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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
einer industriellen Gasturbine sind Deckbandsegmente an Turbinenmantelhaken
in einer ringförmigen Anordnung um die Turbinenrotorachse herum
befestigt, um ein ringförmiges Deckband radial außerhalb
und angrenzend an die Spitzen von Teile des Turbinenrotors bildenden
Schaufeln zu erzeugen. Die Innenwand des Deckbandes definiert einen Teil
des Gasweges. Herkömmlicherweise bestehen die Deckbandsegmente
aus inneren und äußeren Deckbändern,
die mit komplementären Haken und Nuten angrenzend an ihre
Vorder- und Hinterkanten zur Verbindung der inneren und äußeren
Deckbänder miteinander versehen sind. Das äußere
Deckband ist wiederum an dem Turbinenmantel- oder an Gehäusehaken
befestigt. In einer Beispielkonfiguration weist jedes Deckbandsegment
ein äußeres Deckband und zwei oder drei innere
Deckbänder auf.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung nutzt den Duckgradienten, der zwischen dem Strömungsweg
hinter der Schaufel und der Deckbandkühlluft vorliegt,
um dem Hinterkantenhaken zu ermöglichen, effizienter abzudichten.
Insbesondere verwendet die Erfindung den Druckgradienten, der normalerweise
eine Kraft in der radialen Richtung erzeugt und wandelt diese durch die
Verwendung wenigstens einer schrägen Fläche in
eine Kraft in den axialen und radialen Richtungen um. Die Abschrägung
ist in der Hinterkante des inneren Deckbandes und äußeren
Deckbandes untergebracht und ist, in einer Beispielausführungsform,
in einer solchen Weise positioniert, dass der Druckgradient das
innere Deckband zwingt, sich leicht in der Richtung des Gasweges
und zu der Mitte des Triebwerks hin zu bewegen. Diese Bewegung zwingt
das innere Deckband, den radialen Spalt zwischen dem inneren Deckband
und dem äußeren Deckband eng anliegend abzudichten.
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Somit
kann die Erfindung in einem Statordeckband einer mehrstufigen Gasturbine
verkörpert sein, die aufweist: ein Deckbandsegment mit
einer Fläche, um teilweise einen Heißgasweg durch
eine Stufe und über den Spitzen von einen Teil des Turbinenrotors
bildenden Schaufeln der einen Stufe zu definieren, wobei das Deckbandsegment
eine vordere, stromaufwärts liegende Kante und eine hintere, stromabwärts
liegende Kante besitzt; wobei das Deckband ein äußeres
Deckband und wenigstens ein damit verbundenes inneres Deckband aufweist; wobei
das äußere Deckband eine angrenzend an und entlang
jeder seiner Vorder- und Hinterkanten definierte Nut besitzt, wobei
sich die Nut entlang der Hinterkante in eine axial stromaufwärts
gerichtete Richtung öffnet; wobei das innere Deckband einen axial
vorstehenden Vorderkanten-Hakenabschnitt und einen axial vorstehenden
Hinterkanten-Hakenabschnitt besitzt, um jeweils mit den Nuten des äußeren
Deckbandes in Eingriff zu stehen, wobei der Eingriff das innere
Deckband axial und radial an dem äußeren Deckband
festhält; und wobei wenigstens ein Element von dem Hinterkantenhaken
des inneren Deckbandes und der Hinterkantennut des äußeren Deckbandes
eine schräge Fläche enthält, die in einem
Winkel zu einer axialen Richtung des Rotors und zu einer radialen
Richtung des Rotors angeordnet ist, und dem anderen von den inneren
und äußeren Deckbändern gegenüberliegt,
wodurch eine radial nach innen gerichtete Kraft auf das innere Deckband in
eine Kraft in axialen und radialen Richtungen umgewandelt wird,
um das innere Deckband zu zwingen, eng anliegend einen radialen
Spalt zwischen den inneren und äußeren Deckbändern
abzudichten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden durch
ein sorgfältiges Studium der nachstehenden detaillierteren
Beschreibung der derzeit bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
vollständiger verständlich und erkennbar, in den:
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1 eine
schematische Seitenansicht in Umfangsrichtung ist, die eine herkömmliche
Innendeckband-Halterungskonstruktion darstellt;
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2 eine
schematische Seitenansicht in Umfangsrichtung ist, die eine weitere
herkömmliche Innendeckband-Halterungskonstruktion darstellt;
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3 eine
vergrößerte schematische Seitenansicht in Umfangsrichtung
des den herkömmlichen Deckbandhalterungskonstruktionen
von 1 und 2 entsprechenden Deckbandsegment-Hinterkantenendes;
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4 eine
vergrößerte schematische Seitenansicht in Umfangsrichtung
eines die Erfindung verkörpernden Deckbandsegmentes.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
1 ist
ein insgesamt mit
10 bezeichnetes Deckbandsegment dargestellt,
das aus einem äußeren Deckband
12 und
einem von mehreren inneren Deckbändern
14 zur
Befestigung an dem äußeren Deckband
12 besteht.
Die inneren Deckbänder besitzen Haken
16,
18 angrenzend
an ihre Vorder- bzw. Hinterkanten
17,
19 für
einen in Umfangsrichtung verschiebbaren Eingriff in Nu ten
20,
22 des äußeren
Deckbandes
12 in einer Endbaugruppe. Die inneren und äußeren
Deckbänder befestigen auch eine Aufprallkühlplatte
24 zwischen
den Deckbändern zur Aufprallkühlung der Wandflächen
26 der
inneren Deckbandsegmente. Das äußere Deckband
12 besitzt
eine radial äußere Schwalbenschwanznut
30 zur
Aufnahme eines einen Teil des festen Turbinenmantels bildenden Hakens
32 zur
Befestigung des Deckbandsegmentes
10 an dem Mantel. Man
erkennt, dass eine ringförmige Anordnung von Deckbandsegmenten
10 um
den Rotor der Gasturbine und um die Spitzen der Schaufeln
35 auf
dem Rotor herum ausgebildet sind, um dadurch eine Außenwand oder
Begrenzung
31 für das durch den Heißgasweg der
Turbine strömende heiße Gas definieren. Weitere Merkmale
und Details der Beispieldeckbandbaugruppe von
1 sind
in dem
U.S. Patent Nr. 6 402
466 offenbart, dessen Offenbarung hierin durch diesen Verweis
darauf beinhaltet ist.
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2 veranschaulicht
eine weitere Beispieldeckbandbaugruppe. Wie darin dargestellt, besteht ein
insgesamt mit 110 bezeichnetes Deckbandsegment aus einem äußeren
Deckband 112 und mehreren inneren Deckbändern 114.
Typischerweise sind zwei oder drei Deckbänder vorgesehen,
wovon nur eines zur Verdeutlichung dargestellt ist. Die Innendeckbänder
besitzen Haken 116, 118 angrenzend an ihre Vorder-
bzw. Hinterkanten 117, 119 für einen
in Umfangsrichtung verschiebbaren Eingriff in den Nuten 120, 122,
die durch die Haken 121, 123 des äußeren
Deckbandes 12 in der Endbaugruppe definiert sind. In der
dargestellten Ausführungsform ist eine Aufprallkühlplatte 124 zwischen
den Deckbändern für die Aufprallkühlung
der Innenwand der Flächen des Deckbandsegmentes 110 in
einer herkömmlichen Weise befestigt.
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In
dem dargestellten Beispiel besitzt der äußere
Deckmantel 116 einen radial äußeren Schwalbenschwanz 130 für
einen Eingriff in einer Schwalbenschwanznut 132, die durch
Vorder- und Hinterkantenhaken 134, 136 definiert
wird, die einen Teil des festen Turbinenmantels oder Gehäuses
zur Befestigung des Deckbandsegmentes an dem Gehäuse bilden.
Bekannte Alternativen zu der dargestellten Konfiguration würden
ein äußeres Deckband enthalten, das mit einer
radial äußeren Schwalbenschwanznut für
die Aufnahme eines entsprechend geformten Schwalbenschwanzes versehen
ist, der als Teil des Turbinengehäuses wie in 1 ausgebildet
ist.
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Wie
in der in
1 dargestellten Struktur ist in
der Baugruppe von
2 eine ringförmige
Anordnung von Deckbandsegmenten
110 um den Rotor der Gasturbine
und um die Spitzen der Schaufeln auf dem Rotor ausgebildet, um dadurch
eine äußere Wand oder Begrenzung für
das durch den Heißgasweg der Turbine strömende
heiße Gas zu definieren. Weitere Merkmale des in
2 dargestellten
Aufbaus sind in dem
U.S. Patent
Nr. 6 814 538 offenbart, dessen Offenbarung hierin durch
diesen Verweis darauf beinhaltet ist.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht der Deckbandhinterkante
in den Deckbandkonfigurationen der 1 und 2 zum
Vergleich mit der Erfindung, wovon eine Ausführungsform
hierin nachstehend beschrieben wird.
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Herkömmliche
Deckbandhaken verwenden axiale und radiale (vertikale und horizontale)
Hakenkomponenten wie in den in den 1 und 2 dargestellten
Deckbandbaugruppen. Der Druckgradient zwischen der Kühlluft
zwischen der Deckbandbaugruppe und den Strömungswegdichtungen übt
eine Kraft auf die Umfangs/Axial-Fläche aus. Diese Umfangs-
oder Axial-Fläche ist keine effektive Dichtungsfläche
aufgrund des Sehnenverlaufs des inneren Deckbandes. Insbesondere
biegt der Sehnenverlauf das innere Deckband in einem größeren
Ausmaß als das äußere Deckband und öffnet
einen Spalt in der axialen Dichtung.
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Die
Erfindung nutzt den Druckgradienten, der zwischen dem Strömungsweg
hinter der Schaufel und der Deckbandkühlluft vorliegt,
um dem Hinterkantenhaken zu ermöglichen, effizienter abzudichten.
Die Dichtung mit höherer Effektivität verringert den
Spalt zwischen den inneren und äußeren Deckbändern,
was wiederum die Menge an Kühlluft verringert, die durch
diesen speziellen Spalt verloren geht. Insbesondere nutzt die Erfindung
den Druckgradienten, der normalerweise eine Kraft in der radialen Richtung
erzeugen würde und transformiert ihn in eine Kraft in den
axialen und radialen Richtungen durch die Verwendung der schrägen
Flächen. Die Abschrägung ist in der Hinterkante
des inneren Deckbandes und des äußeren Deckbandes
untergebracht und ist in einer solchen Weise positioniert, dass
in einer Beispielausführung, der Druckgradient das innere
Deckband zwingt, sich leicht in der Richtung des Gasweges und zur
Mitte der Maschine hin zu bewegen. Diese Bewegung zwingt das innere
Deckband, den radialen Spalt zwischen dem inneren Deckband und dem äußeren
Deckband eng abzudichten.
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Somit
und um insbesondere einen Kontakt entlang der Dichtung und eine
effektive Abdichtung an dem hinteren Haken sicherzustellen, ist
in einer Beispielausführungsform der Erfindung eine schräge,
konische Komponente in der Dichtung enthalten, die die Druckbelastung
aus rein radialen Kraft in eine radiale und axiale Kraft überträgt.
Somit wird als eine Ausführungsform ein Statordeckband
im Wesentlichen des in den 1 und 2 dargestellten
Typs bereitgestellt, wobei wenigstens ein Element von dem Hinterkantenhaken
des inneren Deckbandes und der Hinterkantennut des äußeren
Deckbandes eine schräge Fläche aufweist, die in
einem Winkel zu einer axialen Richtung des Rotors und zu einer radialen
Richtung des Rotors angeordnet ist, und dem anderen von dem inneren
Deckband und äußeren Deckband gegenüberliegt.
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In
einer Beispielausführungsform gemäß Darstellung
in 4 enthält der Haken 218 des
inneren Deckbandes an dem rückwärtigen oder hinteren Ende 219 des
inneren Deckbandes 214 eine schräge Fläche 240,
die in Bezug auf die Achse des Rotors und in Bezug auf die radiale
Richtung des Rotors schräg ist. Insbesondere enthält
der Haken 218 des inneren Deckbandes eine schräge
Fläche 240, die axial nach vorne und radial nach
innen gewandt ist. Ferner enthält die axial nach vorne
weisende Nut 222 des äußeren Deckbandes 212 eine
entsprechend schräge Fläche 242, die
radial nach außen und in eine axial nach hinten gerichtete
oder rückwärtige Richtung zeigt. Demzufolge wirkt
die Axialkraft auf das innere Deckband 214 und zwingt das
Deckband, sich um den erforderlichen Betrag zu bewegen, um einen
Kontakt mit dem äußeren Deckband 212 herzustellen.
Wenn die Maschine in Betrieb ist, liegt immer ein Druckgradient
an dieser Stelle vor, so dass die innere Deckbanddichtung konstant
in der geschlossenen Position belastet wird.
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Somit überträgt
die Erfindung die Belastung aus der rein radialen Kraft in eine
Kombination axialer und radialer Kräfte und zwingt das
innere Deckband zum Abdichten des radialen Spaltes zwischen den
inneren und äußeren Deckbändern. Auf
diese Weise erzwingt der Druckgradient eine eng anliegende Abdichtung
in der Radialrichtung (aufgrund der axialen Kraft) anstelle der
in der Axial/Umfangs-Richtung. Dichtungen in der Axial/Umfangs-Richtung
sind aufgrund des Sehnenverlaufseffektes des inneren und äußeren
Deckbandes, wie vorstehend erwähnt, keine effektiven Dichtungen.
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In
dem dargestellten Beispiel weist der Hinterkantenhaken 218 des
inneren Deckbandes 214 eine radial äußere
Umfangsflä che 244 und eine radial innere Umfangsfläche
auf. Die radial innere Umfangsfläche besteht aus der schrägen
Fläche 240 und einer ersten Fläche 246,
die im Wesentlichen parallel zu der axialen Richtung des Rotors
ist. In diesem Beispiel weist der Haken 218 ferner eine
zweite Fläche 248 parallel zu der axialen Richtung
und auf einer gegenüberliegenden axialen Seite der schrägen
Fläche 240 in Bezug auf die erste Fläche 246 auf.
Andererseits erstreckt sich die radial äußere
Umfangsfläche 244 des Hakens 218 im Wesentlichen entlang
einer gesamten axialen Länge des Hakens 218 axial.
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In
dem dargestellten Beispiel weist die Hinterkantennut 222 des äußeren
Deckbandes 212 eine radial äußere Umfangsfläche 250 und
eine radial innere Umfangsfläche auf. Die radial innere
Umfangsfläche besteht aus der schrägen Fläche 242 und
einer ersten Fläche 252, die im Wesentlichen parallel zu
der axialen Richtung des Rotors ist. In diesem Beispiel weist die
Nut 222 ferner eine zweite Fläche 254 parallel
zu der axialen Richtung und auf einer gegenüberliegenden
axialen Seite der schrägen Fläche 242 in
Bezug auf die erste Fläche 252 auf. Andererseits
erstreckt sich die radial äußere Umfangsfläche 250 der
Nut 222 im Wesentlichen entlang einer gesamten axialen
Länge der Nut 222 axial.
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Wie
man erkennen wird, gibt es weitere mögliche Geometrien
der Grenzfläche des äußeren Deckbandes
und des inneren Deckbandes, die das Konzept des schrägen
Hakens der Erfindung nutzen könnten, um das hintere Ende
des Deckbandes zusätzlich zu der dargestellten Ausführungsform
abzudichten. Somit wird die Erfindung in der Verwendung der schrägen
Dichtung verkörpert, um den effektiven Spalt in der Dichtung
zu verringern, ist jedoch nicht auf die spezielle Stelle oder Konfiguration
der dargestellten schrägen Dichtung oder der entsprechenden Konfi gurationen
der Haken und Nuten des inneren und äußeren Deckbandes
beschränkt.
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Somit
dürfte es sich, obwohl die Erfindung in Verbindung mit
dem beschrieben wurde, was derzeit für die praktikabelste
und bevorzugteste Ausführungsform der Erfindung angesehen
wird, verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt ist, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene
Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in dem
Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche
enthalten sind, mit abdecken soll.
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Es
wird ein Statorsegment 10, 100 bereitgestellt,
das ein äußeres Deckband 212 mit einer
Vorderkantennut und einer Hinterkantennut 222 enthält; und
mehrere innere Deckbänder 214, wovon jedes einen
Vorderkantenhaken und einen Hinterkantenhaken 218 besitzt,
wobei die Vorderkanten- und Hinterkantenhaken von jedem inneren
Deckband jeweils mit den Vorderkanten- und Hinterkantennuten des äußeren
Deckbandes in Eingriff zu stehen, um so axial und radial die inneren
Deckbänder an den äußeren Deckband festzuhalten.
Wenigstens ein Element von dem Hinterkantenhaken 218 des
inneren Deckbandes 214 und der Hinterkantennut 222 des äußeren Deckbandes 212 enthält
eine schräge Fläche 220, 242,
die in einem Winkel zu einer axialen Richtung des Rotors und zu
einer radialen Richtung des Rotors angeordnet ist, und dem anderen
von den inneren und äußeren Deckbändern
gegenüberliegt, wodurch eine radial nach innen gerichtete
Kraft auf das innere Deckband in eine Kraft in axialen und radialen
Richtungen umgewandelt wird, um das innere Deckband zu zwingen,
eng anliegend einen radialen Spalt zwischen den inneren und äußeren
Deckbändern 212, 214 abzudichten.
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- 10
- Deckbandsegment
- 12
- Äußeres
Deckband
- 14
- Inneres
Deckband
- 16,
18
- Haken
des inneren Deckbandes
- 17,
19
- Vorder-
und Hinterkanten
- 20,
22
- Nuten
des äußeren Deckbandes
- 24
- Aufprallkühlplatte
- 26
- Wandflächen
- 30
- Schwalbenschwanznut
- 31
- Außenwand
oder Begrenzung
- 32
- Haken
- 35
- Schaufeln
- 110
- Deckbandsegment
- 112
- Äußeres
Deckband
- 114
- Inneres
Deckband
- 116,
118
- Haken
des inneren Deckbandes
- 117,
119
-
- 120,
122
- Nuten
- 121,
123
- Äußere
Deckbandhaken
- 124
- Aufprallkühlplatte
- 130
- Schwalbenschwanznut
- 132
- Schwalbenschwanz
- 134,
136
- Vorderkanten-
und Hinterkantenhaken
- 212
- Äußeres
Deckband
- 214
- Inneres
Deckband
- 218
- Haken
des inneren Deckbandes
- 219
- Rückwärtiges
oder hinteres Ende
- 222
- Axial
nach vorne zeigende Nut
- 240
- Schräge
Fläche
- 242
- Schräge
Fläche
- 244
- Radial äußere
Umfangsfläche
- 246
- Erste
Fläche
- 248
- Zweite
Fläche
- 250
- Radial äußere
Umfangsfläche
- 252
- Erste
Fläche
- 254
- Zweite
Fläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6402466 [0009]
- - US 6814538 [0012]