DE10306915A1

DE10306915A1 - Seal for use between segments of gas turbine shrouds comprises strip with apertures for passage of gas in pattern designed so that when strip shifts sideways their free cross-section remains constant

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

The seal for use between the segments (11, 13) of gas turbine shrouds comprises a strip (14') which fits into grooves (18, 19) in the edges of adjacent segments. This has apertures (16, 17) for the passage of gas which are arranged on either side of its longitudinal axis in a pattern designed so that when the strip shifts sideways their free cross-section remains constant.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft eine Dichtungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates in the field of thermal machines. It affects one Sealing arrangement according to the preamble of claim 1.

Eine solche Dichtungsanordnung ist als gekühlte Dichtungsanordnung für das segmentierte Deckband einer Gasturbine z.B. aus der US-A-4,650,394 bekannt.Such a sealing arrangement is, for example, a cooled sealing arrangement for the segmented shroud of a gas turbine US-A-4,650,394 known.

STAND DER TECHNIKSTATE OF TECHNOLOGY

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 ).The blading of gas turbines is usually provided with inner and outer blade shrouds, which are composed of individual arcuate segments. The individual segments together form an annular band. Gaps are left between the segments due to the different thermal expansion in different operating states which are largely closed by means of sealing strips that extend across the gap and are supported with play in the segments (see, for example, 2 and 3 the 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).The segmented blade shrouds delimit the flow channel loaded with the hot working medium from adjacent rooms that carry cooling air. If additional cooling is to take place in the area of the gaps, it is expedient to provide openings in the sealing strips through which cooling air can pass for cooling purposes. An exemplary seal arrangement of this type is in the 1 and 2 reproduced in sections and in a highly simplified form. The partial figures (a) each show a cross section through the sealing arrangement, the partial figures (b) a top view of the sealing strip in its position relative to the gap. The in the 1 and 2 seal arrangement shown 10 proceeds from two bodies or shroud segments 11 and 13 made up of two along a longitudinal axis 22 extending end faces 20 . 21 forming a gap 12 adjoin (in the sub-figures 1 (a) and 2 (a) stands the longitudinal axis 22 perpendicular to the plane of the drawing). The gap formed 12 is through one across the gap 12 lying along the longitudinal axis 22 extending weather strip 14 covered. The weather strip 14 is with play in two opposite, across the gap 12 in the end faces 20 . 21 the body or shroud segments 11 . 13 recessed grooves 18 . 19 stored. The weather strip 14 has a plurality of openings 15 on that along the longitudinal axis 22 are arranged in a row with the same distance behind each other ( 1 (b) ). The openings 15 have the form of through holes, the diameter of which is smaller than the width of the gap 12 , The openings 15 are in a center line of the weather strip 14 placed so that their entire opening area is within the gap 12 and is available for the cooling air flow when the weather strip 14 symmetrical with respect to the gap 12 lies (see 1a . b ; in 1b is the location of the openings 15 relative to the gap 12 indicated by the split edges drawn in dashed lines).

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.However, if - like this in 2a . b is shown - the sealing strip 14 in the grooves 18 . 19 the openings are moved to the side 15 more or less strongly from one of the bodies 11 . 13 obscured so that the free opening area of the openings 15 and accordingly the amount of cooling air flowing through decreases more or less. However, this means that the one with the openings 15 Intended cooling effect depending on the position of the sealing strip 14 can be very different and, in extreme cases, can even completely disappear.

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.In the publication mentioned at the beginning US-A-4,650,394 Seal arrangements for gas turbines have now been proposed, in which the gaps between the segments are covered by sealing strips or plates which have a plurality of openings in the form of parallel elongated holes which extend transversely to the longitudinal axis. The elongated holes are connected to cooling air chambers arranged under the sealing strip and are accordingly flowed through by cooling air which is intended to cool the gap. In all operating states of the gas turbine, the oblong holes are partially covered at both ends by the segments adjoining the gap. If the gap widens during operation, the coverage of the elongated holes becomes smaller and the cooling air flow flowing through the elongated holes increases, and vice versa. The partially covered oblong holes represent a kind of automatic cooling system that controls the cooling air flow through the sealing strip into the gap depending on the gap width. Since the thermal load in the gap area increases with the gap width, a compensation is created by the simultaneously increasing cooling air flow. When the gap becomes narrower, the cooling air flow is reduced and unnecessary cooling is avoided. Although this is not mentioned in the document, the oblong holes covered at the ends have the effect that their free opening area does not change when the sealing strip moves transversely to the gap and transversely to the longitudinal axis. A disadvantage of this configuration, however, is that the production of the elongated holes is considerably more complex than the production of circular through holes.

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.It is therefore an object of the invention to provide a sealing arrangement of the type mentioned, which is largely independent of the The shape of the openings ensures that when the sealing strip is moved transversely to the longitudinal axis and to the gap, the free cross-sectional area of all openings taken together remains essentially constant.

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.The task is through the whole of the features of claim 1 solved. The essence of the invention is not the constancy of the free cross-sectional area through a special design of the individual openings to achieve, but by a suitable distribution of the openings on the weather strip. This will have the desired effect largely independent the shape of the individual openings, so that particularly simple opening shapes such as. circular through holes can be used. Under free Cross sectional area is the sum of the cross-sectional areas of the individual openings understood that are not covered by the bodies adjacent to the gap are.

Eine bevorzugte, herstellungstechnisch besonders einfache Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Öffnungen als Durchgangsbohrungen mit gleichem Durchmesser ausgebildet sind.A preferred, manufacturing technology This is characterized by a particularly simple embodiment of the invention from that the openings are designed as through holes with the same diameter.

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.A particularly even distribution of cooling air is achieved in that the openings in two in the direction of the longitudinal axis running rows are arranged, the distance between them approximately the same the width of the gap, and the same number of openings include that the diameter of the openings is less than or equal to the width of the gap is that the openings in each of the two rows have the same distance from each other and that the openings both rows on gap are arranged.

Vorzugsweise ist die Dichtungsanordnung Teil einer Gasturbine, wobei die Körper bogenförmige Segmente eines Turbinenschaufeldeckbandes sind.The sealing arrangement is preferably part a gas turbine, the body arcuate segments of a turbine blade shroud.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments result from the dependent Claims.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenThe invention is based on the following of embodiments be explained in more detail in connection with the drawing. Show it

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); 1 in two partial figures (a, b) the cross-section through an exemplary sealing arrangement, as is customary in gas turbines ( 1a ) and the top view of the sealing strip provided with a row of holes in the sealing arrangement in the centered normal position ( 1b );

2 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung die Dichtungsanordnung aus 1 mit aus der Normalposition seitlich verschobenem Dichtungsstreifen; 2 in one too 1 comparable representation of the seal arrangement 1 with the sealing strip moved laterally from the normal position;

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 3 in one too 1 comparable representation a preferred embodiment for a sealing arrangement according to the invention with two rows of holes arranged offset in the sealing strip, the sealing strip being in the centered normal position; and

4 in einer zu 3 vergleichbaren Darstellung die Dichtungsanordnung aus 3 mit aus der Normalposition seitlich verschobenem Dichtungsstreifen. 4 in one too 3 comparable representation of the seal arrangement 3 with the sealing strip shifted laterally from the normal position.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO EXECUTE THE INVENTION

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.In 3 and 4 is in one too 1 comparable representation reproduced a preferred embodiment for a sealing arrangement according to the invention. The partial figure (a) shows a cross section through the sealing arrangement, the partial figure (b) shows a plan view of the sealing strip used in the sealing arrangement. The sealing arrangement 10 ' comprises two bodies 11 . 13 , which can be, in particular, shroud segments of blade shrouds in gas turbines. The body 11 . 13 border with their end faces 20 . 21 forming a gap 12 together. To seal the gap 12 is a weather strip 14 ' provided that with play in two opposite grooves 18 . 19 is held across the gap 12 in the end faces 20 . 21 are let in.

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.The (rectangular) weather strip 14 ' has a plurality of openings 16 . 17 in the form of circular through holes that are in two parallel, in the direction of the longitudinal axis 22 running rows are arranged. Each row has the same number of openings (three in the example). The two rows have a distance d that is approximately equal to the width of the gap 12 is. The distance d is the distance between two lines in the direction of the longitudinal axis 22 through the centers of the openings 16 . 17 of the two rows are drawn. The diameter of the openings 16 . 17 is less than or equal to the width of the gap 12 and the same for all openings. The openings 16 . 17 in each of the two rows have the same distance from each other. The openings 16 . 17 Both rows are arranged in a gap, ie offset by half the distance between two openings in a row. The two rows of openings 16 . 17 are symmetrical to the longitudinal center line of the sealing strip 14 ' arranged.

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).In the representation of the 3 is the weather strip 14 ' relative to the gap 12 centered in the grooves 18 . 19 , that is, the center line of the weather strip 14 ' lies in the vertical central plane of the gap 12 , Due to the arrangement and distribution of the openings 16 . 17 are in this centered position of the weather strip 14 ' all openings 16 . 17 half through the body 11 . 13 covered (see the dashed lines in 3 (b) showing the location of the gap 12 hint).

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.Now shifts - like this in 4 is shown - the sealing strip 14 ' sideways to the left towards the in 4 (b) drawn Arrow, the openings 17 the left row of openings increasingly covered or completely covered, while the openings 16 the right-hand row are covered to the same extent, or are released entirely. In this way it is achieved in a particularly simple manner that, despite the displacement (to the left or right), the free (uncovered) opening cross section of the openings 16 . 17 and with it, the effective cooling air flow through the openings 16 . 17 overall remains the same.

10, 10'10 10 ': Dichtungsanordnungsealing arrangement
11, 1311 13: Körper (Deckbandsegment)Body (cover band segment)
1212: Spaltgap
14, 14'14 14 ': Dichtungsstreifenweatherstrip
15,.., 1715, .., 17: Öffnung (Durchgangsbohrung)Opening (through hole)
18, 1918 19: Nutgroove
20, 2120 21: Stirnseitefront
2222: Längsachselongitudinal axis
dd: Abstanddistance

Claims

Sealing arrangement ( 10 ' ), in which two bodies ( 11 . 13 ) that separate two rooms, with two along a longitudinal axis ( 22 ) extending end faces ( 20 . 21 ) forming a gap ( 12 ) and where the gap ( 12 ) through one across the gap ( 12 ) lying along the longitudinal axis ( 22 ) extending sealing strips ( 14 ' ) is covered, which with play in two opposite, across the gap ( 12 ) in the end faces ( 20 . 21 ) body recessed grooves ( 18 . 19 ) is mounted and a plurality of openings ( 16 . 17 ) through which a medium inside the gap ( 12 ) can flow from one of the rooms to the other, characterized in that the openings ( 16 . 17 ) over the sealing strip ( 14 ' ) are distributed such that when the sealing strip is moved ( 14 ' ) in the grooves ( 18 . 19 ) transverse to the longitudinal axis ( 22 ) and to the gap ( 12 ) the free cross-sectional area of all openings ( 16 . 17 ) taken together remains essentially constant.

Sealing arrangement according to claim 1, characterized in that the openings ( 16 . 17 ) are designed as through holes with the same diameter.

Sealing arrangement according to claim 2, characterized in that the openings ( 16 . 17 ) in two in the direction of the longitudinal axis ( 22 ) running rows are arranged, the distance (d) of which is approximately equal to the width of the gap ( 12 ) and the same number of openings ( 16 . 17 ) exhibit.

Sealing arrangement according to claim 3, characterized in that the diameter of the openings ( 16 . 17 ) less than or equal to the width of the gap ( 12 ) is.

Sealing arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the openings ( 16 . 17 ) in each of the two rows have the same distance from each other and that the openings ( 16 . 17 ) both rows are arranged in a gap.

Sealing arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sealing arrangement ( 10 ' ) Is part of a gas turbine.

Sealing arrangement according to claim 6, characterized in that the body ( 11 . 13 ) are arcuate segments of a turbine blade shroud.