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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abdichtung eines Übergangs
zwischen einer ersten Passage für
ein Kühlmedium
in einer ersten Komponente einer Turbomaschine und einer zweiten
Passage für
das Kühlmedium
in einer zweiten Komponente dieser Turbomaschine, bei der es sich
insbesondere um eine Gasturbine handeln kann.
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Beim
Betrieb von Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen, treten hohe
Temperaturen auf, die einzelne Komponenten der Turbomaschine stark
belasten. Mit der Entwicklung immer leistungsfähigerer Gasturbinen werden
Temperaturen erreicht, die bereits den Schmelzpunkt des Materials
einzelner Turbinenkomponenten überschreiten.
Zur Vermeidung von Schäden
an diesen Komponenten aufgrund der hohen Betriebstemperaturen müssen diese
während
des Betriebs ständig
gekühlt
werden. Hierfür
sind Kühlpassagen
innerhalb der Turbinenkomponenten vorgesehen, über die ein Kühlmedium,
in der Regel angesaugte Verdichterluft, an den zu kühlenden
Stellen vorbeigeführt
wird. Neben der konvektiven Kühlung,
bei der Kühlkanäle direkt
in den zu kühlenden
Bereichen verlaufen, beispielsweise Kühlkanäle innerhalb eines Schaufelblattes,
werden auch die sog. Prallkühlung
sowie die Filmkühlung
eingesetzt. Bei der Prallkühlung
prallt die Kühlluft
annähernd senkrecht
auf die zu kühlende
Fläche,
während
sie bei der Filmkühlung
annähernd
tangential über
diese Fläche
streift und dort einen dünnen
Kühlluftfilm
bildet. Ein Beispiel für
zu kühlende
Komponenten sind Hitzeschildsegmente, die die äußere Trägerstruktur der Gasturbine,
bspw. den Träger
für die
Turbinenleitschaufeln, vor direktem Kontakt mit dem Heißgas schützen.
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Für den Transport
des Kühlmediums
innerhalb der Turbine sind abgedichtete Übergänge für die Passagen des Kühlmediums
zwischen den einzelnen Komponenten der Turbine erforderlich. Unterschiedliche
Materialien, aus denen die einzelnen Komponenten gefertigt sind
sowie unterschiedliche Temperaturen, denen die Komponenten ausgesetzt
sind, führen
jedoch zu Unterschieden in der thermischen Ausdehnung dieser Komponenten.
Dies erschwert die Abdichtung beim Übergang der Kühlpassagen
zwischen zwei benachbarten Komponenten.
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Zur
Lösung
dieser Problematik ist es bekannt, an den Übergängen flexible metallische Dichtungen, wie
beispielsweise metallische Faltenbalge oder Schiebegelenke einzusetzen.
Beide Dichtungsarten können über Feder-
oder Druckmechanismen vorgespannt sein. Die in der Regel sehr gute
Dichtungswirkung derartiger Dichtungsverbindungen erfordert jedoch
eine größere Anzahl
kleiner und bruchempfindlicher Teile, aus denen sich diese Dichtungsverbindungen
zusammensetzen. Gerade bei kommerziell eingesetzten Turbinenanlagen
besteht daher ein hohes Risiko der Zerstörung einer derartigen Dichtung,
die Einbußen
in der Turbinenleistung sowie die Gefahr von Schäden nach sich ziehen kann.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung
zur Abdichtung eines Übergangs
zwischen den Kühlpassagen
zweier benachbarter Komponenten einer Turbomaschine, insbesondere einer
Gasturbine, anzugeben, die bei einer geringeren Anzahl an Teilen
eine zuverlässige
Abdichtung während des
Betriebs der Turbomaschine ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Die
vorliegende Anordnung zur Abdichtung eines Übergangs zwischen einer ersten
Passage für
ein Kühlmedium
in einer ersten Komponente einer Turbomaschine und einer zweiten
Passage für
das Kühlmedium
in einer zweiten Komponente der Turbomaschine, insbesondere Gasturbine,
zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Komponenten so ausgebildet
und gegenseitig angeordnet bzw. fixiert sind, dass in einem Ruhezustand
der Turbomaschine am Übergang zwischen
den beiden Passagen ein Spalt vorhanden ist, der sich bei Betriebstemperaturen
der Turbomaschine durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der
beiden Komponenten schließt.
Vorzugsweise besteht hierzu die erste Komponente aus einem Material
mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die
zweite Komponente.
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Abhängig von
den Temperaturen, denen die beiden Komponenten ausgesetzt sind,
ist es in diesem Falle auch möglich,
beide Komponenten aus dem gleichen Material bereitzustellen, wobei
dann die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung durch die unterschiedlichen
Temperaturen hervorgerufen werden, denen die beiden Komponenten
während
des Betriebs der Maschine ausgesetzt sind. Ist dieser Temperaturunterschied
bei gleichen Materialien für
die beabsichtigte Dichtungswirkung nicht ausreichend, so werden
die Materialien der beiden Komponenten innerhalb der für die jeweiligen
Anwendungen möglichen
Materialien so unterschiedlich gewählt, dass der gewünschte Dichtungseffekt
während
des Betriebs aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Materialien auftritt. In der einfachsten Ausgestaltung erfordert
diese Dichtung daher keinerlei zusätzliche Teile, da die Abdichtung
allein durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung der beiden
Komponenten erreicht wird, durch die die Komponenten im Bereich
des Übergangs
aneinandergepresst werden.
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Die
gegenseitige Anordnung der beiden Komponenten ist selbstverständlich so
gewählt,
dass sich die beiden Komponenten im Bereich des Übergangs der Kühlpassagen durch
die unterschiedliche thermische Ausdehnung gegeneinander bewegen.
Dies wird in Abhängigkeit
von der Geometrie der beiden Komponenten entweder durch einen gemeinsamen
Träger
erreicht, an dem beide Komponenten an geeigneter Stelle befestigt
sind, oder durch eine Befestigung der einen Komponente an einer
geeigneten Stelle der anderen Komponente, wie dies weiter unten
anhand eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung näher
dargestellt ist.
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Zum
Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der beiden
Komponenten kann auch vorgesehen sein, dass entweder die Verbindung
der jeweiligen Komponenten mit dem Träger oder die Verbindung der
einen Komponente mit der anderen Komponente eine gewisse Flexibilität oder Elastizität aufweist.
In gleicher Weise können
eine oder beide Komponenten derart geformt sein, dass sie insgesamt
oder in ein oder mehreren Abschnitten die erforderliche Flexibilität für den Ausgleich
der Fertigungstoleranzen aufweisen. Dies kann beispielsweise durch
geeignete Krümmungen
in der Form der Komponenten erreicht werden.
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Eine
weitere Möglichkeit,
Fertigungstoleranzen auszugleichen, besteht im Einsatz einer Durchgangshülse an zumindest
einem Ausgang bzw. Eingang der beiden Kühlpassagen. Vorzugsweise weist
eine derartige Durchgangshülse
einen zwischen den beiden Komponenten umlaufenden Kragen bzw. Rand
auf, der beim Aneinanderpressen der beiden Komponenten gegebenenfalls
zwischen diesen plastisch deformiert wird und auf diese Weise das
Auftreten von Spannungen in den Komponenten verringert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist diese Durchgangshülse eine
doppelkonische Innenkontur mit zwei aneinandergrenzenden linearen
konischen Bereichen auf. Der äußere konische
Bereich hat dabei einen größeren Öffnungswinkel
als der innere konische Bereich und insbesondere auch einen größeren maximalen
Durchmesser als die Ausgangs- oder Eingangsöffnung der jeweils gegenüberliegenden
Kühlpassage. Auf
diese Weise werden Druckverluste bei nicht exakter Überlagerung
der beiden Kühlpassagen
vermieden.
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Der
bevorzugte Einsatz der vorliegenden Anordnung betrifft den Übergang
zwischen der Kühlpassage eines
Trägers
einer Gasturbine und der Kühlpassage
eines daran befestigten Hitzeschildsegmentes, wie dies auch in dem
folgenden Ausführungsbeispiel
veranschaulicht wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Anordnung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 ein
Beispiel für
die Abdichtung des Übergangs
zwischen den Kühlpassagen
einer Trägerstruktur einer
Gasturbine und eines Statorhitzeschilds der Gasturbine;
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus dem Übergang
der 1; und
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3 ein
Beispiel für
eine Ausgestaltung einer Durchgangshülse, wie sie in den vorangehenden
Figuren eingesetzt wird.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In
der 1 ist eine Anordnung in einer Gasturbine zu erkennen,
bei der ein Statorhitzeschild 1 an einer Trägerstruktur 2 befestigt
ist. Der Befestigungspunkt ist in dieser Figur mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet.
Das Hitzeschild 1 dient der Abschirmung des Trägers 2 vor
den im Heißgaspfad
der Gasturbine auftretenden hohen Temperaturen. Die Figur zeigt
hierbei die Spitze eines Schaufelblattes 7 der Turbine,
die in entsprechende Dichtungen 8 am Hitzeschild 1 eingreift.
Dieser Bereich muss während
des Betriebes gekühlt werden,
um die an dieser Stelle auftretenden hohen Temperaturen zu verringern.
Zu diesem Zweck wird über entsprechende
Passagen 1a, 2a für das Kühlmedium Kühlluft herangeführt, mit
der die Spitze der Turbinenschaufel 7 sowie der dieser
zugewandte Bereich des Hitzeschildes 1 gekühlt werden.
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Für die zuverlässige Funktion
dieser Kühlung
sowie zur Vermeidung größerer Verluste
an Kühlmedium,
die zu einem Leistungsabfall der Turbine führen können, muss der Übergang
zwischen den beiden Kühlpassagen 1a, 2a der
beiden Komponenten 1, 2 ausreichend gut abgedichtet
werden. Diese Abdichtung wird bei der vorliegenden Anordnung dadurch
erreicht, dass die Befestigung des Hitzeschildes 1 an der
Trägerstruktur 2 und
gegebenen falls die Wahl des Materials des Hitzeschildes 1 derart
erfolgen, dass unter Berücksichtigung
der Temperaturen, denen diese beiden Komponenten während des
Betriebs der Turbine ausgesetzt sind, eine stärkere thermische Ausdehnung
des Hitzeschildes 1 in axialer Richtung X erreicht wird
als die axiale Ausdehnung der Komponente 2 in dieser Richtung.
Auf diese Weise wird ein Spalt 3 zwischen den beiden Komponenten 1, 2 im
Bereich der Kühlpassagen 1a, 2a beim
Betrieb der Turbine geschlossen.
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Dies
ist in der vergrößerten Darstellung
der 2 nochmals veranschaulicht, die den Spalt 3 vor
Erreichen der bestimmungsgemäßen Betriebstemperatur
der Turbine veranschaulicht. Die Form des Hitzeschildes 1 sowie
der Befestigungspunkt 4 sind dabei so gewählt, dass
die unterschiedliche thermische Ausdehnung im vorliegenden Beispiel
gerade in dieser axialen Richtung X wirkt, in der die beiden Kühlpassagen 1a, 2a zur Abdichtung
aneinander gepresst werden müssen.
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Zum
Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Komponenten
oder von kurzfristigen Übertemperaturen
kann es erforderlich sein, entsprechende Maßnahmen vorzusehen, die zu
hohe axiale Spannungen in den beiden Komponenten 1 und 2 während des
Betriebes der Turbine vermeiden. Dies kann durch eine elastische
Befestigung des Hitzeschildes 1 an der Komponente 2 erfolgen.
Die Befestigung am Befestigungspunkt 4 kann hierbei beispielsweise
als Federverbindung ausgebildet sein. Weiterhin ist es möglich, durch
geeignete Ausgestaltung der Komponenten, im vorliegenden Fall des
Hitzeschildes 1, eine gewisse Elastizität dieses Hitzeschildes zu erreichen.
Im vorliegenden Beispiel wird diese Elastizität durch die im Querschnitt
erkennbare zweifache Krümmung
des Hitzeschildes 1, die im linken Bereich der 1 erkennbar
ist, erreicht.
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Eine
weitere Maßnahme
zur Verringerung von Spannungen besteht im Einsatz einer Durchgangshülse 5,
wie sie in den 1 und 2 angedeutet
ist. Diese Durchgangshülse 5 ist
am Eingang der Kühlpassage 1a des
Hitzeschildes 1 eingelötet.
Sie weist einen äußeren Umgangsrand
bzw. Kragen 6 auf, der beim Aneinanderpressen der beiden
Komponenten 1 und 2 im Bereich der Kühlpassagen 1a, 2a zwischen
den beiden Komponenten liegt, wie dies in der 2 ersichtlich
ist. Treten in axialer Richtung zu hohe Kräfte auf, so wird dieser Kragen 6 lokal
plastisch deformiert und verringert auf diese Weise die Gefahr zu
hoher axialer Spannungen in den beiden Komponenten.
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3 zeigt
ein Beispiel für
eine detaillierte Ausgestaltung einer derartigen Durchgangshülse 5.
Diese Durchgangshülse
weist auf ihrer inneren, das heisst, der Kühlpassage 1a der Komponente 1 zugewandten Seite
eine entsprechende Ausnehmung für
die Aufnahme des in der Komponente 1 verlaufenden Kühlrohres 9 auf.
Der äußere Durchmesser
D1 des Kühlrohres 9 entspricht
dabei dem Innendurchmesser der entsprechenden Ausnehmung. In axialer
Richtung dieser Durchgangshülse 5 in
Richtung zum Einlass der Kühlpassage 2a der
Komponente 2 erfolgt dann eine Verringerung des Innendurchmessers
der Hülse,
wie dies in 3 erkennbar ist. Im Anschluss
daran erfolgt eine konische Erweiterung des Innenquerschnitts in
einem ersten Bereich mit einem ersten Öffnungswinkel, an den sich
eine weitere konische Erweiterung mit einem zweiten, größeren Öffnungswinkel
anschließt.
Die beiden Öffnungswinkel
sind in der Figur mit α2
bzw. α1
bezeichnet. Die axiale Länge
des ersten linearen konischen Bereiches ist mit X1, die des zweiten
konischen Bereiches mit X3 und die des Bereiches mit verringertem
Querschnitt mit X2 bezeichnet. Wie aus 3 zu erkennen
ist, ist der äußerste Durchmesser
am Eingang der Durchgangshülse 5 größer als
der Ausgangsdurchmesser der Kühlpassage 2a der
benachbarten Komponente 2. Dadurch und durch die konische
Ausbildung des Eingangsteils der Durchgangshülse 5 werden Druckverluste
am Übergang
zwischen den beiden Komponenten verringert, falls die beiden Achsen
der Kühlpassagen
in diesem Bereich nicht exakt übereinander
liegen.
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Die
Durchgangshülse
5 kann
dabei in unterschiedlicher Weise mechanisch am Hitzeschild
1 befestigt sein,
beispielsweise durch Hartlöten,
Schweißen,
eine Klebeverbindung oder durch eine andere geeignete mechanische
Verbindung, beispielsweise eine Schraubverbindung. Die in der
3 erkennbaren
Dimensionierungen der einzelnen Bereiche sind im Folgenden angeführt:
| Winkel: | α1 = 1° ... 89°, α2 = 0,5° ... 70° |
| Durchmesser: | d2
= 0,1·D1
... D1 |
| axiale
Längen: | X1
= 0,3·D1
... 2·D1
X2
= 0,1·D1
...D1
X3 = 0,01*D1... 0,9·D1 |
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- 1
- Hitzeschild
- 1a
- Kühlpassage
im Hitzeschild
- 2
- Trägerstruktur
- 2a
- Kühlpassage
in der Trägerstruktur
- 3
- Spalt
- 4
- Befestigungsstelle
- 5
- Durchgangshülse
- 6
- Kragen
- 7
- Schaufelblatt
- 8
- Schaufelblattdichtung
- 9
- Kühlrohr