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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen und im Besonderen eine
elastische Abdichtung zur Verringerung der Luftleckage und zur Verbesserung
des Triebwerkswirkungsgrads.
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Bei
industriellen Gasturbinen werden Mantelringsegmente an Turbinenmantelhaken
in einer ringförmigen
Anordnung rings um die Turbinenrotorachse befestigt, um so einen
kreisrunden Mantelring radial außerhalb und anschließend an
die Spitzen der einen Teil des Turbinenrotors bildenden Laufschaufeln
auszubilden. Die innere Wand des Mantelrings begrenzt einen Teil
des Gasströmungsweges. Üblicherweise
bestehen die Mantelringsegmente aus einem inneren und einem äußeren Mantelring,
die jeweils mit komplementären
Haken und Nuten an ihrem in Strömungsrichtung
vorne liegenden (vorderen) und in Strömungsrichtung hinten liegenden
(hinteren) Rand vorgesehen sind, um die inneren und die äußeren Mantelringe
jeweils miteinander zu verbinden. Der äußere Mantelring ist seinerseits
an dem Turbinengehäusemantel
oder -gehäuse
befestigt. Typischerweise weist jedes Mantelringsegment einen äußeren und
zwei oder drei innere Mäntel
auf.
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Für die konstruktive
Gestaltung der inneren Mantelringe sind einige Konstruktionen in
Gebrauch. Eine gebräuchliche
Bauart ist in 1 dargestellt und
wird als eine Konstruk tion miteinander entgegengerichteten Haken
bezeichnet. Wie zu ersehen, weist bei dieser traditionellen Bauart
mit einander entgegen gesetzten Haken der innere Mantel 10 Haken 12, 14 an
dem vorderen und dem hinteren Rand auf, die in entgegen gesetzte
Richtungen vorragen. Der äußere Mantel 16 hält den inneren
Mantel mit aufeinander zuweisenden Haken 18, 20 an
der vorderen und der hinteren Kante. Diese übliche Mantelhakenanordnung
kann die Fläche 22 beschränken, die
für die Prallkühlung zur
Verfügung
steht und erfordert eine zusätzliche
weniger wirkungsvolle Konvektionskühlung des inneren Mantelrings.
Außerdem
ist die axiale Beanspruchungsoberfläche zwischen den inneren und
dem äußeren Mantelring(e)
immer einseitig. Die axiale Beanspruchungsoberfläche liegt entweder an der vorderen
Seite oder an der hinteren Seite. Wenn auch die beanspruchte Oberfläche eine
Dichtfunktion für
die Aufprallauffanghöhlung
(post-inpingement cavity) 24 der Mantelringanordnung ergibt,
so ist doch das andere Ende der Mantelringanordnung nicht abgedichtet.
Dadurch dass der innere Mantel 110, wie bspw. in der US-Patentschrift
6,402,446, deren Inhalt durch Bezugnahme hiermit eingeschlossen
ist gezeigt und wie schematisch in 2 veranschaulicht, C-förmig mit
aufeinander zuweisenden Haken ausgebildet wird, kann die Prallkühlung die
gesamte Innenseite 122 des inneren Mantelrings überdecken. Die
Leckage in der Aufprallauffanghöhlung 124 verringert
aber in unerwünschter
Weise die Effizienz der Kühlung,
vergrößert den
Bedarf an Kühlluft
und verschlechtert das Betriebsverhalten.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform der
Erfindung ist der innere Mantel C-förmig mit aufeinander zugewandten Haken
ausgebildet, so dass die Prallkühlung
im Wesentlichen die gesamte Erstreckung des inneren Mantelrings überdeckt.
Zusätzlich
ist bei an dem vorderen Haken liegender Beanspruchungsoberfläche eine
elastische Dichtung zwischen den inneren und äußeren Mänteln an der hinteren Seite
vorgesehen, um die Aufprallauffanghöhlung von beiden Seiten abzudichten.
Die vorgeschlagene Mantelringhakenausbildung ergibt eine Kühlung des
inneren Mantelrings, während
die Beanspruchungsflächen- und Dichtungsanordnung
den Einsatz von Kühlluft
verringert und das Betriebsverhalten verbessert.
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Die
Erfindung kann somit in einer Dichtungsanordnung für einen
Statormantelring einer mehrstufigen Gasturbine verwirklicht sein,
die aufweist: Wenigstens ein Mantelringsegment mit einem vorderen Rand
und einem hinteren Rand bezüglich
eines Heißgasströmungsweges
durch die Turbine, wobei jedes Mantelringsegment einen äußeren Mantel
und wenigstens einen mit diesem verbundenen inneren Mantel aufweist;
wobei der äußere Mantel
eine erste und eine zweite Nut aufweist, die anschließend an und
längs des
vorderen und der hinteren Randes ausgebildet sind; wobei wenigstens
ein innerer Mantel einen an dem vorderen Rand axial vorstehenden Hakenteil
und einen an dem hinteren Rand axial vorstehenden Halteteil zum
Eingriff in die erste bzw. zweite Nut des äußeren Mantels aufweist und
durch diese Eingriffnahme der innere Mantel mit dem äußeren Mantel
verbunden ist; und eine elastische Dichtung, die zwischen dem am
hinteren Rand axial vorstehenden Hakenteil des wenigstens einen
inneren Mantels und des äußeren Mantels
angeordnet ist.
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Die
Erfindung kann auch bei der Dichtungsanordnung für ein Statormantelsegment verwendet sein,
das aufweist: Einen äußeren Mantel
mit einem vorderen Rand und einem hinteren Rand, wobei der äußere Mantel
einen Haken an dem vorderen Rand und einen Haken an dem hinteren
Rand aufweist und beide Haken des äußeren Mantels ineinander entgegen
gesetzte axiale Richtungen weisen; eine Anzahl innerer Mäntel, von
denen jeder einen vorderen Rand und einen hinteren Rand aufweist,
wobei jeder der inneren Mäntel
einen Haken an dem hinteren Rand aufweist, und beide Haken des jeweiligen
inneren Mantels aufeinander zu weisen; wobei die vorderen und hinteren
Haken jedes inneren Mantels mit den jeweiligen vorderen und hinteren
Haken des äußeren Mantels
in Eingriff stehen, wobei durch diese Eingriffnahme der innere Mantel
mit dem äußeren Mantel verbunden
ist, und eine elastische Dichtung, die zwischen dem jeweiligen Haken
am hinteren Rand jedes inneren Mantels und des äußeren Mantels angeordnet ist.
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Die
Erfindung kann außerdem
in einem Verfahren zur Abdichtung einer Aufprallauffanghöhlung in
einem Statormantel einer vielstufigen Gasturbine verwirklicht sein,
die wenigstens ein Statormantelsegment mit einem vorderen Rand und
einem hinteren Rand bezüglich
des Heißgasströmungsweges durch
die Gasturbine aufweist, wobei jedes Mantelsegment einen äußeren Mantel
und wenigstens einen mit diesem verbundenen inneren Mantel aufweist;
wobei der äußere Mantel
eine erste und eine zweite Nut aufweist, die anschließend an
und längs des
vorderen und des hinteren Randes ausgebildet sind; wobei der wenigstens
eine innere Mantel einen an dem vorderen Rand axial vorstehenden
Nasenteil und einen an dem hinteren Rand axial vorstehenden Nasenteil
jeweils zur Eingriffnahme in die erste bzw. zweite Nut des äußeren Mantels
aufweist, wobei durch diesen Eingriff der innere Mantel an dem äußeren Mantel
befestigt ist, wobei das Verfahren beinhaltet: Vorsehen einer elastischen
Dichtung zwischen dem am hinteren Rand axial vorstehenden Hakenteil des
wenigstens einen inneren Mantels und dem äußeren Mantel, wodurch ein hinterer
Rand einer teilweise durch eine radial äußere Oberfläche des inneren Mantels begrenzten
Aufprallauffanghöhlung
abgedichtet wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Das
Verständnis
dieser und anderer Ziele und Vorteile der Erfindung wird durch das
Studium der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung erleichtert
in der
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines gebräuchlichen Mantels der zweiten Stufe
ist,
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2 eine
Veranschaulichung eines anderen gebräuchlichen Mantels der zweiten
Stufe ist,
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3 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Mantels der zweiten Stufe
gemäß der Erfindung
ist,
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4 eine
schematische Ansicht der hinteren Dichtung bei einer beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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5 eine
Ansicht ähnlich 4 ist,
zur Veranschaulichung einer alternativen Dichtung bei einer alternativen
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung.
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Wie
eingangs erwähnt,
weist ein Turbinenstator Mantelringe auf, die verhüten, dass
das Turbinengehäuse
dem Heißgasströmungsweg
ausgesetzt ist. Die Ringmäntel
sind insbesondere in der ersten und in der zweiten Stufe sehr hohen
Temperaturen des heißen
Gases auf dem Heißgasströmungsweg ausgesetzt
und haben Wärmeübertragungskoeffizienten,
die wegen der Umlaufbewegung der Turbinenschaufeln ebenfalls sehr
hoch sind. In den Eingangsstufen einer Gasturbine können die
Mantelringe aus zwei Hauptkomponenten, nämlich dem inneren Mantel und
dem äußeren Mantel
bestehen. Innere Ringmäntel
werden aus einem hochhitzefesten Material hergestellt und sind dem
Heißgasströmungsweg ausgesetzt.
Die inneren Ringmäntel
können
auch Wärmeschutz-Grenzflächenbeläge aufweisen.
Die äußeren Ringmäntel sind
aus im Vergleich zu den inneren Ringmäntel weniger temperaturfesten
und billigern Materialien hergestellt. Zur Kühlung der inneren und äußeren Ringmäntel wird
kalte Luft von dem Verdichter verwendet.
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Zur
Kühlung
der inneren Ringmäntel
werden verschiedene Kühl-
und Abdichtverfahren verwendet. Das bekannteste Verfahren ist Prallkühlung zur
Kühlung
der radial außen
liegenden Seite des inneren Mantels. Die Überdeckung des prallgekühlten Oberflächenbereiches
zu vergrößern und
den Abstand zwischen der Prallplatte und der prallgekühlten Oberfläche zu verringern
und auch die Aufprallmulde oder -höhlung abzudichten bedeutet
eine Herausforderung. Das Ziel ist den inneren Mantel mit weniger
Luft zu kühlen
und die Nach-Aufprallluft zu verteilen, während gleichzeitig die Leckage
reduziert wird, um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen.
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Wie
oben erwähnt,
veranschaulicht 1 schematisch eine gebräuchliche
Konstruktion für
einen inneren Mantelring mit einander entgegen gesetzten Haken.
Wie im Zusammenhang mit 1 dargestellt und beschrieben,
weist der innere Mantel 10 einen Haken 12 an dem
vorderen Rand des inneren Mantels und einen Haken 14 an
dem hinteren Rand des inneren Mantels auf, die zur Eingriffsnahme
mit entsprechenden Haken 18, 20 am vorderen und
am hinteren Rand eines äußeren Mantels 16 bestimmt
sind.
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Bezugnehmend
auf 2, die ebenfalls eingangs schon kurz erwähnt wurde,
ist dort ein allgemein mit 100 bezeichnetes Mantelringsegment
dargestellt, das aus einem äußeren Mantel 116 und mehreren
inneren Mänteln 110 besteht.
Wenngleich das dargestellte Mantelringsegment typischerweise zwei
oder drei innere Mäntel
aufweist, so ist doch in 2 der Übersichtlichkeit wegen lediglich
ein innerer Mantel dargestellt. Die inneren Mäntel weisen jeweils Haken 112, 114 anschließend an
ihren jeweiligen vorderen bzw. hinteren Rand auf, die bei der Endmontage
in Umfangsrichtung und axial in Nuten 130, 132 einschiebbar
sind, welche von Haken 118, 120 des äußeren Mantels
definiert sind. Eine Prallkühlplatte 126 ist
zwischen den Mänteln 110, 116 gelagert,
um eine Prallkühlung
der inneren Wandoberfläche 122 des
inneren Mantelsegments 110 zu erzielen.
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Der äußere Mantel 116 weist
eine von dem vorderen und dem hinteren Haken 136, 138 begrenzte
Schwalbenschwanznut 134 auf, in die ein äußerer schwalbenschwanzförmiger Teil 140 des
ortsfesten Turbinenmantels oder -gehäuses eingreift, um das Mantelsegment 100 an
dem Gehäuse 142 zu
befestigen. Zu bemerken ist, dass eine ringförmige Anordnung von Mantelsegmenten
rings um den Rotor der Gasturbine und um die Spitzen der Lauf schaufeln auf
dem Rotor herum ausgebildet ist, wodurch eine äußere Wand oder Begrenzung für das längs des Heißgasströmungsweges
der Turbine strömende heiße Gas definiert
ist. In 2 sind die Abdichtungsschlitze 144 des
inneren Mantels, der Düsenaufbau 146 der
zweiten Stufe, eine Laufschaufel 148 der zweiten Stufe
und der Düsenaufbau 150 der
dritten Stufe vollständigkeitshalber
und zur Bezugnahme veranschaulicht.
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Die
Haken 112, 114 des inneren Mantels 110 stehen
mit den Haken 118, 120 an dem vorderen und dem
hinteren Rand und insbesondere mit den Nuten 130, 132 des äußeren Mantels
in Eingriff. Wenngleich nicht dargestellt, ist in dem Haken an dem
vorderen Rand des inneren Mantels ein Loch zur Aufnahme des durch
eine entsprechende Bohrung in dem vorderen Randteil des äußeren Mantels
eingesetzten Mitnahmestiftes des inneren Mantels vorgesehen.
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Eine
allgemein mit 152 bezeichnete Blattfederdichtungsanordnung
ist in einem Sitz 154, bspw. einer Nut, die längs des
hinteren Randes des oder der inneren Mantel bzw. Mäntel 110 ausgebildet
ist, befestigt, wie dies bspw. in der US-Patentschrift 6,402,446 erläutet ist.
Die Blattfederanordnung 142 weist eine ebene Platte 156 und
zwei Federclips 158 (von denen lediglich einer dargestellt
ist) auf. Die Federclips und die Platte weisen anschließend an
die einander gegenüber
liegenden Seiten der Nut fluchtende Öffnungen zur Aufnahme von Stiften 160 auf, um
die Dichtungsanordnung 152 in der Nut 166 des inneren
Mantels zu fixieren.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand der 3 bis 5 beschrieben.
In den 3 bis 5 sind ähnliche Bezugszeichen wie sie
in 2 verwendet sind, jedoch um 100 erhöht, dazu
benutzt, Teile zu bezeichnen, die ähnlich oder gleich den anhand
der 2 veranschaulichten und beschriebenen Teilen sind.
Die Beschreibung dieser Teile wird nicht mehr wiederholt, außer wo es
notwendig oder zweckmäßig ist,
die strukturellen oder funktionellen Merkmale der jeweiligen beispielhaften
Ausführungsformen
zu erläutern.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform besteht
die Mantelanordnung aus einem C-förmigen inneren Mantel 210 mit
aufeinander zuweisenden Haken, so dass die Prallkühlung der
gesamte Seite 222 des inneren Mantels überdecken kann und dass der
Abstand von der Prallplatte 226 zu der gekühlten Seite 222 eingestellt
werden kann. Dadurch dass der nach vorne weisende Haken 212 zu
der Beanspruchungsoberfläche
der Mantelanordnung gemacht ist und zwischen den inneren und äußeren Mänteln 210, 216 auf
der Hinterseite eine elastische Dichtung 228 vorgesehen
ist, ist die Aufprallauffangshöhlung
oder -vertiefung 224 von beiden Seiten her abgedichtet.
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Mehr
im Einzelnen wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung durch den kreissehnenförmigen
Schlitz zwischen dem äußeren Mantel 216 und
dem inneren Mantel 210 austretende Leckluft durch die Einfügung einer elastischen
Dichtung 228, die zwischen dem äußeren Mantel 216 und
dem Haken 214 am hinteren Rand der inneren Mäntel angeordnet
ist, wesentlich reduziert.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist die elastische, federnde Dichtung 228 in einer Dichtnut 262 angeordnet,
die in dem äußeren Mantel 216 so ausgebildet
ist, dass sie sich in einer radial nach innen weisenden Richtung öffnet, wobei
sie dem nachlaufenden oder hinteren Haken 214 des inneren
Mantels 210 gegenüberliegt.
Die elastische Dichtung 228 ist in dem äußeren Mantel 216 ausgebildet,
um die Unterbringung des Federclips 258 und dergleichen zu
erleichtern. Es versteht sich aber, dass eine Dichtnut 226 auch
in geeigneter weise in dem hinteren Haken 214 des inneren
Mantels ausgebildet sein könnte.
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Die
elastische Dichtung 228 ist vorzugsweise als wellenförmige Dichtung, ähnlich dem
griechischen Buchstaben Ω (wie
bei 228, 228' in
den 3, 4) dargestellt, wie ein „W" (wie bei 228'' in 5), wie
ein „E", wie ein „V", wie die Falten
eines Akkordeons oder in irgendeiner anderen Gestalt ausgebildet,
die die Dichtung federartig oder sonst wie elastisch zusammendrückbar macht
und die erforderliche Dichtfunktion ergibt. Dichtungen dieser Art werden
von zahlreichen Firmen, einschließlich der Fluid Sciences Business
Unit von PerkinElmer Inc, und der Advanced Products Company hergestellt. Die
Verwendung einer elastischen Dichtung der im Vorstehenden beschriebenen
Art reduziert wesentlich die Größe des Luftstroms,
der zwischen dem Haken 214 am hinteren Rand und der Nut 262 am
hinteren Rand des jeweiligen Mantels in den Heißgasströmungsweg der Turbine lecken
kann. Die Verwendung einer elastischen Dichtung bewirkt somit, dass der
größte Teil
von dem was sonst Luftleckage über die
Dichtung wäre,
ordnungsgemäß von der
Aufprallauffangvertiefung 224 unter der Prallplatte 226 ordnungsgemäß weggeleitet
wird und die Leckage aus dieser Kammer reduziert wird. Die erfindungsgemäße elastische
Dichtung 228 beschränkt
deshalb wirkungsvoll den Leckageströmungsweg indem sie die Menge
der Leckageluft reduziert, so das mehr Luft durch die Turbine strömt und zur
Arbeitsleistung und zum Kühlen
zur Verfügung
steht, anstatt dass sie einfach eine Energieverschwendung darstellt.
Dies ergibt einen höheren
Betriebswirkungsgrad der Turbine.
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Zum
bemerken ist, dass die Dichtung 228 aus einem einzigen
Metallstück
oder aus mehreren Metallstücken
hergestellt sein kann, wobei alle inneren Mäntel in der ringförmigen Anordnung
von Mantelringsegmenten rings um die Turbinenrotorachse positioniert
sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Dichtung
aus zwei Materialstücken hergestellt,
von denen jedes sich halbwegs rings um die Anordnung der Mantelringsegmente
herum erstreckt.
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Das
Material aus dem die Dichtung hergestellt ist, ist vorzugsweise
eine Metalllegierung, die den in der Nähe der Dichtung auftretenden
Temperaturen widerstehen kann. Falls diese Temperaturen zwischen
1200° und
1300°F liegen,
ist diese Metalllegierung bspw. ein Produkt namens Waspaloy, eine nickel-basierte
Legierung. Für
niedrige Temperaturen ist die Dichtung vorzugsweise aus Inconel 718 hergesellt,
das eine andere nickel-basierte Legierung ist. Wenngleich sie aus
einem Material auf Metallbasis hergestellt ist, ist die Dichtung
doch elastisch weil sie in einer federnden oder zusammendrückbaren
Gestaltung ausgebildet und unter Verwendung eines verhältnismäßig dünnen Materials
hergestellt ist.
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Bei
der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform weist der äußere Mantel 216 eine radial
außen
liegende Schwalbenschwanznut 234 zur Aufnahme eines Hakens 240 auf,
der als Teil des feststehenden Turbinengehäusemantels 242 ausgebildet
ist, um das Mantelringsegment 200, wie bei der Anordnung
nach 2, an dem Mantel zu befestigen. Es versteht sich
aber, dass die Erfindung nicht auf Einzelheiten der Befestigung
des äußeren Mantels
beschränkt
ist.
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Wenngleich
die Erfindung in Zusammenhang damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als die
zweckentsprechendste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird,
so versteht sich doch, dass die Erfindung nicht auf die beschriebene
Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen
mit umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.
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- 10
- Innerer
Mantel
- 12,
14
- Haken
am vorlaufenden bzw. nachlaufenden Rand
- 16
- Äußerer Mantel
- 18,
20
- Haken
am vorderen bzw. hinteren Rand
- 22
- Oberfläche
- 224
- Aufprallauffangvertiefung
oder -höhlung
- 100
- Mantelringsegment
- 110
- Innerer
Mantel
- 122,
144
- Haken
am vorderen bzw. hinteren Rand
- 116
- Äußerer Mantel
- 118,
120
- Haken
des äußeren Mantels
- 122
- Innere
Seite/Wandfläche
- 124
- Aufprallauffangvertiefung
oder -höhlung
- 126
- Prallkühlplatte
- 130,
132
- Nuten
- 134
- Schwalbenschwanznut
- 136,
138
- Haken
am vorderen bzw. hinteren Rand
- 140
- Schwalbenschwanz
- 142
- Ortsfester
Turbinengehäusemantel
oder -gehäuse
- 124
- Dichtungsschlitze
des inneren Mantelrings
- 146
- Düsenaufbau
der Stufe 2
- 148
- Laufschaufel
der Stufe 2
- 150
- Düsenaufbau
der Stufe 3
- 154
- Sitz/Nut
- 156
- Ebene
Platte
- 158
- Federclips
- 160
- Stifte
- 166
- Nut
in dem inneren Mantel
- 200
- Mantelringsegment
- 210
- C-förmiger innerer
Mantel
- 212
- Vorderer
Haken
- 214
- Haken
am hinteren Rand
- 216
- Äußerer Mantel
- 222
- Gekühlte Seite
- 224
- Aufprallauffangvertiefung
oder -höhlung
- 226
- Prallplatte
- 228,
228'', 228''
- Elastische
Dichtung
- 232
- Nut
am vorderen am hinteren Rand
- 234
- Schwalbenschwanznut
- 240
- Haken
- 242
- Ortsfester
Turbinengehäusemantel
- 262
- Dichtungsnut