DE102007054926A1

DE102007054926A1 - Schutzvorrichtung für Turbinendichtungen

Info

Publication number: DE102007054926A1
Application number: DE102007054926A
Authority: DE
Inventors: Sean Douglas Feeny; Michael Earl Montgomery; Mark Bowen; Stephen Roger Swan; David Alan Caruso; Wei-Min Ren; Michael Hamlin; Jeffrey Simkins
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2008-06-05
Also published as: RU2007142281A; FR2908815A1; US20080118350A1; JP2008128240A

Abstract

Es wird ein Dichtungsschutz in einer Turbine bereitgestellt, in welcher die Turbine mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Leiteinrichtungen (12), mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Turbinenschaufeln (14), die jeweils eine Schaufelblattabdeckung (20) enthalten, und eine Öffnung (38) enthält, die durch eine Hinterkante der Leiteinrichtungen (12) und eine Vorderkante der Schaufelabdeckungen (20) definiert ist. Der Dichtungsschutz kann eine stromaufwärts befindliche axiale Lamelle (52), die an der Vorderkante der Leiteinrichtungen (12) positioniert ist, die sich in einer Stromabwärtsrichtung quer über wenigstens einen Teil der Öffnung (38) erstreckt, oder eine stromabwärts befindliche axiale Lamelle (58) enthalten, die an einer Vorderkante der Schaufelabdeckung (20) ichtung wenigstens über einen Teil der Öffnung (398) erstreckt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese vorliegende Anmeldung betrifft im Wesentlichen Systeme zum Schützen von Turbinenkomponenten vor Erosion und Abscheidungen durch Festkörperpartikel. Insbesondere jedoch keineswegs im Sinne einer Einschränkung betrifft die vorliegende Anmeldung Systeme zur Bereitstellung eines Dichtungsschutzes, um Festkörperpartikel von Turbinendichtungskomponenten abzulenken.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Dampf- und/oder Gasturbinen nutzen im Wesentlichen ringförmige Dichtungen zwischen feststehenden und rotierenden Teilen, um sekundäre Leckage zu minimieren. Eine Verhinderung oder Reduzierung von derartiger Leckage ermöglicht eine Maximierung des Wirkungsgrades der Turbine indem ein größter Prozentsatz des Abgasstroms gezwungen wird, über die Turbinenlaufschaufeln zu strömen. Oft befinden sich jedoch Verunreinigungen oder Festkörperpartikel in dem Arbeitsfluid. Im Wesentlichen beschleunigen die Festkörperpartikel durch die Zwischenstufe der Turbine (das heißt, wenn sie sich entlang der feststehenden Leitschaufeln bewegen) auf hohe Geschwindigkeit. Durch die Bewegung bei diesen hohen Geschwindigkeiten können die Festkörperpartikel Erosion, Abtragung bewirken und zu einer erhöhten Oberflächenrauhigkeit an jeder von den stromabwärts befindlichen Turbinenkomponenten, mit welchen sie ein Kontakt kommen können, einschließlich der ringförmigen Dichtungen führen.
Zusätzlich zur Erosion können diese Festkörperpartikel auch an den rotierenden oder feststehenden Komponenten anhaften und somit Strömungsbereiche ändern und möglicherweise eine Reibbeschädigung verursachen.
Die Turbinenkomponenten, die sich in dem Hauptstromströmungspfad befinden sind im Wesentlichen durch spezielle Beschichtungen oder mechanische Härtung geschützt. Die mit den ringförmigen Dichtungen zusammenhängenden Komponenten sind jedoch typischerweise aus weicheren Materialien hergestellt und nicht mit speziellen Beschichtungen behandelt oder mechanisch gehärtet, da das weichere Material in dem Falle erwünscht ist, dass ein Reibvorgang zwischen den feststehenden und rotierenden Komponenten erfolgt. Festkörperpartikel, welche mit den ringförmigen Dichtungskomponenten in Kontakt kommen bewirken somit oft das Auftreten von Erosion und Abtragung. Eine derartige Erosion beinhaltet die Abflachung oder Abrundung der sich überlappenden Zähne, die die ringförmigen Dichtungen ausbilden, was mit der Zeit zu Leistungs- und möglicherweise größeren Zuverlässigkeitsproblemen führt, wenn die strukturelle Unversehrtheit von irgendeinem der Zähne beeinträchtigt wird. Festkörperpartikel können sich auch in der ringförmigen Dichtung festsetzen, was bei der gegebenen Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Teile und der Toleranzen innerhalb der Dichtung zwischen den feststehenden und rotierenden Teilen einer erhebliche Beschädigung an den Dichtungen bewirken kann. In einer derartigen Situation kann das Festkörperpartikel ein Reiben der rotierenden und feststehenden Oberflächen bewirken, was die strukturelle Integrität der ringförmigen Dichtung und/oder eine Beschädigung der überlappenden Zähne bewirken kann, die die Dichtung bilden, was zu einer erhöhten Leckage und reduziertem Turbinenwirkungsgrad führt.
Demzufolge müssen die ringförmigen Dichtungen sowie weitere empfindliche Komponenten von Dampf- und Gasturbinen besser vor diesen Verunreinigungen durch Festkörperpartikel geschützt werden. Herkömmliche Systeme haben sich nicht ausreichend mit diesem Dauerproblem befasst. Somit besteht ein Bedarf nach verbesserten Systemen für die Abschirmung der Dichtungen und weiterer Komponenten vor Verunreinigungen durch Festkörperpartikel, welche sich durch den Strömungspfad bewegen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung kann somit ein System zur Verhinderung einer Erosion durch Festkörperpartikel in einer Turbine beschreiben. Die Turbine kann Turbinenschaufeln enthalten, die eine Schaufelabdeckung enthalten und eine Öffnung, die durch eine Hinterkante einer Leiteinrichtung und einer Vorderkante der Schaufelabdeckung definiert ist. Das System kann auch wenigstens eine von einer stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle enthalten, die an der Vorderkante der Leiteinrichtung positioniert ist, und einer stromabwärts befindlichen axialen Lamelle, die an einer Vorderkante der Schaufelabdeckung positioniert ist. Die Hinterkante der Leiteinrichtung kann eine äußere Seitenwand enthalten.
In einigen Ausführungsformen kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle eine Lamelle enthalten, die aus der äußeren Seitenwand in einer Stromabwärtsrichtung hervorsteht. Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle kann sich im Wesentlichen zusammenhängend in Umfangsrichtung erstrecken. In weiteren Ausführungsformen kann die strom aufwärts befindliche axiale Lamelle eine Lamelle enthalten, die sich in einer axialen Weise wenigstens über einen Teil der Öffnung erstreckt.
In einigen Ausführungsformen kann die stromabwärts befindliche axiale Lamelle eine Lamelle enthalten, die aus der Schaufelabdeckung in einer Stromaufwärtsrichtung hervorsteht. Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle kann ferner eine Lamelle enthalten, die sich in einer axialen Weise wenigstens über einen Teil der Öffnung erstreckt. Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle kann sich im Wesentlichen zusammenhängend in Umfangsrichtung erstrecken In einigen Ausführungsformen kann das System sowohl eine stromaufwärts befindliche axiale Lamelle als auch eine stromabwärts befindliche axiale Lamelle enthalten. Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle und die stromabwärts befindliche axiale Lamelle können angenähert dieselbe radiale Position haben und im Wesentlichen dieselbe axiale Strecke der Öffnung überspannen. In weiteren Ausführungsformen kann die stromabwärts befindliche axiale Lamelle radial etwas weiter auswärts als die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle positioniert sein. Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle und die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle können sich axial überlappen.
Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle kann ein integrierter Teil der äußeren Seitenwand sein. In einigen Ausführungsformen kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle an der äußeren Seitenwand durch Schweißen oder Einhämmern befestigt sein.
Das System kann ferner eine in der Vorderkante der Schaufelabdeckung positionierte stromabwärts befindliche Nut enthalten. Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle kann die Öffnung überspannen und innerhalb der stromabwärts befindlichen Nut enden. In weiteren Ausführungsformen enthält das System eine in der Hinterkante der Leiteinrichtung positionierte stromaufwärts befindliche Nut. Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle kann die Öffnung überspannen und in der stromabwärts befindlichen Nut enden.
Die Anmeldung kann ferner einen Dichtungsschutz in einer Turbine beschreiben, in der die Turbine mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Leiteinrichtungen, mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Turbinenschaufeln, welche jeweils eine Schaufelabdeckung enthalten, und eine Öffnung enthält, die durch eine Hinterkante der Leiteinrichtungen und eine Vorderkante der Schaufelabdeckungen definiert ist. Der Dichtungsschutz kann eine an der Hinterkante der Leiteinrichtungen positionierte stromaufwärts befindliche axiale Lamelle enthalten, die sich in einer Stromabwärtsrichtung quer über wenigstens einen Teil der Öffnung erstreckt oder eine an einer Vorderkante einer Schaufelabdeckung positionierte stromabwärts befindliche axiale Lamelle, die sich in einer Stromaufwärtsrichtung quer über wenigstens ein Teil der Öffnung erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann das System sowohl die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle als auch die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle enthalten, und die stromaufwärts befindliche Lamelle und die stromabwärts befindliche Lamelle können angenähert dieselbe radiale Position enthalten und im Wesentlichen die axiale Strecke der Öffnung überspannen. In weiteren Ausführungsformen kann die stromabwärts befindliche axiale Lamelle radial etwas weiter außen als die stromaufwärts befindliche Lamelle positioniert sein und die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle und die stromabwärts befindliche axiale Lamelle können sich axial überlappen.
In einigen Ausführungsformen kann das System eine in der Vorderkante der Schaufelabdeckung positionierte stromabwärts befindliche Nut enthalten. Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle kann die Öffnung überspannen und in der stromabwärts befindlichen Nut enden. In weiteren Ausführungsformen kann das System eine in der Hinterkante der Leiteinrichtung positionierte stromaufwärts befindliche Nut enthalten. Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle kann die Öffnung überspannen und in der stromaufwärts befindlichen Nut enden.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei der Betrachtung der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Strichzeichnung, die eine Querschnittsansicht einer exemplarischen Umgebung, das heißt, einer herkömmlichen Turbinenstufe darstellt, in welcher eine Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung arbeiten kann.
2 ist eine schematische Strichzeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Turbinenstufe mit einem Dich tungsschutz gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt.
3 ist eine schematische Strichzeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Turbinenstufe mit einem Dichtungsschutz gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt.
4 ist eine schematische Strichzeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Turbinenstufe mit einem Dichtungsschutz gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt.
5 ist eine schematische Strichzeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Turbinenstufe mit einem Dichtungsschutz gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt.
6 ist eine schematische Strichzeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Turbinenstufe mit einem Dichtungsschutz gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den Figuren, in welchen die verschiedenen Zahlen gleiche Teile durchgängig durch die verschiedenen Ansichten repräsentieren, veranschaulicht 1 eine Querschnittsansicht einer exemplarischen Umgebung, in welcher eine Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung arbeiten kann, eine Turbinenstufe 10. Die Turbinenstufe 10 kann eine Stufe innerhalb einer Dampf- oder Gasturbine oder irgendeiner anderen Art von Turbomaschine sein. Die Turbinenstufe 10 kann mehrere in Umfangsanrichtung in Abstand angeordnete Leiteinrichtungen 12 enthalten. Die Leiteinrichtung 12 kann eine feststehende Komponente sein, die den Strom eines Arbeitsfluids auf mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Turbinenschaufeln 14 leitet. Die Turbinenschaufel 14 kann ein Schaufelblatt 14 enthalten, welches sich aus einer Basis 18 erstreckt. Die Basis der Turbinenschaufel 14 kann mit einem (nicht dargestellten) Rotor so verbunden sein, dass im Betrieb die Konfiguration des Schaufelblattes 16 und die Strömung des Arbeitsfluids eine Drehung der Turbinenschaufeln 14 um den Rotor bewirkt, um somit die Energie der Strömung des Arbeitsfluids in mechanische Energie umzuwandeln.
An dem äußeren radialen Ende des Schaufelblattes 16 kann jede von den Turbinenschaufeln 14 mit einer Schaufelabdeckung 20 verbunden sein. Die Schaufelabdeckung 20 kann in einem Stück mit der Turbinenschaufel 14 ausgebildet sein oder kann daran gemäß herkömmlichen Verfahren befestigt sein. Im Wesentlichen kann die Schaufelabdeckung 20 eine Oberfläche oder Struktur an dem äußeren radialen Ende des Schaufelblattes 16 sein, die im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Schaufelblattes 16 verläuft. Unter anderem können die Schaufelabdeckungen ein Lecken des Arbeitsfluids über das Ende des Schaufelblattes hinaus verhindern, was vorteilhaft ist, da Arbeitsfluid, das über das Ende des Schaufelblattes 16 hinaus leckt, weniger Arbeit verrichtet und dadurch den Wirkungsgrad der Turbine verschlechtert. Die Schaufelabdeckung 20 kann auch als Spitzendeckband der Schaufelabdeckung bekannt sein. Jede von den Schaufelabdeckungen 20 kann sich in einer Umfangsrichtung bis zu den Schaufelabdeckungen 20 der benachbarten Turbinenschaufeln 14 erstrecken. Jede von den Schaufelabdeckungen 20 kann an zwei benachbarten Schaufelabdeckungen 20 anliegen. Auf diese Weise können die Schaufelabdeckungen 20 einen im Wesentlichen zusammenhängenden (wenn auch segmentierten) Umfangsring in der Turbine erzeugen. In einem weiteren Konstruktionstyp können die Schaufelabdeckungen mehrere Turbinenschaufeln überdecken. Diese (nicht dargestellten) größeren Schaufelabdeckungen können dann aneinander anliegen, um den Umfangsring innerhalb der Turbinen auszubilden. An einer nach außen gerichteten radialen Oberfläche 22 der Schaufelabdeckung 20 können einer oder mehrere Abdeckungszähne 24 positioniert sein. Die Abdeckungszähne 24, welche auch als Vernier-Zähne bekannt sein können, können sich verjüngende oder stufenartige Vorsprünge enthalten, die von der auswärts gerichteten radialen Oberfläche 22 in die Auswärtsradialrichtung zeigen.
Radial außerhalb von der Schaufelabdeckung 20 kann die Turbinenstufe 10 ferner eine Überlaufleiste 26 enthalten. Die Überlaufleiste 26 kann eine feststehende Komponente sein, die eine Serie von aneinander liegenden Bogensegmenten enthält, die nach dem Zusammenbau einen im Wesentlichen zusammenhängenden Umfangsring in der Turbine erzeugen. Auf einer nach innen gerichteten radialen Oberfläche 28 der Überlaufleiste 26 können einer oder mehrere Überlaufleistenzähne 30 positioniert sein. Die Überlaufleistenzähne 30, welche eine Vernier-Art, Hoch-Tief-Art, Verschachtelungs-Art oder ein beliebige andere üblicherweise benutzte Art von Dichtungszähnen sein können, können sich verjüngende oder stufenartige Vorsprünge enthalten, die von der nach innen zeigenden radialen Oberfläche 28 aus in die Radialeinwärtsrichtung zeigen. Die Überlaufleistenzähne 30 und die Abdeckungszähne 24 können so positioniert sein, dass sie eine Dichtung 32 zwischen der Schaufelabdeckung 20 und der Überlaufleiste 26 ausbilden, was als eine ringförmige Hoch/Tief-, Eingriffs- oder Vernier-Dichtung bezeichnet werden kann. Insbesondere können die Überlaufleistenzähne 30 und die Abdeckungszähne 24 überlappende oder ineinander greifende Zähne entlang der axialen Länge der Schaufelabdeckung 20/Überlaufleiste 26 so ausbilden, dass eine Dichtung erzeugt wird, welche die axiale Bewegung von Arbeitsfluid in diesem Bereich begrenzt. Die Überlaufleiste 26 kann mit einem Turbinengehäuse 34 verbunden oder in einem Stück damit ausgebildet sein, welches ein Außengehäuse bildet, das die Turbine einschließt. Zusätzlich kann in anderen Anordnungen die Überlaufleiste 26 in dem Gehäuse, einem Zwischenstufen-Schaufelblatt/Ring-Träger oder dem stromabwärts befindlichen Zwischenteil/Schaufelblatt-Ring befestigt sein.
Arbeitsfluid wie zum Beispiel Luft in einer Gasturbine oder Dampf in einer Dampfturbine kann durch die Turbinenstufe 10 strömen. Typischerweise strömt das Arbeitsfluid durch einen Hauptströmungspfad der Turbine (das heißt, durch die Leiteinrichtungen 12 und dann durch die Schaufelblätter 19). Die Strömung des Hauptströmungspfades ist in 1 durch Pfeile 36 dargestellt. In einer herkömmlichen Turbinenkonstruktion ist eine Öffnung 38 vorhanden, die sich zwischen der äußeren Hinterkante der Leiteinrichtung 12 und der inneren Vorderkante der Schaufelabdeckung 20 befindet. Arbeitsfluid kann von dem Hauptströmungspfad abweichen und in die Öffnung 38 strömen. Die Richtung einer derartigen Strömung ist in 1 durch einen Pfeil 40 dargestellt. Arbeitsfluid, das in die Öffnung 38 strömt, kann dann mit den der Dichtung 32 zugeordneten Komponenten, einschließlich den Überlaufleistenzähnen 30 und den Abdeckzähnen 24, in Kontakt kommen.
Bestimmte Verunreinigungen, welche wie hierin verwendet Festkörperpartikel oder andere Verunreinigungen umfassen können, können in dem Arbeitsfluid enthalten sein. Diese Festkörperpartikel können innerhalb des Hauptströmungspfades (gemäß Darstellung durch die Pfeile 36) strömen und die Turbinenkomponenten innerhalb des Hauptströmungspfades wie zum Beispiel die Leiteinrichtungen 12 und die Schaufelblätter 16 berühren. Wie beschrieben, sind die Komponenten in dem Hauptströmungspfad im Wesentlichen durch spezielle Beschichtungen oder mechanische Härtung so geschützt, dass ein Kontakt mit den Festkörperpartikeln wenig oder keine Erosion oder Abtragung der Komponenten bewirkt. Die Festkörperpartikel können auch in die Öffnung 38 strömen. Die Häufigkeit diese Ereignisses wird durch die relativ große axiale Strecke der Öffnung 38 (das heißt, die axiale Strecke, die durch die äußere Hinterkante und der Leiteinrichtung 12 und innere Vorderkante der Schaufelblattabdeckung definiert ist) in der herkömmlichen Turbinenkonstruktion erhöht.
Zusätzlich versagt die relativ sanfte Krümmung an der Vorderkante der Öffnung 38 bei der Bereitstellung irgendeines Hindernisses gegenüber Festkörperpartikeln, die in die Öffnung 38 strömen. Ohne ein derartiges Hindernis kann die Rotationsgeschwindigkeit der Turbinenschaufel 14 so wirken, dass sie im Wesentlichen die Festkörperpartikel in die Öffnung 38 "schwemmt". Insbesondere tendieren die Festkörperpartikel aufgrund der Rotation der Turbinenschaufeln 14 sich nach außen zu bewegen, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Festkörperpartikel bei der gegebenen herkömmlichen Turbinenkonstruktion in die Öffnung 38 eintreten. Man beachte, dass die Vorderkante der Öffnung 38 (das heißt, die Hinterkante der Leiteinrichtung 12) oft durch eine äußere Komponente der Seitenwand 46 definiert ist. Im Wesentlichen können Turbinenleitanordnungen unter Einsatz verschiedener Verfahren aufgebaut sein. Ein erstes Verfahren umfasst die Verwendung einer Leiteinrichtung 12 mit einer in einem Stück ausgebildeten äußeren Seitenwand 46 und inneren Seitenwand 47. Die äußere Seitenwand 46 und die innere Seitenwand 47 werden dazu verwendet, um die Leiteinrichtung 12 direkt zwischen einem äußeren Ring 48 und einem inneren Ring 49 zu verschweißen. Leiteinrichtungen dieser Konfiguration werden oft als Singlet-Leiteinrichtungen bezeichnet. Ein zweites Verfahren eines (nicht dargestellten) Leiteinrichtungszusammenbaus verwendet eine Band/Ring-Konstruktion. In dieser Art des Zusammenbaus werden die Leiteinrichtungen zuerst zwischen inneren und äußeren Enden verschweißt, welche sich etwa über 180° erstrecken. Diese gekrümmten Bänder mit den geschweißten Schaufelblättern werden dann zusammengebaut und zwischen den inneren und äußeren Trägerringen des Stators der Turbine verschweißt. Bei diesem zweiten Verfahren des Leiteinrichtungszusammenbaus würde die Vorderkante der Öffnung 38 durch das äußere Band definiert, welches in den Figuren nicht dargestellt ist. Ein drittes (nicht dargestelltes) Verfahren zum Zusammenbau verwendet ein oder mehrere große Materialteile, aus welchen die Leiteinrichtungen herausgearbeitet werden. Dieses Verfahren wird manchmal als "Bling"-Aufbau bezeichnet.
Zur Vereinfachung wird die Vorderkante der Öffnung 38 hierin im Allgemeinen als die Hinterkante der Leiteinrichtung 12 und insbesondere als die Hinterkante der äußeren Seitenwand 46 bezeichnet. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass die Vorderkante der Öffnung 38, wenn andere Leitanordnungskonfigurationen verwendet werden, durch andere Komponenten definiert werden kann, wie zum Beispiel die vorstehend diskutierte Komponente des äußeren Bandes sowie des äußeren Rings 48, die Leiteinrichtung 12 und/oder andere feststehende Komponenten. Eine Bezugnahme auf die Hinterkante der Leiteinrichtung 12 oder die äußere Seitenwand 46 hierin soll somit diese anderen Komponenten mit einbeziehen, die die Vorderkante der Öffnung 38 in den anderen Arten von Leitanordnungskonfigurationen definieren.
Sobald sie sich in der Öffnung 38 befinden, können die Festkörperpartikel mit Komponenten in Kontakt kommen, die typischerweise aus weicheren Materialien hergestellt und nicht mit speziellen Beschichtungen behandelt oder mechanisch gehärtet sind, wie zum Beispiel mit den Abdeckungszähnen 24 oder den Überlaufleistenzähnen 30. Festkörperpartikel, die mit Komponenten dieser Dichtung 32 in Kontakt kommen, bewirken noch das Auftreten einer Erosion, welche mit der Zeit erheblich die Abdeckungszähne 24 und/oder die Überlaufleistenzähne 30 so beschädigen kann, dass das Verhalten der Dichtung 32 negativ beeinflusst wird und eine Leckage auftritt. Das heißt, wenn die Zähne verschlissen werden und die Überlappung zwischen den Abdeckungszähnen 24 oder den Überlaufleistenzähnen 30 verkleinert oder zerstört wird, ist ein größerer Anteil des Arbeitsfluids in der Lage, durch die Dichtung 32 zu lecken. Natürlich wird keine Energie aus Arbeitsfluid entzogen, das durch die Dichtung wandert, und somit der Wirkungsgrad der Turbine verschlechtert.
In 2 ist eine Ausführungsform eines Dichtungsschutzes 50 gemäß der vorliegenden Anmeldung dargestellt, welche in Verbindung mit der Turbinenstufe 10 dargestellt ist. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass die Verwendung der Turbine 10 lediglich exemplarisch ist, und dass der Dichtungsschutz 50 auch mit anderen Turbinenstufenkonfigurationen angewendet werden kann. Der Turbinenschutz 50 kann eine stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 enthalten, die sich in einer axialen Stromabwärtsrichtung von der äußeren Seitenwand 46 der Leiteinrichtung 12 aus erstreckt. In weiteren Ausführungsformen können mehr als eine axiale Lamelle 52 vorgesehen sein. Insbesondere kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 in einer axialen Weise aus der äußeren Seitenwand 46 über die Öffnung 38 hinweg vorstehen. In einigen Ausführungsformen kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 aus dem äußeren Ring 48 entspringen (das heißt, die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 kann in einer axialen Weise aus dem äußeren Ring 48 quer über die Öffnung 38 hinweg vorstehen). An ihrem Abschluss kann sich die Hinterkante der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52 in unmittelbarer Nähe zu der Vorderkante der Schaufelabdeckung 20 befinden. Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 kann sich teilweise oder über die gesamte axiale Strecke der Öffnung 38 erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann sich, wie in 2 dargestellt, das Ende der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52 zu einem Punkt 54 hin verjüngen.
Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 kann im Wesentlichen in einer im Wesentlichen zusammenhängenden Weise um den Umfang innerhalb der Turbine verlaufen. Das heißt, in einigen Ausführungsformen der Leiteinrichtungskonstruktion können die äußeren Seitenwände von benachbarten Leiteinrichtungen 12 aneinander liegen, um einen im Wesentlichen zusammenhängenden Umfangsring auszubilden. Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 kann auf der äußeren Seitenwand 46 konfiguriert sein (das heißt, so dass sie die gesamte Umfangslänge der äußeren Seitenwand 46 überdeckt), so dass die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 in zusammenhängender Weise (wenn auch segmentiert) um den Umfang der Turbine verläuft. In weiteren Ausführungsformen einer Leiteinrichtungskonstruktion kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 in einer zusammenhängenden Weise um den Umfang der Turbine aufgrund weiterer Aspekte der Konfiguration der äußeren Seitenwand 46 oder der Konstruktion des äußeren Ringes 48 verlaufen.
In einigen Ausführungsformen kann der Dichtungsschutz 50 eine stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 enthalten, die in einer Stromaufwärtsrichtung aus der Schaufelabdeckung 20 vorsteht. In weiteren Ausführungsformen kann mehr als eine stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 enthalten sein. Insbesondere kann die stromabwärts befindliche Lamelle 58 in einer axialen Weise aus der Schaufelabdeckung 20 quer über die Öffnung 38 hinweg vorstehen. Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 kann angenähert einen Teil oder die gesamte axiale Strecke der Öffnung 38 überspannen. In einigen Ausführungsformen, gemäß Darstellung in 2 kann sich das Ende der stromabwärts befindlichen axialen Lamelle 58 zu einem Punkt 60 hin verjüngen.
Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 kann in einer wesentlichen zusammenhängenden Weise um den Umfang verlaufen. Das heißt, die Schaufelabdeckungen 20 von benachbarten Turbinenschaufeln 14 können aneinander anliegen, um einen im Wesentlichen zusammenhängenden Umfangsring auszubilden. Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 kann auf der Schaufelabdeckung 20 konfiguriert sein (das heißt, so, dass sie die gesamte Umfangslänge der Schaufel abdeckung 20 abdeckt), so dass die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 in einer zusammenhängenden Weise (wenn auch segmentiert) um den Umfang der Turbine verläuft.
In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52 und der stromabwärts befindlichen axialen Lamelle 58 so verwendet werden, dass diese im Wesentlichen die axiale Strecke der Öffnung 38 überspannen. In anderen Ausführungsformen gemäß Darstellung in 2 kann die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 radial etwas mehr außerhalb als die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 positioniert sein. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann diese Positionierung in einigen Ausführungsformen eine axiale Überlappung der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52 und der stromabwärts befindlichen Lamelle 58 ermöglichen.
Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 kann mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann die stromaufwärts befindliche Lamelle 52 mittels herkömmlicher Verfahren als ein integriertes Teil der äußeren Seitenwand 46 oder des äußeren Ringes 48 herausgearbeitet werden. Wie festgestellt, kann in einigen Turbinen die stromaufwärts befindliche Kante der Öffnung 38 durch ein äußeres Band definiert sein. In solchen Fällen kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 als ein integriertes Teil des äußeren Bandes herausgearbeitet sein. Die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 kann aus einem Legierungsstahl (wie zum Beispiel 12-Chrom, rostfreiem Stahl oder Niederlegierungsstahl) hergestellt sein, kann, muss aber nicht notwendigerweise mittels Flammenhärtung oder irgendeinem anderen mechanischen Prozess gehärtet sein. In alternativen Ausführungsformen kann eine Beschichtung auf der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52, wie z.B. eine solche, die typischerweise auf Komponenten in dem Strömungspfad verwendet werden, anstelle eines mechanischen Härtungsprozesses verwendet werden. Der Zweck dieser mechanischen Härtung oder Bereitstellung einer Schutzbeschichtung würde der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52 ermöglichen, besser einer Erosion durch die Festkörperpartikel zu widerstehen.
Gemäß Darstellung in 3 kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 auch auf die äußere Seitenwand 46, oder in anderen (nicht dargestellten) Fällen, auf den äußeren Ring 48 geschweißt sein. Gemäß Darstellung kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 an die äußere Seitenwand geschweißt sein, der eine derartige Komponente fehlt. In einem derartigen Falle kann ein langes sich verjüngendes Stück 70 an die Hinterkante der äußeren Seitenwand 46 so geschweißt werden, dass die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 ausgebildet wird. Eine auf der oberen radialen Oberfläche des langen Verjüngungsstückes befindliche Schweißnaht 72 und eine auf der unteren Vorderkante des langen Verjüngungsstückes 70 befindliche Schweißnaht 74 können verwendet werden, obwohl der Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, dass weitere Schweißkonfigurationen verwendet werden können. In einer derartigen Ausführungsform kann die verschweißte stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 aus anderen Materialien als die Außenwand 46 bestehen. Stellit, Inconel oder andere ähnliche Legierungen oder Materialien, welche im Allgemeinen beständiger gegen Erosion durch Festkörperpartikel als das Material der äußeren Seitenwand 46 oder des äußeren Ringes sind, können verwendet werden. In weiteren Ausführungsformen kann die verschweißte stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 aus demselben Material wie die äußere Seitenwand 46 oder der äußere Ring 48 ausgebildet werden.
Gemäß Darstellung in 4 kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 an der äußeren Seitenwand 46 oder in anderen (nicht dargestellten) Fällen, dem äußeren Ring 48 durch mechanisches Verbinden oder Einhämmern der Komponente befestigt werden. In dieser Ausführungsform kann ein sich verjüngendes oder rechteckiges Stück 80 verwendet werden, um die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 72 auszubilden. Das rechteckige Stück 80 kann einen Schwalbenschwanz oder Haken an einem Ende enthalten, kann aber auch andere Konfigurationen enthalten, die von selbst zu einer mechanischen Verbindung oder Einhämmerung führen. Während des Einbaus kann der Haken 82 in einen Schwalbenschwanz oder eine Nut 84 in der äußeren Seitenwand 46 eingeführt werden. Wie im Fachgebiet bekannt, kann die äußere Seitenwand 46 dann an einer Stelle angrenzend an die Nut 86 so gehämmert werden, dass die äußere Seitenwand 46 verformt und der Haken 82 mechanisch innerhalb der Nut 84 arretiert wird. Die äußere Seitenwand 46 oder der äußere Ring 48 können auch eine (nicht dargestellte) zweite, kleinere Nut enthalten, die bei der mechanischen Verformung des Einhämmerungsprozesses unterstützt.
Die mechanische Verbindung oder das Einhämmern der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52 würde ebenfalls die Herstellung der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle aus einem anderen Material als dem der äußeren Seitenwand 46 oder dem äußeren Ring 48 ermöglichen. Stellit, Inconel oder andere ähnliche Legierungen oder Materialien, welche im Allgemeinen beständiger gegen Erosion durch Festkörperpartikel als das Material der äußeren Seitenwand 46 oder des äußeren Ringes sind, können verwendet werden. In weiteren Ausführungsformen kann die mechanisch verbundene oder eingehämmerte stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 aus demselben Material wie die äußere Seitenwand 46 oder der äußere Ring 48 ausgebildet werden. Zusätzlich kann die Befestigung der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52 durch mechanisches Verbinden oder Einhämmern eine effiziente Nachrüstung der stromaufwärts befindlichen axialen Lamelle 52 in bestehenden äußeren Seitenwänden 46 oder äußeren Ringen 48 (oder irgendeiner anderen Komponente die die stromaufwärts befindliche Kante der Öffnung 38 definieren) ermöglichen. Auf diese Weise kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 einer Turbine hinzugefügt werden, in welcher eine signifikante Erosion durch Festkörperpartikel aufgetreten ist, um das Auftreten einer weiteren Erosion zu verhindern. Somit kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 bei einem bestehenden Strömungspfad oder an einem neuen Strömungspfad angewendet werden.
Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 kann mittels ähnlicher Verfahren wie den vorstehend für die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 beschriebenen hergestellt werden. Das heißt, die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 kann als ein integriertes Teil der Schaufelabdeckung 20 herausgearbeitet oder verschweißt oder mechanisch verbunden oder in eine existierende Schaufelabdeckung 20 eingehämmert werden. Die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 kann aus denselben Materialien wie den vorstehend für die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 beschriebenen hergestellt werden.
Im Betrieb kann der Dichtungsschutz 50 einen Schild bereitstellen, um Verunreinigungen aus Festkörperpartikeln von einem Eintritt in die Öffnung 38 abzuhalten. Der Dichtungsschutz 50 kann auch die Strömungseigenschaften in dem Bereich der Öffnung 38 so ändern, dass Verunreinigungen aus Festkörperpartikeln von der Öffnung 38 weg transportiert werden. Die so abgelenkten oder in den Hauptströmungspfad transportierten Verunreinigungen aus Festkörperpartikeln könnten nicht mit den Komponenten der Dichtung 32 (und anderen Turbinenkomponenten in diesem Bereich der Turbine) in Kontakt kommen und diese erodieren, und das Verhalten der Turbine würde nicht nachteilig durch die erhöhte Leckage beeinträchtigt werden. Insbesondere würden die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 und die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 signifikant das axiale Ausmaß der Öffnung 38 verkleinern, was die Anzahl von in die Öffnung 38 eintretenden Festkörperpartikeln verringern würde. Ferner würden die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 und ihr Verjüngungspunkt 54 die existierende sanfte Krümmung an der Vorderkante der Öffnung 38 ersetzen, die Festkörperpartikel zum Eintritt einlädt.
In einigen Ausführungsformen kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 ohne die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 verwendet werden. In derartigen Ausführungsformen kann die stromaufwärts befindliche Lamelle 52 so konfiguriert werden, dass sie einen signifikanten Prozentsatz der Öffnung 38 überspannt. Ferner kann gemäß Darstellung in 5 die stromaufwärts befindliche Lamelle 52 mit einer stromabwärts befindlichen Nut 90 verwendet werden. Die stromabwärts befindliche Nut 90 kann eine Nut oder eine Aussparung in der Schaufelabdeckung 20 sein. In derartigen Ausführungsformen kann die stromaufwärts befind liche axiale Lamelle 52 die Öffnung 38 überspannen und in der stromabwärts befindlichen Nut 90 enden.
Ebenso kann in alternativen Ausführungsformen die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 ohne die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 verwendet werden. In derartigen Ausführungsformen kann die stromabwärts befindliche Lamelle 58 so konfiguriert werden, dass sie einen signifikanten Prozentsatz der Öffnung 38 überspannt. Ferner kann gemäß Darstellung in 6 die stromabwärts befindliche Lamelle 58 mit einer stromaufwärts befindlichen Nut 94 verwendet werden. Die stromaufwärts befindliche Nut 94 kann eine Nut oder eine Aussparung in der äußeren Seitenwand 46 oder dem äußeren Ring 48 sein. In derartigen Ausführungsformen kann die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 die Öffnung 38 überspannen und in der stromabwärts befindlichen Nut 94 enden.
In weiteren Ausführungsformen kann die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 sich mit der in 2 dargestellten stromabwärts befindlichen axialen Lamelle 58 überlappen oder nahezu überlappen. In derartigen Ausführungsformen kann die stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 radial etwas weiter außerhalb als die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 positioniert sein. Eine derartige Ausführungsform zwingt die Festkörperpartikel sich im Wesentlichen durch die Überlappung oder nahe beabstandeten axialen Lamellen hindurch zu arbeiten, um die Dichtung 32 und zugeordneten Komponenten zu erreichen. Jedoch ist bei den gegebenen relativen radialen Positionen der axialen Lamellen und der dem Arbeitsfluid durch die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52 aufgezwungenen Strömungsrichtung eine derartige Bewegung der Festkörperpartikel sehr unwahrscheinlich. Da die Anzahl der Festkörperpartikel, die zu der Dichtung 32 strömen, erheblich reduziert wird, wird die Erosion an der Dichtung 32 und den benachbarten Komponenten stark reduziert.
Aus der vorstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird der Fachmann auf dem Gebiet Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen erkennen. Derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen innerhalb des Stands der Technik sollen durch die beigefügten Ansprüche mit abgedeckt sein. Ferner dürfte es ersichtlich sein, dass Vorstehendes nur die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung betrifft, und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen hierin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Anmeldung gemäß Definition durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente ausgeführt werden können.
Es wird ein Dichtungsschutz in einer Turbine bereitgestellt, in welcher die Turbine mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Leiteinrichtungen 12, mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Turbinenschaufeln 14, die jeweils eine Schaufelblattabdeckung 20 enthalten, und eine Öffnung 38 enthält, die durch ein Hinterkante der Leiteinrichtungen 12 und eine Vorderkante der Schaufelabdeckungen 20 definiert ist. Der Dichtungsschutz kann eine stromaufwärts befindliche axiale Lamelle 52, die an der Vorderkante der Leiteinrichtungen 12 positioniert ist, die sich in einer Stromabwärtsrichtung quer über wenigstens ein Teil der Öffnung 38 erstreckt, oder eine stromabwärts befindliche axiale Lamelle 58 enthalten, die an einer Vorderkante der Schaufelabdeckung 20 positioniert ist, die sich in einer Stromaufwärtsrichtung wenigstens über einen Teil der Öffnung 398 erstreckt.

10: Turbine
12: Leiteinrichtung
14: Turbinenschaufel
16: Schaufelblatt
18: Basis
20: Schaufelabdeckung
22: äußere radiale Oberfläche
24: Abdeckungszähne
26: Überlaufleiste
28: innere radiale Oberfläche
30: Überlaufleistenzähne
32: Dichtung
34: Turbinengehäuse
38: Öffnung
46: äußere Seitenwand
47: innere Seitenwand
48: äußerer Ring
49: innerer Ring
50: Dichtungsschutz
52: stromaufwärts befindliche axiale Lamelle
54: Punkt
58: stromabwärts befindliche Lamelle
60: Punkt
70: langes sich verjüngendes Teil
72: Schweißnaht
74: Schweißnaht
80: sich verjüngendes oder rechteckiges Teil
82: Schwalbenschwanz oder Haken
84: Nut
86: an die Nut angrenzende Stelle
90: stromabwärts befindliche Nut
94: stromaufwärts befindliche Nut

Claims

System zum Verhindern einer Erosion durch Festkörperpartikel in einer Turbine, wobei die Turbine Turbinenschaufeln (14), die eine Schaufelabdeckung (20) enthalten, und eine Öffnung (38) enthält, die durch eine Hinterkante einer Leiteinrichtung (12) und eine Vorderkante der Schaufelabdeckung (20) definiert wird, wobei das System wenigstens eine stromaufwärts befindliche axiale Lamelle (52), die an der Hinterkante der Leiteinrichtung (12) positioniert ist, und eine stromabwärts befindliche axiale Lamelle (58), die an der Vorderkante der Schaufelabdeckung (20) positioniert ist, aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Hinterkante der Leiteinrichtung (12) aus einer äußeren Seitenwand (46) besteht.
System nach Anspruch 2, wobei die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle (52) eine Lamelle aufweist, die aus der äußeren Seitenwand (46) in einer Stromabwärtsrichtung hervorsteht.
System nach Anspruch 1, wobei die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle (52) eine Lamelle aufweist, die sich in einer axialen Weise quer über wenigstens einen Teil der Öffnung (38) erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei die stromabwärts befindliche axiale Lamelle (58) eine Lamelle aufweist, die sich aus der Schaufelabdeckung (20) in einer Stromaufwärtsrichtung (38) erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei das System sowohl eine stromaufwärts befindliche axiale Lamelle (52) als auch eine stromabwärts befindliche Lamelle (58) aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle (52) und die stromabwärts befindliche axiale Lamelle (58) angenähert dieselbe radiale Position aufweisen und im Wesentlichen die axiale Strecke der Öffnung (38) überspannen.
System nach Anspruch 6, wobei die stromabwärts befindliche axiale Lamelle (58) radial etwas weiter außerhalb als die stromaufwärts befindliche Lamelle (52) positioniert ist; und wobei sich die stromabwärts befindliche axiale Lamelle (48) und die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle (52) axial überlappen.
System nach Anspruch 1, welches ferner eine stromabwärts befindliche Nut (90) aufweist, die in der Vorderkante der Schaufelabdeckung (20) positioniert ist; wobei die stromaufwärts befindliche axiale Lamelle (52) die Öffnung (38) überspannt und in der stromabwärts befindlichen Nut (90) endet.
System nach Anspruch 1, welches ferner eine stromaufwärts befindliche Nut (94) aufweist, die in der Hinterkante der Leiteinrichtung (12) positioniert ist; wobei die stromabwärts befindliche axiale Lamelle (58) die Öffnung (38) überspannt und in der stromaufwärts befindlichen Nut (94) endet.