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ANGABEN ZU DEN RECHTEN DER US-BUNDESREGIERUNG AN DEN FORSCHUNGSERGEBNISSEN
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Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung gemäß Vertrag Nr. DE-FC26-05N142643 erstellt, der durch das US-Energieministerium (DOE) vergeben wurde. Die Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
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TECHNISCHES FACHGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere verbesserte Dichtungsanordnungen zur Verwendung zwischen einem Übergangsstück und einem Leitschaufelkranz der ersten Stufe sowie ähnlichen Elementen, um die Leckage von Hochdruckluft an dieser Stelle zu verhindern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Allgemein gesagt, können Gasturbinen über eine Dichtungsanordnung verfügen, die zwischen einem oder mehreren Übergangsstücken und einem Leitschaufelkranz der ersten Stufe oder ähnlichem Element angeordnet ist. Die Dichtungsanordnung soll die Leckage von Hochdruckluft in den Heißluftstrom verhindern. Die Dichtungsanordnung kann eine äußere Dichtung, eine innere Dichtung sowie ein Paar seitliche Dichtungen aufweisen. Auf der inneren und der äußeren Dichtung kann sich ein Federelement oder eine ähnliche Struktur befinden, damit ein ausreichender Kontakt mit dem Leitschaufelkranz sichergestellt ist. Andere Konfigurationen von Dichtungsanordnungen können ebenfalls bekannt sein.
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Die Dichtungsanordnung kann Relativbewegungen zwischen dem Übergangsstück und dem Leitschaufelkranz der ersten Stufe aufnehmen, die beispielsweise durch dynamisches Pulsieren und Ähnliches entstehen. Dadurch können sich sowohl das Übergangsstück und der Leitschaufelkranz der ersten Stufe und/oder die Leitschaufelkranz-Stützelemente im Verhältnis zueinander radial, in Umfangsrichtung und axial bewegen. Das Übergangsstück und der Leitschaufelkranz der ersten Stufe können außerdem aus verschiedenen Materialien bestehen und beim Betrieb unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein. Das Übergangsstück und der Leitschaufelkranz der ersten Stufe können daher thermischer Ausdehnung in unterschiedlichem Ausmaß unterworfen sein. Dieses „Nicht-Zusammenpassen” an der Kontaktfläche von Übergangsstück und Leitschaufelkranz der ersten Stufe und/oder Leitschaufelkranz-Stützelementen macht eine wirksame Dichtung erforderlich, um die Verbrennungsprodukte und das Druckdifferenzial über die gesamte Kontaktfläche zurückzuhalten. Durch die Dichtungsanordnung soll außerdem verhindert werden, dass Verdichterendluft an der Brennkammer vorbeiströmt.
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Diese bekannten Dichtungsanordnungen können jedoch aufgrund der oben beschriebenen relativen Bewegung und thermischen Ausdehnung verschleißanfällig sein. Derartiger Verschleiß kann im Lauf der Zeit eine reduzierte Dichtungswirkung zur Folge haben. Die hier verwendeten Federelemente können bei übermäßiger Kompression anfällig für Formgedächtnis- und Elastizitätsverlust sein. Dieser Verlust an Elastizität kann wiederum zu einer reduzierten Gesamtleistung und -effizienz führen.
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Von daher ist der Wunsch nach einer verbesserten Dichtungsanordnung zur Verwendung mit einem Übergangsstück und einem Leitschaufelkranz oder ähnlichem Element gegeben. Durch eine derartige Dichtungsanordnung kann bevorzugt der Zwischenraum zwischen dem Übergangsstück und dem Leitschaufelkranz der ersten Stufe abgedichtet werden, wobei die Dichtungsanordnung in hohem Maße verschleißfest ist, so dass eine langfristige Wirksamkeit und lange Lebenszeit des Bauteils begünstigt werden. Die hier verwendeten Federelemente behalten außerdem bevorzugt auch über längere Zeit eine ausreichende Elastizität.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Dichtungsanordnung zur Verwendung mit einem Übergangsstück und einem Leitschaufelkranz der ersten Stufe einer Gasturbine zur Verfügung. Die Dichtungsanordnung kann ein Stützelement umfassen, das zwischen Übergangsstück und Leitschaufelkranz der ersten Stufe angeordnet ist, und kann ein primäres Federelement umfassen, das auf dem Stützelement angeordnet ist und in Kontakt mit dem Leitschaufelkranz der ersten Stufe steht. Das primäre Federelement kann eine einzelne Krümmung aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiter eine Dichtungsanordnung zur Verwendung mit einem Übergangsstück und einem Leitschaufelkranz der ersten Stufe einer Gasturbine zur Verfügung. Die Dichtungsanordnung kann Folgendes umfassen: ein Stützelement, das zwischen Übergangsstück und Leitschaufelkranz der ersten Stufe angeordnet ist, ein primäres Federelement, das auf dem Stützelement angeordnet ist und in Kontakt mit dem Leitschaufelkranz der ersten Stufe steht und ein sekundäres Federelement, das am Stützelement angeordnet ist. Das primäre Federelement kann eine einzelne Krümmung aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiter eine Dichtungsanordnung zur Verwendung mit einem Übergangsstück und einem Leitschaufelkranz der ersten Stufe einer Gasturbine zur Verfügung. Die Dichtungsanordnung kann eine Anzahl Stützelemente umfassen, die zwischen Übergangsstück und Leitschaufelkranz der ersten Stufe angeordnet sind. Jedes Stützelement kann eine seitliche Zwischenlage umfassen, die sich in Richtung auf ein benachbartes Stützelement erstreckt, so dass der Zwischenraum zwischen beiden ausgefüllt wird. Auf jedem Stützelement kann ein Federelement angeordnet sein, dass mit dem Leitschaufelkranz der ersten Stufe in Kontakt steht.
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Diese und andere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung werden für Durchschnittsfachleute beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer bekannten Gasturbine.
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2 ist ein Querschnitt durch eine bekannte Übergangsstück-Dichtungsanordnung.
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3 ist ein seitlicher Querschnitt durch eine Übergangsstück-Dichtungsanordnung, wie sie hier beschrieben sein könnte.
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4 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines primären Federelements, das mit der Übergangsstück-Dichtungsanordnung aus 3 verwendet wird.
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5 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines sekundären Federelements, das mit der Übergangsstück-Dichtungsanordnung aus 3 verwendet wird.
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6 ist ein seitlicher Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Übergangsstück-Dichtungsanordnung, wie sie hier beschrieben sein könnte.
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7 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Übergangsstück-Dichtungsanordnung, wie sie hier beschrieben sein könnte.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen die dieselben Teile durchgehend mit denselben Bezugszeichen versehen sind. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbine 10, wie sie hier beschrieben sein könnte. Die Gasturbine 10 kann einen Verdichter 15 umfassen. Der Verdichter 15 verdichtet einen Eingangsluftstrom 20. Der Verdichter 15 führt den Strom verdichteter Luft 20 einer Brennkammer 25 zu. In der Brennkammer 25 wird der Strom verdichteter Luft 20 mit einem Strom verdichteten Kraftstoffs 30 gemischt und das Gemisch entzündet, um einen Verbrennungsgasstrom 35 zu erzeugen. Obwohl nur eine Brennkammer 25 gezeigt wird, kann die Gasturbine 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 25 umfassen. Der Verbrennungsgasstrom 35 wird wiederum einer Turbine 40 zugeführt. Der Verbrennungsgasstrom 35 treibt die Turbine 40 an, damit mechanische Arbeit erzeugt wird. Durch die in der Turbine 40 erzeugte mechanische Arbeit werden der Verdichter 15 und eine externe Last 42 angetrieben, beispielsweise ein elektrischer Generator oder Ähnliches.
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Zum Betrieb der Gasturbine 10 können Erdgas, verschiedene Arten Syngas und/oder andere Kraftstoffarten verwendet werden. Bei der Gasturbine 10 kann es sich um eine der verschiedenen Gasturbinen handeln, die von General Electric Company aus Schenectady, New York, angeboten werden, beispielsweise um eine 7FA-Gasturbine schwerer Bauart oder Ähnliches. Die Gasturbine 10 kann auch anders konfiguriert und mit Komponenten anderer Art ausgestattet sein. Auch andere Arten von Gasturbinen können verwendet werden. Außerdem können mehrere Gasturbinen 10, andere Arten von Gasturbinen sowie andere Arten von Geräten zur Energieerzeugung zusammen verwendet werden.
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2 zeigt eine bekannte Übergangsstück-Dichtungsanordnung 45. Die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 45 kann zwischen einer Nut 50 eines Übergangsstücks 55 an einem Ende und einem Schlitz 60 eines Leitschaufelkranzes 65 der ersten Stufe am anderen Ende angeordnet sein. Die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 45 kann ein Stützelement 70 mit einer Textildichtung 75 an einem Ende umfassen. Die Textildichtung 75 kann entlang der Innenflächen der Nut 50 des Übergangsstücks 55 angeordnet sein. Die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 45 kann weiter eine Zwischenlage 80 umfassen, die im Schlitz 60 des Leitschaufelkranzes 65 der ersten Stufe angeordnet wird. Es können auch andere Konfigurationen der Übergangsstück-Dichtungsanordnung 45 bekannt sein.
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Wie im Vorangehenden beschrieben, kann die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 45 auch ein Federelement 85 umfassen. Das Federelement 85 kann am Stützelement 70 angeordnet sein und in Kontakt mit dem Leitschaufelkranz 65 der ersten Stufe stehen. Durch die Verwendung des Federelements 85 wird im Allgemeinen ein Kontakt zwischen der Übergangsstück-Dichtungsanordnung 45 und dem Leitschaufelkranz 65 der ersten Stufe sichergestellt. Bekannte Konstruktionsformen des Federelements 85 weisen häufig scharfe Krümmungen und/oder Ecken auf. Genauer gesagt, kann das Federelement 85 überwiegend „S”-förmig oder „Z”-förmig sein – wie dargestellt – und mehrere Krümmungen aufweisen. Durch diese scharfen Krümmungen oder Ecken wird das Federelement 85 anfällig für Stauchung, wenn es übermäßig oder wiederholt komprimiert wird. Stauchung des Federelements 85 kann einen Verlust an Formgedächtnis und Elastizität und damit an Leistung und Lebensdauer zur Folge haben.
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Die 3–5 zeigen eine Übergangsstück-Dichtungsanordnung 100, wie sie hier beschrieben sein könnte. Die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 100 kann ein ähnliches Stützelement 110 aufweisen, wie das im Vorangehenden beschriebene. Genauer gesagt, kann das Stützelement 110 an einem Ende mit einem horizontalen Montageflansch 120 versehen sein, der sich zu einer vertikalen Verlängerung 130 erstreckt und an einem Paar Dichtungsflansche 140 endet. In den Dichtungsflanschen 140 kann eine Textildichtung 150 angeordnet sein. Die Textildichtung 150 kann beispielsweise ein Dutch Twill-Gewebe aus einer Hochtemperatur-Superlegierung auf Kobaltbasis oder etwas Ähnliches sein. Auch andere Konfigurationen können verwendet werden.
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Die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 100 kann auch ein primäres Federelement 160 umfassen. Das primäre Federelement 160 kann überwiegend U-förmig sein und Folgendes aufweisen: ein erstes flaches Element 170, das entlang dem horizontalen Montageflansch 120 angeordnet ist und von dem aus sich eine einzige U-förmige Biegung 180 erstreckt, und ein zweites flaches Element 190. Weiter kann sich eine vertikal verlaufende Biegung 200 von dort aus nach oben erstrecken. Wie in 4 gezeigt, kann das primäre Federelement 160 eine Anzahl von Zwischenlagen 165 umfassen, zwischen denen sich kleine primäre Zwischenräume 175 befinden. Das primäre Federelement 160 kann aus einem im Wesentlichen flexiblen Material wie einer Inconel X-750-Legierung auf Nickelbasis oder etwas Ähnlichem bestehen. Das primäre Federelement 160 kann in Bezug auf Form, Größe, Dicke und Material unterschiedlich ausgeführt sein.
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Das primäre Federelement 160 weist im Vergleich zu dem vorangehend beschriebenen bekannten Federelement 85 ein vereinfachtes Profil mit einer größeren Krümmung und nur einer Biegung auf. Diese Form kann dazu führen, dass Eckbeanspruchungen reduziert werden und beim Stauchen und/oder anderweitigem Zusammendrücken physische oder plastische Verformungen in geringerem Ausmaß auftreten. Das primäre Federelement 160 kann weiter über ein verbessertes Formgedächtnis und erhöhte Elastizität verfügen, so dass es nach einer durch hohe Temperatur verursachten Verformung wieder seine ursprüngliche Form annimmt.
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Die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 100 kann auch ein sekundäres Federelement 210 umfassen. Das sekundäre Federelement 210 kann an dem ersten flachen Element 170 des primären Federelements 160 oder dem horizontalen Montageflansch 120 befestigt sein. Das sekundäre Federelement 210 kann ein flaches Ende 220 und eine Rückwärts-Aufwärtsbiegung 230 aufweisen, die sich von diesem aus erstreckt. Wie in 5 gezeigt, kann das sekundäre Federelement 210 auch eine Anzahl von Zwischenlagen 225 umfassen, zwischen denen sich kleine sekundäre Zwischenräume 235 befinden. Das sekundäre Federelement 210 kann ebenfalls aus einem im Wesentlichen flexiblen Material wie einer Inconel X-750-Legierung auf Nickelbasis oder Ähnlichem bestehen. Das sekundäre Federelement 210 kann in Bezug auf Form, Größe, Dicke und Material unterschiedlich ausgeführt sein.
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Das sekundäre Federelement 210 unterstützt so zusätzlich den Kontakt und füllt darüber hinaus den Zwischenraum zwischen dem Leitschaufelkranz 65 der ersten Stufe und dem Stützelement 110. Die primären Zwischenräume 175 und die sekundären Zwischenräume 235 können in Bezug aufeinander versetzt angeordnet sein, um Leckagen zu vermeiden. Das primäre Federelement 160 kann mit oder ohne das sekundäre Federelement 210 verwendet werden. Auch andere Konfigurationen können verwendet werden.
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6 zeigt einen Teil einer weiteren Ausführungsform einer Übergangsstück-Dichtungsanordnung 250. Die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 250 kann der vorangehend beschriebenen Übergangsstück-Dichtungsanordnung 100 ähneln, von der sie sich aber durch eine Gewebelage 260 unterscheidet, die um das primäre Federelement 160 und/oder das sekundäre Federelement 210 gewickelt ist. Die Gewebelage 260 kann beispielsweise ein Dutch Twill-Gewebe aus einer Hochtemperatur-Superlegierung auf Kobaltbasis oder etwas Ähnliches sein. Durch die Gewebelage 260 werden das primäre Federelement 160 und das sekundäre Federelement 210 möglicherweise etwas weniger nachgiebig, aber die Gewebelage 260 sorgt auch für erhöhte Verschleißfestigkeit. Die Gewebelage 260 kann ganz oder teilweise um das primäre Federelement 160 und/oder das sekundäre Federelement 210 gewickelt sein. Auf diese Weise kann die Gesamtkonstruktion der Übergangsstück-Dichtungsanordnung 250 so optimiert werden, dass der richtige Ausgleich zwischen Flexibilität und Verschleißfestigkeit realisiert wird. Auch andere Konfigurationen können verwendet werden.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Übergangsstück-Dichtungsanordnung 300. Die Übergangsstück-Dichtungsanordnung 300 kann ein hohes Maß an Ähnlichkeit mit der vorangehend beschriebenen Übergangsstück-Dichtungsanordnung 100 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform können sich eine oder mehrere seitliche Zwischenlagen 310 an einem Ende der Dichtungsanordnung um das primäre Federelement 160 befinden. Die seitlichen Zwischenlagen 310 können sich nach außen erstrecken, um den Zwischenraum zwischen benachbarten Übergangsstück-Dichtungsanordnungen 100 zu schließen. Die seitlichen Zwischenlagen 310 können auf einer Seite des Übergangsstücks 45 eine höhere Überdeckung bilden als auf der anderen, um einen leichteren Einbau zu ermöglichen (außer für das zuletzt einzubauende Übergangsstück 45). Die seitlichen Zwischenlagen 310 können auch mit dem vorangehend beschriebenen Federelement 85 verwendet werden. Auch andere Konfigurationen können verwendet werden.
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Es sollte ersichtlich sein, dass das Vorangehende sich nur auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht, und dass von Durchschnittsfachleuten zahlreiche Änderungen und Modifikationen hieran vorgenommen werden können, ohne von dem Sinn und Anwendungsbereich der Anmeldung abzuweichen, wie er durch die folgenden Patentansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Dichtungsanordnung 100 zur Verwendung mit einem Übergangsstück 55 und einem Leitschaufelkranz 65 der ersten Stufe einer Gasturbine 10 zur Verfügung. Die Dichtungsanordnung 100 kann ein Dichtungselement 110, ein auf dem Dichtungselement 110 angeordnetes Auflageteil 150 sowie eine auf dem Auflageteil 150 angeordnete seitliche Dichtung 190 umfassen.
