DE19811294A1 - Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufelumhüllung und -plattform - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinen-Dichtungs­ system zwischen einer Leitschaufelumhüllung bzw. -ummantelung (z.B: Umhüllungsring bzw. Deckring) (shroud) und einer anschließenden Laufschaufelplattform bzw. einem Laufschaufelfuß.

In Fig. 4 ist in Schnittansicht eine Anordnung einer Leitschaufel und einer Laufschaufel in einer herkömmlichen Gasturbine dargestellt. In der Zeichnung bezeichnet Bezugsziffer 21 eine Laufschaufel, Bezugsziffer 31 eine Leitschaufel, und die Laufschaufel 21 weist in einem Basisabschnitt eine Plattform bzw. einen Schaufelfuß 22 auf und ist alternierend mit dazwischen angeordneten Leitschaufeln 31 an einem Rotor montiert und wird durch eine Strömung eines Verbrennungsgases 50 zum Umlauf gebracht. Die Bezugsziffer 23 bezeichnet eine Dichtungsplatte, die vor und hinter einem unteren Abschnitt der Plattform 22 vorgesehen ist, und die Bezugsziffern 24 und 25 bezeichnen einen vorderen bzw. hinteren Endabschnitt der Plattform 22.

Mit Bezugsziffer 32 ist eine innenseitige Umhüllung bzw. Ummantelung der Leitschaufel 31 bezeichnet, und die Bezugsziffern 33 und 34 bezeichnen einen vorderen bzw. hinteren Endabschnitt hiervon. Die Bezugsziffer 35 bezeichnet einen unterhalb der Umhüllung 32 angeordneten Hohlraum, die Bezugsziffer 36 einen Dichtungskasten, und die Bezugsziffern 37 und 38 bezeichnen einen zwischen benachbarten Laufschaufeln 21 in einer Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ausgebildeten Raum, wobei dieser Raum einen hohen Druck durch die aus dem Hohlraum 35 und dem Dichtungskasten 36 etc. ausströmende Dichtungsluft aufweist.

In der Gasturbine mit dem erwähnten Aufbau strömt das Verbrennungsgas 50 mit hoher Temperatur in einen von der Laufschaufel 21 und der Leitschaufel 31 gebildeten Verbrennungsgasdurchgang und versetzt die Laufschaufel 21 in Drehung, so daß die Gasturbine angetrieben wird. Während dem Betrieb fließt eine Dichtungsluft in den Hohlraum 35 vom inneren Abschnitt der Leitschaufel 21 durch einen Durchgang (nicht dargestellt), wodurch in dem Hohlraum 35 ein hoher Druck entsteht, so daß das Verbrennungsgas 50 hoher Temperatur daran gehindert wird, aus dem Verbrennungsgasdurchgang in die Schaufel einzutreten.

Dabei wird die Dichtungsluft veranlaßt, zwischen dem Endabschnitt 33 der innenseitigen Umhüllung 32 der Leitschaufel 31 und dem Endabschnitt 25 der Plattform 22 der Laufschaufel 21 sowie zwischen dem Endabschnitt 34 der innenseitigen Umhüllung 32 und dem Endabschnitt 24 der Plattform 22 nach oben auszuströmen, wie durch einen Pfeil 40 dargestellt ist, d. h. in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu dem in einer Axialrichtung strömenden Verbrennungsgas 50, wodurch ein Strömungswiderstand des Verbrennungsgases 50 vergrößert wird.

Wie erwähnt, wird bei der herkömmlichen Gasturbine die Dichtungsluft 40 zwischen der Umhüllung der Leitschaufel und der Plattform bzw. dem Schaufelfuß der benachbarten Laufschaufel in eine Richtung geleitet, die im wesentlichen senkrecht zur (Strömungs)-Richtung des Verbrennungsgases 50 ist, wodurch der Strömungswiderstand des Verbrennungsgases 50 erhöht wird und dabei ein Verlust entsteht, so daß es zu einer Verschlechterung der Turbinenleistung kommt.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufelumhüllung und -plattform zu schaffen, bei dem ein Strömungsdurchgang für eine Dichtungsluft verbessert ist, die zwischen einer Umhüllung einer Leitschaufel und einer Plattform einer benachbarten Laufschaufel ausströmt, so daß die Dichtungsluft nicht leicht ausströmen kann, und eine Ausströmrichtung hiervon wird so verändert, daß die Strömung eines Verbrennungsgases nicht behindert wird, wodurch die Leistung verbessert wird.

Durch die Erfindung wird folgende Einrichtung zur Lösung dieser Aufgabe bereitgestellt.

Ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufelumhüllung und -plattform gemäß der Erfindung umfaßt eine an einem Rotor vorgesehene Plattform zur Befestigung einer Laufschaufel und eine an einer Leitschaufel so befestigte, innenseitige Umhüllung bzw. Ummantelung (z. B. Umhüllungs- bzw. Deckring) (shroud), daß ein vorbestimmter Raum in einer Axialrichtung bezüglich der Plattform eingehalten wird und sie über eine Dichtungsvorrichtung anschließend an die Plattform angeordnet ist, wobei der Raum einen Strömungsdurchgang für aus der Dichtungsvorrichtung entweichende Luft bildet, wobei der Strömungsdurchgang für Luft so ausgebildet ist, daß er in der Axialrichtung nach vorne und hinten in Zickzackform verläuft und mit einem Verbrennungsgasdurchgang in Verbindung steht, und er ferner so geformt ist, daß Leckluft vor der Plattform und Leckluft hinter der Plattform veranlaßt wird, längs einer Fläche der Plattform bzw. längs einer Fläche der Umhüllung bzw. Ummantelung zu strömen, um in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas auszuströmen.

Erfindungsgemäß strömt die Dichtungsluft, die zwischen der Plattform und der Umhüllung entweicht, in der Axialrichtung aus dem unteren Abschnitt des Zwischenraums, so daß sie veranlaßt wird, vom Abschlußende der Dichtungsvorrichtung hineinzuströmen, nach dem Ausströmen aus der Dichtungsvorrichtung nach oben und weiter zum Verbrennungsgasdurchgang durch den in einer Zickzackform gebildeten Strömungsdurchgang, und damit in einer Horizontalrichtung strömt. Die zu dem Verbrennungsgas­ durchgang hin entweichende Luft strömt längs einer Fläche der Plattform vor der Plattform, bzw. längs einer Fläche der anschließenden Umhüllung hinter der Plattform, wodurch sie in derselben Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas strömt.

Damit kann, da die Leckluft die Strömung des Verbrennungsgases nicht stört und sie in derselben Richtung wie das Verbrennungsgas ausströmt, ein aerodynamischer Verlust in der Gasturbine vermindert werden.

Des weiteren wird eine Temperaturerhöhung durch ein Hochtemperaturgas an diesen Flächen durch einen Schichtkühleffekt unterdrückt, da die Leckluft längs der Oberflächen der Umhüllung und der Plattform strömt, so daß ein Kühleffekt erhöht werden kann.

Darüber hinaus strömt die Leckluft zickzackartig und in abgelenkter Weise aus, der Strömungswiderstand ist erhöht, die Luft entweicht nicht leicht, und die Leckluftmenge ist vermindert, so daß zusammen mit dem oben erwähnten Effekt die Leistung der Gasturbine verbessert ist.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen nähert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht, die eine Gesamtdarstellung eines Gasturbinen-Dichtungssystems zwischen Schaufelumhüllung und -plattform gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung eines Abschnitts A in Fig. 1,

Fig. 3 eine detaillierte Darstellung eines Abschnitts B in Fig. 1, und

Fig. 4 eine Schnittansicht einer Leitschaufel und einer Laufschaufel in einer herkömmlichen Gasturbine.

Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die ein erfindungsgemäßes Gasturbinen-Dichtungs­ system zwischen Schaufelumhüllung und -plattform darstellt, Fig. 2 eine Ansicht, welche die Details eines Abschnitts A in Fig. 1 zeigt, und Fig. 3 eine Ansicht, welche die Details eines Abschnitts B in Fig. 1 zeigt.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Laufschaufel und die Bezugsziffer 2 eine Plattform hiervon, welche an ihren beiden Enden weiter unten beschriebene Endabschnitte 2a und 2b aufweist. Mit der Bezugsziffer 3 ist eine Dichtungsplatte an der Rückseite des unteren Abschnitts der Plattform 2 bezeichnet, wobei die Dichtungsplatte 3 zusammen mit einem Armabschnitt 3a und einem Dichtungssteg bzw. -grat 3b einstückig ausgebildet ist. Mit der Bezugsziffer 4 ist ein vorspringender Abschnitt an einer Vorderseite der Plattform 2 bezeichnet, der mit einem Dichtungssteg bzw. -grat 4a an einem Abschlußende hiervon versehen ist. Die Bezugsziffern 5 und 6 bezeichnen einen vorderen Raum bzw. einen hinteren Raum bezüglich der anschließenden Leitschaufel; die Bezugsziffer 7 bezeichnet eine vordere Dichtungsplatte und die Bezugsziffer 8 einen durch den Endabschnitt 2a der Plattform und den vorspringenden Abschnitt 4 gebildeten Raum.

Mit der Bezugsziffer 11 ist eine Leitschaufel bezeichnet, und mit der Bezugsziffer 12 eine innenseitige Umhüllung hiervon mit später beschriebenen Endabschnitten 12a und 12b an ihren beiden Enden. Die Bezugsziffer 13 bezeichnet eine vordere Wabenstrukturdichtung und die Bezugsziffer 14 eine hintere Wabenstrukturdichtung, wobei der Dichtungssteg 3b und der Dichtungssteg 4a der anschließenden Laufschaufeln l in einer zueinander entgegengesetzten Weise angeordnet sind. Mit der Bezugsziffer 15 ist ein Hohlraum bezeichnet und mit der Bezugsziffer 16 ein Dichtungskasten.

Die Fig. 2 zeigt im Detail einen Abschnitt A von Fig. 1, wobei der Endabschnitt 12b auf der Hinterseite der innenseitigen Umhüllung 12 der Leitschaufel 11 vorspringt. Der Endabschnitt 12b ist so strukturiert, daß die in seinem unteren Abschnitt angeordnete Wabenstrukturdichtung 14 vorspringt, so daß er zusammen mit dieser Wabenstrukturdichtung 14 einen Raum 17 bildet; des weiteren springt der Endabschnitt 2a der Plattform 2 der Laufschaufel 1 mit einer sanft gekrümmten Oberfläche in den Raum 17 vor, so daß die Räume 17 und 8 in einer Form eines komplizierten Zickzackpfads mit S-Farm zwischen der Umhüllung 12 und der Plattform 2 ausgebildet sind, wie die Zeichnung darstellt.

Gemäß der oben erwähnten Struktur strömt Leckluft 60 horizontal zwischen der Wabenstrukturdichtung 14 und dem Dichtungssteg 4a aus dem unteren Raum 5, ändert ihre Richtung nach oben zum Raum 8 hin, strömt weiter horizontal in entgegengesetzter Richtung im Raum 17, strömt in einer zickzackartigen S-Form längs eines Raums zwischen dem Umhüllungs-Endabschnitt 12b und dem Plattformendabschnitt 2a, und strömt in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas 50 längs der glatten, gekrümmten Oberfläche der Plattform 2 aus.

In Fig. 3 sind die Einzelheiten eines Abschnitts B von Fig. 1 dargestellt, wobei der Endabschnitt 2b der Plattform 2 der Laufschaufel 1 vorspringt und eine glatte, gekrümmte Fläche an der Unterseite ausgeformt ist. Ferner ist auch der Umhüllungs-Endabschnitt 12a der Leitschaufel 11 vorspringend, und eine glatte, gekrümmte Fläche ist längs der unteren gekrümmten Oberfläche des Plattform-Endabschnitts 2b der Laufschaufel 1 ausgebildet. Die Dichtungsplatte 3 mit dem Armabschnitt 3a ist so angeordnet, daß der Dichtungssteg bzw. -grat 3b horizontal unterhalb der Unterseite der Wabenstrukturdichtung 13 des Umhüllungs-Endabschnitts 12a angeordnet ist, und die Dichtungsplatte 3 ist am unteren Abschnitt der Plattform 2 der Laufschaufel 1 montiert. Wie schon erwähnt, ist durch den Endabschnitt 2b der Plattform, den Umhüllungs-Endabschnitt 12a und den Armabschnitt 3a der Dichtungsplatte 3 ein Durchgang gebildet, durch den der Raum 6 und der Raum 9 eine zickzackartig geschlängelte S-Form erhalten.

Gemäß der obigen Struktur strömt die Leckluft 60 horizontal zwischen der Wabenstrukturdichtung 13 und dem Dichtungssteg 3b aus dem unteren Raum 6, ändert ihre Richtung nach oben in den Raum 9, strömt in einer zickzackartigen S-Form längs der unteren gekrümmten Fläche des Plattformendabschnitts 2b und der gekrümmten Fläche des Umhüllungs-Endabschnitts 12a nach oben, so daß sie allmählich in die Richtung des Verbrennungsgasstroms strömt, um längs der Oberfläche der Umhüllung 12 auszuströmen.

In der Gasturbine mit der angegebenen Struktur strömt das Verbrennungsgas 50 mit hoher Temperatur zu dem durch die Laufschaufel 1 und die Leitschaufel 11 gebildeten Durchgang, um die Laufschaufel 1 zu drehen, so daß die Gasturbine angetrieben wird. Im Betrieb strömt die Dichtungsluft in den Hohlraum 15 der Leitschaufel 11, nachdem sie einen Durchgang (nicht dargestellt) von der Leitschaufel 11 aus passiert hat, so daß im Hohlraum 15 ein hoher Druck entsteht, wodurch verhindert wird, daß das Verbrennungsgas mit hoher Temperatur aus dem Verbrennungsgasdurchgang in die Schaufel eintritt.

Dabei strömt im Vorderabschnitt der Plattform 2, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Leckluft 60 zwischen der Wabenstrukturdichtung 14 und dem Dichtungsgrat bzw. -steg 4a hindurch, und sie passiert den Raum 8 und den Raum 17, die durch den Plattform-Endabschnitt 2a und den Umhüllungs-End­ abschnitts 12b gebildet sind, strömt in einer zickzackartigen S-Form weiter, so daß sie längs der gekrümmten Oberfläche der Plattform 2 zum Ausströmen gebracht wird, und strömt in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas 50 aus.

Außerdem strömt die Leckluft 60 im hinteren Abschnitt der Plattform 2, wie Fig. 3 zeigt, zwischen der Wabenstrukturdichtung 13 und dem Dichtungssteg 3b hindurch, und sie passiert den von dem Umhüllungsendabschnitt 12a und dem Plattformendabschnitt 2b gebildeten Raum 9, strömt in einer S-förmigen Art weiter, und strömt längs der gekrümmten Oberfläche der Umhüllung 12 von der gekrümmten Oberfläche des Umhüllungsendabschnitts 12a aus, wobei das Ausströmen in dieselbe Strömungsrichtung wie die des Verbrennungsgases 50 geschieht.

In dem Gasturbinendichtungssystem wird bezüglich der Leitschaufelumhüllung und der Laufschaufelplattform gemäß der obigen Ausführungsform die Strömung des Verbrennungsgases 50 nicht gestört, da die Leckluft 60 in dieselbe Ausströmrichtung wie die des Verbrennungsgases 50 ausströmt, so daß ein aerodynamischer Verlust verringert werden kann.

Da außerdem die Leckluft 60 längs der Oberfläche der Plattform 2 der Laufschaufel 1 und der Oberfläche der Umhüllung 12 der Leitschaufel 11 strömt, kann eine Temperaturerhöhung durch das Verbrennungsgas hoher Temperatur durch den Schichtkühleffekt unterdrückt werden, so daß der Kühlungseffekt verstärkt werden kann. Darüber hinaus strömt die Leckluft 60 längs eines Durchgangs aus, der in zickzackartiger S-Form und in umgelenkter Weise strukturiert ist, wobei der Strömungswiderstand erhöht, ein Entweichen erschwert und die Menge an entweichender Luft reduziert sind.

Claims (1)

1. Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufelumhüllung und -plattform, umfassend eine(n) an einem Rotor vorgesehene(n) Plattform bzw. Schaufelfuß zur Befestigung einer Laufschaufel (1) und eine an einer Leitschaufel (11) so befestigte, innenseitige Umhüllung bzw. Ummantelung (12), daß ein vorbestimmter Raum in einer Axialrichtung bezüglich der Plattform (2) eingehalten wird, und sie über eine Dichtungsvorrichtung anschließend an die Plattform bzw. den Schaufelfuß (2) angeordnet ist, wobei der Raum einen Strömungsdurchgang für aus der Dichtungsvorrichtung entweichende Luft (60) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsdurchgang für Luft (60) so ausgebildet ist, daß er in der Axialrichtung nach vorne und hinten bzw. hin- und hergehend in Zickzackform verläuft und mit einem Verbrennungsgasdurchgang (50) in Verbindung steht, und des weiteren so geformt ist, daß Leckluft (60) vor der Plattform (2) und Leckluft (60) hinter der Plattform (2) veranlaßt wird, längs einer Fläche der Plattform (2) bzw. längs einer Fläche der Schaufelumhüllung bzw. -ummantelung (12) zu strömen, um in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50) auszuströmen.