DE102009026050A1

DE102009026050A1 - Nachgiebige Dichtung für einen Rotorschlitz

Info

Publication number: DE102009026050A1
Application number: DE102009026050A
Authority: DE
Inventors: Radu Ioan Danescu; John D. Ward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-01-14
Also published as: FR2933732A1; JP2010019255A; CN101624917A; US20100008782A1; US8215914B2

Abstract

Es ist eine nachgiebige Dichtungsanordnung (100) zur Abdichtung eines Spalts (90) zwischen einer Schwalbenschwanznase (70) einer Schaufel (10) und einem Schlitz (25) eines Rotors (20) beschrieben. Die nachgiebige Dichtungsanordnung (100) kann eine Dichtungsnut (110), die um den Schlitz (25) angeordnet ist, und eine nachgiebige Dichtung (120) enthalten, die um die Dichtungsnut (110) angeordnet ist. Die nachgiebige Dichtung (120) wird in den Spalt (90) hinein und um die Schwalbenschwanznase (70) herum gedrückt, wenn die Schaufel (10) rotiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein einen beliebigen Turbinentyp, und insbesondere betrifft sie Systeme und Verfahren zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Schwalbenschwanz einer Turbinenschaufel und einem Turbinenrotorschlitz mittels einer nachgiebigen Dichtung.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Gasturbinen enthalten im Allgemeinen einen Turbinenrotor (ein Laufrad) mit mehreren in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Schaufeln (Laufschaufeln). Die Schaufeln können allgemein ein Schaufelblatt, eine Plattform, einen Schaft, einen Schwalbenschwanz und andere Elemente enthalten. Der Schwalbenschwanz jeder Schaufel ist innerhalb des Turbinenrotors angeordnet und darin gesichert. Die Schaufeln ragen in den Heißgaspfad hinein, um die kinetische Energie des Gases in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln. Mehrere Kühlmittelkanäle können sich radial durch die Schaufeln erstrecken, um eine nach innen und/oder nach außen gerichtete Strömung des Kühlmittels durchzuleiten.
In dem Kühlmittezufuhrkreislauf können aufgrund thermischer und/oder zentrifugaler Belastungen auf einem Spalt zwischen den Vorsprüngen bzw. Nasen der Schwalbenschwänze und der Rotoroberfläche beruhende Leckagen entstehen. Luftverluste, die aus dem Schaufelzufuhrkreis in den Radraum hinein führen, können im Hinblick auf die Schaufelkühlmittelströmungsanforderungen beträchtlich sein. Darüber hinaus kann die Luft nachgeordneten Verdichterstufen entnommen werden, so dass die Einbuße an Energieertrag und Gesamtwirkungsgrad während des Triebwerksbetriebs beträchtlich sein können.
Es sind Anstrengungen unternommen worden, um diese Leckage zu begrenzen. Ein Verfahren enthält z. B. das Aufbringen von Aluminium an einer Schwalbenschwanznase, um so den Spalt zumindest teilweise zu füllen. Insbesondere kann ein 360-Grad umfassender Ring gegen die Vorderseite der Schwalbenschwanzstirnfläche gepresst werden. Obwohl diese Konstruktion gut abdichtet und langlebig ist, kann die Konstruktion im Feld nicht einfach demontiert und ersetzt werden. Vielmehr können diese Ringe nur dann demontiert werden, wenn der gesamte Rotor demontiert wird.
Es besteht somit ein Wunsch nach verbesserten Dichtungssystemen und -verfahren für eine Schwalbenschwanznase. Solche Systeme und Verfahren sollten eine Leckage adäquat verhindern, um den gesamten Systemwirkungsgrad zu erhöhen und gleichzeitig im Feld installierbar und/oder reparierbar sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit eine nachgiebige Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Schwalbenschwanzvorsprung bzw. einer Schwalbenschwanznase einer Schaufel und einem Schlitz eines Rotors. Die nachgiebige Dichtungsanordnung kann eine an dem Schlitz angeordnete Dichtungsnut und eine nachgiebige Dichtung enthalten, die an der Dichtungsnut angeordnet ist. Wenn die Schaufel rotiert, wird die nachgiebige Dichtung in den Spalt hinein und um die Schwalbenschwanznase herum gedrückt.
Die vorliegende Anmeldung schafft ferner ein Verfahren zur Abdichtung eines Spalts zwischen einer Schwalbenschwanznase/einem Schwalbenschwanzvorsprung einer Schaufel und einem Schlitz eines Rotors. Das Verfahren kann die Schritte der maschinellen Erzeugung einer Dichtungsnut um den Rotorschlitz, des Anordnens einer nachgiebigen Dichtung an der Dichtungsnut, des Drehens der Schaufel und des Drückens der nachgiebigen Dichtung in den Spalt hinein und um die Schwalbenschwanznase herum enthalten.
Die vorliegende Anmeldung schafft ferner eine nachgiebige Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Schwalbenschwanzvorsprung/einer Schwalbenschwanznase einer Schaufel und einem Schlitz eines Rotors. Die nachgiebige Dichtungsanordnung kann eine um den Schlitz angeordnete Dichtungsnut und eine nachgiebige Dichtung enthalten, die um die Dichtungsnut angeordnet ist. Die nachgiebige Dichtung wird mittels Zentrifugalkraft in den Spalt hineingetrieben und passt sich, um die Schwalbenschwanznase an, wenn die Schaufel rotiert.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden für einen Fachmann nach Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schaufel mit einem Deckband, wie sie mit den hierin beschriebenen Dichtungssystemen verwendet werden kann.
1B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schaufel ohne ein Deckband, wie sie mit den hierin beschriebenen Dichtungssystemen verwendet werden kann.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotordichtungsschlitzes des nachgiebigen Dichtungssystems, wie es hierin beschrieben ist.
3 ist eine seitliche Querschnittsansicht des nachgiebigen Dichtungssystems aus 2 in einer feststehenden Lage.
4 zeigt eine weitere seitliche Querschnittsansicht des nachgiebigen Dichtungssystems aus 2 in einer feststehenden Lage.
5 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht des nachgiebigen Dichtungssystems aus 2 bei hoher Drehzahl.
6 zeigt eine weitere seitliche Querschnittsansicht des nachgiebigen Dichtungssystems aus 2 bei hoher Drehzahl.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen über verschiedene Ansichten hinweg gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1A eine Laufschaufel 10, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Schaufel 10 kann eine Schaufel der ersten oder der zweiten Stufe sein, wie sie in einer 7FA + e Gasturbine verwendet wird, die von General Electric Company aus Schenectady, New York, vertrieben wird. Es kann auch jede beliebige Art einer Schaufel oder Stufe hierin verwendet werden. Die Schaufel 10 kann mit einem Rotor 20 verwendet werden, wie dies in 2. gezeigt ist.
Wie bekannt ist, kann die Schaufel 10 ein Schaufelblatt 30, eine Plattform 40, einen Schaft 50, einen Schwalbenschwanz 60 und andere Elemente enthalten. Es ist verständlich, dass die Schaufel 10 eine von mehreren in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Schaufeln 10 ist, die an und rings um den Rotor 20 der Turbine befestigt sind. Die Schaufel 10 nach 1A weist an einem Ende des Schaufelblatts 30 ein Deckband 65 auf. Die Schaufel 11 nach 1B ist frei von einem Deckband. Es können hierin beliebige sonstige Schaufelbauarten verwendet werden.
Wie oben beschrieben, kann der Rotor 20 mehrere Schlitze bzw. Nuten 25 zur Aufnahme der Schwalbenschwänze 60 der Schaufeln 10 aufweisen. Gleichermaßen ragen die Schaufelblätter 30 der Schaufeln 10 in den Heißgasstrom hinein, um zu ermöglichen, dass kinetische Energie des Stroms durch die Rotation des Rotors 20 in mechanische Energie umgewandelt wird. Der Schwalbenschwanz 60 kann eine erste Nase oder einen ersten Vorsprung 70 und eine zweite Nase bzw. einen zweiten Vorsprung 80 enthalten, die sich von ihm aus erstrecken. Es können hierin ähnliche Konstruktionen verwendet werden. Zwischen den Enden der Nasen 70, 80 des Schwalbenschwanzes 60 und dem Rotor 20 kann ein Spalt 90 ausgebildet sein. Eine Hochdruck-Kühlströmung kann durch den Spalt 90 entweichen, wenn nicht irgendein Dichtungssystem eingesetzt wird.
2 bis 6 zeigen ein nachgiebiges Dichtungssystem 100, wie es hierin beschrieben ist. Das nachgiebige Dichtungssystem 100 kann an bzw. um jeden der vorab beschriebenen Schlitze 25 des Rotors 20 angeordnet sein. Jeder Schlitz 25 kann eine Dichtungsnut 110 enthalten. Die Dichtungsnut 110 kann sich um den Umfang des Schlitzes 25 herum erstrecken. Die Abmessungen und die Form der Dichtungsnut 110 können variieren. Die Dichtungsnut 110 kann mit herkömmlichen maschinellen Bearbeitungstechniken hergestellt sein. Andere Typen von Fertigungsverfahren können hierin ebenfalls verwendet werden. Die Dichtungsnut 110 kann eine rechteckige oder kreisförmige Querschnittsgestalt aufweisen. Alternativ kann hierin jede beliebige gewünschte Querschnittsform verwendet werden.
Eine nachgiebige Dichtung 120 kann innerhalb des Dichtungsschlitzes 110 angeordnet sein. Die nachgiebige Dichtung 120 kann aus einem beliebigen Typ eines metallischen, elastischen Dichtungsmaterial hergestellt sein. Die nachgiebige Dichtung 120 kann größtenteils U-förmig gestaltet sein und der Form der Dichtungsnut 110 entsprechen, d. h. die flexible Dichtung 120 kann einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt oder jede beliebige gewünschte Querschnittsform aufweisen.
Wie in 3 veranschaulicht, verbleibt die nachgiebige Dichtung 120 innerhalb der Dichtungsnut 110, wenn die Schaufel 10 feststehend ist, so dass die Schaufel 10 leicht eingebaut und ausgebaut werden kann. Im Einsatz bei voller oder hoher Drehzahl, wie in 5 gezeigt, treibt die auf die Dichtung 120 wirkende Zentrifugalkraft sie nach außen, um sie gegen die Nase 70 des Schwalbenschwanzes 60 zu drücken. Die Zentrifugalkraft verformt ferner die Dichtung 120, um sie rings um die Nase 70 des Schwalbenschwanzes 60 konform bzw. nachgiebig zu machen.
Wie in den 4 und 6 gezeigt, ist die nachgiebige Dichtung 100 zwischen einer Hochdruckseite 130 und einer Niederdruckseite 140 des Schwalbenschwanzes 60 angeordnet. Bei voller oder hoher Drehzahl kann die nachgiebige Dichtung 120 somit aufgrund der Trägheit den Spalt 90 füllen, um eine Leckage der kühlenden Zuluft von der Hochdruckseite 130 zu dem Radraum auf der Niederdruckseite 140 zu verhindern.
Die Verwendung des nachgiebigen Dichtungssystems 100 reduziert somit die Leckage durch den Spalt 90. Darüber hinaus richtet sich die Verwendung der nachgiebigen Dichtung 120 an die größeren Abweichungen des Größenbereichs des Spalts 90. Es sind keine Modifikationen an der Schaufel 10 oder dem Rotor 20 notwendig. Es kann somit eine Dichtungseffizienz ähnlich der einer herkömmlich verwendeten Aluminiumbeschichtung geschaffen oder verbessert werden, ohne eine zusätzliche Materialmasse zu verwenden. Die Reduzierung des Kühlströmungsverlustes verbessert somit den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Hochdruckluftersparnisse können in der Größenordnung von ca. einem Prozent (1%) oder dgl. Liegen. Das nachgiebige Dichtungssystem 100 kann mit anderen Dichtungssystemen oder -verfahren eingesetzt werden.
Es sollte offensichtlich sein, dass sich das vorab Beschriebene lediglich auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht und dass hierin verschiedene Änderungen und Modifikationen von einem Fachmann vorgenommen werden können, ohne den allgemeinen Rahmen und Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalenzen definiert.
Es ist eine nachgiebige Dichtungsanordnung 100 zur Abdichtung eines Spalts 90 zwischen einer Schwalbenschwanznase 70 einer Schaufel 10 und einem Schlitz 25 eines Rotors 20 beschrieben. Die nachgiebige Dichtungsanordnung 100 kann eine Dichtungsnut 110, die um den Schlitz 25 angeordnet ist, und eine nachgiebige Dichtung 120 enthalten, die um die Dichtungsnut 110 angeordnet ist. Die nachgiebige Dichtung 120 wird in den Spalt 90 hinein und um die Schwalbenschwanznase 70 herum gedrückt, wenn die Schaufel 10 rotiert.

10: Laufschaufel
20: Rotor
25: Rotorschlitz
30: Schaufelblatt
40: Plattform
50: Welle
60: Schwalbenschwanz
70: erster Vorsprung, erste Nase
80: zweiter Vorsprung, zweite Nase
90: Spalt
100: nachgiebiges Dichtungssystem
110: Dichtungsnut
120: nachgiebige Dichtung
130: Hochdruckseite
140: Niederdruckseite

Claims

Nachgiebige Dichtungsanordnung (100) zur Abdichtung eines Spalts (90) zwischen einer Schwalbenschwanznase (70) einer Schaufel (10) und einem Schlitz (25) eines Rotors (20), die aufweist: eine Dichtungsnut (110), die an einem Schlitz (25) angeordnet ist; und eine nachgiebige Dichtung (120), die an der Dichtungsnut (110) angeordnet ist, so dass, wenn die Schaufel (10) rotiert, die nachgiebige Dichtung (120) in den Spalt (90) hinein und um den Schwalbenschwanzvorsprung (70) herum gedrückt wird.
Nachgiebige Dichtungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei sich die Dichtungsnut (110) um einen Umfang des Schlitzes (25) herum vollständig oder teilweise erstreckt.
Nachgiebige Dichtungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die nachgiebige Dichtung (120) ein metallisches, elastisches Material aufweist.
Nachgiebige Dichtungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die nachgiebige Dichtung (120) und die Dichtungsnut (110) beide einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Nachgiebige Dichtungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die nachgiebige Dichtung (120) und die Dichtungsnut (110) beide einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Nachgiebige Dichtungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die nachgiebige Dichtung (120) eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittsgestalt aufweist.
Nachgiebige Dichtungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die nachgiebige Dichtung (120) um die Schwalbenschwanznase (70) herum passt, wenn sie mit dieser verbunden ist.
Nachgiebige Dichtungsanordnung (100) nach Anspruch 1, die ferner mehrere Schwalbenschwanznasen (70) aufweist.
Verfahren zur Abdichtung eines Spalts (90) zwischen eine Schwalbenschwanznase (70) einer Schaufel (10) und einem Schlitz (25) eines Rotors (20), das aufweist: Einarbeitung einer Dichtungsnut (110) um den Schlitz (25) des Rotors (20) herum; Anordnen einer nachgiebigen Dichtung an der Dichtungsnut (110); Drehen der Schaufel (10); und Drücken der nachgiebigen Dichtung (120) in den Spalt (90) hinein und um die Schwalbenschwanznase (70) herum.