus dem Heissgasstrom in die entsprechende Laufradkammer (40) zwischen der entsprechenden Turbinenschaufel und der zugeordneten Düse mit einer Dichtung (34) versehen. Diese hat einen Dichtungskörper, der sich vom Fuss der entsprechenden Turbinenschaufel zum Ende und hin zur zugeordneten Düse erstreckt. Der Dichtungskörper hat eine erste konkave Fläche (116) an seinem Ende und eine nach aussen gekrümmte Fläche (120), die längs des Dichtungskörpers liegt, wobei die nach aussen gekrümmte Fläche radial innen von der ersten konkaven Fläche angeordnet ist und sich von dem Dichtungskörper nach aussen erstreckt.

Description

[0001] Die Laufradkammern von Turbinen, insbesondere Gasturbinen, werden mit Kühlluft aus einem Kompressor gespült, um die Temperatur dieser Kammern und den Rotor in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten und um das Einströmen von Heissgas zu verhindern. Hierzu werden meist besonders profilierte Stegdichtungen verwendet, die auch als sogenannte Angel-Wing-Dichtungen bekannt sind und axiale Verlängerungen der Turbinenlaufschaufeln zur Überlappung mit Dichtungsflächen an den Statorteilen der Turbine bilden. Typischerweise werden solche Dichtungen als Teil der Turbinenschaufeln gegossen. Das spezifische Profil solcher Dichtungen und die Oberflächen des Stators sollten so gewählt sein, dass das Einströmen von Heissgas verhindert und der Verbrauch von Kühlluft vermindert wird.

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit einer solchen Dichtung versehene Turbine, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt. Bevorzugte Ausführungsformen haben die Merkmale der Ansprüche 2–5.

[0003] Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Turbine mit den Merkmalen von Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens haben die Merkmale der Ansprüche 7–10.

[0004] Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>die schematische Teildarstellung des Querschnitts einer Turbine. <tb>Fig. 2<sep>die vergrösserte perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel und <tb>Fig. 3<sep>das Schema eines Beispiels der Profile am Stator und Rotor.

[0005] Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Gasturbine 10 mit einem Rotor, der axial beabstandete Rotorlaufräder 12 und Abstandshalter 14 besitzt, die durch mehrere, peripher voneinander beabstandeten und axial sich erstreckenden Bolzen 16 miteinander verbunden sind. Die Turbine 10 hat verschiedene Stufen mit Leitapparaten, zum Beispiel einen Erststufen-Leitapparat 18 und einen Zweitstufen-Leitapparat 20, jeweils mit mehreren peripher voneinander beabstandeten Stand- oder Statorschaufeln. Zwischen den Leitapparaten befinden sich mehrere, mit dem Rotor umlaufende Turbinenschaufeln, z.B. die dargestellten Erst- und Zweitstufen-Turbinenschaufeln 22 bzw. 24.

[0006] Gemäss Fig. 2 hat jede Turbinenschaufel, zum Beispiel die Turbinenschaufel 22, einen Flügel 24, der an einem Fuss 25 befestigt ist, der eine Plattform 26 und eine Fusstasche 28 mit integraler Abdeckplatte 30 und einen Schwalbenschwanz 32 zur Verbindung mit allgemein entsprechend ausgebildeten Schwalbenschwanzschlitzen besitzt, die in einem Rotorlaufrad 12 (Fig. 1) vorgesehen sind. Die Schaufel 22 ist typischerweise einstückig gegossen und besitzt axial vorstehende Dichtungen 34. Die Dichtungen 34 wirken mit Dichtungsflächen 36 zusammen (siehe Fig. 1), die an den benachbarten Leitapparaten zur Begrenzung des Eindringens von Heissgasen gebildet sind, die durch den allgemein mit dem Pfeil 38 angedeuteten (Fig. 1) Heissgasbereich fliessen, um deren Einströmen in die Laufradkammern 40 zu verhindern.

[0007] Typischerweise besitzen die Dichtungen 34 einen Dichtungssteg (Engelsflügel) 42, eine Aufkantung oder Spitze 44 am distalen Ende, obere und untere Dichtungsstegfuss-Ansätze 46 bzw. 48 sowie obere und untere Dichtungsflächen 50 bzw. 52. Üblicherweise sind die oberen und unteren Flächen 50 und 52 ebene Flächen, die sich vom Fussansatz zur Spitze 44 erstrecken, typisch mit einer oberen Fläche 50, die eine kreisbogenförmig gekrümmte, um die Rotationsachse des Rotors konzentrisch verlaufende Fläche hat.

[0008] Fig. 3 veranschaulicht die Profile einer Dichtung 100, des Rotors 102 und des Stators 104 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Profile ermöglichen die Bildung eines Strukturmusters von örtlichen Bereichen hohen und tiefen Drucks im Radzwischenraum 106. Die Profile beruhen mindestens teilweise auf dem Bernoulli-Gesetz, das für nicht-viskose, inkompressible und gleichmässig strömende Fluide besagt, dass die Summe aus Druck, potentieller und kinetischer Energie pro Volumeneinheit an jedem Punkt konstant ist. Das Bernoulli-Gesetz beschriebt das Verhalten eines Fluids unter sich ändernden Strömungs- und Querschnittsbedingungen wie folgt: P + 1⁄2�?ν<2> + �?gh = konstant worin P der statische Druck (in Newton pro Quadratmeter), p die Dichte des Fluids (in kg pro Kubikmeter), v die Geschwindigkeit der Fluidströmung (in Meter pro Sekunde), g die Gravitationsbeschleunigung und h die Höhe über einer Bezugsfläche ist. Der zweite Term in dieser Gleichung ist bekannt als der dynamische Druck.

[0009] Wie in Fig. 3 und im Ausführungsbeispiel gezeigt, hat der Stator 104 konkave Flächen 108 und 110 und einen Statorvorsprung 112; der Rotor 102 hat einen Rotorvorsprung 114. Der Angel-Wing 100 besitzt ebenfalls konkave Flächen 116 und 118 sowie eine auswärts gekrümmte untere Fläche 120. Diese Profilmerkmale in Stator 104, Rotor 102 und Angel-Wing 100 können nach einem oder einer Kombination der nachstehenden Verfahren, nämlich Giessen, Spanen (mechanische Bearbeitung), Schweissen und Aufbringen einer abtragbaren Beschichtung, z.B. eine so genannte TBC-Beschichtung, gebildet werden.

[0010] Die Dichtung 100 hat einen Dichtungskörper 122, der sich vom Fuss der Schaufel allgemein zum Leitapparat 104 hin erstreckt. Der Dichtungskörper 122 besitzt mindestens eine konkave Fläche. Beim Ausführungsbeispiel hat der Dichtungskörper 122 an einer Aufkantung 124 eine erste konkave Fläche 116 und eine zweite konkave Fläche 118 entlang eines Körperabschnitts 126, der sich aus dem Rotor erstreckt. Der Dichtungskörper 122 hat ferner längs des Körperabschnitts 126 eine auswärts gekrümmte Fläche 120. Der Leitapparat 104 hat einen ersten Vorsprung 112, der sich zum Rotor hin erstreckt, und konkave Flächen 108 und 110. Der Rotor 102 hat einen Vorsprung 114.

[0011] Selbstverständlich sind auch viele andere Konfigurationen und Profile möglich. Allgemein verursachen die Vorsprünge 112 und 114 einen Druckabfall und die konkave Flächen 108, 110, 116 und 118 bewirken einen Druckanstieg. Insbesondere führen Änderungen im Leck/Strömungsbereich zu nachfolgenden Zunahmen bzw. Abnahmen von Geschwindigkeit und Druck. Während des Übergangs von höherer zu tieferer Geschwindigkeit dehnt sich die Luft aus und der Druck steigt im Turbinenradraum, sodass der erhöhte Druck einen «Puffer» bildet.

[0012] Wie beschrieben, bilden Stator 104 und Rotor 102 (einschliesslich der Dichtung 100) eine Dichtungskonstruktion, welche das Ansaugen von Heissgas verhindert und eine effiziente Verwendung von Kühlluft zur Kühlung des Rotors 102 ermöglicht, um den Rotor 102 innerhalb eines definierten Temperaturbereichs und Temperaturgradienten zu halten. Obwohl die vorliegende Beschreibung sich primär auf Gasturbinen bezieht, ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Gasturbinen beschränkt, sondern auch auf andere Turbinentypen, einschliesslich zum Beispiel von Dampfturbinen, anwendbar.

[0013] Für Fachleute ergeben sich anhand der obigen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung viele möglichen Abänderungen im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche.

Claims (10)

1. Turbine (10) mit einem um eine Achse drehbaren Rotor und mit diesem verbundenen umlaufenden Turbinenschaufeln (22, 24) sowie mit Düsen (18, 20) und einer Dichtung (34) zwischen der entsprechenden Turbinenschaufel und der zugeordneten Düse zur Verhinderung des Eindringens von Turbinenheissgas aus dem Heissgasstrom in die zugeordnete Laufradkammer (40), wobei die Dichtung umfasst: einen Dichtungskörper (42), der sich vom Fuss (25) der entsprechenden Turbinenschaufel zu seinem Ende (44) hin zu der der jeweiligen Turbinenschaufel zugeordneten Düse erstreckt; wobei der Dichtungskörper eine erste konkave Fläche (116) an seinem Ende und eine nach aussen gekrümmte Fläche (120) aufweist, die sich längs des Dichtungskörpers befindet, wobei die nach aussen gekrümmte Fläche radial innen von der ersten konkaven Fläche angeordnet ist und sich von dem Dichtungskörper nach aussen erstreckt.

2. Turbine nach Anspruch 1, bei der der Dichtungskörper (122) ausserdem eine zweite konkave Fläche (118) längs des Dichtungskörpers aufweist, die sich vom Rotor zur ersten konkaven Fläche erstreckt.

3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die zugeordnete Düse einen ersten Vorsprung (112) besitzt der sich hin zum Rotor erstreckt.

4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die zugeordnete Düse mindestens eine konkave Fläche (108; 110) besitzt.

5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Rotor mindestens einen zweiten Vorsprung (114) aufweist, der sich vom Rotor nach aussen erstreckt.

6. Verfahren zur Herstellung einer Turbine nach Patentanspruch 1 mit einem um eine Achse drehbaren Rotor und mit diesem verbundenen umlaufenden Turbinenschaufeln (22, 24) sowie mit Düsen (18, 20) und einer Dichtung (34; 100) zwischen der entsprechenden Turbinenschaufel und der zugeordneten Düse zur Verhinderung des Eindringens von Turbinenheissgas aus dem Heissgasstrom in die entsprechende Laufradkammer (40), wobei die Dichtung einen Körper (42; 122) besitzt, der sich vom Fuss (25) der entsprechenden Turbinenschaufel zum Ende (44; 124) und hin zur zugeordneten Düse (18; 20) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende (124) des Dichtungskörpers (122) eine erste konkave Fläche (116) und längs des vom Rotor Dichtungskörpers (122) eine nach aussen gekrümmte Fläche (120) gebildet wird, wobei die nach aussen gekrümmte Fläche (120) radial innen von der ersten konkaven Fläche (116) liegt und sich vom Dichtungskörper nach aussen erstreckt.

7. Verfahren nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet dass in der ersten konkaven Fläche (116) eine zweite konkave Fläche (118) gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass ausserdem ein erster Vorsprung (112) gebildet wird, der sich von der zugeordneten Düse zum Rotor hin erstreckt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der zugeordneten Düse mindestens eine konkave Fläche (110) gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausserdem mindestens ein vom Rotor sich nach aussen erstreckender zweiter Vorsprung (114) gebildet wird.