DE10306915A1

DE10306915A1 - Dichtungsanordnung, insbesondere für Gasturbinen

Info

Publication number: DE10306915A1
Application number: DE2003106915
Authority: DE
Inventors: Christoph Nagler; Ralf Walz
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-02

Abstract

Bei einer Dichtungsanordnung (10'), insbesondere für Gasturbinen, bei welcher zwei Körper (11, 13), die zwei Räume voneinander trennen, mit zwei sich entlang einer Längsachse (22) erstreckenden Stirnseiten (20, 21) unter Bildung eines Spaltes (12) aneinandergrenzen, und bei welcher der Spalt (12) durch einen quer zum Spalt (12) liegenden, sich entlang der Längsachse (22) erstreckenden Dichtungsstreifen (14') abgedeckt wird, der mit Spiel in zwei gegenüberliegenden, quer zum Spalt (12) in die Stirnseiten (20, 21) der Körper eingelassenen Nuten (18, 19) gelagert ist und eine Mehrzahl von Öffnungen (16, 17) aufweist, durch welche ein Medium innerhalb des Spaltes (12) von einem der Räume in den anderen strömen kann, wird eine Unabhängigkeit der Strömung von der Lage des Dichtungsstreifens dadurch erreicht, dass die Öffnungen (16, 17) über den Dichtungsstreifen (14') derart verteilt angeordnet sind, dass bei einer Verschiebung des Dichtungsstreifens (14') in den Nuten (18, 19) quer zur Längsachse (22) und zum Spalt (12) die freie Querschnittsfläche aller Öffnungen (16, 17) zusammengenommen im Wesentlichen gleich bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft eine Dichtungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Dichtungsanordnung ist als gekühlte Dichtungsanordnung für das segmentierte Deckband einer Gasturbine z.B. aus der US-A-4,650,394 bekannt.

STAND DER TECHNIK

Die Beschaufelung von Gasturbinen ist meist mit inneren und äusseren Schaufeldeckbändern („shrouds") versehen, die sich aus einzelnen bogenförmigen Segmenten zusammensetzen. Die einzelnen Segmente bilden zusammen ein ringför miges Band. Zwischen den Segmenten sind wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung in verschiedenen Betriebszuständen Spalte freigelassen, die mittels quer durch den Spalt sich erstreckender, mit Spiel in den Segmenten gelagerter Dichtungsstreifen weitgehend verschlossen werden (siehe z.B. 2 und 3 der EP-A2-0 896 128 ).

Die segmentierten Schaufeldeckbänder grenzen den mit dem heissen Arbeitsmedium beaufschlagten Strömungskanal gegen benachbarte, Kühlluft führende Räume ab. Soll im Bereich der Spalte eine zusätzliche Kühlung stattfinden, ist es zweckmässig, in den Dichtungsstreifen Öffnungen vorzusehen, durch die Kühlluft zu Kühlungszwecken hindurchtreten kann. Eine beispielhafte Dichtungsanordnung dieser Art ist in den 1 und 2 ausschnittweise und stark vereinfacht wiedergegeben. Die Teilfiguren (a) zeigen dabei jeweils einen Querschnitt durch die Dichtungsanordnung, die Teilfiguren (b) eine Draufsicht auf den Dichtungsstreifen in seiner Lage relativ zum Spalt. Die in den 1 und 2 dargestellte Dichtungsanordnung 10 geht von zwei Körpern bzw. Deckbandsegmenten 11 und 13 aus, die mit zwei sich entlang einer Längsachse 22 erstreckenden Stirnseiten 20, 21 unter Bildung eines Spaltes 12 aneinandergrenzen (in den Teilfiguren 1(a) und 2(a) steht die Längsachse 22 senkrecht zur Zeichenebene). Der gebildete Spalt 12 ist durch einen quer zum Spalt 12 liegenden, sich entlang der Längsachse 22 erstreckenden Dichtungsstreifen 14 abgedeckt. Der Dichtungsstreifen 14 ist mit Spiel in zwei gegenüberliegenden, quer zum Spalt 12 in die Stirnseiten 20, 21 der Körper bzw. Deckbandsegmente 11, 13 eingelassenen Nuten 18, 19 gelagert. Der Dichtungsstreifen 14 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 15 auf, die entlang der Längsachse 22 in einer Reihe mit gleichem Abstand hintereinander angeordnet sind (1(b)). Die Öffnungen 15 haben die Form von Durchgangsbohrungen, deren Durchmesser kleiner ist als die Breite des Spaltes 12. Die Öffnungen 15 sind in einer Mittellinie des Dichtungsstreifens 14 platziert, so dass ihre gesamte Öffnungsfläche innerhalb des Spaltes 12 liegt und für die Kühlluftströmung zur Verfügung steht, wenn der Dichtungsstreifen 14 symmetrisch bezüglich des Spaltes 12 liegt (siehe 1a, b; in 1b ist die Lage der Öffnungen 15 relativ zum Spalt 12 durch die gestrichelt eingezeichneten Spaltränder angedeutet).

Wenn sich jedoch – wie dies in 2a, b dargestellt ist – der Dichtungsstreifen 14 in den Nuten 18, 19 zur Seite hin verschiebt, werden die Öffnungen 15 mehr oder weniger stark von einem der Körper 11, 13 verdeckt, so dass die freie Öffnungsfläche der Öffnungen 15 und entsprechend die Menge der durchströmenden Kühlluft mehr oder weniger stark abnimmt. Dies bedeutet jedoch, dass der mit den Öffnungen 15 beabsichtigte Kühleffekt je nach Lage des Dichtungsstreifens 14 sehr unterschiedlich ausfallen und im Extremfall sogar ganz verschwinden kann.

In der eingangs genannten Druckschrift US-A-4,650,394 sind nun Dichtungsanordnungen für Gasturbinen vorgeschlagen worden, bei denen die Spalte zwischen den Segmenten durch Dichtungsstreifen oder -platten abgedeckt werden, die eine Mehrzahl von Öffnungen in Form von quer zur Längsachse sich erstreckenden, parallelen Langlöchern aufweisen. Die Langlöcher stehen mit unter dem Dichtungsstreifen angeordneten Kühlluftkammern in Verbindung und werden entsprechend von Kühlluft durchströmt, die den Spalt kühlen soll. Die Langlöcher werden in allen Betriebszuständen der Gasturbine an beiden Enden von den am Spalt aneinandergrenzenden Segmenten teilweise überdeckt. Wird der Spalt während des Betriebes breiter, wird die Abdeckung der Langlöcher geringer und der durch die Langlöcher strömende Kühlluftstrom grösser, und umgekehrt. Die teilweise überdeckten Langlöcher stellen eine Art Kühlautomatik dar, die den Kühlluftstrom durch den Dichtungsstreifen in den Spalt in Abhängigkeit von der Spaltbreite steuert. Da die thermische Belastung im Spaltbereich mit der Spaltbreite zunimmt, wird durch den gleichzeitig stärker werdenden Kühlluftstrom ein Ausgleich geschaffen. Bei schmaler werdendem Spalt wird der Kühlluftstrom verringert und so eine unnötige Kühlung vermieden. Obgleich dies in der Druckschrift nicht erwähnt ist, haben die an den Enden abgedeckten Langlöcher die Wirkung, dass sich ihre frei Öffnungsfläche nicht ändert, wenn sich der Dichtungsstreifen quer zur Spalt und quer zur Längsachse verschiebt. Nachteilig ist bei dieser Konfiguration jedoch, dass die Herstellung der Langlöcher wesentlich aufwendiger ist als das Anbringen von kreisrunden Durchgangsbohrungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche weitgehend unabhängig von der Form der Öffnungen sicherstellt, dass bei einer Verschiebung des Dichtungsstreifens quer zur Längsachse und zum Spalt die freie Querschnittsfläche aller Öffnungen zusammengenommen im wesentlichen konstant bleibt.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Konstanz der freien Querschnittsfläche nicht durch eine spezielle Ausgestaltung der einzelnen Öffnungen zu erreichen, sondern durch eine geeignete Verteilung der Öffnungen auf dem Dichtungsstreifen. Hierdurch wird der gewünschte Effekt weitgehend unabhängig von der Gestalt der einzelnen Öffnungen, so dass besonders einfache Öffnungsformen wie z.B. kreisrunde Durchgangsbohrungen verwendet werden können. Unter freier Querschnittsfläche wird dabei die Summe der Querschnittsflächen der einzelnen Öffnungen verstanden, die nicht von den an den Spalt grenzenden Körpern abgedeckt sind.

Eine bevorzugte, herstellungstechnisch besonders einfache Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Öffnungen als Durchgangsbohrungen mit gleichem Durchmesser ausgebildet sind.

Eine besonders gleichmässige Verteilung der Kühlluft wird dadurch erreicht, dass die Öffnungen in zwei in Richtung der Längsachse verlaufenden Reihen angeordnet sind, deren Abstand ungefähr gleich der Breite des Spaltes ist, und die gleiche Anzahl von Öffnungen umfassen, dass der Durchmesser der Öffnungen kleiner oder gleich der Breite des Spaltes ist, dass die Öffnungen in jeder der beiden Reihen untereinander den gleichen Abstand haben, und dass die Öffnungen beider Reihen auf Lücke angeordnet sind.

Vorzugsweise ist die Dichtungsanordnung Teil einer Gasturbine, wobei die Körper bogenförmige Segmente eines Turbinenschaufeldeckbandes sind.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in zwei Teilfiguren (a, b) den Querschnitt durch eine beispielhafte Dichtungsanordnung, wie sie bei Gasturbinen üblich ist (1a) sowie die Draufsicht auf den in der Dichtungsanordnung verwendeten mit einer Lochreihe versehenen Dichtungsstreifen in zentrierter Normalposition (1b);
2 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung die Dichtungsanordnung aus 1 mit aus der Normalposition seitlich verschobenem Dichtungsstreifen;
3 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Dichtungsanordnung nach der Erfindung mit zwei versetzt angeordneten Lochreihen im Dichtungsstreifen, wobei sich der Dichtungsstreifen in zentrierter Normalposition befindet; und
4 in einer zu 3 vergleichbaren Darstellung die Dichtungsanordnung aus 3 mit aus der Normalposition seitlich verschobenem Dichtungsstreifen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 3 und 4 ist in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Dichtungsanordnung nach der Erfindung wiedergegeben. Die Teilfigur (a) zeigt dabei einen Querschnitt durch die Dichtungsanordnung, die Teilfigur (b) eine Draufsicht auf den in der Dichtungsanordnung eingesetzten Dichtungsstreifen. Die Dichtungsanordnung 10' umfasst zwei Körper 11, 13, die insbesondere Deckbandsegmente von Schaufeldeckbändern in Gasturbinen sein können. Die Körper 11, 13 grenzen mit ihren Stirnseiten 20, 21 unter Bildung eines Spaltes 12 aneinander. Zur Abdichtung des Spaltes 12 ist ein Dichtungsstreifen 14' vorgesehen, der mit Spiel in zwei gegenüberliegenden Nuten 18, 19 gehalten wird, die quer zum Spalt 12 in die Stirnseiten 20, 21 eingelassen sind.
Der (rechteckige) Dichtungsstreifen 14' weist eine Mehrzahl von Öffnungen 16, 17 in Form von kreisrunden Durchgangsbohrungen auf, die in zwei parallelen, in Richtung der Längsachse 22 verlaufenden Reihen angeordnet sind. Jede Reihe hat die gleich Anzahl von Öffnungen (im Beispiel drei). Die beiden Reihen haben einen Abstand d, der ungefähr gleich der Breite des Spaltes 12 ist. Der Abstand d ist dabei der Abstand zweier Linien, die in Richtung der Längsachse 22 durch die Mittelpunkte der Öffnungen 16, 17 der beiden Reihen gezogen sind. Der Durchmesser der Öffnungen 16, 17 ist kleiner oder gleich der Breite des Spaltes 12 und für alle Öffnungen gleich. Die Öffnungen 16, 17 in jeder der beiden Reihen haben untereinander den gleichen Abstand. Die Öffnungen 16, 17 beider Reihen sind auf Lücke angeordnet, d.h. relativ zueinander um den halben Abstand zweier Öffnungen einer Reihe versetzt. Die beiden Reihen von Öffnungen 16, 17 sind symmetrisch zur in Längsrichtung verlaufenden Mittellinie des Dichtungsstreifens 14' angeordnet.
In der Darstellung der 3 liegt der Dichtungsstreifen 14' relativ zum Spalt 12 zentriert in den Nuten 18, 19, d.h., die Mittellinie des Dichtungsstreifens 14' liegt in der vertikalen Mittelebene des Spaltes 12. Aufgrund der Anordnung und Verteilung der Öffnungen 16, 17 sind bei dieser zentrierten Lage des Dichtungsstreifens 14' alle Öffnungen 16, 17 zur Hälfte durch die Körper 11, 13 abgedeckt (siehe die gestrichelten Linien in 3(b), welche die Lage des Spaltes 12 andeuten).
Verschiebt sich nun – wie dies in 4 dargestellt ist – der Dichtungsstreifen 14' seitlich nach links in Richtung des in 4(b) eingezeichneten Pfeils, werden die Öffnungen 17 der linken Reihe von Öffnungen zunehmend abgedeckt bzw. ganz verdeckt, während die Öffnungen 16 der rechten Reihe in gleichem Masse abnehmend abgedeckt bzw. ganz freigegeben werden. Hierdurch wird auf besonders einfache Weise erreicht, dass trotz der Verschiebung (nach links oder rechts) der freie (unabgedeckte) Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 16, 17 und damit, auch der effektive Kühlluftstrom durch die Öffnungen 16, 17 insgesamt gleich bleibt.

10, 10': Dichtungsanordnung
11, 13: Körper (Deckbandsegment)
12: Spalt
14, 14': Dichtungsstreifen
15,.., 17: Öffnung (Durchgangsbohrung)
18, 19: Nut
20, 21: Stirnseite
22: Längsachse
d: Abstand

Claims

Dichtungsanordnung (10'), bei welcher zwei Körper (11, 13), die zwei Räume voneinander trennen, mit zwei sich entlang einer Längsachse (22) erstreckenden Stirnseiten (20, 21) unter Bildung eines Spaltes (12) aneinandergrenzen, und bei welcher der Spalt (12) durch einen quer zum Spalt (12) liegenden, sich entlang der Längsachse (22) erstreckenden Dichtungsstreifen (14') abgedeckt wird, der mit Spiel in zwei gegenüberliegenden, quer zum Spalt (12) in die Stirnseiten (20, 21) der Körper eingelassenen Nuten (18, 19) gelagert ist und eine Mehrzahl von Öffnungen (16, 17) aufweist, durch welche ein Medium innerhalb des Spaltes (12) von einem der Räume in den anderen strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (16, 17) über den Dichtungsstreifen (14') derart verteilt angeordnet sind, dass bei einer Verschiebung des Dichtungsstreifens (14') in den Nuten (18, 19) quer zur Längsachse (22) und zum Spalt (12) die freie Querschnittsfläche aller Öffnungen (16, 17) zusammengenommen im wesentlichen konstant bleibt.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (16, 17) als Durchgangsbohrungen mit gleichem Durchmesser ausgebildet sind.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (16, 17) in zwei in Richtung der Längsachse (22) verlaufenden Reihen angeordnet sind, deren Abstand (d) ungefähr gleich der Breite des Spaltes (12) ist, und die gleiche Anzahl von Öffnungen (16, 17) aufweisen.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Öffnungen (16, 17) kleiner oder gleich der Breite des Spaltes (12) ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (16, 17) in jeder der beiden Reihen untereinander den gleichen Abstand haben, und dass die Öffnungen (16, 17) beider Reihen auf Lücke angeordnet sind.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (10') Teil einer Gasturbine ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (11, 13) bogenförmige Segmente eines Turbinenschaufeldeckbandes sind.