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Die
Erfindung betrifft ein Dichtsegment für einen Rotorspalt
bei einer Gasturbine, insbesondere bei einem Flugtriebwerk, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Axiale
Strömungsmaschinen wie Gasturbinen, insbesondere Flugantriebe,
verfügen neben einer Brennkammer über mindestens
einen Verdichter sowie mindestens eine Turbine. Jeder Verdichter
sowie jede Turbine verfügt über jeweils rotierende
Laufschaufeln und ein feststehendes Gehäuse mit feststehenden
Leitschaufeln. Der Rotor rotiert zusammen mit den Laufschaufeln
gegenüber dem feststehenden Gehäuse, wobei zwischen
den rotierenden Laufschaufeln und dem Gehäuse ein Spalt
ausgebildet ist. Zur Optimierung des Wirkungsgrads der Gasturbine
muss dieser Spalte so gering wie möglich gehalten werden.
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Gasturbinen
unterliegen während des Betriebs erheblichen Belastungen,
die zu einer Deformation der Gehäuse von Verdichter und
Turbine führen können. Bei Flugtriebwerken wird
dies unter anderem durch die Einbausituation einer Triebwerksaufhängung
und durch äußere Kräfte infolge von Manöverlasten
hervorgerufen. Bei einwandigen Gehäusen für Verdichter
und Turbine übertragen sich diese Deformationen unmittelbar
auf die abzudichtenden Spalte zwischen dem Rotor und dem Gehäuse.
Hierdurch kommt es an den Dichtstellen zu erhöhtem Abtrag
der Einlaufbeläge. Um dem entgegenzuwirken, werden nach
dem Stand der Technik die Gehäuse von Verdichter und Turbine
aufgedickt bzw. versteift, was jedoch ein höheres Gewicht
für die Gasturbine bedeutet. Des weiteren erhöhen
sich durch ein vergrößertes Gewicht der Gasturbine
die Kosten. Außerdem werden die Dichtbeläge, insbesondere
im Bereich der Niederdruckturbine, durch Erosion und Oxidation über
die Zeit immer mehr abgetragen, so dass auch dadurch die Dichtspalte über die
Lebensdauer immer größer werden.
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Die
US 6,382,905 B1 beschreibt
eine Lagerung für einen geschlossenen Dichtungsring in
einem Fan-Gehäuse. Dieser geschlossene Dichtungsring ist
aus einem Material hergestellt, welches die gleiche Wärmedehnung
wie die in Composite-Bauweise hergestellten Fan-Schaufeln aufweist.
Am Innenumfang des Dichtungsrings ist ein abrasiver Einlaufbelag
aufgebracht, in den die Schaufeln bei einer Rotorverschiebung, die
beispielsweise durch Manöverlasten herbeigeführt
wird, einlaufen können. Der Dichtungsring ist radial an
zumindest drei über den Umfang verteilten Stiften schwimmend
gelagert und ragt vom Fan-Gehäuse radial in den Strömungskanal
hinein. Die Stifte lagern den Dichtungsring konzentrisch zur Triebswerksachse,
erlauben aber andererseits eine Verschiebung in radialer Richtung,
wenn durch thermische oder sonstige Kräfte entsprechende
Unwuchten des Fan-Rotors auftreten. Ein Nachstellen der Spaltbreite
zwischen Schaufelspitze und abrasiver Beschichtung des Dichtungsrings
zum Ausgleich von Verschleiß der abrasiven Dichtungsschicht
ist nicht vorgesehen. Auch ist ein Einsatz der in diesem Stand der
Technik beschriebenen Lösung im Turbinenbereich aufgrund
der Materialwahl nicht möglich.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine
verbessertes Dichtsegment zur Verfügung zu stellen, welches
die Spalthaltung auch nach schädlichen Manöverlasten
ermöglicht. Dabei soll ferner eine auch für den
Turbinenbereich geeignete Lösung bereitgestellt werden,
welche die Kosten für Herstellung, Betrieb und Wartung
verringert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine axiale
Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Hierdurch
werden die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes
der Technik vermieden und eine verbessertes Dichtsegment zur Verfügung gestellt,
welches die Spalthaltung auch nach schädlichen Manöverlasten ermöglicht.
Dabei ist die erfindungsgemäße Lösung
auch für den Turbinenbereich geeignet. Durch die erfindungsgemäße
Lösung werden die Kosten für Herstellung, Betrieb
und Wartung verringert.
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Erfindungsgemäß ist
eine axiale Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk,
vorgesehen, wobei zwischen Laufschaufeln und einem Innenumfang eines
Gehäuses ein Spalt ausgebildet ist, wobei eine ringförmige
am Gehäuse aufgenommene Spaltdichtung vorgesehen ist, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spaltdichtung mehrere miteinander
verbundene radial nach innen verschiebbare Dichtsegmente aufweist,
die nachstellbar sind. Die Dichtsegmente sind dabei jeweils über
integral mit den einzelnen Dichtsegmenten verbundenen Gewindezapfen
und eine entsprechende Verschraubung mit dem Gehäuse verbunden.
Hierdurch wird es möglich, von außen, d. h. von
der Gehäuseaußenseite des Triebwerks, mehrmals
radial nachzustellen und somit immer wieder engere Spalte, wie bei
einem neuen Triebwerk, zu erreichen. Hierdurch wird der Auslegungswirkungsgrad
beibehalten.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass zum Nachstellen der Dichtsegmente Nachstellmuttern
vorgesehen sind, die mit starr von den Dichtsegmenten hervorstehenden
Gewindezapfen zusammenwirken. Über das Drehen der Nachstellmuttern,
welche die Dichtsegmente über die Gewindezapfen fixieren,
können diese radial verschoben werden. Die Nachstellmutter
ist beispielsweise über ein Abstandsstück und
zwei Schrauben fest mit dem Gehäuse verbunden. Zum Nachstellen
der Dichtsegmente sind die Schrauben vor dem Verdrehen der Nachstellmutter
zu entfernen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass die Dichtsegmente in Umfangsrichtung über
Nut-Feder-Verbindungen miteinander verklinkt sind. Hierdurch werden
thermische Dehnungen in Umfangsrichtung ausgeglichen, wobei die
Dichtsegmente ansonsten radial starr miteinander verbunden sind.
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Noch
eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass zur gehäuseseitigen Abdichtung Zentriersegmente
vorgesehen sind. Die Zentriersegmente sind beispielsweise U-förmig
ausgebildet, in denen die Dichtsegmente zur gehäuseseitigen
Abdichtung sitzen. Die innere Breite dieser Zentriersegmente ist
relativ zur axialen Breite der Dichtsegmente eng toleriert, so dass
nur geringe Leckageflächen entstehen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor,
dass die Zentriersegmente gegenüber den Dichtsegmenten
in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Dadurch führen die
Zentriersegmente die Dichtsegmente an ihren Nut-Feder-Verbindungen
axial und richten diese zueinander aus. Radial werden die Zentriersegmente beispielsweise
vorne über eine eingebaute Klemme für die vorgelagerte
Leitschaufel und hinten in der nachfolgenden Leitschaufel fixiert.
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Noch
eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht
vor, dass die Dichtsegmente elastisch ausgebildet sind. Die Dichtsegmente
sind vorteilhafterweise zwischen dem Gewindezapfen und der entfernt
liegenden Nut-Feder-Verbindung möglichst dünn
gestalte. Aufgrund der hierdurch erzielte Elastizität kann
der Geometriefehler beim Nachstellen der Dichtsegmente ausgeglichen
werden. Die Elastizität in diesem Bereich kann auch genutzt
werden, um Krümmungsänderungen durch thermische
Gradienten in den Dichtsegmenten zu kompensieren.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass die Dichtsegmente mit Einlaufbelägen beschichtet
sind. Dabei können alle geeigneten Einlaufbeläge
vorgesehen sein, vorteilhafterweise als Honigwaben.
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Schließlich
sieht noch eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung vor, dass die Dichtsegmente im Bereich der Turbine, vorzugsweise
der Niederdruckturbine angeordnet sind. Dies ist bei entsprechend
geeigneter Materialwahl der Dichtsegmente ohne weiteres möglich.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Spaltdichtung mit neuem Einlaufbelag;
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Spaltdichtung gemäß 1 mit verschlissenem
Einlaufbelag;
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3 einen
schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Spaltdichtung im Neuzustand;
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4 einen
schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Spaltdichtung im Nachstellzustand;
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5 eine
Detailansicht der Nachstellmutter;
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6 eine
schematische Darstellung der Montage bzw. Demontage eines erfindungsgemäßen Dichtsegments.
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Bei
den abgebildeten Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß aus
Dichtsegmenten 4 aufgebaute Spaltdichtung mit neuer Honigwabendichtung 5 an
einer Niederdruckturbine 1. 2 zeigt
einen schematischen Längsschnitt durch die Spaltdichtung
gemäß 1 mit verschlissener Honigwabendichtung 5.
Dabei ist die ringförmige Spaltdichtung radial verstellbar über
Turbinenlaufschaufeln 2 einer Niederdruckturbine 1 angeordnet.
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Der
integral am Dichtsegment 4 angeordnete Gewindezapfen 6 ragt
in eine Aussparung am Turbinengehäuse hinein, so dass über
die Nachstellmutter 8 der radialen Spalt 15 eingestellt
werden kann. Die Nachstellmutter 8 ist über ein
Abstandsstück 9 und Schrauben 14 sowie über
eine Verspannschraube 10 in der eingestellten Position
fixiert. Sobald nach einem vorgegebene Wartungsintervall oder bei
besonderen Ereignissen eine Spaltkontrolle vorgenommen worden ist,
kann bei Bedarf, d. h. bei verschlissener Honigwabendichtung 5 ein
radiales Verstellen bzw. Nachstellen der Dichtsegmente 4 über
die Nachstellmutter 8 erfolgen. Die Dichtsegmente 4 werden
dabei in Zentriersegmenten 7 geführt und zueinander
ausgerichtet. Die Dichtsegmente sind in Umfangsrichtung über
Nut-Feder-Verbindungen miteinander verbunden.
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Die
Zentriersegmente 7 sind in Umfangsrichtung versetzt zu
den Dichtsegmenten angeordnet. Radial werden die Zentriersegmente 7 vorne über
die integral eingebaute Klemme für die vorgelagerte Leitschaufel
und hinten in der nachfolgenden Leitschaufel 11 fixiert.
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Bei
der derart segmentweise aufgebaute Spaltdichtung oder auch „Guter
Airseal" gleiten die Dichtsegmente 4 beim Nachstellen also
quasi ineinander, um auch bei einem geringeren Innenumfang dicht
abzuschließen.
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3 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Spaltdichtung im Neuzustand und 4 zeigt
einen schematischen Querschnitt gemäß 3,
jedoch im Nachstellzustand. Dabei sind in der Zeichnung die Einlaufbeläge, d.
h. beispielsweise Honigwaben, aus Gründen der Übersichtlichkeit
weggelassen.
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Am
linken Zeichnungsrand sind die an den Dichtsegmenten 4 integral
radial nach außen hervorstehenden Gewindezapfen 6 gezeigt.
Diese Gewindezapfen 6 weisen ein Außengewinde
und eine koaxiale Gewindebohrung auf. Wie am rechten Zeichnungsrand
dargestellt, sind die Dichtsegmente mittels der Gewindezapfen 6 und
der Nachstellmuttern 8 in ihrer radialen Position festgelegt
und starr mit dem Turbinengehäuse 3 verbunden.
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Die
Nachstellmutter 8 ist über ein Abstandsstück 9 und
zwei Schrauben 14 fest mit dem Gehäuse 3 verbunden.
Ferner ist eine Verspannschraube 10 in das Sackloch des
Gewindezapfens 6 zum spielfreien Verspannen der Verbindung
eingeschraubt.
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Die
Dichtsegmente 4 sind dabei über Nut-Feder-Verbindungen 16 miteinander
verklinkt. Ferner sitzen die Dichtsegmente 4 zur gehäuseseitigen
Abdichtung in U-förmigen Zentriersegmenten 7,
die in Umfangsrichtung zu den Dichtsegmenten 4 versetzt sind.
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In
Umfangsrichtung sind die Zentriersegmente 7 über
die Nachstellmutter 8 der Dichtsegmente 4 und
zwei Anlagen 12 gehalten. Die Anlagen 12 sind
so gestaltet, dass die Zentriersegmente 7 axial frei beweglich
bleiben und sich an den Dichtsegmenten 4 ausrichten können.
An den Stoßstellen der Zentriersegmente 7 sind
im hinteren Bereich Dichtstreifen 13 vorgesehen, welche
den Raum auf der Rückseite der Dichtsegmente nach hinten
abdichten.
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5 zeigt
eine Detailansicht der Nachstellmutter 8 ohne Gewindezapfen 6,
ohne Verspannschraube 10 und ohne Dichtsegment 4.
Darin ist die Verbindung der Nachstellmutter 8 über
das Abstandstück 9 und die beiden Schrauben 14 mit
dem Turbinengehäuse 3 zu erkennen. Ferner ist
die Fixierung der Zentriersegmente 7 in Umfangsrichtung
mittels der Anlagezapfen 12 zu erkennen, die an den unteren
Ausläufer der Nachstellmutter 8 anschlagen.
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6 zeigt
in einer schematischen Darstellung die Montage bzw. Demontage eines
erfindungsgemäßen Dichtsegments. Durch Entfernen
der in 1 bis 5 gezeigten Nachstellmuttern 8 von den
Gewindezapfen 6, sind die Dichtsegmente 4 in Radial-
und in Umfangsrichtung wie durch die Pfeile angedeutet verschieblich,
so dass die verklinkten Nut-Feder-Verbindungen 16 gelöst
werden können. Das entsprechende Dichtsegment 4 kann
dann von radial innen entnommen bzw. eingebaut werden.
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Die
Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in
den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch
bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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- 1
- Niederdruckturbine
- 2
- Turbinenlaufschaufel
- 3
- Turbinengehäuse
- 4
- Dichtsegment
- 5
- Honigwabendichtung
- 6
- Gewindezapfen
- 7
- Zentriersegment
- 8
- Nachstellmutter
- 9
- Abstandsstück
- 10
- Verspannschraube
- 11
- Statorschaufel
- 12
- Anlagezapfen
- 13
- Dichtstreifen
- 14
- Schraube
- 15
- Spalt
- 16
- Nut-Feder-Verbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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