DE102009026057A1

DE102009026057A1 - Dichtungsmechanismus mit Schwenkplatte und Seildichtung

Info

Publication number: DE102009026057A1
Application number: DE102009026057A
Authority: DE
Inventors: Brian P. Arness; Louis Veltre; Ariel K. Harter; John D. Ward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-01-14
Also published as: FR2933731A1; US8011894B2; US20100008769A1; CN101624918A; FR2933731B1; JP2010019254A; JP5507906B2

Abstract

Es ist ein Dichtungssystem (100) zur Abdichtung eines Spaltes (90) zwischen einer Schwalbenschwanznase (70) einer Schaufel (10) und einem Rotor (20) beschrieben. Das Dichtungssystem (100) kann einen Dichtungsschlitz (110), der entlang des Umfangs der Schwalbenschwanznase (70) angeordnet ist, und eine Schwenkplatte (140) enthalten, die in dem Dichtungsschlitz (110) positioniert ist. Der Dichtungsschlitz (110) kann einen Schwenkpunkt (120) und eine Auflageleiste (130) enthalten, so dass die Schwenkplatte (140) um den Schwenkpunkt (120) herum und in den Spalt (90) hinein verschwenkt, wenn die Schaufel (10) umläuft.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein eine beliebige Art einer Turbine, und sie betrifft insbesondere Systeme und Verfahren zur Abdichtung eines Spalts, der zwischen einem Turbinenschaufelschwalbenschwanz und einem Turbinenrotor ausgebildet ist, mittels einer Schwenkplatte und einer Seildichtung.
HINTERGRUND zu DER ERFINDUNG
Gasturbinen enthalten allgemein einen Turbinenrotor (ein Laufrad) mit einer Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Schaufeln (Laufschaufeln). Die Schaufeln können allgemein ein Schaufelblatt, eine Plattform, einen Schaft, einen Schwalbenschwanz und weitere Elemente enthalten. Der Schwalbenschwanz jeder Schaufel ist in dem Turbinenrotor positioniert und darin gesichert. Die Schaufelblätter ragen in den Heißgaspfad hinein, um die kinetische Energie des Gases in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln. Mehrere Kühlmittelkanäle erstrecken sich in radialer Richtung durch die Schaufel, um eine nach innen und/oder nach außen gerichtete Strömung des Kühlmittels durch diese hindurch zu leiten.
In dem Kühlmittelzufuhrkreis können aufgrund erhöhter thermischer und/oder zentrifugaler Belastungen Leckagen entstehen, die auf einem Spalt zwischen den Fortsätzen bzw. Nasen der Schwalbenschwänze und der Oberfläche des Rotors beruhen. Luftverlustströme von dem Schaufelzufuhrkreis in den Radraum können in Bezug auf Anforderungen hinsichtlich des Schaufelkühlmitteldurchflusses beträchtlich sein. Außerdem kann die Luft nachfolgenden Verdichter stufen entnommen werden, so dass die Einbuße bei dem Energieertrag und dem Gesamtwirkungsgrad während des Maschinenbetriebs beträchtlich sein kann.
Es sind Anstrengungen unternommen worden, um diese Leckage zu begrenzen. Beispielsweise umfasst ein Verfahren das Aufbringen von Aluminium auf einer Schwalbenschwanznase, um den Spalt wenigstens teilweise zu füllen. Insbesondere kann ein kreisförmiger Ring gegen die Vorderseite der Schwalbenschwanzstirnfläche gedrückt werden. Obwohl diese Konstruktion gut abdichtet und beständig ist, kann diese Konstruktion im Feld nicht leicht demontiert und ersetzt werden. Vielmehr können diese Ringe nur dann demontiert werden, wenn der gesamte Rotor demontiert wird.
Es besteht folglich ein Bedarf nach verbesserten Systemen und Verfahren zur Abdichtung von Schwalbenschwanznasen. Derartige Systeme und Verfahren sollten in passender Weise eine Leckage durch diese verhindern, um den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen, und auch im Feld installiert und/oder repariert werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung ergibt somit ein Dichtungssystem zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Schwalbenschwanzfortsatz bzw. einer Schwalbenschwanznase einer Laufschaufel und einem Rotor. Das Dichtungssystem kann einen Dichtungsschlitz, der rings um die Schwalbenschwanznase angeordnet ist, und eine Schwenkplatte enthalten, die in dem Dichtungsschlitz positioniert ist. Der Dichtungsschlitz kann einen Schwenkpunkt und eine Auflageleiste enthalten, so dass die Schwenkplatte rings um den Schwenkpunkt und in den Spalt hinein verschwenkt, wenn die Schaufel rotiert.
Die vorliegende Anmeldung ergibt ferner ein Dichtungssystem zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einem Schwalbenschwanzfortsatz bzw. einer Schwalbenschwanznase einer Schaufel und einem Rotor. Das Dichtungssystem kann einen Dichtungsschlitz, der um die Schwalbenschwanznase herum positioniert ist, eine Schwenkplatte, die in dem Dichtungsschlitz positioniert ist, und eine Seildichtung enthalten, die rings um die Schwenkplatte positioniert ist. Der Dichtungsschlitz kann einen Schwenkpunkt und eine Auflageleiste enthalten, so dass die Schwenkplatte bei einer Rotationsbewegung der Schaufel um den Schwenkpunkt herum und in den Spalt hinein verschwenkt.
Die vorliegende Anmeldung ergibt ferner ein Verfahren zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einer Schwalbenschwanznase einer Schaufel und einem Rotor. Das Verfahren kann ein Anordnen einer Schwenkplatte in einem Dichtungsschlitz der Schwalbenschwanznase, ein Drehen der Schaufel und ein Verschwenken der Schwenkplatte in den Spalt hinein unter der Wirkung der Zentrifugalkraft enthalten. Das Verfahren kann ferner ein Positionieren einer Dichtung rings um die Platte und ein Verformen der Dichtung gegen den Dichtungsschlitz, wenn die Schaufel rotiert, enthalten.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für einen Fachmann bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine Perspektivansicht einer Laufschaufel mit einem Deckband, die mit den hierin beschriebenen Dichtungssystemen eingesetzt werden kann.
1B zeigt eine Perspektivansicht einer Schaufel ohne ein Deckband, die mit den hier beschriebenen Dichtungssystemen verwendet werden kann.
2 zeigt eine Perspektivansicht eines Rotors, der mit den Dichtungssystemen, wie sie hierin beschrieben sind, verwendet werden kann.
3A zeigt eine ebene Seitenansicht einer Schwalbenschwanznase, die mit den Dichtungssystemen, wie sie hierin beschrieben sind, verwendet werden kann.
3B zeigt eine Perspektivansicht einer Schwalbenschwanznase nach 3A.
4 zeigt eine Perspektivansicht eines Dichtungssystems, wie es hierin beschrieben ist.
5 zeigt eine ebene Seitenansicht des Dichtungssystems nach 4, wie es in der Schwalbenschwanznase positioniert ist und sich im Ruhezustand befindet.
6 zeigt eine ebene Seitenansicht des Dichtungssystems nach 4, wie es in der Schwalbenschwanznase positioniert ist und sich in Bewegung befindet.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen über die verschiedenen Ansichten hinweg gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1A eine Laufschaufel 10, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Laufschaufel 10 kann eine Schaufel einer ersten oder einer 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 sonstige Art einer Laufschaufel oder Stufe hierin verwendet werden. Die Schaufel 10 kann mit einem Rotor 20 verwendet werden, wie er in 2. veranschaulicht ist.
In an sich bekannter Weise kann die Schaufel 10 ein Schaufelblatt 30, eine Plattform 40, einen Schaft 50, einen Schwalbenschwanz 60 und weitere Elemente enthalten. Es ist verständlich, dass die Schaufel 10 eine von einer Anzahl von längs des Umfangs im Abstand zueinander angeordneten Schaufeln 10 bildet, die an dem Rotor 20 der Turbine gesichert und rings um diesen angeordnet 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 dem Deckband. Es kann jede beliebige sonstige Bauart einer Laufschaufel hierin verwendet werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann der Rotor 20 eine Anzahl von Schlitzen 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 eine Umwandlung der kinetischen Energie des Stroms in mechanische Energie durch die Drehung des Rotors 20 zu ermöglichen. Der Schwalbenschwanz 60 kann einen ersten Fortsatz bzw. Vorsprung oder eine erste Nase 70 sowie einen zweiten Fortsatz bzw. eine zweite Nase 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. Über den Spalt 90 kann ein Hochdruck-Kühlfluss entweichen, wenn nicht ein Dichtungssystem irgendeiner Art verwendet wird.
3A–6 zeigen ein Dichtungssystem 100, wie es hierin beschrieben ist. Das Dichtungssystem 100 kann rings um die erste Nase 70 des Schwalbenschwanzes 60 der Schaufel 10 bzw. längs deren Umfang und innerhalb dieser positioniert sein. Das Dichtungssystem 100 kann einen Dichtungsschlitz 110 enthalten, der in der ersten Nase 70 angeordnet ist. Der Dichtungsschlitz 110 kann sich entlang des Umfangs der ersten Nase 70 vollständig oder zum Teil erstrecken. Der Dichtungsschlitz 110 kann eine Schwenkstelle bzw. einen Schwenkpunkt 120 auf seiner einen Seite und eine Auflageleiste bzw. -schulter 130 auf seiner anderen Seite definieren. Die Abmessungen und die Gestalt des Dichtungsschlitzes 110 können variieren. Der Dichtungsschlitz 110 kann mit herkömmlichen maschinellen Bearbeitungstechniken erzeugt sein. Es können sonstige Arten von Herstellungstechniken hierin verwendet werden. Das Dichtungssystem 100 kann auch bei der zweiten Nase 80 oder an einer sonstigen Stelle eingesetzt werden.
Das Dichtungssystem 100 kann ferner eine Platte 140 enthalten. Die Platte 140 kann in dem Dichtungsschlitz 110 positioniert sein. Die Platte 140 kann aus üblichen Metallen hergestellt sein. Die Platte 140 kann eine im Wesentlichen gekrümmte Gestalt haben, um in hohem Maße mit der Gestalt des Dichtungsschlitzes 110 zu übereinstimmen. Insbesondere definiert die Platte 140 zwei obere Arme 150, die sich zwischen dem Schwenkpunkt 120 und der Auflageleiste 130 erstrecken. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, weist der Dichtungsschlitz 110 zwischen dem Schwenkpunkt 120 und der Auflageleiste ein gewisses Maß an Spiel auf, so dass die Platte 140 darin verschwenken kann. Die Platte 140 definiert ferner einen Keil 160 unter den beiden oberen Armen 150. Der Keil 160 stimmt größtenteils mit der Größe und der Gestalt der Nase 70 überein.
Rings um eine Seite der Platte 140 kann eine Seildichtung 170 positioniert sein. Die Seildichtung 170 kann aus Graphit, geflochtenen Metallen oder ähnlichen Arten von im Wesentlichen verformbaren, temperaturbeständigen Materialien hergestellt sein. Die Seildichtung 170 kann einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt aufweisen, obwohl andere Formen hierin verwendet werden können. In gleicher Weise können hierin auch eine Dichtungsplatte bzw. -scheibe, die sich ganz oder zum Teil quer über die Platte 140 erstreckt, und andere Konfigurationen verwendet werden.
Wie in 5 veranschaulicht, liegen die oberen Arme 150 der Platte 140, wenn sich die Schaufel 10 im Ruhezustand befindet, auf der Auflageleiste 130 der Nase 70 auf. Zwischen den oberen Armen 150 und dem Dichtungsschlitz 110 erstreckt sich in der Nähe des Schwenkpunktes ein geringer oberer Spalt 180. In gleicher Weise erstreckt sich der Spalt 90 zwischen der Nase 70 und dem Rotor 20.
Wie in 6 veranschaulicht, ruft eine Drehung der Schaufel 10 eine Zentrifugalkraft an dem Dichtungssystem 100 hervor. Insbesondere treibt die Zentrifugalkraft die oberen Arme 150 der Platte 140 dazu, rings um den Schwenkpunkt 120 zu verschwenken, um den oberen Spalt 180 zu verschließen. Indem sie dies tut, wird zwischen den oberen Armen 150 der Platte 140 und der Auflageleiste 130 der Nase 70 ein unterer Spalt 190 gebildet. In gleicher Weise drückt die Platte 140 die Seildichtung 170 gegen den Dichtungsschlitz 110. Die Verschwenkung treibt ferner den Keil 160 der Platte 140 in den Spalt 90 hinein, so dass der Spalt 90 verschlossen oder wenigstens die wirksame Fläche des Spaltes 90 begrenzt wird. Eine derartige Verschwenkung verhindert oder reduziert eine Leckage von der kühlenden Versorgungsluft zu dem Radraum, wenn die Schaufel 10 mit voller oder hoher Drehzahl umläuft.
Eine Verwendung des Dichtungssystems 100 reduziert somit den Leckstrom durch den Spalt 90. Es kann folglich eine Dichtungseffizienz, die derjenigen der üblicherweise verwendeten Aluminiumbeschichtung ähnlich ist, vorgefunden und verbessert werden, ohne dass das Aluminiummaterial verwendet wird. Die Reduktion des Kühlflusses verbessert somit den gesamten Systemwirkungsgrad. Das Dichtungssystem 100 kann mit anderen Dichtungssystemen und -verfahren eingesetzt werden.
Es sollte verständlich sein, dass das Vorstehende lediglich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung betrifft und dass zahlreiche Veränderungen und Modifikationen hierin durch einen Fachmann vorgenommen werden können, ohne dass von dem allgemeinen Rahmen und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, und ihren Äquivalenzen abgewichten wird.
Es ist ein Dichtungssystem 100 zur Abdichtung eines Spaltes 90 zwischen einer Schwalbenschwanznase 70 einer Schaufel 10 und einem Rotor 20 beschrieben. Das Dichtungssystem 100 kann einen Dichtungsschlitz 110, der entlang des Umfangs der Schwalbenschwanznase 70 angeordnet ist, und eine Schwenkplatte 140 enthalten, die in dem Dichtungsschlitz 110 positioniert ist. Der Dichtungsschlitz 110 kann einen Schwenkpunkt 120 und eine Auflageleiste 130 enthalten, so dass die Schwenkplatte 140 um den Schwenkpunkt 120 herum und in den Spalt 90 hinein verschwenkt, wenn die Schaufel 10 umläuft.

10: Laufschaufel
20: Rotor
25: Schlitze
30: Schaufelblatt
40: Plattform
50: Schaft
60: Schwalbenschwanz
65: Deckband
70: erster Fortsatz, erste Nase
80: zweiter Fortsatz, zweite Nase
90: Spalt
100: System mit Seildichtung und Platte
110: Dichtungsschlitz
120: Schwenkpunkt
130: Auflageleiste
140: Platte
150: Obere Arme
160: Keil
170: Dichtung
180: Oberer Spalt
190: Unterer Spalt

Claims

Dichtungssystem (100) zur Abdichtung eines Spaltes (90) zwischen einer Schwalbenschwanznase (70) einer Schaufel (10) und einem Rotor (20), das aufweist: einen Dichtungsschlitz (110), der um die Schwalbenschwanznase (70) herum positioniert ist; wobei der Dichtungsschlitz (110) einen Schwenkpunkt (120) und eine Auflageleiste (130) aufweist; und eine Schwenkplatte (140), die in dem Dichtungsschlitz (110) positioniert ist; wobei die Schwenkplatte (140) um den Schwenkpunkt (120) herum und in den Spalt (90) hinein verschwenkt, wenn die Schaufel (10) rotiert.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Dichtungsschlitz (110) und die Schwenkplatte (140) einen oberen Spalt (180) definieren, wenn sich die Schaufel (10) im Ruhezustand befindet.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Dichtungsschlitz (110) und die Schwenkplatte (140) einen unteren Spalt (190) definieren, wenn sich die Schaufel (10) in Bewegung befindet.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Schwenkplatte (140) mehrere obere Arme (150) aufweist, die an dem Schwenkpunkt (120) und der Auflageleiste (130) angeordnet sind.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Schwenkplatte (140) einen Keil (160) aufweist, der unter der Auflageleiste (130) des Dichtungsschlitzes (110) angeordnet ist.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 1, das ferner eine Dichtung (170) aufweist, die um die Schwenkplatte (140) herum positioniert ist.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 6, wobei die Dichtung (170) ein im Wesentlichen verformbares Material aufweist.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 6, wobei die Dichtung (170) eine Seildichtung aufweist.
Verfahren zur Abdichtung eines Spaltes (90) zwischen einer Schwalbenschwanznase (70) einer Schaufel (10) und einem Rotor (20), das aufweist: Anordnen einer Schwenkplatte (140) in einem Dichtungsschlitz (110) der Schwalbenschwanznase (70); Drehen der Schaufel (10); und Verschwenken der Schwenkplatte (140) in den Spalt (90) hinein unter der Wirkung einer Zentrifugalkraft.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein Anordnen einer Dichtung (170) um die Schwenkplatte (140) herum und ein Verformen der Dichtung (170) gegen den Dichtungsschlitz (110), wenn die Schaufel (10) rotiert, aufweist.