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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein mehrstufige Turbinentriebwerke.
Insbesondere, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, betrifft die vorliegende
Erfindung die Dichtungsringe, die zwischen den entsprechenden Stufen
eingebaut sind, um einen Fluidleckstrom von einer Stufe zu der nächsten auf
ein Minimum zu reduzieren.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Im
Falle von Turbinen wird der Turbinenwirkungsgrad zum Teil durch
die Fähigkeit
beeinflusst, das Arbeitsfluid an einem Entweichen von einer Stufe zur
nächsten
zu hindern. Zu diesem Zweck können an
der Grenzfläche
zwischen einzelnen Stufen und zwischen den äußersten Stufen der Turbine
und der Atmosphäre
ein oder mehrere Dichtungsringe eingebaut sein. Die Ringe bilden
beide eine longitudinale Dichtung zwischen Stufen, so dass das Arbeitsfluid angemessen
auf das Innere einer Stufe beschränkt ist. Der eine bzw. die
mehreren Dichtungsringe, die die Dichtung bilden, sind aus mehreren
(gewöhnlich 4–12) Ringsegmenten
zusammengesetzt. Diese sind gekrümmt
oder bogenförmig
und werden Stirn-an-Stirn miteinander in Anlage zusammengesetzt,
um den Ring zu bilden. Jedes Ringsegment weist Sätze von Zähnen auf, die sich über eine
Innenfläche
des Segments erstrecken. Diese Zähne
wirken mit der Welle zusammen, um einen ausreichend verschlungenen
Pfad bzw. ein Labyrinth zu bilden, so dass ein Leckstrom von einer
Stufe zu der nächsten oder
in die Atmosphäre
auf ein Minimum reduziert ist. Hierdurch entsteht eine wirkungsvolle
Dichtung.
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Dem
Fachmann wird einleuchten, dass die Dichtungsringe ihre Funktion
in einer Umgebung relativ hoher Temperatur erfüllen, und die Ringsegmente
daher Wärmeausdehnung
und -kontraktion erfahren. Diese Effekte müssen berücksichtigt werden, wenn der
Dichtungsring zusammengesetzt wird, so dass ein zwischen benachbarten
Ringsegmenten gebildeter Fugenspalt ausreichend groß ist, um Änderungen
aufzunehmen, die durch die thermischen Eigenschaften verursacht
werden. Falls der Spalt allerdings zu groß ist, verbleibt zwischen Segmenten nach
ihrer thermischen Ausdehnung ein Restraum und es entsteht ein Leckstrompfad.
Falls der Spalt hingegen während
der Ausdehnung der Segmente zu klein ist, kommen diese miteinander
in Anlage und dehnen sich aus, um einen größeren Durchmesser anzunehmen,
so dass der radiale Spielraum zwischen dem Dichtungsring und der
Turbinenrotorwelle vergrößert wird.
Auch in diesem Fall entsteht ein breiterer Leckstrompfad.
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Eine
Vorausberechnung des angemessenen Fugenspalts ist daher unentbehrlich.
Allerdings ergibt sich aus der sich ändernden Umgebung der Turbine sowie
anderen Ungenauigkeiten in Zusammenhang mit der Berechnung der Wärmeausdehnung
und -kontraktion von Dichtungsringen, dass Fugenspalttoleranzen
im Allgemeinen nur selten genau sind. Dieser Sachverhalt führt zu einem
relativ großen Leckstrom
zwischen den Stufen. Darüber
hinaus sind Abhilfemaßnahmen
zur Korrektur von Fugenspaltabweichungen mit verhältnismäßig großen Ausfallzeiten
der Turbine verbunden. Es ist offensichtlich, dass ein Bedarf nach
einer verbesserten Ringsegmentkonstruktion besteht, die diesen Sachverhalt
entschärft.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich daher auf einen in einer mehrstufigen
Turbine vorhandenen Dichtungsring, der zwei Ringsegmente aufweist,
die durch eine Verzahnungsstruktur z. B. in Form einer Schwalbenschwanzstruktur
vereinigt sind. In einigen Ausführungsbeispielen
kann die Verzahnungs- oder Schwalbenschwanzstruktur auf einer Anordnung
beruhen, die einen Vorsprung und eine Aussparung umfasst. In weiteren
Ausführungsbeispielen
kann das Schwalbenschwanzformmerkmal auf einer Nut-und-Federanordnung basieren.
Die Feder der Nut-und-Federanordnung kann einen Vorsprung aufweisen,
der sich ausgehend von einer weitgehend ebenen Fläche eines
Endes eines der Ringsegmente erstreckt. Die Nut der Nut-und-Federanordnung
kann in einer weitgehend ebenen Fläche eines Endes eines der Ringsegmente
mit einer Aussparung ausgebildet sein. Die Feder der Nut-und-Federanordnung und
die Nut der Nut-und-Federanordnung können eine ähnliche Abmessung aufweisen,
so dass die Feder eng anliegend in die Nut passt.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
kann die Feder der Nut-und-Federanordnung
einen an dem Ende des Ringsegments angeordneten rechtwinkligen Vorsprung
aufweisen. Die Länge
der Feder kann die radiale Dicke des Ringsegments überspannen.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
kann die Nut der Nut-und-Federanordnung
eine in dem Ende eines Ringsegments ausgebildete rechtwinklige Ausnehmung
sein. Die Länge
der Nut überspannt
die radiale Dicke des Ringsegments.
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Die
vorliegende Erfindung kann ferner einen in einer mehrstufigen Turbine
angeordneten Dichtungsring betreffen, der ein an einem Ende mit
einer Feder ausgebildetes Ringsegment und ein an einem Ende mit
einer Nut ausgebildetes Ringsegment aufweist. Die Feder und die
Nut können
geeignet dimensioniert sein, so dass die Feder in der Lage ist,
die Nut in Eingriff zu nehmen.
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Die äußere radiale
Fläche
jedes der Ringsegmente kann ein Eingriffsformmerkmal aufweisen, so
dass die Ringsegmente durch eine innere Radialfläche eines Turbinengehäuses in
Eingriff genommen werden können,
und die innere Radialfläche
jedes der Ringsegmente kann Zähne
aufweisen.
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Die
Feder kann mit einem Vorsprung ausgebildet sein, der sich ausgehend
von einer weitgehend ebenen Fläche
eines Endes eines der Ringsegmente erstreckt. Die Nut kann auf einer
Aussparung basieren, die in einer weitgehend ebenen Fläche eines
Endes eines der Ringsegmente ausgebildet ist. Die Feder und die
Nut können
eine ähnliche
Abmessung aufweisen, so dass die Feder eng anliegend in die Nut
passt.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
kann die Feder der Nut-und-Federanordnung
einen an dem Ende des Ringsegments angeordneten rechtwinkligen Vorsprung
aufweisen. Die Länge
der Feder kann die radiale Dicke des Ringsegments überspannen.
In einigen Ausführungsbeispielen
kann die Nut mit einer in dem Ende des Ringsegments angeordneten
rechtwinkligen Ausnehmung ausgebildet sein. Die Länge der
Nut kann die radiale Dicke des Ringsegments überspannen.
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Diese
und sonstige Merkmale der vorliegenden Anmeldung erschließen sich
nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügten Patentansprüche.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht zwei Ringsegmente aus dem Stand der
Technik.
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2 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht zwei Ringsegmente gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht ein Ringsegment gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht ein Ringsegment gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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5 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht einen Ringsegmentfugenspalt gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Mit
Bezugnahme auf die Figuren, in denen mehrere (gleichartige) Bezugsnummern über die
unterschiedlichen Ansichten hinweg gleichartige Elemente repräsentieren,
veranschaulicht 1 zwei herkömmliche Ringsegmente 4, 6,
die genutzt werden können,
um Dichtungsringe in einer mehrstufigen Turbine zu bilden. Es ist
klar, dass auch andere Ringsegmente in Verbindung mit den Ringsegmenten 4, 6 verwendet
werden können,
um einen Dichtungsring von 180° zu
vervollständigen.
Der vollständige
Dichtungsring kann eine longitudinale Dichtung zwischen Turbinenstufen
bilden, so dass das Arbeitsfluid angemessen auf das Innere einer
Stufe beschränkt
ist. Wie gezeigt, kann die äußere radiale Fläche der
Ringsegmente 4, 6 ein Eingriffsformmerkmal 8 aufweisen,
so dass die Ringsegmente durch eine innere Radialfläche eines
Turbinengehäuses
in Eingriff genommen werden können.
Auf diese Weise können
die Ringsegmente Stirn-an-Stirn vereinigt werden, um eine Stufe
in einer Gas- oder Dampfturbine abzukapseln.
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Es
ist klar, dass die Ringsegmente 4, 6 mehrere Zähne 10 aufweisen
können,
die sich über
eine innere Radialfläche
des Ringsegments 4, 6 erstrecken. Diese Zähne 10 können mit
der (nicht gezeigten) Welle zusammen wirken, um einen ausreichend verschlungenen
Pfad bzw. ein Labyrinth zu bilden, so dass ein Leckstrom von einer
Stufe zu der nächsten oder
in die Atmosphäre
auf ein Minimum reduziert ist. Typischerweise können die Ringsegmente 4, 6 aus Bronze,
Stahl oder einem sonstigen ähnlichen
Werkstoff hergestellt sein.
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Wie
gezeigt, kann zwischen dem Ringsegment 4 und dem Ringsegment 6 ein
Fugenspalt 12 aufrecht erhalten werden. Der Fugenspalt 12 ist
ein Spalt zwischen Ringsegmenten, der die Wärmeausdehnung zulässt, die
auftritt, wenn die Ringsegmente 4, 6 den relativ
hohen Temperaturen der laufenden Turbine ausgesetzt sind. Im Idealfall
ist der Fugenspalt 4, 6 so bemessen, dass er Ausdehnung
erlaubt, während
gleichzeitig eine tadellose Dichtung zwischen den Stufen aufrecht
erhalten bleibt. Falls der Fugenspalt zu groß ist, verbleibt zwischen den
Ringsegmenten 4, 6 nach deren thermischer Ausdehnung ein
Restraum. Pfeile 16 zeigen im Wesentlichen die Strömungsrichtung
des Arbeitsfluids durch die Turbine in Bezug auf die Ringsegmente 4, 6.
Unter der Voraussetzung die ses Stroms entsteht, falls zwischen dem
Segment 4 und dem Segment 6 nach der Wärmeausdehnung
ein Restraum übrig
bleibt, ein Leckstrompfad, da dazwischen Arbeitsfluid strömen wird.
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Falls
andererseits der Fugenspalt 12 zu klein ist, kommen die
Ringsegmente 4, 6, während sie sich ausdehnen, miteinander
in Anlage und dehnen sich aus, um einen größeren Durchmesser anzunehmen. Dies
führt zu
einer Vergrößerung des
radialen Spielraums zwischen den Zähnen 10 des Ringsegments 4, 6 und
der Turbinenrotorwelle. Auch in diesem Falle entsteht ein Leckstrompfad,
und der Gesamtwirkungsgrad der Turbine wird reduziert.
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2 veranschaulicht
Ringsegmente 20, 22 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, kann die Grenzfläche zwischen
dem Ringsegment 20 und dem Ringsegment 22 auf
einem Schwalbenschwanzformmerkmal 23 (auch Verzahnungsformmerkmal
genannt) basieren. In dem hier verwendeten Sinne umfasst der Begriff Schwalbenschwanzformmerkmal
eine beliebige Grenzfläche,
die auf einer Vorsprung/Aussparung-Anordnung oder Nut-und-Federanordnung
basiert. Somit kann das Ringsegment 20 an jedem Ende ein
Feder 24 aufweisen. In dem hier verwendeten Sinne kann
der Begriff Feder einen beliebigen Vorsprung beinhalten, der sich
ausgehend von einer weitgehend ebenen Fläche erstreckt. Das Ringsegment 22 kann
an jedem seiner Enden, mit einer Nut 26 ausgebildet sein.
In dem hier verwendeten Sinne kann der Begriff Nut eine beliebige
Vertiefung oder Aussparung in einer weitgehend ebenen Fläche beinhalten.
Wie gezeigt, kann die Feder 24 und die Nut 26 ähnlich bemessen
sein, so dass die Feder 24 eng anliegend in die Nut 26 passt.
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3 veranschaulicht
eine detailliertere perspektivische Ansicht der Feder 24.
Wie gezeigt, kann die Feder 24 auf einem rechtwinkligen
Vorsprung basieren, der an dem Ende des Ringsegments 20 angeordnet
ist. Die Länge
der Feder 24 kann die radiale Dicke des Ringsegments 20 überspannen.
Auf diese Weise kann die Feder 24 an dem am weitesten innen angeordneten
radialen Ende der Feder 24 die Zähne 10 aufweisen.
Weiter kann sich das äußerste radiale Ende
der Feder 24 durch das Eingriffsformmerkmal 8 des
Ringsegments 20 hindurch erstrecken. Dem Fachmann wird
einleuchten, dass für
die Feder 24 auch andere Formen verwendet werden können.
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4 veranschaulicht
eine detailliertere perspektivische Ansicht der Nut 26.
Wie gezeigt, kann die Nut 26 eine in dem Ende des Ringsegments 22 angeordnete
rechtwinklige Ausnehmung oder Aussparung beinhalten. Die Länge der
Nut 26 kann sich über
die radiale Dicke des Ringsegments 22 erstrecken. Somit
kann die Nut 26 ausgehend von den Zähnen 10 durch das
Eingriffsmerkmal 8 hindurch das Ende des Ringsegments 22 überspannen.
Dem Fachmann wird einleuchten, dass für die Nut 26 auch andere
Formen verwendet werden können.
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Dem
Fachmann wird klar sein, dass die Feder 24 und die Nut 26 so
gestaltet und bemessen sind, dass die Feder 24 eng anliegend
in die Nut 26 passen kann. Somit kann die Breite der Nut 26 geringfügig größer sein
als die Breite der Feder 24.
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In
der Praxis kann die auf der Feder 24 und der Nut 26 basierende
Anordnung, wie in 5 veranschaulicht, es erlauben,
den Fugenspalt 12 so zu bemessen, dass eine wirkungsvolle
Dichtung auch dann aufrecht erhalten bleibt, wenn bei einer maximalen
Wärmeausdehnung
ein Spalt zwischen den beiden Ringsegmente 20, 22 übrig bleibt.
Wie in 5 dargestellt, bleibt in dem Fugenspalt 12 Raum übrig. In
Konstruktionen nach dem Stand der Technik er laubt der Spalt gewöhnlich durch
sich hindurch den Axialstrom von Arbeitsfluid, was in der Regel
den Wirkungsgrad der Turbine vermindert. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung wird der durch den Fugenspalt 12 verlaufende
axiale Strom jedoch durch die Feder 24 verhindert. Insbesondere überspannt
die Feder 24 den Fugenspalt 12 und steht mit der
Nut 26 in Berührung/Eingriff,
wobei sie den Axialstrom von Arbeitsfluid durch den Fugenspalt 12 hindurch
wirkungsvoll blockiert.
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Somit
erlaubt das in 5 veranschaulichte Schwalbenschwanzformmerkmal 23,
d. h. die auf der Feder 24 und der Nut 26 basierende
Anordnung, eine größere Fehlerbandbreite
in der Bemessung des Fugenspalts 12. Insbesondere kann
auch dann eine angemessene Dichtung aufrecht erhalten werden, falls der
Fugenspalt 12 zwischen Ringsegmenten so bemessen ist, dass
bei maximaler Wärmeausdehnung der
Ringsegmente ein Spalt übrig
bleibt. Auf diese Weise lässt
sich das Risiko vermeiden, einen Fugenspalt 12 zu erhalten,
der zu schmal ist (was dazu führen
würde,
dass die Enden der Ringsegmente miteinander in Anlage kommen und
sich ausdehnen, um einen größeren Durchmesser
anzunehmen, der einen Leckstrompfad hervorrufen würde).
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Anhand
der obigen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden dem Fachmann Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen
einfallen. Solche Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen
im Rahmen des Standes der Technik sollen durch die beigefügten Patentansprüche abgedeckt
sein. Weiter sollte klar sein, dass sich das Vorausgehende lediglich
auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung bezieht, und dass im Vorliegenden zahlreiche Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und
deren äquivalente
Bedeutungen definiert ist.
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Ein
in einer mehrstufigen Turbine angeordneter Dichtungsring, der auf
zwei Ringsegmenten 20, 22 basiert, die durch ein
Schwalbenschwanzformmerkmal 23 vereinigt sind. In einigen
Ausführungsbeispielen
kann das Schwalbenschwanzformmerkmal 23 auf einer Vorsprung/Aussparung-Anordnung basieren.
In weiteren Ausführungsbeispielen
kann das Schwalbenschwanzmerkmal 23 auf einer Nut-und-Federanordnung basieren.
Die Feder 24 der Nut-und-Federanordnung kann auf einem
Vorsprung basieren, der sich ausgehend von einer weitgehend ebenen
Fläche
eines Endes eines der Ringsegmente 20 erstreckt. Die Nut 26 der
Nut-und-Federanordnung kann auf einer Aussparung in einer weitgehend ebenen
Fläche
eines Endes eines der Ringsegmente 22 basieren. Die Feder 24 der
Nut-und-Federaordnung und die Nut 26 der Nut-und-Federanordnung kann
eine ähnliche
Abmessung aufweisen, so dass die Feder 24 eng anliegend
in die Nut 26 passt.
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- 4,
6
- herkömmliche
Ringsegmente
- 8
- Eingriffsformmerkmal
- 10
- Zähne
- 12
- Fugenspalt
- 16
- Pfeile
- 20,
22
- Ringsegmente
- 23
- Schwalbenschwanzformmerkmal
- 24
- Feder
- 26
- Nut