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Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung zum Verhindern eines Entweichens eines Dichtungs-Kühlmediums bzw. -mittels mit hoher Genauigkeit.
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Eine herkömmliche Dichtungsvorrichtung wird unter Bezugnahme auf die 6 und 7 der beigefügten Zeichnungen beschrieben. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine. In der Gasturbine wird eine auf einer Turbinenrotorscheibe 3 montierte Laufschaufel 4 durch ein von einer (nicht dargestellten) Brennkammer geliefertes Hauptstromgas 1 hoher Temperatur mit hoher Geschwindigkeit in Drehung versetzt, um einen damit verbundenen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie anzutreiben.
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In der Gasturbine ist ein Dichtungsabschnitt, z. B. eine Dichtungsplattendichtung 51, Labyrinthdichtung 6 o. dgl., in einem vorbestimmten Zwischenraum angeordnet, um zu verhindern, dass als Dichtungs-/Kühlmedium 2 verwendete Luft unter hohem Druck oder Dampf hoher Temperatur in den Hauptgasstrom 1 entweicht.
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7(a) zeigt einen Teil der einander benachbart angeordneten Turbinenrotorscheiben 3 mit einem zwischen ihnen angeordneten Dichtungsabschnitt. 7(b) zeigt in vergrößertem Maßstab die Dichtungsplattendichtung 51, die einen Hauptteil der 7(a) darstellt.
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Die Labyrinthdichtung 6 und ein Einzelstück der Dichtungsplattendichtung 51 sind zwischen eng aneinanderliegenden Abschnitten der Turbinenrotorscheibe 3 einander benachbart angeordnet, um ein Entweichen des durch ein in der Turbinenrotorscheibe 3 vorgesehenes, axiales Loch zugeführten Dichtungs-/Kühlmediums 2 durch einen Hohlraum 7 zwischen der Laufschaufel und der Leitschaufel in den Hochtemperatur-Hauptgasstrom 1 zu verhindern, wie dies durch die durch Pfeile angedeuteten Strömungslinien 8 und 9 dargestellt ist. Infolgedessen wird bzw. ist dieser Abschnitt abgedichtet.
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Da jedoch die herkömmliche Dichtungsvorrichtung so konstruiert ist, dass nur eine einzige Dichtungsplatte angeordnet ist, wird das an diesem Abschnitt durch die Strömungslinie 8 angegebene Entweichen des Dichtungs-/Kühlmediums 2 aus Luft unter hohem Druck oder Dampf hoher Temperatur groß.
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Dieses entweichende Dichtungs-/Kühlmedium 2 strömt weiter und mischt sich mit dem Hochtemperatur-Hauptgasstrom 1, wie dies durch die Strömungslinie 9 angedeutet ist, so dass ein großer Verlust hinsichtlich einer aerodynamischen Leistung der Turbine und eines thermischen Wirkungsgrads eines Gasturbinenkreislaufs entsteht.
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In jüngster Zeit ist das Druckverhältnis der Gasturbine erhöht worden, und ein größerer Dampfdruck (mehrere 10 atm) ist oftmals für das Dichtungs-/Kühlmedium 2 verwendet worden. So lange das Entweichen an diesem Abschnitt nicht blockiert ist bzw. wird, kann ein angestrebter bzw. Sollwirkungsgrad einer Anlage nicht erzielt werden.
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Aus der
US 3745628 A ist eine Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung mit einem so zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben angeordneten Dichtungsabschnitt bekannt, dass ein Dichtungs-/Kühlmedium nicht in den Hauptgasstrom entweicht. Der Dichtungsabschnitt umfasst ein ringförmiges Dichtband, das zwischen den Rotorscheiben angeordnet ist.
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Aus der
US 4688988 A ist eine weitere Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung zwischen zwei Leitschaufelsegmenten bekannt, bei der in Umfangsrichtung einer Stufe zwischen benachbarten Leitschaufelsegmenten Dichtungsplatten in zwei Stufen übereinander in Einbaunuten eingesetzt sind.
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Die
EP 0856640 A1 , die Stand der Technik nach § 3(2) PatG ist, zeigt eine weitere Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung in zwei übereinander angeordneten Stufen zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln.
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Die
JP 07-305602 A beschreibt eine weitere Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung mit einem einstufigen Dichtungsabschnitt zwischen benachbarten Laufschaufeln, die einen ringförmigen Dichtungsstift umfasst, der in einer einseitig abgeschrägten Nut- bzw. Rille angeordnet ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Dichtungsvorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, ein Entweichen des Dichtungs-/Kühlmediums mit einem einfachen Aufbau zu unterdrücken und damit zur Verbesserung der Leistung bzw. des Wirkungsgrads der Anlage beizutragen.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung eine Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 2 vor.
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Des Weiteren ist gemäß einer anderen Merkmal Gegenstand der Erfindung eine Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung mit einem zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben so angeordneten Dichtungsabschnitt, dass ein Dichtungs-/Kühlmedium nicht in den Hauptgasstrom entweicht, wobei der Dichtungsabschnitt in einer einzelnen Stufe oder in mehreren Stufen durch Anordnung eines ringförmigen Dichtungsstifts bzw. -stabs in einer einzelnen, einseitig abgeschrägten Nut oder in jeder einer Anzahl einseitig abgeschrägter Nuten aufgebaut ist und jede Nut eine geneigte Außenwand hat. Demzufolge ist der Dichtungsstift in der einseitig abgeschrägten Nut mit der geneigten Außenwand angeordnet, so dass der Dichtungsstift wegen einer Zentrifugalkraft und eines Druckgefälles bzw. Wirkdrucks stark in die Radialrichtung gedrückt wird. Damit dichtet der Dichtungsstift jeden Zwischenraum bzw. Spalt in der Radialrichtung zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben ab und bietet damit eine sichere Abdichtleistung. Diese einseitig abgeschrägte Nut kann in einer einzelnen Stufe gebaut sein, aber durch mehrstufige Anordnung wird ihre Dichtungsleistung weiter erhöht.
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Nach der Erfindung ist auf die Dichtungsplatte, die Einbaunut bzw. die einseitig abgeschrägte Nut eine abrieb- bzw. verschleißfeste Beschichtung aufgebracht. Durch solche abrieb- bzw. verschleißfeste Beschichtungen wird ein Verschleiß zwischen der Dichtungsplatte und der Einbaunut hierfür oder zwischen dem Dichtungsstab und der einseitig abgeschrägten Nut, in der der Dichtungsstab angeordnet ist, vermindert, und die Oberflächenrauhigkeit dieser beschichteten Abschnitte wird verbessert, so dass eine glatte und schlüpfrige Oberfläche geschaffen wird, wodurch die Abdichtleistung weiter verbessert wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung mit Merkmalen einer ersten Ausführungsform der Erfindung, worin 1(a) einen Teil von Turbinenrotorscheiben zeigt, in denen ein Dichtungsabschnitt zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben angeordnet ist, und 1(b) eine Ansicht zur Veranschaulichung einer Leiterplattendichtung ist, die einen Hauptteil von 1(a) darstellt,
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2 eine schematische Ansicht einer Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung mit Merkmalen einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, worin 2(a) einen Teil von Turbinenrotorscheiben darstellt, in denen ein Dichtungsabschnitt zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben angeordnet ist, und 2(b) eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Dichtungsabschnitts ist, der eine einseitig abgeschrägte Nut und einen ringförmigen Dichtungsstab aufweist und einen Hauptteil von 2(a) darstellt,
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3 eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Anwendungsbeispiels, bei dem ein Teil von 2 abgeändert ist,
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4 eine schematische Ansicht einer Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Teil der Turbinenrotorscheiben, in denen ein Dichtungsabschnitt zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben angeordnet ist, vergrößert dargestellt ist,
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5 eine Ansicht zur Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform, bei der ein Teil von 4 abgeändert ist,
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6 eine schematische Schnittansicht einer herkömmlichen Gasturbine, und
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7 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung, worin 7(a) einen Teil von Turbinenrotorscheiben darstellt, wobei ein Dichtungsabschnitt zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben angeordnet ist, und 7(b) eine Ansicht zur Veranschaulichung einer Dichtungsplattendichtung ist, die einen Hauptabschnitt von 7(a) darstellt.
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Im Folgenden wird ein erstes Beispiel zur Erläuterung der Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1(a) zeigt ausschnittweise einen Abschnitt nebeneinander angeordneter Turbinenrotorscheiben 3, 3 mit einem zwischen diesen angeordneten Dichtungsabschnitt. 1(b) zeigt in Vergrößerung eine Dichtungsplattendichtung, die ein Hauptteil von 1 ist. Dabei werden dieselben Bezugsziffern für dieselben schon erwähnten Komponenten verwendet und eine Beschreibung hiervon weggelassen.
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Gemäß diesem Beispiel sind mehrere Einbaunuten bzw. -rillen 13 in einem in Axialrichtung einer Turbine vorspringenden Abschnitt jedes nebeneinander in derselben Richtung liegenden Turbinenrotorscheibenpaars 3, 3 so vorgesehen, dass die Einbaunuten 13 in mehreren Stufen in Radialrichtung angeordnet sind. In jeder der Einbaunuten 13 ist eine Dichtungsplatte (buffle plate seal) 5a, 5b, 5c, 5d angeordnet. Es ist hier zwar ein Typ mit vier Dichtungsplatten gezeigt, in dem vier Einzelstücke der Dichtungsplattendichtung vorgesehen sind, die Anzahl der Dichtungsplatten ist jedoch nicht auf vier beschränkt, sofern es sich um eine mehrstufige Struktur von zwei oder mehr Stücken handelt, und sie kann selbstverständlich in geeigneter Weise je nach Gestaltungsbedingung einer konkreten Vorrichtung angepasst werden.
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Da gemäß diesem Beispiel die vier Dichtungsplatten 5a, 5b, 5c und 5d vorgesehen sind, wirken die einzelnen Dichtungsplatten 5a, 5b, 5c, 5d gemeinsam einer als Dichtungs-/Kühlmedium 2 gelieferten Hochdruckluft oder einem Dampf hoher Temperatur entgegen. Damit wird der auf die Dichtungsplatten einwirkende Druck zerstreut oder verteilt, so dass die Druckeinwirkung auf jede von ihnen vermindert wird. Infolgedessen hat jede Dichtungsplatte eine zusätzliche Abdichtfähigkeit, so dass die Dichtungsleistung verbessert wird, wodurch eine sichere Abdichtung erzielt werden kann.
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Im Folgenden wird ein zweites Beispiel zur Erläuterung der Erfindung unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. Wie die auf dem ersten Beispiel beruhende 1 zeigt 2(a) ausschnittweise einen Abschnitt nebeneinander gelegener Turbinenrotorscheiben 3, 3 mit einem dazwischen angeordneten Dichtungsabschnitt, und 2(b) zeigt in Vergrößerung einen Dichtungsabschnitt, in dem ein ringförmiger Dichtungsstift bzw. -stab 10 in einer einseitig abgeschrägten Nut 11 als Hauptteil von 2(a) angeordnet ist. Dabei sind dieselben Bezugsziffern denselben Komponenten wie bei dem vorher beschriebenen Stand der Technik und dem ersten Beispiel zugewiesen, und eine Beschreibung hiervon wird weggelassen.
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Gemäß diesem Beispiel ist eine einseitig abgeschrägte Nut bzw. Rille 11 mit einer nach außen geneigten Außenwand (Flanke) in einem in einer Turbinen-Axialrichtung vorspringenden Abschnitt jedes Paars nebeneinander in derselben Richtung angeordneter Turbinenrotorscheiben 3, 3 vorgesehen. In dieser einseitig abgeschrägten Nut 11 ist ein ringförmiger Dichtungsstab 10 angeordnet.
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Da dieses Beispiel so strukturiert ist wie oben beschrieben wurde, wird der Dichtungsstab aufgrund einer während des Betriebs auf den Dichtungsstab einwirkenden Zentrifugalkraft, eines Druckgefälles bzw. Wirkdrucks zwischen der Innenseite und der Außenseite des Dichtungsstabs 10, usw. in die Radialrichtung gedrückt. Infolgedessen dichtet dieser Dichtungsstab einen Zwischenraum bzw. Spalt zwischen den Turbinenrotorscheiben 3, 3 in der Radialrichtung ab und bewirkt damit eine sichere Abdichtleistung.
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3 zeigt ein Anwendungsbeispiel, in dem das vorliegende Beispiel teilweise abgeändert ist. Das heißt, eine Anzahl einseitig abgeschrägter Nuten 11a, 11b, 11c und 11d sind in der Radialrichtung vorgesehen, und die Dichtungsstäbe 10a, 10b, 10c und 10d sind in den betreffenden einseitig abgeschrägten Nuten 11a, 11b, 11c, 11d angeordnet, so dass ein mehrstufiger Dichtungsabschnitt hergestellt ist.
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Aufgrund dieses mehrstufigen Dichtungsabschnitts ist die Abdichtfunktion verteilt, so dass eine auf jede Stufe einwirkende Last abgemildert wird. Damit hat jeder Dichtungsabschnitt ein zusätzliches Potential, wodurch die gesamte Abdichtleistung erhöht ist.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. Da die Ausführungsform eine Abwandlung der Hauptteile der ersten und zweiten Beispiele ist, werden dieselben Komponenten mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie bei den vorher beschriebenen Beispielen, und eine Beschreibung hiervon wird weggelassen.
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Gemäß dieser Ausführungsform sind gegenüber dem schon beschriebenen ersten Beispiel die Dichtungsplatten 5 und die diese aufnehmenden Einbaunuten 13 mit einer abrieb- bzw. verschleißfesten Beschichtung 12a aus einem keramischen Material oder aus einem Material der Chromsorten beschichtet, wie 4 darstellt.
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Auf ähnliche Weise sind in dieser Ausführungsform im Vergleich zu dem vorher beschriebenen zweiten Beispiel die Oberflächen des Dichtungsstabs 10 und der einseitig abgeschrägten Nut 11, in der der Dichtungsstab 10 angeordnet ist, mit einer abrieb- bzw. verschleißfesten Beschichtung 12b aus einem keramischen Material oder einem Material der Chromsorten überzogen, wie 5 zeigt.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird durch Anbringen dieser Beschichtungen 12a, 12b der Abrieb bzw. der Verschleiß zwischen Teilen, die wiederholt in Kontakt kommen und sich wieder trennen, wie der Dichtungsplatte 5 und der Einbaunut 13, verhindert, so dass die Betriebsdauer dieser Komponenten verlängert sein kann.
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Durch Aufbringen der erwähnten Beschichtung auf die Oberflächen der Bestandteile der Dichtungsplatte 5 und der Einbaunut 13 sowie des Dichtungsstabs 10 und der einseitig abgeschrägten Nut 11 wird die Oberflächenrauhigkeit verbessert, so dass diese Flächen glatt und schlüpfrig sind und die Fähigkeit zur engen Anlage zwischen den betreffenden Komponenten verbessert ist, wodurch die Abdichtleistung wesentlich verstärkt wird.
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Da gemäß der Erfindung die Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung mit einem zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben 3, 3 so angeordneten Dichtungsabschnitt ausgestattet ist, dass ein Dichtungs-/Kühlmedium 2 nicht in den Hauptgasstrom entweicht, und der Dichtungsabschnitt in mehreren Stufen durch Anordnen jeweils einer Dichtungsplatte in jeder einer Anzahl von in Radialrichtung angeordneten Einbaunuten aufgebaut ist, wird ein auf eine Dichtungsplatte einwirkendes Druckverhältnis in mehrere Bruchteile aufgeteilt, so dass eine sichere Abdichtung erzielt und die Gasturbinenleistung erheblich verbessert werden kann.
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Da gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung die Gasturbinen-Dichtungsvorrichtung mit einem zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben 3, 3 so angeordneten Dichtungsabschnitt ausgestattet ist, dass ein Dichtungs-/Kühlmedium 2 nicht in den Hauptgasstrom entweicht, wobei der Dichtungsabschnitt in einer einzelnen Stufe oder in mehreren Stufen durch Anordnung eines ringförmigen Dichtungsstabs in einer einzelnen, einseitig abgeschrägten Rille bzw. Nut oder in jeder einer Anzahl einseitig abgeschrägter Rillen bzw. Nuten aufgebaut ist und jede Nut eine geneigte Außenwand hat, wird der Dichtungsstab wegen einer Zentrifugalkraft und eines Druckgefälles bzw. Wirkdrucks stark in die Radialrichtung gedrückt, so dass er eine sichere Abdichtleistung in dem Spalt zwischen benachbarten Turbinenrotorscheiben in der Radialrichtung erbringt. Wenn die einseitig abgeschrägte Nut außerdem in mehreren Stufen ausgestaltet ist, kann die Abdichtleistung weiter angehoben werden, um damit zu einer Verbesserung der Turbinenleistung beizutragen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die genannte Dichtungsplatte und die Einbaurille bzw. -nut sowie der genannte Dichtungsstab und auch die einseitig abgeschrägte Nut jeweils mit einer abrieb- bzw. verschleißfesten Beschichtung überzogen und damit der Verschleiß zwischen der Dichtungsplatte und der Einbaunut bzw. zwischen dem Dichtungsstab und der einseitig abgeschrägten Nut, in der der Stift angeordnet ist, vermindert, so dass die Betriebslebensdauer dieser Komponenten verlängert und deren Oberflächenrauhigkeit verbessert ist und eine glatte und schlüpfrige Oberfläche geschaffen wird, wodurch die Abdichtleistung weiter verbessert wird, was zur Verbesserung der Turbinenleistung beiträgt.
