DE102005039503B4

DE102005039503B4 - Seildichtung für Gasturbinenmotor

Info

Publication number: DE102005039503B4
Application number: DE102005039503.1A
Authority: DE
Inventors: Terence John James
Original assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-20
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2025-08-21
Also published as: US7347425B2; US20060038358A1; GB2417528A; GB0418741D0; GB2417528B; DE102005039503A1

Abstract

Dichtungsanordnung in einem Gasturbinenmotor, enthaltend ein erstes Bauteil (12) und ein zweites Bauteil (14) des Motors, welche Bauteile (12, 14) einen Zwischenraum (G) zwischen sich begrenzen, wobei der Zwischenraum (G) während des Betriebs des Gasturbinenmotors variabel ist, und wenigstens das zweite Bauteil (14) eine Vertiefung (30) zur Aufnahme eines Seildichtungselements (18) besitzt, das ein gegenüber hohen Temperaturen stabiles keramisches und/oder metallisches Material enthält, und das Seildichtungselement (18) in einem elastischen metallischen Dichtungsträger (24) angeordnet ist, der bei den Betriebstemperaturen des Gasturbinenmotors elastisch ist und sich derart längs des Seildichtungselementes (18) erstreckt, dass das Seildichtungselement (18) zwischen dem Dichtungsträger (24) und einer Oberfläche (22) des ersten Bauteils (12) eingeschlossen ist, und es auf diese Weise gegen die Oberfläche (22) abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (24) einen konkaven Kanal (25), in dem das Seildichtungselement (18) liegt, und breit ausgestellte Stützen (26, 28) umfasst, welche sich in die Vertiefung (30) im zweiten Bauteil (14) erstrecken und dichtend in dieser angeordnet sind, wobei die Vertiefung (30) breiter ist als der Raum, den die Stützen (26, 28) einnehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Seildichtungen, wie sie zwischen heißen Bauteilen in Hochleistungsgasturbinenmotoren verwendet werden.
Bei der Konstruktion von Gasturbinenmotoren ist es häufig notwendig, zwischen nebeneinander liegenden Maschinenteilen eine Dichtung vorzusehen, um ein Austreten von Fluiden zwischen den Bauteilen zu verhindern oder zumindest zu kontrollieren.
Stand der Technik
1 stellt einen Ort in einem Gasturbinenmotor dar, an dem eine bekannte Art einer Seildichtung 10 verwendet wird, um den Zwischenraum G zwischen zwei nebeneinander liegenden Bauteilen 12 und 14 abzudichten. Die Bauteile 12 und 14 können zum Beispiel Teile einer Brennkammer sein. Der Zwischenraum G ist notwendig, um eine Bewegung des Bauteils 12 in Bezug auf Bauteil 14 in die durch die Pfeile D angegebenen Richtungen zu erlauben. Derartige Bewegungen beruhen auf differentiellen thermischen Expansionen und Kontraktionen der Bauteile 12 und 14 und anderer Bauteilen der Brennkammer oder anderer Motorteile, an denen die Bauteile befestigt sind. Ein anderer Grund für derartige Bewegungen können Druckdifferenzen oder auf die Bauteile ausgeübte Stöße aufgrund der Verbrennungsreaktionen in der Brennkammer sein. Wie dem Fachmann klar sein wird, ist es wichtig, ein übermäßiges Austreten von Hochdruckgasen 16 durch den Zwischenraum G an der Seildichtung 10 vorbei zu verhindern. Hierbei handelt es sich aufgrund der oben erwähnten hohen Temperaturen, der Bewegungen und Druckunterschiede um eine besonders schwierige Aufgabe. Dichtungen des Seiltyps werden jedoch in der Hochleistungsgasturbinen-Industrie als kostengünstiges Mittel betrachtet, ein solches Austreten zu verhindern oder zumindest zu minimieren.
Es treten jedoch dahingehend Problem auf, dass Seildichtungen dazu neigen, sich bei hohen Temperaturen unter Last permanent zu deformieren und infolgedessen, nachdem die Last weggenommen wurde, nicht wieder ihre ursprüngliche Form annehmen.
Zur weiteren Erläuterung enthält die Seildichtungsanordnung 10 einen sogenannten ”Seil”-18-abschnitt, der in einer Vertiefung 20 im Bauteil 14 eingebettet ist und einen ausreichen großen Durchmesser hat, so dass ein Teil seines Umfangs aus der Vertiefung herausragt und über die Außenfläche 21 des Bauteils vorsteht. Das Seil/Seildichtung/Seildichtungselement 18 hat normalerweise einen gewobenen oder geflochtenen Aufbau und enthält feuerfeste keramische Fasern und/oder metallische Drähte. Die Bauteile 12 und 14 werden so in die Brennkammer eingebaut, dass das Seil 18 im kalten Zustand gegen die Oberfläche 22 des Bauteils 12 gedrückt wird. Wenn die Brennkammer jedoch im Betrieb aufgeheizt wird, bewegen sich die Bauteile 12 und 14 in Bezug zueinander und die Breite des Zwischenraums G verändert sich, was dazu führt, dass das Seil entweder weiter zusammengedrückt wird, wenn der Zwischenraum kleiner wird, oder die Kompression etwas zurückgenommen wird, wenn der Zwischenraum größer wird. Obwohl das Seil eine gewisse Eigenelastizität hat, verringert sich diese bei hohen Temperaturen, sollte die Kompression weiter verstärkt werden, und die durch die Verkleinerung des Zwischenraums G verursachten Brechkräfte können die Grenze der Eigenelastizität überschreiten, so dass das Seil permanent deformiert wird. Damit kann, wenn die Brennkammer das nächste Mal aus der Kälte gestartet wird, ein Zwischenraum zwischen dem Seil 18 und der Oberfläche 22 des Bauteils 12 vorliegen. Sollte die Kompression zurückgenommen werden, können hohe Druckunterschiede zwischen beiden Seiten der Dichtung ebenfalls bewirken, dass sich das Seil aus seinem Sitz in der Vertiefung des Bauteils 14 hebt. Ferner besteht bei einem Seil mit geringem Durchmesser und/oder einer flachen Vertiefung ebenfalls die Gefahr, dass die Dichtung aus dem Sitz und durch den Zwischenraum G in Richtung niedrigeren Drucks geblasen wird.
Aus der nachveröffentlichten EP 1 582 699 A2 ist eine Seildichtung für eine Gasturbine bekannt bei der die Anpresskraft für die Seildichtung pneumatisch durch Kühlluft aufgebracht.
Die US 4 917 302 A schlägt vor bei Bauteilen, die relativ zueinander eine Relativbewegung ausführen, die notwendige Flexibilität der Dichtung dadurch herzustellen, dass sich der eigentliche Dichtungskörper auf einem elastischen Dichtungsträger abstützt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung trägt dazu bei, bei einer Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff die obigen Probleme mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 zu lösen.
Der Seildichtungsträger enthält bevorzugt Metallblech und kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung durch Walzen gebildet sein.
Zur Abdichtung eines ringförmigen Zwischenraums hat der Seildichtungsträger einen ringförmigen Aufbau und ist in diesem Fall bevorzugt in Abschnitte unterteilt, da er anderenfalls durch seine Krümmung übermäßig steif sein könnte.
Weitere Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen deutlich.
Als Beispiel wird im Folgenden eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen Aufriss eines Teils einer dem Stand der Technik entsprechenden Dichtungsanordnung in einem Gasturbinenmotor im Schnitt zeigt, für die eine gegenüber hohen Temperaturen stabile Seildichtung verwendet wird, und
2 eine mit 1 vergleichbare Ansicht ist, jedoch eine Dichtungsanordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Ansicht im Radialschnitt entlang einer axialen Ebene durch einen Teil einer großindustriellen Gasturbine und zeigt einen Bereich einer Brennkammerauskleidung 12 mit einer Oberfläche 22, die einer daneben liegenden Brennerfrontplatte 14 gegenüberliegt. Diese einander gegenüberliegenden Bauteile begrenzen zwischen sich einen Zwischenraum G, wobei sich der Zwischenraum aufgrund differentieller Expansion und Kontraktion während des Betriebs des Gasturbinenmotors verändern kann, da sich die Temperatur der Brennkammer von kalt zu sehr heiß und zu kalt zurück verändert. Außerdem gibt es in begrenztem Maße eine Gleitbewegung der Bauteile in Bezug zueinander.
Eine Dichtungsanordnung zwischen Brennkammerauskleidung 12 und Brennkammerfrontplatte 14 enthält ein Seildichtungselement 18, das aus einem gegenüber hohen Temperaturen stabilen keramischen und/oder metallischen Material besteht, und einen elastischen, metallischen Dichtungsträger/Seildichtungsträger 24, der sich längs der Seildichtung erstreckt und in dem die Seildichtung angeordnet ist, wobei der Seildichtungsträger wiederum dichtend an der gegenüberliegenden Fläche der Platte 14 angeordnet ist. Die Seildichtung 18, die vorteilhaft einen Siliciumfaserkern und eine Umflechtung aus feuerfestem Metall enthalten kann, ist zwischen dem Seildichtungsträger 24 und der Oberfläche 22 der Auskleidung 12 eingeschlossen. Der Seildichtungsträger ist bei den Betriebstemperaturen des Gasturbinenmotors elastisch, so dass beim Aufbau der Brennkammer sowohl die Seildichtung als auch der Seildichtungsträger 24 komprimiert werden. Sogar wenn sich der Zwischenraum G so sehr verkleinert, dass die Seildichtung selbst permanent deformiert und komprimiert wird, und sich der Zwischenraum anschließend wieder über die der Seildichtung innewohnenden Fähigkeit, sich zurück zu bilden, hinaus aufweitet, tritt auf diese Weise die Funktion des Seildichtungsträger 24 ein, drückt die Seildichtung gegen die Oberfläche 22 und dichtet sie damit gegen diese ab.
Der Seildichtungsträger 24 kann durch Walzen aus einem Streifen elastischem dünnen Metallblech hergestellt werden, und für den Verbrennungsbereich eines Gasturbinenmotors kann es sich dabei zum Beispiel um eine Nickelbasis-Superlegierung, wie Haynes 25 oder Hastelloy 'X', handeln. Nach der Schnittansicht der 2 weist der Seildichtungsträger 24 einen konkaven Kanal 25 auf, in dem die Seildichtung 18 liegt, und breit ausgestellte ”Stützen” 26, 28, die zu der ihm innewohnenden Elastizität beitragen und dem Seildichtungsträger 24 allgemein einen Querschnitt in Form eines ”nachlässigen Ms” verleihen. Die Stützen 26, 28 erstrecken sich in eine Vertiefung 30 in der Brennkammerfrontplatte 14 und sind dichtend in dieser angeordnet. Beim Zusammenbau der Brennkammer ist die Vertiefung 30 breiter als der Raum, den die Stützen einnehmen, so dass ausreichend Raum für ein weiteres Aufspreizen der Stützen vorhanden ist, wenn sich der Zwischenraum G verkleinert.
Wie es dem Fachmann auf dem Gebiet der Gasturbinen bekannt sein dürfte, haben die Brennkammerbauteile, die in 2 ausschnittsweise dargestellt sind, einen ringförmigen Querschnitt. Somit sind der Zwischenraum G und die Vertiefung 30 ringförmig (oder, genauer gesagt, beschreiben einen Kegelstumpf). Zur Abdichtung eines solchen ringförmigen Zwischenraum, wird der Seildichtungsträger 24 bevorzugt in Abschnitte unterteilt, da er anderenfalls durch seine komplexe Krümmung übermäßig steif sein könnte.

Claims

Dichtungsanordnung in einem Gasturbinenmotor, enthaltend ein erstes Bauteil (12) und ein zweites Bauteil (14) des Motors, welche Bauteile (12, 14) einen Zwischenraum (G) zwischen sich begrenzen, wobei der Zwischenraum (G) während des Betriebs des Gasturbinenmotors variabel ist, und wenigstens das zweite Bauteil (14) eine Vertiefung (30) zur Aufnahme eines Seildichtungselements (18) besitzt, das ein gegenüber hohen Temperaturen stabiles keramisches und/oder metallisches Material enthält, und das Seildichtungselement (18) in einem elastischen metallischen Dichtungsträger (24) angeordnet ist, der bei den Betriebstemperaturen des Gasturbinenmotors elastisch ist und sich derart längs des Seildichtungselementes (18) erstreckt, dass das Seildichtungselement (18) zwischen dem Dichtungsträger (24) und einer Oberfläche (22) des ersten Bauteils (12) eingeschlossen ist, und es auf diese Weise gegen die Oberfläche (22) abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (24) einen konkaven Kanal (25), in dem das Seildichtungselement (18) liegt, und breit ausgestellte Stützen (26, 28) umfasst, welche sich in die Vertiefung (30) im zweiten Bauteil (14) erstrecken und dichtend in dieser angeordnet sind, wobei die Vertiefung (30) breiter ist als der Raum, den die Stützen (26, 28) einnehmen.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (24) Metallblech enthält.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (24) durch Walzen geformt ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (G) ringförmig ist und der Dichtungsträger (24) einen in Abschnitte unterteilten ringförmigen Aufbau hat.