DE102008002932A1

DE102008002932A1 - Klemmplattendichtung

Info

Publication number: DE102008002932A1
Application number: DE102008002932A
Authority: DE
Inventors: Gary C. Liotta; John D. Jun. Ward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: US20090022592A1; CN101349171B; CN101349171A; CH697708A2; JP2009024698A; DE102008002932B4; US8425194B2; JP5312863B2; CH697708B1

Abstract

Es wird eine Dichtung (130) für eine Schwalbenschwanzverbindung in einer Turbomaschine bereitgestellt. Die Dichtung enthält ein gekrümmtes Element (220) mit einem ersten Ende, einem Mittelabschnitt und einem zweiten Ende. Die Dichtung enthält auch eine Dichtungseinrichtung (205), welche wenigstens ein Dichtungselement enthält. Das Dichtungselement kann ein erstes Dichtungselement aufweisen, das mit dem ersten Ende verbunden ist und/oder ein zweites Dichtungselement, das mit dem zweiten Ende verbunden ist. Die Schwalbenschwanzverbindung ist die Schnittstelle zwischen einem Schaufelschwalbenschwanz (120) und einer Rotorschwalbenschwanznut (110), und die Dichtung (130) reduziert das Ausmaß der Kühlmittelstromleckage aus der Schwalbenschwanzverbindung.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Anmeldung betrifft Turbomaschinen und insbesondere eine Dichtungsvorrichtung, um den Übergang zwischen einer Schwalbenschwanzausnehmung und einer Schwalbenschwanzbasis einer Laufschaufel, Schaufel oder Schaufelblattes in einer Turbine oder Verdichter abzudichten.
In Turbomaschinen, wie z. B. einer Gasturbine, wird Luft in einem Verdichter verdichtet und mit Brennstoff in einer Brennkammer zum Erzeugen heißer Verbrennungsgase vermischt. Nachfolgende Turbinenstufen entziehen den Verbrennungsgasen Energie zum Antreiben des Verdichters und zum Erzeugen von Nutzarbeit (z. B. zum Drehen des Rotors oder Feldes eines Generators).
Eine Turbine kann der Brennkammer folgen und eine oder mehrere Reihen von Turbinenrotorblättern enthalten, die Energie aus den Gasen für den Antrieb des Kompressors entziehen. Die Turbine kann eine externe Antriebswelle antreiben, die dazu genutzt werden kann, einen elektrischen Generator in einer typischen Industriegasturbinentriebwerksanwendung anzutreiben.
Da die Rotorlaufschaufeln der Turbine den heißesten Temperaturen der Verbrennungsgase ausgesetzt sind, und mit einer hohen Drehzahl drehen, sind sie erheblichen thermischen und zentrifugal wirkenden Belastungen während des Betriebs ausgesetzt. Um ihre Lebensdauer und Haltbarkeit zu verbessern, sind die Turbinenlaufschaufeln typischerweise aus Superlegierungen wie z. B. Nickel-basierendem Metall für ihre verbesserte Festigkeit bei höheren Temperaturen hergestellt.
Die Turbinenlaufschaufeln oder Schaufeln enthalten typischerweise hohle Schaufelblätter mit Kühlkanälen darin, durch welche man aus dem Verdichter abgezweigte Kühlluft während des Betriebs zirkulieren lässt. Die Schaufeln enthalten auch eine integrierte Plattform, welche die Innenbegrenzung für die heißen Verbrennungsgase bildet, wobei ein in einem Stück damit ausgebildeter Lagerungsschwalbenschwanz darunter angeordnet ist. Die Schaufelschwalbenschwänze sind in entsprechenden Schwalbenschwanzausnehmungen in dem Umfang der lagernden Turbinenrotorscheibe oder des Rades befestigt. Schwalbenschwänze für axiale Einführung sind üblich und erstrecken sich durch axiale Schwalbenschwanzausnehmungen, die um den Umfang der Rotorscheibe oder des Rades herum angeordnet sind.
Kühlluft für die gekühlten Turbinenschaufeln kann von der Unterseite des Turbinenschaufel-Schwalbenschwanzes aus zugeführt werden und tritt dann radial in die Schaufel ein. Die Kühlluft passiert zuerst durch den Spalt zwischen der Unterseite des Turbinenschaufel-Schwalbenschwanzes und der Rotorschwalbenschwanznut. Der Sitz zwischen dem Schaufelschwalbenschwanz und der Rotorschwalbenschwanznut ist nicht vollständig dicht, und es besteht ein Spalt zwischen den entsprechenden Teilen. Im Wesentlichen liegt ein großer Spalt zwischen der Unterseite des Schaufelschwalbenschwanzes und der Unterseite der Rotorschwalbenschwanznut vor. Zusätzlich können Spalten zwischen den Seiten der Schwalbenschwanznut und den Seiten des Schaufelschwalbenschwanzes vorliegen. Diese Spalte ermöglichen es, dass Kühlluft austritt und zu einer verringerten Triebwerks- oder Turbinenleistung führt.
Verschiedene Beschichtungen, wie z. B. Aluminid, wurden bereits auf den Schaufelschwalbenschwanz aufgebracht, um zu versuchen, die Größe des Spaltes zu verringern, aber der Spalt ist für alle Beschichtungen zu groß, um vollständig effektiv oder beständig zu sein. Typischerweise wird ein 360 Grad Ring gegen die vorderen und hinteren Seiten der Schwalbenschwanzflächen für Dichtungszwecke gedrückt. Das Problem bei diesen Ringen besteht darin, dass sie nicht leicht vor Ort demontiert und ersetzt werden können. Die 360 Grad Ringe können nur dann demontiert werden, wenn der gesamte Rotor demontiert ist. Außerdem muss, wenn nur ein Teil des Rings ausfällt, der gesamte Ring ersetzt werden. Daher ist die Option des 360 Grad Rings, nicht die erwünschteste Lösung.
Demzufolge besteht im Fachgebiet ein Bedarf nach einer Vorrichtung, die dazu genutzt werden kann, effektiv die Schwalbenschwänze in einer Turbomaschine abzudichten, die einfach einzubauen ist, und leicht und schnell vor Ort ersetzt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der Erfindung wird eine Dichtung zum Verringern der Kühlstromleckage in einer Schwalbenschwanzverbindung einer Turbomaschine geschaffen. Die Turbomaschine weist mindestens ein Rotorrad und mehrere Schaufeln auf. Die Schaufeln können auch als Laufschaufeln oder Schaufelblätter bezeichnet werden. Ein Rotorrad besitzt mehrere Rotorschwalbenschwanzausnehmungen, und diese Schlitzausnehmungen sind in Umfangsrichtung um den Außenumfang des Rotorrades herum angeordnet. Die Rotorschwalbenschwanzausnehmungen erstrecken sich von einer vorderen axialen Oberfläche des Rotorrades zu einer hinteren axialen Oberfläche des Rotorrades. Die Schaufeln enthalten Schaufelschwalbenschwänze, und die Schaufelschwalben schwänze sind so angeordnet, dass sie in die Rotorschwalbenschwanzausnehmungen passen. Eine Schwalbenschwanzverbindung ist an der Schnittstelle zwischen den Schaufelschwalbenschwänzen und den Rotorschwalbenschwanzausnehmungenn angeordnet, und die Schwalbenschwanzverbindung ist unmittelbar an der vorderen axialen Oberfläche und der hinteren axialen Oberfläche des Rotorrades ausgebildet. Die Dichtung umfasst ein gekrümmtes Trägerelement, das sich durch einen unteren Abschnitt von wenigstens einem der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen erstreckt. Das gekrümmte Trägerelement besitzt ein vorderes Ende, ein hinteres Ende und einen Mittelabschnitt. Das vordere Ende ist in der Nähe der vorderen axialen Oberfläche des Rotorrades angeordnet, und das hintere Ende ist in der Nähe der hinteren axialen Oberfläche des Rotorrades angeordnet. Die Abdichtungselemente weisen ein vorderes Abdichtungselement und ein hinteres Abdichtungselement auf. Das gekrümmte Trägerelement ist sowohl mit den vorderen als auch hinteren Dichtungselementen verbunden. Die Dichtungselemente haben in Zusammenwirkung mit dem gekrümmten Trägerelement die Funktion, die Kühlstromleckage in der Schwalbenschwanzverbindung zu reduzieren.
Eine Dichtung für eine Schwalbenschwanzverbindung in einer Turbomaschine wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung bereitgestellt. Die Dichtung enthält ein gekrümmtes Element mit einem ersten Ende, einem Mittelabschnitt und einem zweiten Ende. Die Dichtung enthält auch eine Dichtungseinrichtung, welche wenigstens ein Dichtungselement enthält. Das Dichtungselement kann ein mit dem ersten Ende verbundenes erstes Dichtungselement und/oder ein mit dem zweiten Ende verbundenes zweites Dichtungselement umfassen. Die Schwalbenschwanzverbindung ist die Schnittstelle zwischen einem Schaufelschwalbenschwanz und einer Rotorschwalbenschwanznut und die Dichtung reduziert die Menge der Kühlstromleckage aus der Schwalbenschwanzverbindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Teilansicht der Schaufeln, des Rotorrades, der Klemmplattendichtung und der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht der Klemmplattendichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine perspektivische Teilansicht der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen und der Klemmplattendichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Klemmplattendichtung über der Rotorschwalbenschwanzausnehmung positioniert dargestellt ist;
4 ist eine perspektivische Teilansicht der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen und eines Schaufelschwalbenschwanzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Klemmplattendichtung in der Unterseite von einem der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen positioniert, und ein Schaufelschwalbenschwanz teilweise in einen von den Rotorschwalbenschwanzausnehmungenn eingeführt dargestellt ist;
5 ist eine perspektivische Teilansicht der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen und eines Schaufelschwalbenschwanzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Klemmplattendichtung in der Unterseite von einem der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen positioniert, und ein Schaufelschwalbenschwanz vollständig in einen von den Rotorschwalbenschwanzausnehmungenn eingeführt dargestellt ist;
6 ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen und eines Schaufelschwalbenschwanzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, mit einer weiteren Ausführungsform der Klemmplattendichtung mit vergrößertem Überdeckungsbereich, die in der Unterseite von einem der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen positioniert dargestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein Abschnitt eines Turbinenrotorrades 100 mit aufnehmenden Rotorschwalbenschwanzausnehmungen 110 dargestellt. Die Rotorschwalbenschwanzausnehmungen 110 können in gleichmäßigen Intervallen um den gesamten Umfang des Rotorrades 100 in Abstand angeordnet sein. Die Rotorschwalbenschwanzausnehmungen 110 erstrecken sich im Wesentlichen in einer axialen Richtung, welche parallel zur Achse des Rotorrades 100 liegen kann. Die Rotorschwalbenschwanzausnehmungen können einer von drei allgemeinen Typen, Axialeinführung, Winkeleinführung und Krümmungseinführung sein. Es liegen jedoch auch weitere Einführungsarten innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Axialeinführungs-Schwalbenschwänze, sind mit ihrer Achse im Wesentlichen parallel zur Achse des Rotorrades angeordnet. Winkeleinführungs-Schwalbenschwänze sind mit ihrer Achse nicht-parallel oder in einem Winkel zu der Achse des Rotorrades angeordnet. Unter Annahme der Rotorradachse in der X-Richtung und der radialen Richtung des Rotorrades in der Y-Richtung können die Krümmungseinführungs-Schwalbenschwänze in Bezug auf eine oder beide von den X- und Y-Richtungen gekrümmt sein.
Die Rotorschwalbenschwanzausnehmungen 110 nehmen passende Einsteck-Schaufelschwalbenschwänze 120 auf, die an den radial inneren Enden der Schaufeln 122 ausgebildet sind. Die Schau feln 122 können auch als Laufschaufeln oder Schaufelblätter bezeichnet werden. Nur ein Teil der Schaufelblätter ist in 1 dargestellt. In dem Aufbauvorgang des vollständigen Turbinenrotorrades gleiten die Schaufelschwalbenschwänze 120 auf den inneren radialen Enden der Schaufeln 122 axial in die passenden Rotorschwalbenschwanzausnehmungen 110 auf dem Rotorrad 100. Diese exemplarische Anordnung von Schaufeln 122 und Rotor 100 könnte in der Turbine oder dem Verdichter einer Turbomaschine angewendet werden.
Eine Klemmplattendichtung 130 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dichtet den einzelnen Schaufelschwalbenschwanz 120 an der Schnittstelle des Rotorschwalbenschwanzes 110 ab. Die Klemmplattendichtung 130 ist in die untere Nut 112 des Rotorschwalbenschwanzes 110 eingeführt. Es kann eine Klemmplattendichtung 130 pro Schaufel vorhanden sein.
Gemäß 2 ist die Klemmplattendichtung 130, welche eine integrierte oder einteilige Konstruktion sein kann, aus zwei Dichtungselementen 205 mit gegenüberliegenden Dichtflächen 210 aufgebaut, welche miteinander über einen gebogenen oder gekrümmten Träger 220 verbunden sind. Die Dichtflächen 210 liegen sowohl den vorderen 140 als auch hinteren 145 Schwalbenschwanzflächen des Rotorrades 100 gegenüber und drücken gegen diese. Die Dichtflächen 210 können als axiale Dichteinrichtung dahingehend betrachtet werden, dass sie auf axiale Oberflächen des Rotorrades 100 und axiale Abschnitte des Schaufelschwalbenschwanzes 120 drücken. Jeder Kühlmittelleckagestrom, welcher in axialer Richtung durch die Schwalbenschwanzverbindung strömt, wird stark durch die axialen Dichtflächen 210 eingeschränkt, wenn nicht gestoppt. Zwei Dichtungselemente 205 sind in 2 dargestellt, aber es könnte auch nur ein Dichtungselement in alternativen Ausführungsformen verwendet werden. In Ausführungsformen mit einem Dichtungselement könnte entweder die vordere oder die hintere Schwalbenschwanzfläche abgedichtet werden.
Die Dichtungselemente 205 können auch Außenoberflächen 215 aufweisen, welche auch abgeschrägte Abschnitte 216 enthalten. Die Außenoberflächen 215 zeigen von der Schwalbenschwanzverbindung weg, und sind im Wesentlichen zu den axialen Dichtungsflächen 210 parallel. Jedoch könnte die Außenoberfläche 215 eben, gewölbt sein oder andere Formen haben. Die abgeschrägten Abschnitte 216 sind nicht-parallel zu den axialen Dichtungsflächen 210 orientiert. Dieser Winkel oder die Abschrägung trägt dazu bei, Luftreibungsverluste zu reduzieren, wenn sich das Rotorrad 100 während des Betriebs der Turbomaschine dreht. Der Winkel zwischen der Fläche des abgeschrägten Abschnittes 216 und der Fläche der axialen Dichtabschnitte 210 kann zwischen 1 bis 75 Grad betragen. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die abgeschrägten Abschnitte 216 glatt, sie können aber auch mit Vertiefungen versehen, konkav, konvex sein und können Verbundflächen oder irgend andere Oberflächenkonfigurationen haben, die dazu beitragen können, Luftreibungsverluste zu reduzieren.
Wenn er in der unteren Nut 112 eingebaut ist, erzeugt der gebogene Träger 220 eine Zugspannung und zieht die Dichtflächen 210 aneinander. Die Dichtflächen 210 bilden axiale Dichtungsflächen und haben die Funktion, jeden axialen Kühlmittelleckagestrom aus der unteren Nut 112 und unteren Abschnitten des Schwalbenschwanzes zu begrenzen. Wenn die Turbine betrieben wird, rotieren das Rotorrad 100 und die Schaufeln 122 mit hoher Drehzahl. Zentrifugalkräfte wirken auf den gebogenen Träger 220 und zwingen den Mittelabschnitt des Trägers 220 in eine radial auswärts gerichtete Richtung. Sobald der Träger radial nach außen gedrückt wird, werden die Enden des Trägers 222 axial nach innen gezogen. Dieser axiale Zug erzeugt eine Klemm- und Dichtwirkung auf die Dichtflächen 210.
Zusätzlich zu den axialen Dichtflächen 210 enthält die Klemmplattendichtung auch radiale Dichtflächen 230. Die radialen Dichtflächen 230 können mit Zungen 410 (siehe 4) oder Vorsprüngen auf einer oder beiden Seiten der Basis des Schaufelschwalbenschwanzes 120 in Berührung stehen. Die radialen Dichtflächen 230 unterstützen das gesamte dynamische Gewicht der Dichtung 130 und stellen eine aktive radiale Dichtung bereit. Die Zentrifugalkraft trägt auch dazu bei, diese radiale Abdichtung aufrechtzuerhalten. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können die Vorsprünge oder Zungen eliminiert und durch irgendeine geeignete radiale Oberfläche ersetzt sein, welche in der Lage ist, die Klemmplattendichtung in einer radialen Richtung zu unterstützen. Beispielsweise kann die Dichtfläche 210 eine Einkerbung, einen Absatz, eine rechteckige Nut oder einen Falz enthalten, der mit einem Abschnitt des Rotorrades oder des Schaufelschwalbenschwanzes in Eingriff steht.
In einer Ausführungsform der Erfindung haben die radialen Dichtflächen 230 Zungen, die in Nuten auf einer oder beiden Seiten des Schaufelschwalbenschwanzes 120 in Eingriff stehen. Die Nuten können auch auf der äußeren 215 oder inneren 210 Oberfläche des Dichtungselementes 205 angeordnet sein, wobei sich die Zungen aus dem Schaufelschwalbenschwanz erstrecken. Die Nuten und Zungen positionieren die Dichtflächen 205 axial und tragen dazu bei, um deren Lösung von dem Rotor zu verhindern. Die Zungen und Nuten können auch den Schaufelschwalbenschwanz 120 axial in Bezug auf das Rotorrad 100 in seiner Lage positionieren und halten.
In noch weiteren zusätzlichen Aspekten der Erfindung kann eine oder beide von den axialen Dichtflächen 210 eine Nut oder einen Falz enthalten, der sich nicht vollständig bis zu der gegenüberliegenden Außenoberfläche 215 erstreckt. In diesen Ausführungsformen kann der Schaufelschwalbenschwanz-Vorsprung mit der Nut oder dem Falz in Eingriff stehen, aber der Vorsprung erstreckt sich nicht bis zu der oder über die Außenoberfläche 215 hinaus. Die Dichtungselemente 205 können auch Finnendichtungen oder andere Vorsprünge enthalten. Finnendichtungen können auch als Dichtungen und axiale Verlängerungen der Turbinenrotorschaufel (d. h., einer Schaufel), eines Schaufelschwalbenschwanzes oder eines Dichtungselementes verwendet werden. Eine Dichtung wird ausgebildet, indem sich die Finnendichtung mit Düsendichtungsstegen überlappt. Die Düsendichtungsstege können einen Teil der festen Komponente einer Gasturbine bilden. Die Finnendichtung verhindert eine Ansaugung von heißen Gasen aus dem Strömungspfad in Gasturbinenradräume. Finnendichtungen können in einem Stück als Teil der Schaufel, des Schaufelschwalbenschwanzes oder Dichtungselemente, gemäß Verkörperung durch die vorliegende Erfindung gegossen werden.
Der gebogene Träger 220 ist radial nach außen gekrümmt. Das Zentrum oder der Mittelpunkt des Trägers ist radial weiter außen als die Enden des Trägers angeordnet. Diese gekrümmte Form hat viele Vorteile gegenüber einer geraden Trägerform. Die durch den gekrümmten Träger 220 erfahrenen Belastungen sind ziemlich gleichmäßig über die gesamte Länge des Trägers verteilt. Die gekrümmte Form stellt auch eine Flexibilität gegenüber Veränderungen in der thermischen Ausdehnung zwischen der Klemmplattendichtung 130 und dem Rotorrad 100 bereit. Diese Flexibilität trägt auch zur Annahme oder Anpassung an Fertigungsabweichungen aufgrund von Teiletoleranzen oder von gebogenen Trägern 220 mit leicht unterschiedlichen Längen bei. Rotoren 100 mit leicht unterschiedlichen Dicken in der axialen Richtung können leicht durch die Klemmplattendichtung 130 kompensiert werden.
Der gebogene Träger kann durch Gießen mit einer Form oder mittels irgendeines anderen geeigneten Herstellungsprozess hergestellt werden, oder kann aus mehreren Stücken hergestellt werden, die miteinander verbunden werden. Das für den Aufbau des gekrümmten Trägers und der Dichtflächen verwendete Material kann jedes Material sein, das den typischerweise in Turbomaschinen, wie z. B. einer Gasturbine, auftretenden Temperaturen widerstehen kann. Beispielsweise sind Nickel- oder Stahl-Legierungen, IN625, IL738 oder IL718 nur wenige Beispiele geeigneter Materialien, die für die Klemmplattendichtung 130 verwendet werden können.
Ein Verfahren zum Einbauen der Klemmplattendichtung 130 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 3–5 beschrieben. 3 stellt einen leeren Rotorschwalbenschwanz 110 vor der Einführung der Klemmplattendichtung 130 und des Schaufelschwalbenschwanzes 120 dar. Die Dichtung 130 ist über dem Rotorschwalbenschwanz 110 zu sehen, und wird auf der Unterseite des Rotorschwalbenschwanzes 112 platziert.
4 stellt die Dichtung 130 auf der Unterseite 112 des Rotorschwalbenschwanzes 110 und den teilweise in den Rotorschwalbenschwanz 110 eingeführten Schaufelschwalbenschwanz 120 dar. Zur Verdeutlichung ist nur ein Abschnitt des Schaufelschwalbenschwanzes 120 in 4–6 dargestellt. Der Schaufelschwalbenschwanz 120 kann in einer axialen Richtung in den Schwalbenschwanz 110 entweder von der vorderen oder hinteren Seite des Rotorrades 100 eingeführt werden. Ein Vorsprung 410 kann auf dem unteren Abschnitt des Schaufelschwalbenschwanzes 120 vorhanden sein. Dieser Vorsprung erstreckt sich aus der Hauptoberfläche der Endwand des Schwalbenschwanzes 120. Der Schaufelschwalbenschwanz 120 kann einen Vorsprung 410 auf einer oder beiden Seiten haben, d. h., den vorderen und hinteren Seiten des Schwalbenschwanzes 120. Der Vorsprung 410 kann dazu genutzt werden, um radial die Dichtung 130 zu unterstützen. Das Gewicht der Dichtung 130 während des Betriebs der Turbomaschine und die Rotation des Rotorrades 100 wird durch diesen Vorsprung 410 unterstützt. Die radiale Dichtungsfläche 230 stellt einen Kontakt zu dem Vorsprung 410 her, und hat auch die Funktion, jeden Leckagestrom aus der Schnittstelle zwischen der radialen Dichtfläche 230 und dem Vorsprung 410 abzudichten. In alternativen Ausführungsformen kann der Vorsprung 410 weggelassen werden. Beispielsweise kann das Dichtungselement 205 Einkerbungen, Absätze, Falze oder rechteckige Nuten enthalten, die dazu genutzt werden können, die Klemmplattendichtung in einer radialen Richtung durch einen Eingriff mit Oberflächen auf dem Schwalbenschwanz oder dem Rotorrad zu unterstützen.
Die Kühlkanäle 420 können in dieser Teildarstellung des Schaufelschwalbenschwanzes 120 gesehen werden. Es sind nur einige wenige Kühlkanäle 420 zur Verdeutlichung dargestellt, und es dürfte sich verstehen, dass mehr oder weniger Kühlkanäle in dem Schaufelschwalbenschwanz und dem Schaufelblatt vorhanden sein können. Die Kühlkanäle erstrecken sich aus der Basis oder dem radial innersten Abschnitt des Schaufelschwalbenschwanzes 120 in das und durch das (in 4 nicht dargestellte) Schaufelblatt. Kühlluft oder Dampf kann durch diese Kanäle geleitet werden, um die Schaufel zu kühlen. In einem Beispiel kann die Kühlluft von dem Verdichter abgezweigt werden.
5 stellt den Schaufelschwalbenschwanz 120 vollständig in eine der Rotor-Schwalbenschwanznuten 110 eingeführt dar. Die äußeren axialen Oberflächen sowohl des Schaufelschwalben schwanzes 120 als auch des Rotorrades 100 können im Wesentlichen bündig zueinander sein, und der Vorsprung 410 erstreckt sich von diesen Oberflächen nach außen. In einigen Ausführungsformen können die äußere axiale Oberfläche des Vorsprungs 410 und der äußeren Oberfläche 215 des Dichtungselementes 205 bündig zueinander sein. Wie man aus den 1–5 ersehen kann, ist die Dichtung 130 sehr effektiv in der Minimierung der Kühlluftleckage durch die Schwalbenschwanzverbindung.
6 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Eines oder beide von den Dichtungselementen 205 können verbessert werden, indem ein verlängertes radiales Dichtungselement 610 hinzugefügt wird. Das verlängerte radiale Dichtungselement 610 stellt eine weitere Abdichtung um die Schwalbenschwanzverbindung herum bereit, und kann einen Kühlmittelleckagestrom durch die oberen Abschnitte der Schwalbenschwanzverbindung reduzieren. Das verlängerte radiale Dichtungselement kann in einem Stück mit dem Dichtungselement 205 ausgebildet sein, um ein einteiliges Element auszubilden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tritt ein Vorsprung 410 in das Dichtungselement 205 ein, aber nicht durch dieses hindurch.
In zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Erfindung kann der Bereich, in welchem das gebogene oder gekrümmte Trägerelement 220 einen Kontakt zu den Dichtungselementen 205 herstellt, gekrümmt oder abgeschrägt sein, um Belastungen und Spannungen zu reduzieren. Der Durchmesser des gebogenen Trägers 220 kann erweitert sein, um lokale Spannungen abzubauen. Dieses "Erweitern" verteilt die Spannung auf den Träger gleichmäßiger und kann hohe Punktspannungsbelastungen in der Nähe des Kontaktpunktes zwischen den Dichtungselementen 205 und dem gebogenen Träger 220 beseitigen.
Der gebogene Träger kann andere Gestalten und Formen als die vorstehend beschriebenen annehmen. Für axiale Schwalbenschwänze kann der gebogene Träger im Wesentlichen senkrecht zu den radialen Dichtungsflächen der Klemmplattendichtung ausgebildet sein. Angewinkelte oder schräg gestellte Schwalbenschwänze können den gebogenen Träger in einer nicht senkrechten Weise orientiert haben. Gekrümmte SS Schwalbenschwänze können gekrümmte Träger mit einer zusammengesetzten gekrümmten Form haben. Die zusammengesetzte gekrümmte Form des gebogenen Trägers kann sowohl in axialer Richtung (z. B. X-Richtung) als auch radialer Richtung (z. B. Y-Richtung) gekrümmt sein.
In noch weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung kann das gekrümmte Trägerelement die Form einer Feder, eines Teleskopelementes oder irgendeiner anderen geeigneten Einrichtung annehmen, um die Dichtungselemente zu verbinden. Wie vorstehend beschrieben, können anstelle von zwei Dichtungselementen nur eines verwendet werden, wobei irgendeine geeignete Einrichtung verwendet wird, um das andere Ende der Klemmplattendichtung zu befestigen.
Die Klemmplattendichtung gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in jeder Rotationsturbomaschine verwendet werden, in welcher eine Notwendigkeit für die Einschränkung des Leckagestroms besteht. Eine Turbomaschine kann eine Maschine sein, in welcher die kinetische Energie von sich bewegendem Fluid in mechanische Energie umgewandelt wird, indem ein Schaufelrotor zur Drehung veranlasst wird. Turbomaschinen können (mit verschiedenen und unterschiedlichen Brennstoffen betriebene) Turbinen, Gasturbinen, Dampfturbinen, Wasser- oder Hydroturbinen, Biobrennstoffturbinen, Turbinentriebwerke zum Antrieb von Flugzeug- oder Schiffsmaschinen umfassen.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als eine von den praxisgerechtesten und bevorzugten Ausführungsformen betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche enthalten sind, abdecken soll.
Es wird eine Dichtung 130 für eine Schwalbenschwanzverbindung in einer Turbomaschine bereitgestellt. Die Dichtung enthält ein gekrümmtes Element 220 mit einem ersten Ende, einem Mittelabschnitt und einem zweiten Ende. Die Dichtung enthält auch eine Dichtungseinrichtung 205, welche wenigstens ein Dichtungselement enthält. Das Dichtungselement kann ein erstes Dichtungselement aufweisen, das mit dem ersten Ende verbunden ist und/oder ein zweites Dichtungselement, das mit dem zweiten Ende verbunden ist. Die Schwalbenschwanzverbindung ist die Schnittstelle zwischen einem Schaufelschwalbenschwanz 120 und einer Rotorschwalbenschwanznut 110, und die Dichtung 130 reduziert das Ausmaß der Kühlmittelstromleckage aus der Schwalbenschwanzverbindung.

100: Rotorrad
110: Rotorschwalbenschwanzausnehmungen
112: Untere Nut des Schwalbenschwanzes
120: Schaufelschwalbenschwänze
122: Schaufeln
130: Klemmplattendichtung
140: Vordere Schwalbenschwanzfläche
145: Hintere Schwalbenschwanzfläche
205: Dichtungselemente
210: Dichtungsfläche
250: Außenoberflächen der Dichtungselemente
216: Abgeschrägte Abschnitte der Dichtungselemente
220: Gebogener Träger
222: Ende des Trägers
230: Radiale Dichtungsfläche
410: Projektion auf Schaufelschwalbenschwanz
610: Verlängertes radiales Dichtungselement

Claims

Dichtung (130) zum Reduzieren einer Kühlmittelstromleckage in einer Schwalbenschwanzverbindung einer Turbomaschine, wobei: die Turbomaschine mindestens ein Rotorrad (100) und mehrere Schaufeln (122) aufweist, das Rotorrad mehrere in Umfangsrichtung darum herum angeordnete Rotorschwalbenschwanzausnehmungen (110) aufweist, sich die Rotorschwalbenschwanzausnehmungen von einer vorderen axialen Oberfläche (140) des Rotorrades zu einer hinteren axialen Oberfläche (145) des Rotorrades erstrecken, die Schaufeln Schaufelschwalbenschwänze (120) aufweisen, die Schaufelschwalbenschwänze so angeordnet sind, dass sie in die Rotorschwalbenschwanzausnehmungen passen, die Schwalbenschwanzverbindung an der Schnittstelle zwischen den Schaufelschwalbenschwänzen und den Rotorschwalbenschwanzausnehmungen ausgebildet ist, und sich die Schwalbenschwanzverbindung unmittelbar an der vorderen axialen Oberfläche und der hinteren axialen Oberfläche des Rotorrades befindet, wobei die Dichtung aufweist: ein gekrümmtes Trägerelement (220), wobei sich das gekrümmte Trägerelement durch einen unteren Abschnitt (112) von wenigstens einem der Rotorschwalbenschwanzausnehmungen erstreckt; das gekrümmte Trägerelement ein vorderes Ende, ein hinteres Ende und einen Mittelabschnitt besitzt, das vordere Ende in der Nähe der vorderen axialen Oberfläche (140) des Rotorrades angeordnet ist, und das hintere Ende in der Nähe der hinteren axialen Oberfläche (145) des Rotorrades angeordnet ist; und Dichtungselemente (205), wobei die Dichtungselemente ein vorderes Dichtungselement und ein hinteres Dichtungselement aufweisen, wobei das gekrümmte Trägerelement mit dem vorderen Dichtungselement und dem hinteren Dichtungselement verbunden ist; wobei die Dichtungselemente (205) in Zusammenwirken mit dem gekrümmten Trägerelement (200) die Funktion haben, die Kühlmittelstromleckage in der Schwalbenschwanzverbindung zu reduzieren.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei die Dichtungselemente (205) ferner aufweisen: eine axiale Dichtungseinrichtung (210) zum Reduzieren eines Ausmaßes der Kühlmittelstromleckage aus der Schwalbenschwanzverbindung, wobei wenigstens ein Abschnitt der axialen Dichteinrichtung im Wesentlichen parallel zu der vorderen axialen Oberfläche des Rotorrades und der hinteren axialen Oberfläche des Rotorrades ausgerichtet ist.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei die Dichtungselemente (205) ferner aufweisen: eine erste Oberfläche (210), wobei die erste Oberfläche zu der Schwalbenschwanzverbindung zeigt; eine zweite Oberfläche (215), wobei die zweite Oberfläche im Wesentlichen von der Schwalbenschwanzverbindung weg zeigt; die zweite Oberfläche einen abgeschrägten Abschnitt (216) um ihren Umfang herum aufweist, wobei der abgeschrägte Abschnitt zur Reduzierung von Luftreibungsverlusten während des Betriebs der Turbomaschine dient.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei das Rotorrad (100) eine Mittenachse besitzt, und die Dichtungselemente (205) ferner aufweisen: eine radiale Dichtungseinrichtung (230) zum Reduzieren eines Ausmaßes einer Kühlmittelstromleckage aus der Schwalbenschwanzverbindung, wobei die radiale Dichtungseinrichtung so ausgerichtet ist, dass sie im Wesentlichen parallel zu der Mittenachse des Rotorrades ist.
Dichtung nach Anspruch 4, wobei die Schaufelschwalbenschwänze (120) wenigstens einen sich axial erstreckenden Vorsprung (410) aufweisen, und die radiale Dichtungseinrichtung (230) mit wenigstens einem Abschnitt von dem sich wenigstens einen axial erstreckenden Vorsprung in Kontakt steht.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei das Rotorrad (100) eine Mittenachse besitzt und das gekrümmte Trägerelement (220) ferner aufweist: den Mittelabschnitt des gekrümmten Trägerelementes, der in einem ersten radialen Abstand von der Mittenachse des Rotorrades angeordnet ist; das vordere Ende und das hintere Ende, die in einem zweiten radialen Abstand von der Mittenachse des Rotorrades angeordnet sind; wobei der erste radiale Abstand größer als der zweite radiale Abstand ist.
Dichtung nach Anspruch 6, wobei das gekrümmte Trägerelement (220) so angeordnet ist, dass es eine Zugkraft zwischen dem vorderen Dichtungselement (205) und dem hinteren Dichtungselement (205) so erzeugt, dass die Zugkraft in der Wirkung das vordere Dichtungselement und das hintere Dich tungselement zu der Schwalbenschwanzverbindung hin zieht, wenn die Dichtung in die Turbomaschine eingebaut ist.
Dichtung nach Anspruch 6, wobei das Rotorrad (100) während des Betriebs der Turbomaschine unter Erzeugung von Zentrifugalkraft rotiert, wobei die Zentrifugalkraft auf den Mittelabschnitt des gekrümmten Trägerelementes (220) einwirkt, um den Mittelabschnitt in eine radiale Auswärtsrichtung von der Mittenachse des Rotorrades aus zu drücken, wobei, sobald der Mittenabschnitt radial nach außen gedrückt wird, das vordere Ende und das hintere Ende axial nach innen auf die Schwalbenschwanzverbindung gezogen werden.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines von den Dichtungselementen (205) so angeordnet ist, dass es im Wesentlichen einen Großteil der Schwalbenschwanzverbindung überdeckt.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei die Turbomaschine aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einem Flugzeugtriebwerk.