DE102013205031A1

DE102013205031A1 - Sealing element for sealing a gap

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Publication number: DE102013205031A1
Application number: DE201310205031
Authority: DE
Inventors: Tobias Buchal; Winfried Esser; Frederic Etienne Kracht; Rudolf Küperkoch; Frank Preuten; Marco Schüler; Hans Thermann; Jan Wilkes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-09-25
Also published as: WO2014146954A1

Abstract

Dichtelement (24) zur Dichtung eines Spaltes (22) zwischen zwei thermisch gegeneinander beweglichen Bauteilen (12, 20), die jeweils eine Bauteilnut (26, 28) aufweisen, wobei das Dichtelement (24) entlang einer Hauptlinie gerichtet ist und in einem im Wesentlichen zur Hauptlinie senkrechten Querschnitt einen ersten Endabschnitt (30) und einen zweiten Endabschnitt (32) sowie einen zwischen den Endabschnitten (30, 32) angeordneten Mittelbereich (34) aufweist, soll eine wirksame Dichtung auch bei radial vergleichsweise großen Wärmeausdehnungen der Bauteile gewährleisten und dennoch thermische Spannungen und Rissbildungen an den Bauteilen verringern. Dazu sind die Endabschnitte (30, 32) im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet und der zweite Endabschnitt (32) hat eine erste Oberfläche (40), die gezahnt ist.Sealing element (24) for sealing a gap (22) between two components (12, 20) which are thermally movable relative to one another and each having a component groove (26, 28), the sealing element (24) being directed along a main line and essentially in one has a first end section (30) and a second end section (32) as well as a central area (34) arranged between the end sections (30, 32), an effective seal is to ensure an effective seal even in the case of comparatively large radial thermal expansions of the components and nevertheless thermal Reduce tension and cracking on the components. For this purpose, the end sections (30, 32) are oriented essentially perpendicular to one another and the second end section (32) has a first surface (40) which is toothed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtelement zur Dichtung eines Spaltes zwischen zwei thermisch gegeneinander beweglichen Bauteilen, die jeweils eine Bauteilnut aufweisen, wobei das Dichtelement entlang einer Hauptlinie gerichtet ist und in einem im Wesentlichen zur Hauptlinie senkrechten Querschnitt einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt sowie einen zwischen den Endabschnitten angeordneten Mittelbereich aufweist. Sie betrifft weiter eine Gasturbine mit einem derartigen Dichtelement. The invention relates to a sealing element for sealing a gap between two thermally mutually movable components, each having a Bauteilnut, wherein the sealing element is directed along a main line and in a direction substantially perpendicular to the main line cross section, a first end portion and a second end portion and one between the Having end portions arranged central region. It further relates to a gas turbine with such a sealing element.

Eine Gasturbine ist eine Strömungsmaschine, in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert. Sie besteht aus einer Turbine oder Expander, einem vorgeschalteten Verdichter und einer zwischengeschalteten Brennkammer. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem Kreisprozess (Joule-Prozess): Dieser komprimiert über die Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen Luft, mischt diese anschließend in der Brennkammer mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff, zündet und verbrennt. Außerdem wird die Luft in ein Sekundärluftsystem geführt und zur Kühlung insbesondere thermisch stark beanspruchter Bauteile eingesetzt. A gas turbine is a turbomachine in which a pressurized gas expands. It consists of a turbine or expander, an upstream compressor and an intermediate combustion chamber. The principle of operation is based on the cycle process (joule process): this compresses air via the blading of one or more compressor stages, then mixes these in the combustion chamber with a gaseous or liquid fuel, ignites and burns. In addition, the air is guided in a secondary air system and used for cooling in particular thermally stressed components.

So entsteht ein Heißgas (Mischung aus Verbrennungsgas und Luft), das im nachfolgenden Turbinenteil entspannt, wobei sich thermische in mechanische Energie umwandelt und zunächst den Verdichter antreibt. Der verbleibende Anteil wird beim Wellentriebwerk zum Antrieb eines Generators, eines Propellers oder anderen rotierenden Verbrauchern verwendet. Beim Strahltriebwerk dagegen beschleunigt die thermische Energie den heißen Gasstrom, was den Schub erzeugt. The result is a hot gas (mixture of combustion gas and air), which relaxes in the subsequent turbine part, with thermal converts into mechanical energy and first drives the compressor. The remaining portion is used in the shaft engine for driving a generator, a propeller or other rotating consumers. In the jet engine, on the other hand, the thermal energy accelerates the hot gas flow, which generates the thrust.

Bei Gasturbinen mit hohen Turbineneintrittstemperaturen von teilweise über 1000 °C treten aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen Kaltstart und Betrieb thermische Dehnungen der einzelnen Komponenten der Gasturbine auf, so dass zur Vermeidung hoher thermischer Spannungen und von Rissbildungen benachbarte Komponenten teilweise durch einen Spalt voneinander beabstandet sind. Da das Sekundärluftsystem typischerweise einen höheren Druck aufweist als der Heißgaskanal, treten an den Spalten innere Leckagen an Kühlluft in der Turbine auf und sorgen für Verluste an Leistung und Wirkungsgrad. Insbesondere ergibt sich dies an den Spalten zwischen Plattformen von Turbinenleitschaufeln und Ringsegmenten, die den Heißgaskanal begrenzen. In gas turbines with high turbine inlet temperatures of more than 1000 ° C thermal expansions of the individual components of the gas turbine occur due to the high temperature difference between cold start and operation, so that adjacent components are partially spaced by a gap to avoid high thermal stresses and cracking. Since the secondary air system typically has a higher pressure than the hot gas channel, internal leaks of cooling air in the turbine occur at the gaps and cause losses of power and efficiency. In particular, this is due to the gaps between platforms of turbine vanes and ring segments delimiting the hot gas duct.

Die Leckagen führen zu einem erhöhten Energieverbrauch durch den Verdichter und eine erschwerte Auslegungsberechnung der Bauteile. Ein weiterer Grund, weshalb Leckagen vermieden werden sollen, betrifft die echten Heißgastemperaturen in der Turbine: Je mehr Leckageverluste vorhanden sind, desto höher ist der Luftverbrauch des Sekundärluftsystems und desto weniger komprimierte Luft wird daher der Brennkammer zugeführt. Um in diesem Fall eine hohe Leistung der Turbine zu erzeugen, muss die Eintrittstemperatur höher gewählt werden, indem mehr Brennstoff zugeführt wird. Dadurch werden die Bauteile allerdings höher beansprucht und eine zusätzliche Kühlung ist notwendig. Als Resultat folgen ein erhöhter konstruktiver Aufwand und ein reduzierter Turbinenwirkungsgrad. The leaks lead to increased energy consumption by the compressor and a difficult design calculation of the components. Another reason why leaks should be avoided concerns the true hot gas temperatures in the turbine: the more leakage losses are present, the higher the air consumption of the secondary air system and the less compressed air is therefore supplied to the combustion chamber. In this case, to produce a high turbine output, the inlet temperature must be set higher by supplying more fuel. As a result, however, the components are subject to higher loads and additional cooling is necessary. The result is an increased design effort and reduced turbine efficiency.

Zur Minimierung der Leckagen werden innerhalb der Turbine die verschiedensten Dichtungskonzepte je nach Anforderung angewandt. Üblicherweise werden flache, sich in einer Hauptlinie entlang des jeweiligen Spaltes, z. B. entlang der Umfangsrichtung bei Radialspalten erstreckende Dichtelemente in einer Nut, welche in der Regel senkrecht oder mit einem definierten Winkel zum abzudichtenden Spalt steht, eingetrieben. To minimize leaks, a variety of sealing concepts are used within the turbine as required. Usually, flat, in a main line along the respective gap, z. B. along the circumferential direction at radial gaps extending sealing elements in a groove, which is usually perpendicular or at a defined angle to be sealed gap, driven.

Im einfachsten Fall sind die Dichtelemente als flache Dichtelemente mit glatter Oberfläche ausgelegt. Häufig werden auch geriffelte oder gezahnte Dichtbleche verwendet, die auch als Riffle-Seal- oder kammprofilierte Dichtung bezeichnet werden. In the simplest case, the sealing elements are designed as flat sealing elements with a smooth surface. Often also grooved or serrated sealing plates are used, which are also referred to as a riffle seal or comb profiled seal.

Hierbei handelt es sich um eine Metalldichtung, die zwischen zwei Enden oder Endabschnitten einen Mittelbereich mit einer glatten und einer geriffelten oder gezahnten Oberfläche aufweist und beispielsweise aus der EP 0 852 659 B1 bekannt ist. Das gezahnte Profil wird bei der Montage so weit verformt, dass nach dem Einbau eine nahezu spielfreie Verbindung zwischen den mit einer Nut versehenen Bauteilen und dem Dichtelement entsteht. This is a metal gasket having between two ends or end portions a central region with a smooth and a serrated or toothed surface and, for example, from EP 0 852 659 B1 is known. The toothed profile is deformed during assembly so far that after installation creates a virtually backlash-free connection between the grooved components and the sealing element.

Nachteilig bei den genannten Dichtelementen ist jedoch, dass sie für Bauteile, die größeren radialen Verschiebungen gegeneinander unterworfen sind, aufgrund ihrer mangelnden Flexibilität in radialer Richtung ungeeignet sind. A disadvantage of the above-mentioned sealing elements, however, is that they are unsuitable for components that are subjected to larger radial displacements against each other, due to their lack of flexibility in the radial direction.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Dichtelement der eingangs genannten Art anzugeben welches eine wirksame Dichtung auch bei radial vergleichsweise großen Wärmeausdehnungen der Bauteile gewährleistet und dennoch thermische Spannungen und Rissbildungen an den Bauteilen verringert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Endabschnitte des Dichtelements im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet sind. It is therefore an object of the invention to provide a sealing element of the type mentioned which ensures an effective seal even with radially comparatively large thermal expansion of the components and yet reduces thermal stress and cracking of the components. This object is achieved by the end portions of the sealing element are aligned substantially perpendicular to each other.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die bisher verwendeten Dichtelemente vor allem eine Beweglichkeit der Bauteile entlang ihrer Erstreckungsrichtung erlauben, typischerweise in axialer Richtung. Eine höhere Flexibilität des Dichtelements wäre erreichbar, wenn ein Endabschnitt des Dichtelements demnach eine andere Erstreckungsrichtung aufweist als der jeweilige andere Endabschnitt. Dazu sind die Endabschnitte des Dichtelements im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet. Wird das Dichtelement in entsprechende Nuten an den beiden Bauteilen angebracht, die dann auch senkrecht zueinander stehen, ergibt sich eine Beweglichkeit des Dichtelements in beiden Raumrichtungen. The invention is based on the consideration that the sealing elements used hitherto in particular allow a mobility of the components along their extension direction, typically in the axial direction. A higher flexibility of the sealing element would be achievable if an end portion of the Accordingly, sealing element has a different extension direction than the respective other end portion. For this purpose, the end portions of the sealing element are aligned substantially perpendicular to each other. If the sealing element is mounted in corresponding grooves on the two components, which are then perpendicular to each other, there is a mobility of the sealing element in both spatial directions.

Vorteilhafterweise hat der zweite Endabschnitt dabei eine erste Oberfläche, die gezahnt ist. Das Dichtelement ist durch eine Zahnung einerseits der Form der jeweiligen Bauteilnut anpassbar, so dass es dichtend in jeder Bauteilnut anliegt, und andererseits deformierbar, wodurch es einer thermischen Ausdehnung der Bauteile folgen kann. Somit wird weiterhin der Spalt abgedichtet und unzulässige thermische Spannungen werden vermieden. Advantageously, the second end portion has a first surface which is toothed. The sealing element is adapted by a toothing on the one hand the shape of the respective Bauteilnut so that it rests sealingly in each Bauteilnut, and on the other hand deformable, whereby it can follow a thermal expansion of the components. Thus, the gap is further sealed and inadmissible thermal stresses are avoided.

In vorteilhafter Ausgestaltung hat der zweite Endabschnitt, der die gezahnte Oberfläche aufweist, eine zweite Oberfläche, die rückseitig zur ersten Oberfläche angeordnet und glatt ist. Der Endabschnitt ist damit nur auf einer Seite gezahnt, was die Stabilität des Dichtelements erhöht und die Herstellung erleichtert. In an advantageous embodiment, the second end portion having the toothed surface has a second surface disposed rearwardly of the first surface and smooth. The end portion is thus toothed only on one side, which increases the stability of the sealing element and facilitates the production.

Vorzugsweise bildet die Zahnung des Endabschnitts des Dichtelements Dichtungsnuten, die gegenüber dessen Erstreckungsrichtung jeweils um einen Neigungswinkel von 50° bis 90° geneigt sind. Die Dichtungsnuten verlaufen bevorzugt im Wesentlichen in Richtung der Hauptlinie. Durch die Dichtungsnuten erhält das Dichtelement eine Profilierung, welche eine Deformierbarkeit sowohl orthogonal als auch in Richtung der Erstreckungsrichtung gewährleistet. Insbesondere bei einem nichtorthogonalen Verlauf der Dichtungsnuten, d. h. bei einem Neigungswinkel von weniger als 90° gegenüber der Erstreckungsrichtung des Endabschnitts, wird eine Deformierbarkeit in Richtung im Wesentlichen orthogonal zur Erstreckungsrichtung gewährleistet. Dadurch liegt das Dichtelement spielfrei in der Bauteilnut. Preferably, the toothing of the end portion of the sealing element forms sealing grooves, which are inclined with respect to its direction of extension in each case by an angle of inclination of 50 ° to 90 °. The sealing grooves preferably extend substantially in the direction of the main line. By sealing grooves, the sealing element receives a profiling, which ensures a deformability both orthogonal and in the direction of extension. In particular, in a non-orthogonal course of the sealing grooves, d. H. at an inclination angle of less than 90 ° with respect to the extension direction of the end portion, a deformability in the direction substantially orthogonal to the extension direction is ensured. As a result, the sealing element is free of play in the Bauteilnut.

Vorzugsweise sind die Dichtungsnuten zum Mittelbereich hin aufsteigend geneigt, d. h. der Neigungswinkel der Dichtungsnuten wird zu den Enden hin kleiner. Da die Enden in die jeweilige Bauteilnut hineinragen und bei einer thermischen Ausdehnung der Bauteile gegeneinander der Spalt zwischen ihnen verkleinert wird, dringt das Dichtelement bei steigenden Temperaturen weiter in eine jeweilige Bauteilnut ein. Durch die Verjüngung zu den Enden hin wird bei einer steigenden Temperatur erreicht, dass das Dichtelement noch dichter in der jeweiligen Bauteilnut anliegt und somit die Abdichtung des Spaltes weiter verbessert wird. Preferably, the sealing grooves are inclined in an ascending manner towards the central region, i. H. the inclination angle of the seal grooves becomes smaller toward the ends. Since the ends protrude into the respective component groove and the gap between them is reduced in the case of thermal expansion of the components relative to one another, the sealing element continues to penetrate into a respective component groove with increasing temperatures. Due to the taper towards the ends, it is achieved with an increasing temperature that the sealing element bears even more tightly in the respective component groove and thus the sealing of the gap is further improved.

Dies wird vorteilhafterweise weiterhin dadurch unterstützt, dass sich das Dichtelement vom Mittelbereich zu den Endabschnitten hin verjüngt. Hierdurch wird auch ein leichteres Einführen der Dichtelemente in die Bauteilnuten ermöglicht. This is advantageously further supported by the fact that the sealing element tapers from the central region to the end portions. This also allows easier insertion of the sealing elements in the Bauteilnuten.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist der Mittelbereich zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtete Abschnitte aufweist, die jeweils an einen der Endabschnitte anschließend angeordnet und senkrecht zum jeweils anschließenden Endabschnitt ausgerichtet sind. Mit anderen Worten: An die beiden Endabschnitte schließen sich jeweils Abschnitte an, die im zur Hauptlinie senkrechten Querschnitt jeweils eine L-Form mit dem Endabschnitt bilden. Durch diese Doppel-L-Form wird einerseits eine besonders hohe Verschiebbarkeit und Verformbarkeit des Dichtelements erreicht und andererseits eine besonders hohe Flexibilität hinsichtlich des Anbringungsortes der Bauteilnuten erzielt, da die Abschnitte des Dichtelements in ihrer Länge entsprechend angepasst werden können. In a particularly advantageous embodiment, the middle region has two sections oriented substantially perpendicular to one another, which are each subsequently arranged on one of the end sections and oriented perpendicular to the respectively adjoining end section. In other words, sections which in each case form an L-shape with the end section in the cross section perpendicular to the main line adjoin the two end sections. This double-L shape on the one hand a particularly high displaceability and deformability of the sealing element is achieved and on the other hand achieved a particularly high degree of flexibility with respect to the mounting location of Bauteilnuten, since the sections of the sealing element can be adjusted in length accordingly.

Vorteilhafterweise hat der zum zweiten, mit einer gezahnten Oberfläche versehenen Endabschnitt angeordnete Abschnitt eine dritte Oberfläche, die gezahnt ist, sowie weiterhin vorteilhafterweise eine vierte Oberfläche, die rückseitig zur dritten Oberfläche angeordnet und gezahnt ist. In vorteilhafter Ausgestaltung ist der dritte Abschnitt, der im Anwendungsfall zwischen den gegeneinander abzudichtenden Bauteilen im Spalt angeordnet ist, also beidseitig gezahnt. Dadurch ist dieser Abschnitt in einem weiten Bereich deformierbar und kann somit den Spalt flexibel verschließen, wodurch eine besonders gute Dichtwirkung erreicht wird. Advantageously, the portion arranged to the second toothed surface end portion has a third surface which is serrated, and further advantageously has a fourth surface located rearwardly of the third surface and serrated. In an advantageous embodiment, the third section, which is arranged in the application between the components to be sealed against each other in the gap, that is toothed on both sides. As a result, this section is deformable in a wide range and can thus close the gap flexible, whereby a particularly good sealing effect is achieved.

Ein beschriebenes Dichtelement ist in vorteilhafter Ausgestaltung in einer Gasturbine angeordnet, die einen Heißgasbereich und einen hiervon abzudichtenden Kühlgasbereich zur Kühlung von Leitschaufeln der Gasturbine aufweist, wobei das Dichtelement in eine dem Kühlgasbereich zugewandte Bauteilnut eines ersten Bauteils und in eine dem ersten Bauteil zugewandte Bauteilnut eines an das erste Bauteil angrenzenden zweiten Bauteils eingreift, wobei zwischen den Bauteilen ein Spalt gebildet ist. Da der Kühlgasbereich bei Gasturbinen einen höheren Druck aufweist als der Heißgasbereich, wird das Dichtelement im Betriebszustand in die Nut des ersten Bauteils gedrückt und damit stabilisiert. In der dazu senkrechten Nut am anderen Endabschnitt wird das Dichtelement in bekannter Weise durch die deformierbare Zahnung fixiert. A described sealing element is arranged in an advantageous embodiment in a gas turbine having a hot gas region and a cooling gas region to be sealed therefrom for cooling guide vanes of the gas turbine, wherein the sealing element in a cooling gas region facing component groove of a first component and in a first component facing component groove of an engages the first component adjacent second component, wherein between the components, a gap is formed. Since the cooling gas area in gas turbines has a higher pressure than the hot gas area, the sealing element is pressed in the operating state in the groove of the first component and thus stabilized. In the groove perpendicular thereto at the other end portion, the sealing element is fixed in a known manner by the deformable toothing.

Hier weist der in die Bauteilnut des zweiten Bauteils einzuführende Endabschnitt gegenüber der Bauteilnut des zweiten Bauteils vorteilhafterweise ein geringes Übermaß auf. Dadurch wird die Zahnung bereits beim Einführen deformiert, ohne dass bereits eine thermische Ausdehnung erfolgt ist. Hierdurch wird unabhängig von der momentan herrschenden Temperatur in der Gasturbine und der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlgasbereich und dem heißgasführenden Bereich eine wirksame Abdichtung der Spalte erzielt. Here, the end section to be introduced into the component groove of the second component advantageously has a slight oversize relative to the component groove of the second component. As a result, the teeth are already deformed during insertion, without already a thermal expansion has occurred. As a result, regardless of the currently prevailing temperature in the gas turbine and the temperature difference between the cooling gas region and the hot gas-conducting region effective sealing of the column is achieved.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung verjüngt sich die Bauteilnut, in die das Dichtelement eingreift, von dem Spalt weg in das Bauteil hinein. Dadurch wird die Montage erleichtert, da sich das Dichtelement leichter in die Bauteilnut einschieben lässt. In a further advantageous embodiment, the component groove, into which the sealing element engages, tapers away from the gap into the component. This facilitates assembly, since the sealing element can be inserted more easily into the component groove.

Insbesondere in einer Gasturbinenanlage mit einem Kühlgasbereich und einem heißgasführenden Bereich ist die erste, gezahnte Oberfläche des zweiten Endabschnitts vorzugsweise dem Kühlgasbereich und die glatte Oberfläche dem Heißgasbereich zugewandt. Dies hat den Vorteil, dass bei dem höheren Druck im Kühlgasbereich gegenüber dem heißgasführenden Bereich das Dichtelement während eines Betriebes der Gasturbinenanlage auf der glatten, der zweiten Oberfläche aufliegt. Somit sind die zwischen benachbarten Dichtungsnuten liegenden Dichtspitzen nahezu keinem Verschleiß ausgesetzt, und es ist eine zuverlässige und gute Abdichtung über eine lange Zeitdauer gewährleistet. In particular, in a gas turbine plant having a cooling gas area and a hot gas passing area, the first toothed surface of the second end portion preferably faces the cooling gas area and the smooth surface faces the hot gas area. This has the advantage that at the higher pressure in the cooling gas region relative to the hot gas-conducting region, the sealing element rests on the smooth, the second surface during operation of the gas turbine plant. Thus, the sealing points lying between adjacent sealing grooves are exposed to almost no wear, and it ensures a reliable and good sealing over a long period of time.

Eine Gasturbine mit einem Heißgasbereich und einem hiervon abzudichtenden Kühlgasbereich zur Kühlung von Leitschaufeln, wobei die Bereiche durch eine Mehrzahl in Umfangsrichtung und in axialer Richtung angeordneter Bauteile voneinander getrennt sind und zumindest ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil durch einen Spalt beabstandet sind, weist vorteilhafterweise eine dem Kühlgasbereich zugewandte Bauteilnut im ersten Bauteil und eine dem ersten Bauteil zugewandte Bauteilnut im zweiten Bauteil auf, in die den Spalt dichtend ein beschriebenes Dichtelement angeordnet ist. A gas turbine having a hot gas region and a cooling gas region to be sealed therefrom for cooling guide vanes, the regions being separated from one another by a plurality of components arranged in the circumferential direction and in the axial direction, and at least one first component and a second component being spaced by a gap, advantageously has one the cooling gas region facing component groove in the first component and a component facing the first component groove in the second component, in which the gap sealing a described sealing element is arranged.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch ein Dichtelement mit im zur Hauptlinie senkrechten Querschnitt senkrecht zueinander stehenden Endabschnitten, insbesondere mit einem Mittelbereich, der einen Querschnitt in der Art einer Doppel-L-Form ergibt, eine wesentlich bessere Ausdehnung in radialer Richtung bei Abdichtung zweier axial beabstandeter Bauteile in einer Gasturbine ermöglicht wird. Durch die Flexibilität des Dichtelements werden so thermische Spannungen minimiert und Rissbildungen verhindert. Außerdem wird eine bessere Dichtwirkung durch zuverlässiges Verschließen des Spaltes erreicht. The advantages achieved by the invention are in particular that a substantially better expansion in the radial direction by a sealing element with perpendicular to the main line cross-section end portions, in particular with a central region which results in a cross section in the manner of a double-L-shape Direction is made possible when sealing two axially spaced components in a gas turbine. The flexibility of the sealing element so as to minimize thermal stresses and prevents cracking. In addition, a better sealing effect is achieved by reliably closing the gap.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to the embodiment shown in the drawing. Show:

1 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch eine Gasturbine, und 1 a section of a longitudinal section through a gas turbine, and

2 einen Querschnitt durch ein Dichtelement in der Gasturbinen. 2 a cross section through a sealing element in the gas turbine.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.

In 1 ist ausschnittsweise eine Gasturbine 1 dargestellt, die entlang einer Achse 2 ausgerichtet ist. Im Folgenden verwendete Begriffe wie axial, radial oder in Umfangsrichtung beziehen sich stets auf die Achse 2 der Gasturbine 1. In 1 is a section of a gas turbine 1 shown along an axis 2 is aligned. Terms used below, such as axial, radial or circumferential, always refer to the axis 2 the gas turbine 1 ,

Die Gasturbine 1 weist in einem Gehäuse 4 in axialer Richtung abwechselnd Leitschaufeln 6 und Laufschaufeln 8 auf. Die Leitschaufeln 6 sind entlang einer Achse 10 senkrecht zur Achse 2 der Gasturbine gerichtet und entlang des Umfanges der Gasturbine 1 einen Kreis bildend angeordnet. Ein derartiger Kreis aus Leitschaufeln 6 wird auch als Leitschaufelrad bezeichnet. Die Leitschaufeln 6 sind über eine jeweilige Leitschaufelplatte 12 mit dem Gehäuse 4 der Gasturbine 1 verbunden und sind somit Teil des Stators der Gasturbine 1. The gas turbine 1 points in a housing 4 in the axial direction alternately vanes 6 and blades 8th on. The vanes 6 are along an axis 10 perpendicular to the axis 2 the gas turbine and directed along the circumference of the gas turbine 1 forming a circle. Such a circle of vanes 6 is also called Leitschaufelrad. The vanes 6 are over a respective vane plate 12 with the housing 4 the gas turbine 1 connected and are thus part of the stator of the gas turbine 1 ,

Entlang des Umfanges sind benachbarte Leitschaufeln 6 durch einen jeweiligen Spalt voneinander beabstandet (nicht näher gezeigt), wodurch diese sich weitgehend frei thermisch ausdehnen können. Die Leitschaufelplatte 12 trennt einen um die Achse 2 der Gasturbine 1 gebildeten Heißgasbereich 14 von einem zwischen der Leitschaufelplatte 12 und dem Gehäuse 4 gebildeten Kühlgasbereich 16. Im Heißgasbereich 14 strömt das zuvor in der nicht gezeigten Brennkammer verbrannte Heißgas, während im Kühlluftbereich typischerweise Anzapfluft aus dem Endbereich des Verdichters strömt. Along the circumference are adjacent vanes 6 by a respective gap spaced apart (not shown in detail), whereby they can expand substantially freely thermally. The vane plate 12 separates one around the axis 2 the gas turbine 1 formed hot gas area 14 from one between the vane plate 12 and the housing 4 formed cooling gas area 16 , In the hot gas area 14 the hot gas burned previously in the combustion chamber, not shown, flows while in the cooling air region typically bleed air flows out of the end region of the compressor.

Die Laufschaufeln 8 sind entlang einer jeweiligen Achse 18 gestreckt, die ebenfalls im Wesentlichen orthogonal zur Achse 2 der Gasturbine 1 steht. Die Laufschaufeln 8 liegen vollständig im Heißgasbereich 11. Sie sind kranzförmig als Laufschaufelrad am Rotor der Turbine um die Achse 2 drehend angeordnet. Ein Leitschaufelrad wird zusammen mit dem strömungsseitig nachfolgenden Laufschaufelrad als Turbinenstufe bezeichnet. The blades 8th are along a respective axis 18 stretched, which is also substantially orthogonal to the axis 2 the gas turbine 1 stands. The blades 8th lie completely in the hot gas area 11 , They are ring-shaped as a blade wheel on the rotor of the turbine around the axis 2 arranged in a rotating manner. A Leitschaufelrad is referred to together with the flow side subsequent blade wheel as a turbine stage.

Im Bereich der Laufschaufeln 8 wird der Heißgasbereich 14 von einer Mehrzahl von Ringsegmenten 20 entlang des Umfanges der Gasturbine 1 vom Kühlgasbereich 16 getrennt. Die Ringsegmente 20 sind hierbei jeweils mit dem Gehäuse 4 verbunden. Der Übersichtlichkeit halber sind jeweils nur eine Leitschaufel 6, eine Laufschaufel 8 und ein Ringsegment 20 dargestellt. In the field of blades 8th becomes the hot gas area 14 from a plurality of ring segments 20 along the circumference of the gas turbine 1 from the cooling gas area 16 separated. The ring segments 20 are in each case with the housing 4 connected. For clarity, only one vane at a time 6 , a blade 8th and a ring segment 20 shown.

In axialer Richtung ist ein jeweiliges Ringsegment 20 von einer jeweiligen Leitschaufel 6, insbesondere der Leitschaufelplatte 12 durch einen Spalt 22 beabstandet. Dieser Spalt 22 ist durch ein Dichtelement 24 abgedichtet, wodurch weitgehend eine Strömung von Kühlgas aus dem Kühlgasbereich 16 in den Heißgasbereich 14 hinein verhindert wird. In the axial direction is a respective ring segment 20 from a respective vane 6 , in particular the vane plate 12 through a gap 22 spaced. This gap 22 is through a sealing element 24 sealed, thereby largely a flow of cooling gas from the cooling gas area 16 in the hot gas area 14 is prevented in it.

Die Leitschaufel 12 stellt hierbei ein erstes Bauteil und das Ringsegment 20 ein zweites Bauteil dar. In axialer Richtung erfolgt somit eine Abdichtung des Kühlgasbereichs 16 von dem Heißgasbereich 14 zwischen benachbarten Leitschaufeln 6 und Ringsegmenten 20 und in Umfangsrichtung jeweils eine Abdichtung zwischen benachbarten Leitschaufeln 12 und entsprechend zwischen benachbarten Ringsegmenten 20. The vane 12 in this case represents a first component and the ring segment 20 a second component. In the axial direction thus takes place a seal of the cooling gas region 16 from the hot gas area 14 between adjacent vanes 6 and ring segments 20 and in the circumferential direction in each case a seal between adjacent guide vanes 12 and correspondingly between adjacent ring segments 20 ,

In 2 wird das Dichtelement 24 in der vergrößerten Darstellung des Bereichs II aus 2 gezeigt. 2 zeigt eine Leitschaufelplatte 12 und ein Ringsegment 20 als zwei benachbarte Bauteile, die durch den Spalt 22 voneinander beabstandet sind. Die Bauteile können alternativ zwei benachbarte Leitschaufeln 6, insbesondere Leitschaufelplatten 12, sowie zwei einander benachbarte Ringsegmente 20 sein. In 2 becomes the sealing element 24 in the enlarged view of the area II 2 shown. 2 shows a vane plate 12 and a ring segment 20 as two adjacent components passing through the gap 22 spaced apart from each other. The components may alternatively have two adjacent vanes 6 , in particular guide vanes 12 , as well as two adjacent ring segments 20 be.

In den Bauteilen ist jeweils in Umfangsrichtung eine Bauteilnut 26 bzw. 28 eingebracht. Die Bauteilnut 26 in der Leitschaufelplatte 12 ist dabei dem Kühlgasbereich 16 zugewandt, die Bauteilnut 28 im Ringsegment ist der Leitschaufelplatte 12 zugewandt. In die Bauteilnuten 26, 28 greift den Spalt 22 dichtend ein Dichtelement 24 mit bereichsweise gezahnter Kontur ein. In the components is in each case a Bauteilnut in the circumferential direction 26 respectively. 28 brought in. The component groove 26 in the vane plate 12 is the cooling gas area 16 facing, the component groove 28 in the ring segment is the vane plate 12 facing. In the component grooves 26 . 28 grabs the gap 22 sealing a sealing element 24 with partially serrated contour.

Das Dichtelement 1 ist entlang einer in die Zeichnung führenden, in Umfangsrichtung ausgerichteten Hauptlinie ausgerichtet und weist in dem dargestellten Querschnitt senkrecht zur Hauptlinie einen ersten Endabschnitt 30, einen zweiten Endabschnitt 32 und einen dazwischenliegenden Mittelbereich 34 auf. Der erste Endabschnitt 30 ist in radialer Richtung ausgerichtet und liegt in der Bauteilnut 26 in der Leitschaufelplatte 12. Der zweite Endabschnitt 32 ist in axialer Richtung ausgerichtet und liegt in der Bauteilnut 28 im Ringsegment 20. The sealing element 1 is aligned along a leading in the drawing, aligned in the circumferential main line and has in the illustrated cross section perpendicular to the main line a first end portion 30 , a second end portion 32 and an intermediate middle area 34 on. The first end section 30 is aligned in the radial direction and lies in the Bauteilnut 26 in the vane plate 12 , The second end section 32 is aligned in the axial direction and lies in the Bauteilnut 28 in the ring segment 20 ,

Der Mittelbereich umfasst einen axial ausgerichteten Abschnitt 36, der sich an den ersten Endabschnitt 30 anschließt und somit senkrecht zu diesem ausgerichtet ist. Der Abschnitt 36 erstreckt sich in Richtung des Ringsegments 20 bis über den Spalt 22. Weiterhin umfasst der Mittelbereich 34 einen radialen Abschnitt 38, der sich an den zweiten Endabschnitt 32 anschließt und senkrecht zu diesem ausgerichtet ist. Der Abschnitt 38 führt vom zweiten Endabschnitt 32 zum Kühlgasbereich 16 und trifft dort auf den axialen Abschnitt 36. Das Dichtelement 1 beschreibt somit in seinem Querschnitt eine Doppel-L-Form. The central region comprises an axially aligned section 36 that goes to the first end section 30 connects and thus aligned perpendicular to this. The section 36 extends in the direction of the ring segment 20 up over the gap 22 , Furthermore, the middle area comprises 34 a radial section 38 that is attached to the second end section 32 connects and is aligned perpendicular to this. The section 38 leads from the second end section 32 to the cooling gas area 16 and hits the axial section there 36 , The sealing element 1 thus describes in its cross section a double-L shape.

Der zweite Endabschnitt 32 weist dem Kühlgasbereich 16 zugewandt, eine gezahnte Oberfläche 40 auf. Die Zahnung bildet eine Mehrzahl von Dichtungsnuten, wobei zwischen benachbarten Dichtungsnuten jeweils eine Dichtspitze (Dichtzahn) gebildet ist, die dichtend an die entsprechende Bauteilnut 28 anliegt. Die rückseitige Oberfläche 42, die dem Heißgasbereich 14 zugewandt ist, ist glatt. Da in der Regel der Druck des Kühlgases höher ist als der Druck des Heißgases, liegt das Dichtelement 24 mit seiner glatten Oberfläche 42 an der Bauteilnut 28 auf, so dass die Dichtspitzen der gezahnten Oberfläche 40 von einer mechanischen Belastung weitgehend entlastend sind. Hierdurch wird der Verschleiß des Dichtelementes 28 deutlich reduziert. The second end section 32 indicates the cooling gas area 16 facing, a toothed surface 40 on. The toothing forms a plurality of sealing grooves, wherein in each case a sealing tip (sealing tooth) is formed between adjacent sealing grooves, sealingly against the corresponding component groove 28 is applied. The back surface 42 that is the hot gas area 14 is facing, is smooth. Since, as a rule, the pressure of the cooling gas is higher than the pressure of the hot gas, the sealing element lies 24 with its smooth surface 42 at the component groove 28 on so that the sealing tips of the toothed surface 40 are largely relieved of mechanical stress. As a result, the wear of the sealing element 28 significantly reduced.

Der in radialer Richtung ausgerichtete Abschnitt 38 weist auf seinen axialen Oberflächen 44, 46, ebenfalls eine entsprechende Zahnung auf. Die Zahnung ist dabei in axialer Richtung deformierbar und verschließt den Spalt 22 somit zuverlässig bei unterschiedlichen Ausdehnungen. The radially aligned portion 38 indicates its axial surfaces 44 . 46 , likewise a corresponding toothing on. The toothing is deformable in the axial direction and closes the gap 22 thus reliable with different expansions.

Der erste Endabschnitt 30 weist keine Zahnung auf. In nicht gezeigten Ausführungsformen verjüngen sich die Endabschnitte 30, 32 des Dichtelements 24 vom Mittelbereich 34 hin zu den jeweiligen Enden. Die Bauteilnuten 26, 28 verjüngen sich ebenfalls von dem Spalt 22 in das jeweilige Bauteil 12, 20 hinein. The first end section 30 has no teeth. In embodiments not shown, the end portions are tapered 30 . 32 of the sealing element 24 from the middle area 34 towards the respective ends. The component grooves 26 . 28 also rejuvenate from the gap 22 into the respective component 12 . 20 into it.

In einer weiteren, nicht bildlich dargestellten Ausführungsform haben die Dichtungsnuten der gezahnten Oberfläche 40 des zweiten Endabschnitts 32 gegenüber der axialen Richtung einen Neigungswinkel. Dieser Neigungswinkel liegt an der Grenze zum radialen Abschnitt 38 hin bei ungefähr 90°, so dass dort die Dichtungsnuten im Wesentlichen parallel zur radialen Richtung verlaufen. Zum Ende des Endabschnitts 32 hin nimmt der Neigungswinkel der Dichtungsnuten kontinuierlich ab. Hierdurch ist eine Deformierbarkeit bei einer thermischen Ausdehnung, insbesondere Stauchung der Bauteilnut 28 gegeben.In another embodiment, not shown, the sealing grooves of the toothed surface 40 of the second end portion 32 opposite to the axial direction of an inclination angle. This angle of inclination is at the boundary to the radial section 38 at about 90 °, so that there the sealing grooves extend substantially parallel to the radial direction. To the end of the end section 32 The angle of inclination of the sealing grooves decreases continuously. This is a deformability in a thermal expansion, in particular compression of the Bauteilnut 28 given.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0852659 B1 [0008]

Claims

Sealing element ( 24 ) for sealing a gap ( 22 ) between two thermally mutually movable components ( 12 . 20 ), each having a component groove ( 26 . 28 ), wherein the sealing element ( 24 ) is directed along a main line and in a cross-section substantially perpendicular to the main line has a first end section (FIG. 30 ) and a second end portion ( 32 ) and one between the end sections ( 30 . 32 ) ( 34 ), wherein the end sections ( 30 . 32 ) are oriented substantially perpendicular to each other.

Sealing element ( 24 ) according to claim 1, wherein said second end portion ( 32 ) a first surface ( 40 ), which is toothed.

Sealing element ( 24 ) according to claim 2, wherein the second end portion ( 32 ) a second surface ( 42 ), the back to the first surface ( 40 ) is arranged and smooth.

Sealing element ( 24 ) according to claim 2 or 3, wherein the toothing of the first surface ( 40 ) forms a plurality of sealing grooves, each opposite to the extension direction of the second end portion ( 32 ) are inclined at an inclination angle of 50 ° to 90 °.

Sealing element ( 24 ) according to claim 4, in which the sealing grooves extend to the middle region ( 34 ) are inclined in ascending order.

Sealing element ( 24 ) according to one of the preceding claims, which extends from the middle area ( 34 ) to the end sections ( 30 . 32 ) tapers.

Sealing element ( 24 ) according to one of the preceding claims, in which the middle region ( 34 ) two substantially mutually perpendicular sections ( 36 . 38 ), which in each case to one of the end sections ( 30 . 32 ) are arranged and perpendicular to the respective subsequent end portion ( 30 . 32 ) are aligned.

Sealing element ( 24 ) according to claim 7, wherein the perpendicular to the second end portion ( 32 ) arranged section ( 38 ) a third surface ( 44 ), which is toothed.

Sealing element ( 24 ) according to claim 7 or 8, wherein the perpendicular to the second end portion ( 32 ) arranged section ( 38 ) a fourth surface ( 46 ), the back to the third surface ( 44 ) is arranged and toothed.

Gas turbine ( 1 ) with a hot gas area ( 14 ) and a cooling gas region to be sealed thereby ( 16 ) for cooling guide vanes ( 6 ), the areas ( 14 . 16 ) by a plurality of circumferentially and axially arranged components ( 12 . 20 ) are separated from each other and at least a first component ( 12 ) and a second component ( 20 ) through a gap ( 22 ) and the first component ( 12 ) a the cooling gas area ( 16 ) and the second component ( 20 ) a the first component ( 12 ) facing component groove ( 26 . 28 ) into which the gap ( 22 ) sealing a sealing element ( 24 ) is arranged according to one of the preceding claims.

Gas turbine ( 1 ) according to claim 10, in which the in the Bauteilnut ( 28 ) of the second component ( 20 ) end section ( 32 ) with respect to the component groove ( 28 ) of the second ( 20 ) Component has a slight oversize.

Gas turbine ( 1 ) according to claim 10 or 11, wherein the sealing element ( 24 ) in a component groove ( 26 . 28 ), which extends from the gap ( 22 ) away into the component ( 12 . 20 ) tapers into it.

Gas turbine ( 1 ) according to one of claims 10 to 12 with a sealing element according to claim 2, in which the first surface ( 40 ) the cooling gas area ( 16 ) is facing.