DE19811294B4

DE19811294B4 - Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufelumhüllung und -plattform

Info

Publication number: DE19811294B4
Application number: DE19811294A
Authority: DE
Inventors: Yasuoki Tomita; Hiroki Fukuno; Eisaku Ito; Kiyoshi Suenaga
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JPH10259703A; CA2229883A1; US5967745A; CA2229883C; DE19811294A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufelumhüllung und -plattform, bei dem ein Ausströmen einer Dichtungsluft den Verbrennungsgasstrom nicht stört und ein aerodynamischer Verlust beseitigt wird. Eine Leckluft (60) entweicht zwischen einer Plattform bzw. einem Schaufelfuß (2) einer Laufschaufel (1) und einer innenseitigen Umhüllung bzw. Ummantelung (12) in einer Leitschaufel (11); die Leckluft (60) strömt jedoch an einer Vorderseite der Laufschaufel (1) in einer S-förmigen Weise innerhalb eines von einem vorspringenden Endabschnitt (12b) der Umhüllung, einer Wabenstrukturdichtung (14) und einem vorspringenden Abschnitt (4) der Plattform gebildeten Raums (8, 17), und strömt in derselben Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50) längs einer Oberfläche der Plattform 2) aus. Auf der Hinterseite der Laufschaufel (1) strömt die Leckluft (60) in einer S-förmigen Weise innerhalb eines Raums (6, 9), gebildet durch einen vorspringenden Endabschnitt (2b) der Plattform, einen vorspringenden Endabschnitt (12b) der Umhüllung, eine Wabenstrukturdichtung (13) und eine Dichtungsplatte (3), und strömt in derselben Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50) längs einer Oberfläche der Umhüllung (12) aus. Somit strömt die Luft (60) in derselben Richtung wie das Verbrennungsgas (50), die Luft kann nicht einfach entweichen, und ein Kühleffekt der Plattform und der Umhüllung wird durch einen Schichtkühlungseffekt erhöht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen einer Leitschaufelumhüllung bzw. -ummantelung, im Folgenden als ”Deckring” (shroud) bezeichnet, und einer anschließenden Laufschaufelplattform.
In 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 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 ein innenseitiger Deckring der Leitschaufel 31 bezeichnet, und die Bezugsziffern 33 und 34 bezeichnen einen vorderen bzw. hinteren Endabschnitt hiervon. Die Bezugsziffer 35 bezeichnet einen unterhalb des Deckrings 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. Im 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 des innenseitigen Deckrings 32 der Leitschaufel 31 und dem Endabschnitt 25 der Plattform 22 der Laufschaufel 21 sowie zwischen dem Endabschnitt 34 des innenseitigen Deckrings 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 dem Deckring der Leitschaufel und der Plattform der benachbarten Laufschaufel in eine Richtung geleitet, die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 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.
Aus der US 5358374 A ist ein Dichtungssystem zwischen einem inneren Deckring einer Leitschaufel und jeweils stromab und stromauf davon, bezogen auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgases, angeordneten Plattformen von Laufschaufeln. Eine Dichtungsvorrichtung ist an einer radial inneren Fläche des inneren Deckrings vorgesehen. Das Dichtungssystem umfasst einen Strömungsdurchgang zwischen der jeweiligen Plattform und dem Deckring, in dem die aus seitlichen Öffnungen des inneren Deckrings ausströmende Kühlluft aus der Laufschaufel in Zickzackform umgelenkt wird, bevor sie in einer Radialrichtung in den Verbrennungsgasdurchgang austritt.
Aus der DE 2825219 A1 ist ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen einer Laufschaufel und stromab bzw. stromauf davon, bezogen auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgases, angeordneten Leitschaufeln bekannt, bei dem eine Dichtungsvorrichtung im Bereich des Strömungsdurchgangs zwischen dem inneren Deckring der stromaufwärtigen Leitschaufel und der Plattform der stromab davon angeordneten Laufschaufel vorgesehen ist. Auch hier tritt die Kühlluft im wesentlichen radial in den Verbrennungsgasdurchgang aus.
Aus der EP 0550125 A1 ist eine weitere Dichtungsanordnung zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln bzw. zwischen einer Laufschaufel und einer stromab davon bezogen auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgases angeordneten Leitschaufel bekannt.
Aus der DE 2140720 A ist schließlich eine Turbinenstufe für einen Turboverdichter oder ein Flugtriebwerk oder eine Turbine zum Antreiben eines elektrischen Generators bekannt, bei der zur Verringerung einer Leckströmung eines Arbeitsmediums durch einen Zwischenkranzspalt in demselben eine Labyrinthdichtung angeordnet ist, die an der stromabseitigen Rückseite des Leitschaufelkranzes einen Vorsprung besitzt, der eine Fußfläche einer benachbarten Laufschaufel teilweise überdeckt, einen Durchtritt für die Leckströmung bildet und eine Umlenkung der Leckströmung in Richtung des Hauptstroms des Arbeitsmediums bewirkt. Mittels schräger Nuten an der Innenfläche des Vorsprungs wird der Leckströmung ein Drall in der Drehrichtung des Laufrades aufgeprägt, um die Leckströmungsenergie auszunutzen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen einem inneren Deckring einer Leitschaufel und einer Plattform einer Laufschaufel in Vorschlag zu bringen, durch das die Strömung eines Verbrennungsgases nicht behindert wird und die eine höhere Leistung der Gasturbine ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Gasturbinen-Dichtungssystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß strömt die Dichtungsluft, die zwischen der Plattform und dem Deckring entweicht, aus dem unteren Abschnitt des Zwischenraums in die Dichtungsvorrichtung. Nach dem Ausströmen aus der Dichtungsvorrichtung strömt sie nach oben und weiter zum Verbrennungsgasdurchgang durch den in einer Zickzackform gebildeten Strömungsdurchgang, und damit in einer Horizontalrichtung. Die zu dem Verbrennungsgasdurchgang hin entweichende Luft strömt längs einer Fläche der Plattform vor der Plattform, bzw. längs einer Fläche des anschließenden Deckrings 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 des Deckrings 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:
1 eine Schnittansicht, die eine Gesamtdarstellung eines Gasturbinen-Dichtungssystems zwischen Schaufeldeckring und -plattform gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
2 eine detaillierte Darstellung eines Abschnitts A in 1,
3 eine detaillierte Darstellung eines Abschnitts B in 1, und
4 eine Schnittansicht einer Leitschaufel und einer Laufschaufel in einer herkömmlichen Gasturbine.
Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht, die ein erfindungsgemäßes Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen Schaufeldeckring und -plattform darstellt, 2 eine Ansicht, welche die Details eines Abschnitts A in 1 zeigt, und 3 eine Ansicht, welche die Details eines Abschnitts B in 1 zeigt.
In 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 ein innenseitiger Deckring hiervon mit später beschriebenen Endabschnitten 12a und 12b an seinen 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 1 in einer zueinander entgegengesetzten Weise angeordnet sind. Mit der Bezugsziffer 15 ist ein Hohlraum bezeichnet und mit der Bezugsziffer 16 ein Dichtungskasten.
Die 2 zeigt im Detail einen Abschnitt A von 1, wobei der Endabschnitt 12b auf der Hinterseite des innenseitigen Deckrings 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-Form zwischen dem Deckring 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 Deckring-Endabschnitt 12b und dem Plattform-Endabschnitt 2a, und strömt in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas 50 längs der glatten, gekrümmten Oberfläche der Plattform 2 aus.
In 3 sind die Einzelheiten eines Abschnitts B von 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 Deckring-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 Deckring-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 Deckring-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 Plattform-Endabschnitts 2b und der gekrümmten Fläche des Deckring-Endabschnitts 12a nach oben, so daß sie allmählich in die Richtung des Verbrennungsgasstroms strömt, um längs der Oberfläche des Deckrings 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 srömt im Vorderabschnitt der Plattform 2, wie in 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 Deckring-Endabschnitt 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 3 zeigt, zwischen der Wabenstrukturdichtung 13 und dem Dichtungssteg 3b hindurch, und sie passiert den von dem Deckring-Endabschnitt 12a und dem Plattform-Endabschnitt 2b gebildeten Raum 9, strömt in einer S-förmigen Art weiter, und strömt längs der gekrümmten Oberfläche des Deckrings 12 von der gekrümmten Oberfläche des Deckring-Endabschnitts 12a aus, wobei das Ausströmen in dieselbe Strömungsrichtung wie die des Verbrennungsgases 50 geschieht.
In dem Gasturbinen-Dichtungssystem wird bezüglich des Leitschaufeldeckrings 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 des Deckrings 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

Gasturbinen-Dichtungssystem zwischen einem inneren Deckring (12) einer Leitschaufel (11) und einer Plattform (2) einer Laufschaufel (1), wobei ein Raum in einer Axialrichtung zwischen der Plattform (2) und dem Deckring (12) gebildet ist und der Raum einen Strömungsdurchgang für Dichtungsluft (60) bildet, wobei in dem Strömungsdurchgang eine Dichtungsvorrichtung angeordnet ist und der Strömungsdurchgang so gestaltet ist, dass die Dichtungsluft (60) in der Axialrichtung in Zickzackform strömt, bevor sie in einen Verbrennungsgasdurchgang austritt, wobei die Plattform (2) an einem in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (50) hinteren Ende einen Endabschnitt (2b) aufweist, der zu dem Deckring (12) hin vorspringt und an einer Unterseite eine glatte, konkav gekrümmte Fläche besitzt, und der Deckring (12) an einem in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (50) vorderen Ende einen Endabschnitt (12a) aufweist, der zu dem Endabschnitt (2b) der Plattform (2) vorsteht und eine glatte, konvex gekrümmte Fläche besitzt, die sich entlang der glatten, gekrümmten Fläche an der Unterseite des Endabschnitts (2b) der Plattform (2) erstreckt, derart, dass die Dichtungsluft durch die gekrümmten Flächen in Richtung der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (50) umgelenkt wird und entlang einer Oberfläche des Deckrings (12) in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50) ausströmt, und wobei die Dichtungsvorrichtung zwischen einer unteren Oberfläche des Endabschnitts (12a) des Deckrings (12) und einem Armabschnitt (3a) einer an einem unteren Abschnitt der Plattform (2) angebrachten Dichtungsplatte (3) angeordnet ist.
Gasturbinen-Dichtungssystem gemäß Anspruch 1, wobei der Deckring (12) an einem in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (50) hinteren Ende einen Endabschnitt (12b) aufweist, der zu einer Plattform (2) einer anschließenden Laufschaufel (1) hin vorspringt und an einer Unterseite eine Fläche besitzt, und die Plattform (2) der anschließenden Laufschaufel (1) ebenfalls einen Vorsprung (2a) aufweist, der zu dem Endabschnitt (12b) des Deckrings (12) vorsteht und eine sanft gekrümmte Oberfläche besitzt, so dass die Dichtungsluft umgelenkt wird und entlang einer glatten, gekrümmten Oberfläche der Plattform (2) in der gleichen Strömungsrichtung wie das Verbrennungsgas (50) ausströmt.