DE4447507A1 - Ringförmige Dichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ringförmige Dichtung für eine Gasturbine von dem Typ, der einen ringförmigen Strömungspfad für das Arbeitsfluid aufweist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Dichtung, die aus mehreren Dichtungssegmenten besteht und sich in Umfangsrichtung um die Längsachse einer Gasturbinenmaschine erstreckt und das Arbeits­ fluid in dem Strömungspfad einschließt.

Ein Gasturbinenmotor mit axialem Strömungspfad weist einen Korn­ pressionsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Tur­ binenabschnitt auf. Ein ringförmiger Strömungspfad für das Ar­ beitsfluid erstreckt sich axial durch diese Abschnitte. Ein Sta­ toraufbau erstreckt sich um den ringförmigen Strömungspfad, um das Arbeitsfluid in dem Strömungspfad einzuschließen, und das Fluid entlang des Strömungspfads auszurichten.

Wenn das Arbeitsfluid entlang dieses Strömungspfads strömt, wird das Arbeitsfluid in dem Kompressionsabschnitt komprimiert und mit Brennstoff im Verbrennungsabschnitt verbrannt, womit Energie dem Arbeitsfluid zugeführt wird. Das heiße und verdichtete Ar­ beitsfluid wird im Turbinenabschnitt entspannt und verrichtet somit Arbeit. Der größte Anteil dieser Arbeit wird benutzt, um eine freilaufende Turbine anzutreiben, die den Schub für ein Flugzeug liefert.

Ein verbleibender Anteil dieser Arbeit, die in der Turbine im Turbinenabschnitt erzeugt wurde, wird nicht zu diesem Zweck be­ nutzt. Statt dessen wird dieser Anteil benutzt, um das Arbeits­ fluid zu verdichten. Ein Rotoraufbau erstreckt sich zwischen dem Turbinenabschnitt und dem Verdichtungsabschnitt, um diese Arbeit von dem Turbinenabschnitt auf den Verdichtungsabschnitt zu über­ tragen. Der Rotoraufbau in dem Turbinenabschnitt weist Rotor­ schaufeln auf, die sich nach außen in dem Strömungspfad für das Arbeitsmedium erstrecken. Die Rotorschaufeln haben Flügelpro­ file, die in einem bestimmten Winkel bezüglich der ankommenden Strömung angeordnet sind, um die Arbeit von dem Arbeitsfluid aufzunehmen und den Rotoraufbau um die Rotationsachse anzutrei­ ben.

Eine äußere Luftdichtung umgibt die Rotorschaufeln, um das Ar­ beitsfluid in dem Strömungspfad einzuschließen. Die äußere Luft­ dichtung ist Teil des stator-Strukturaufbaus und wird aus einer Vielzahl von geschwungenen Elementen gebildet. Der Statoraufbau umfaßt weiterhin ein äußeres Gehäuse und eine Struktur zum La­ gern der Segmente der äußeren Luftdichtung von dem äußeren Ge­ häuse aus. Das äußere Gehäuse und die Lagerstrukturposition der Dichtungselemente sind nahe zu den Schaufeln angeordnet, um eine Leckage von Arbeitsfluid über die Spitzen der Schaufeln zu ver­ meiden. Im Ergebnis daraus haben die Segmente einen innigen Kon­ takt mit dem heißen Arbeitsfluid und nehmen Hitze von dem Ar­ beitsfluid auf und werden daher gekühlt, um die Temperatur die­ ser Segmente innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.

Die äußeren Luftdichtungen der Gasturbinenschaufeln sind Teil des äußeren Strömungspfads der Turbinenmaschine, den Rotor­ spitzen benachbart, und werden daher den harten thermischen Bedingungen in der Turbinenumgebung unterworfen. Die meisten äußeren Luftdichtungen für Schaufeln sind aus Metall hergestellt und einige weisen auch eine keramische Beschichtung auf, um diese thermisch von den heißen Strömungspfad-Bedingungen zu isolieren. Ein enger Spalt zwischen der Spitze der Schaufeln und den äußeren Luftdichtungen der Schaufeln ist notwendig, um eine gute Betriebsleistungsfähigkeit zu erhalten.

Die Verwendung von Kühlluft erhöht die Betriebslebensdauer der äußeren Luftdichtung im Vergleich zu Luftdichtungen, die nicht gekühlt werden. Jedoch wird durch die Kühlluft der Wirkungsgrad der Maschine vermindert, da ein Teil der Arbeitsleistung der Maschine benutzt wird, um die Kühlluft in einem Kompressor zu verdichten. Ein Abfall des Betrags an Kühlluft, die benötigt wird, um eine zufriedenstellende Lebensdauer der Komponenten wie der äußeren Luftdichtungen zu erreichen, erhöht den Arbeitsan­ teil, der für andere Zwecke verwendet werden kann, um bspw. Schub zu erzeugen oder die freie Turbine anzutreiben und somit den gesamten Wirkungsgrad zu erhöhen.

Entsprechend besteht daher ein Bedarf nach einer äußeren Luft­ dichtung, deren Bedarf an Kühlluft minimiert ist, während den­ noch eine ausreichende Kühlung gewährleistet ist, um die Lebens­ dauer der äußeren Luftdichtung zu vergrößern.

Von einem Gesichtspunkt aus gesehen wird mit der Erfindung eine ringförmige Dichtung für eine Gasturbinenmaschine geschaffen, wobei diese Maschine eine Rotationsachse aufweist, die durch diese läuft, einen ringförmigen Strömungspfad, konzentrisch zu dieser Achse für das Arbeitsfluid durch zumindest einen Rotorab­ schnitt der Maschine, wobei dieser Strömungspfad benachbart einem Statoraufbau ist und die ringförmige Dichtung an dem Sta­ toraufbau radial außerhalb dieses Abschnitts befestigt ist. Die­ ser Abschnitt umfaßt eine Vielzahl von im wesentlichen gleichen Schaufeln, wobei jede Schaufel ein Flügelprofil aufweist, das sich radial nach außen von der Rotationsachse erstreckt und an der Schaufelspitze endet. Jede Schaufelspitze ist zu der ring­ förmigen Dichtung beabstandet und die Flügelprofiloberfläche, direkt benachbart dieser Dichtung, definiert eine Schaufel­ spitzenkontur, wobei die Dichtung Hitze von dem Arbeitsfluid aufnimmt und weiterhin umfaßt: eine Vielzahl von geschwungenen Dichtungselementen, die sich in Umfangsrichtung des Strömungspfads erstrecken, wobei jedes Segment radial nach außen von den Schaufeln beabstandet ist und jedes Segment in Um­ fangsrichtung von dem benachbarten Segment beabstandet ist, und jedes Segment umfaßt: eine Dichtungsfläche, die dem Strömungspfad für das Arbeitsfluid gegenüberliegt und eine Vielzahl von länglichen ersten Kühlschlitzen aufweist, wobei jeder erste Kühlschlitz wechselnd bedeckt und unbedeckt ist, wenn die Spitze jeder Schaufel des Rotors über den ersten Kühlschlitz wegdreht. Jeder der ersten Kühlschlitze weist eine erste Längsachse auf und diese erste Längsachse jedes ersten Kühlschlitzes ist im wesentlichen tangential zu der Kontur jeder Schaufelspitze, wenn die Spitze an dem Schlitz vorbei rotiert.

Im weiteren Sinne wird mit der Erfindung somit eine ringförmige Dichtung in bzw. für eine Gasturbinenmaschine geschaffen, die eine Vielzahl von länglichen Kühlschlitzen aufweist, wobei jeder Schlitz so angeordnet ist, daß er im wesentlichen tangential zu der Kontur der Schaufelspitze der Maschine angeordnet ist, wenn die Schaufeln an dem Spalt vorbei drehen.

Entsprechend wird mit der vorliegenden Erfindung eine Verbesse­ rung der Kühlung für die äußere Luftdichtung einer Gasturbinen­ maschinenschaufel geschaffen. Gemäß einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel ist diese Dichtung aus einer Vielzahl von geschwungenen Dichtungselementen zusammengesetzt, die interne Kühlpassagen, eine Vielzahl von Kühlluft-Einlaßöffnungen in einer Oberfläche und eine Vielzahl von Kühlschlitzen für eine Filmkühlung an einer gegenüberliegenden Oberfläche aufweisen.

Ein Messen der Kühlluft und der Richtung dieser wird gesteuert, wenn Kühlluft in die internen Passagen durch die Öffnungen von einem Raum zur Zuführung von Kühlluft strömt. Die Öffnungen richten die Kühlluft so aus, daß diese eine innere Fläche der Passage berührt, die gegenüber den Öffnungen angeordnet ist, und diese innere Fläche durch das Auftreffen gekühlt wird. Die Kühl­ luft fließt dann durch einen sockelbereich, der die konvektive Hitzeübertragung verbessert, indem er die Kühlluft dazu zwingt, durch einen labyrinthartigen Strömungspfad zu fließen, der durch eine Reihe von Sockeln oder Böcken ausgebildet ist mit der Wirkung, daß der hydraulische Durchmesser dieser Passage ver­ mindert wird. Auf diese Weise werden durch die Sockel die Koef­ fizienten für die konvektive Hitzeübertragung erhöht und auch die Wärmeleitung von der Dichtfläche der Dichtsegmente zu der kühleren Lagerstruktur verbessert. Letztendlich tritt die Kühl­ luft durch Filmkühlschlitze in den Träger und die Dichtfläche aus, wo die Kühlluft eine Filmschicht ausbildet, die an der Kühlfläche der äußeren Luftdichtung der Schaufeln anliegt und dem Arbeitsfluid der Gasturbinenmaschine ausgesetzt ist. Die Filmkühlungsschlitze sind länglich ausgebildet und einige die­ ser Filmkühlungsschlitze sind so orientiert, daß deren Längsa­ chse tangential zu der Kontur jeder Turbinenschaufel angeordnet ist, wenn die Schaufel über den jeweiligen Kühlschlitz streicht.

Eine solche Orientierung der Filmschlitze bewirkt eine Ausgabe der Kühlluft gemäß der Trajektorie des Strömungspfades des Arbe­ itsfluids bzw. der benachbarten Schicht, wodurch die filmartige Bedeckung der äußeren Luftdichtung der Schaufeln verbessert wird. Durch die Ausrichtung des Films entlang der Trajektorie wird der Austausch an Momenten in der Grenzschicht minimiert, wodurch ein Vermischen und Turbulenzen vermindert werden und somit der Wirkungsgrad der Filmkühlung erhöht wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun mit einem Beispiel anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Teil der Gasturbinen­ maschine, die eine Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines geschwun­ genen Elementes der vorliegenden Dichtung entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, darstellend eine Schaufelkontur.

Fig. 3 ist ein Querschnitt einer der Passagen der Dichtung entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig. 4 ist eine teilweise aufgebrochene Draufsicht eines Seg­ ments gemäß Fig. 2, wobei die Schaufelkontur weggelassen wurde, die die Passagen, die Sockel und Öffnungen zeigt, durch die die Kühlluft strömt.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer Gasturbinenmaschine 10 mit einem axialen Strömungspfad, die eine Rotationsachse 14 aufweist und bei der eine bevorzugte Dichtung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Ein Abschnitt der Rotorstufe 12 der Turbine der Maschine 10 ist in Fig. 1 dargestellt und umfaßt einen ringförmigen Strömungspfad 13, der eine Achse 14 für die Verbrennungsgase aufweist, die das Arbeitsfluid der Maschine darstellen. Die Turbinenstufe 12 weist einen Statoraufbau 15 ax­ ial stromoberhalb der Stufe 12 auf und einen weiteren Statorauf­ bau 16 axial stromunterhalb davon. Die Statoren 15, 16 sind Teil einer Statorstruktur der Maschine 10 und jeder Statoraufbau 15, 16 umfaßt ein äußeres Gehäuse 17. Das äußere Gehäuse 17 er­ streckt sich in Umfangsrichtung entlang des Strömungspfads 13 für das Arbeitsfluid.

Die Turbinenstufe 12 weist eine Vielzahl von Rotorschaufeln auf, die in den Zeichnungen durch eine einzige Rotorschaufel 18, dargestellt in Fig. 1, repräsentiert werden, die sich radial nach außen relativ von der Achse 14 über den Strömungspfad 13 in nahe Nachbarschaft zu dem äußeren Gehäuse 17 erstrecken. Eine äußere Luftdichtung 11 aus einer Vielzahl von geschwungenen Dichtungselementen (dargestellt durch ein einziges Dichtungsele­ ment 19 in Fig. 1) erstreckt sich um die Achse 14, um den ring­ förmigen Strömungskanal 13 zu begrenzen, und diese Dichtung 11 umgibt die Spitzen der Rotorschaufeln 18. Die äußere Luft­ dichtung 11 ist radial von dem äußeren Gehäuse 17 beabstandet und läßt einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Raum 20 zwischen diesen offen. Der Raum 20 ist in Strömungsverbindung mit einer Quelle für Kühlluft (nicht dargestellt), um die Seg­ mente 19 der Dichtung 11 - wie weiter unten beschrieben - zu kühlen. Jedes geschwungene Dichtungselement 19 weist einen stro­ moberhalb angeordneten Haken 21 und ein stromunterhalb angeord­ netes Befestigungselement 22 auf, um mit stromoberhalb und stromunterhalb vorgesehenen Lagerungen 23, 24 in Eingriff ge­ bracht zu werden, die sich von dem äußeren Gehäuse nach innen erstrecken. Die Lagerungen 23, 24 sind an dem äußeren Gehäuse 17 vorgesehen, um die äußere Luftdichtung 11 um die Rotorschaufeln 18 herum zu lagern und zu positionieren. Jede Lagerung 23, 24 kann segmentartig aufgebaut sein, um die Ringfestigkeit der La­ gerung 23, 24 zu vermindern.

Ein erster Strömungspfad 25 für Kühlluft erstreckt sich von dem äußeren Gehäuse 17 nach innen. Dieser Kühlluft-Strömungspfad wird durch das äußere Gehäuse 17 begrenzt und erstreckt sich durch die Maschine vom Strömungspfad 13 für das Arbeitsfluid aus gesehen nach außen. Der Kühlluft-Strömungspfad erstreckt sich in den Raum 20 zwischen der äußeren Luftdichtung 11 und dem äußeren Gehäuse 17.

Jedes Dichtungssegment 19 der äußeren Luftdichtung 11 weist eine vorangehende Kante 26 und eine gezogene Kante 27 auf. Die vorangehende Kante 26 ist bezüglich des benachbarten Statorauf­ baus 15 beabstandet und läßt einen sich in Umfangsrichtung er­ streckenden Raum 28 zwischen diesen offen. Der Raum 28 bildet einen zweiten Kühlluft-Strömungspfad, der sich axial in Um­ fangsrichtung benachbart zur Region der vorangehenden Kante er­ streckt. Die gezogene Kante 27 ist bezüglich des benachbarten Statoraufbaus 16 in einem Abstand angeordnet und läßt somit einen ringförmigen Raum 29 zwischen diesen offen, der einen dritten Kühlluft-Strömungspfad darstellt.

Jedes Dichtungssegment 19 weist eine metallische Basis 30 auf, die eine geschwungene Dichtungsoberfläche 31 hat, die sich in Umfangsrichtung um die Achse 14 erstreckt. Die metallische Basis 30 ist einstückig mit einem Träger 33 ausgebildet, der den Haken 21 und das Befestigungselement 22 aufweist. Benachbarte Dichtungselemente sind in Umfangsrichtung voneinander beab­ standet und lassen zwischen diesen Elementen einen Spalt, um eine thermische Expansion der Elemente 19 zu ermöglichen. Dieser Spalt zwischen den Segmenten variiert unter den jeweiligen Be­ triebsbedingungen der Maschine 10.

Aufgrund der extrem hohen Temperaturen des Arbeitsfluids nehmen die Segmente 19 der äußeren Dichtung 11 Hitze vom Arbeitsfluid auf, was der Fachmann entsprechend erwartet haben wird. Die me­ tallische Basis 30 ist aus einem Material hergestellt, das eine relativ geringe Kriechfestigkeit bei der Temperatur des Arbeits­ fluids aufweist, und daher muß jedes der Segmente 19 gekühlt werden, um die Temperatur der metallischen Basis 30 unterhalb der Temperatur des Arbeitsfluids zu halten.

Wieder Bezug nehmend auf Fig. 1 ist zu sehen, daß die Dichtungsfläche 31 jedes Segments den Turbinenschaufeln 18 und dem Strömungspfad 13 für das Arbeitsfluid gegenüberliegt. Ein Abschnitt der Dichtungsfläche 31 jedes Segments 19 erstreckt sich radial nach außen von der Spitze der Schaufel weg und ist bevorzugt mit einer Beschichtung eines abriebfesten Materials versehen. Ein anderer Abschnitt der Dichtungsfläche 31 an der vorangehenden bzw. gezogenen Kante 26, 27 ist bevorzugt mit einer Beschichtung eines Materials versehen, das thermische Stoppeigenschaften aufweist. Solche abriebfesten und thermischen Stoppmaterialien sind gut bekannt und werden daher in dieser Beschreibung nicht weiter erläutert. Gegenüber der Dichtungsfläche 31 und radial nach außen von dieser ist eine Kühlungs-Zufuhrfläche 40 vorgesehen, die im wesentlichen paral­ lel zu dieser ist, aber von der Dichtungsfläche 31 beabstandet ist. Die Kühlungs-Zufuhrfläche 40 weist eine Vielzahl von Kühl­ luft-Einlaßöffnungen 41 auf, die sich über diese erstrecken. Diese Öffnungen 41 sind so bemessen, daß sie den Strom an Kühl­ luft durch diese, basierend auf dem Zufuhrdruck der Kühlluft, dosieren und sich somit die gewünschte Hitzeübertragung von den Dichtungssegmenten ergibt.

Jedes Segment 19 weist eine Vielzahl von Kühlluftpassagen 43 auf, die zwischen der Dichtungsfläche 31 und der Kühlungs-Zufuhrfläche 40 ausgebildet sind - wie dargestellt in Fig. 1. Die Kühlluftpassagen 43 erstrecken sich von einer oder mehreren der Öffnungen 41 entlang länglicher Filmkühlungsschlitze 50, 54 in der Dichtungsfläche 31 und jeder dieser Kühlluftpassagen 43 schneidet die Dichtungsfläche 31 an einem Filmkühlungsschlitz 50, 54. Jede Kühlluftpassage 43 ist mit dem Raum 20 zur Zuführung der Kühlluft der Statorstruktur durch einen der Kühl­ luft-Einlaßöffnungen 41 in Verbindung.

Von der vorangehenden Beschreibung sollte klar geworden sein, daß innerhalb eines Segments 19 die Kühlluft von der Zuführung in dem Raum 20 durch die Kühlluftpassage 43 in einer Richtung strömt und an der Dichtungsfläche 31 durch die Schlitze 50, 54 zum Arbeitsfluid 13 hin ausströmt.

Jede Schaufel 47 weist eine Oberfläche eines Flügelprofils 47 auf und erstreckt sich radial nach außen von der Achse 14 aus und endet in der Schaufelspitze 48. Die Schaufelspitze 48 jeder Schaufel 47 ist in einem bestimmten Abstand zur ringförmigen Dichtung 11 angeordnet und die Fläche des Flügelprofils 47 ist unmittelbar benachbart zu der Dichtung 11 und definiert die Kon­ tur 49 der Schaufelspitze - wie dargestellt in Fig. 2. Eine Vielzahl von geschwungenen Dichtungssegmenten 19 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den Strömungspfad 13 und jedes Segment 19 ist radial außerhalb von den Schaufeln 47 in einem bestimmten Abstand angeordnet.

Die Dichtungsfläche 31 jedes Dichtungssegments weist eine Vielzahl von ersten Kühlschlitzen 50 - wie in Fig. 2 dargestellt - auf. Jeder längliche erste Kühlschlitz 50 ist abwechselnd be­ deckt bzw. unbedeckt, wenn die Spitze 48 jeder Schaufel 47 des Turbinenrotors an dem Kühlschlitz 50 in Richtung 60 - wie in Fig. 2 dargestellt - vorbei rotiert. Aus Gründen einer einfachen klaren Darstellung ist in Fig. 2 nur die Kontur 49 einer Schaufelspitze dargestellt. Es ist jedoch klar, daß sich die Schaufelspitzen der verbliebenen Schaufeln 47 der Rotorstufe in ähnlicher Weise in Richtung 60 mit derselben Orientierung bewegen. Jeder der ersten Kühlschlitze 50 weist eine erste Längsachse 52 auf und jeder der ersten Kühlschlitze 50 ist so orientiert, daß die erste Längsachse 52 dieser im wesentlichen tangential zu der Kontur 49 jeder Schaufelspitze 48 ist, wenn die Spitze an dem Schlitz 50 vorbei rotiert. Jedes Dichtungsseg­ ment 19 weist auch eine Vielzahl von Kühlschlitzen 54 der ge­ zogenen Kante auf, die aus einer zweiten Vielzahl von länglichen Kühlschlitzen 54 bestehen. Jeder zweite Kühlschlitz 54 weist eine zweite Längsachse 56 auf und jede zweite Längsachse 56 ist im wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse 14.

Jeder der Vielzahl von Kühlluft-Einlaßöffnungen 41 erstreckt sich durch die Zuführfläche 40 und in das Segment 19 und verbin­ det eine der Kühlluftpassagen 43, angeordnet zwischen der Zuführfläche 40 und der Dichtungsfläche 31. Jede Passage 43 en­ det an einem Kühlschlitz 50, 54, wodurch die Kühlschlitze 50, 54 mit zumindest einer Kühlluft-Einlaßöffnung 41 verbunden werden. Auf diese Weise wird jeder der ersten und zweiten Kühlschlitze 50, 54 mit einer der Kühlluftpassagen 43 über zumindest eine der Einlaßöffnungen 41 in Verbindung gebracht.

Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, hat jede Passage 43 eine erste innere Oberfläche 58 und eine zweite innere Oberfläche 59, die sich von der ersten inneren Oberfläche 58 radial nach außen (relativ zur Rotationsachse) erstrecken. Eine Vielzahl von Sockeln 62 erstrecken sich radial von der Rotationsachse 14 und jeder Sockel 62 verbindet eine erste innere Oberfläche 58 einer der Passagen 43 mit der zweiten inneren Oberfläche 58 derselben Passage 43. Die Sockel 62 schaffen einen kurvenreichen Strö­ mungspfad für die Kühlluft 64, die in die Passage 43 über eine der Kühlluft-Einlaßöffnungen 41 eindringt und durch die Passage 43 zu den Kühlschlitzen 50, 54 strömt, die mit dieser in Ver­ bindung sind. Zusätzlich stellen die Sockel 62 Lastaufnahmeele­ mente dar, die die Dichtungsfläche 31 stützen, um zu verhindern, daß die Passage 43 zusammenbricht für den Fall, daß die Blatt­ spitze 48 die Dichtungsfläche 31 während des Betriebs der Maschine berührt.

Die Rotationsachse 14 und jede Kühlluft-Einlaßöffnung 41 definieren eine Referenzlinie 66, die rechtwinklig zur Rota­ tionsachse 14 ist - wie in Fig. 3 dargestellt. Die Kühlschlitze 50, 54 sind mit jeder Kühlluft-Einlaßöffnung 41 in Verbindung und sind bezüglich der Referenzlinie 66 beabstandet angeordnet, wodurch die Kühlluft 64, die in eine Passage 43 durch eine der Kühlluft-Einlaßöffnungen 41 eintritt, auf die erste innere Fläche 58 trifft und nachfolgend in Umfangsrichtung innerhalb des Segments 19 über die Sockel 62 strömt, bevor sie die Passage 43 durch die Kühlschlitze 50, 54 verläßt, die mit dieser in Ver­ bindung sind.

Wie vom Fachmann erwartet, weist jede Passage 43 einen minimalen Strömungsquerschnitt auf und jede der Kühlluft-Einlaßöffnungen 41 entsprechen einem minimalen Einlaßquerschnitt, wodurch der Betrag an Kühlluft 64, der durch diese fließt, geregelt wird. Die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte der Kühlluft-Einlaßöffnung 41 in Verbindung mit einer bestimmten Passage 43 regelt effektiv den Betrag an Luft 64, der in die Passage 43 eintreten kann, für ein bestimmtes Druckdifferential über die Öffnung 41. Der minimale Strömungsquerschnitt ist bevorzugter­ weise zumindest zweimal so groß wie die Summe der Strömungsquer­ schnitte der Kühlluft-Einlaßöffnung 41, die mit dieser in Ver­ bindung sind, um zu gewährleisten, daß die Kühlluft 64, die auf die erste Oberfläche 58 der Passage auftritt, genügend Geschwin­ digkeit aufweist, um eine hochturbulente Wärmeübertragung zu gewährleisten.

Wie aus Fig. 2 zu entnehmen, sind die ersten Kühlschlitze in einer oder mehreren Reihen 68, 69, 70 ausgerichtet, wobei jede Reihe eine Referenzebene 71, 72, 73 definiert, die rechtwinklig zur Rotationsachse 14 ist. Bevorzugterweise sind einige der er­ sten Kühlschlitze 50 in einer ersten Reihe 68 ausgerichtet, die eine erste Referenzebene 71 senkrecht zur Rotationsachse 14 definiert und die zweiten Kühlschlitze 54 sind in einer zweiten Reihe 74 ausgerichtet, die eine zweite Referenzebene 75 definiert, die ebenfalls rechtwinklig zur Rotationsachse 14 angeordnet ist. Zusätzlich sind einige der ersten Kühlschlitze 50 in einer dritten Reihe 69 und einer vierten Reihe 70 aus­ gerichtet, wobei die dritte Reihe 69 eine dritte Referenzebene 73 rechtwinklig zur Rotationsachse definiert und die vierte Reihe 70 eine vierte Referenzebene 73 ebenfalls rechtwinklig zur Rotationsachse 14 definiert. Die dritte Referenzebene 72 ist zwischen der ersten 71 und der zweiten 75 Referenzebene aus­ gerichtet und die vierte Referenzebene 73 ist zwischen der drit­ ten 72 und der zweiten Referenzebene 75 angeordnet.

Im Betrieb fließt die Kühlluft 64 in die konische Kühlluftpas­ sage 43 der vorliegenden Erfindung durch die Be­ messungsöffnungen 41, angeordnet in der Zufuhrfläche 40 des Kühlsegments 19. Die Kühlluft 64 trifft auf die erste innere Oberfläche 58 der Passage und kühlt dadurch den Träger 33 ra­ dial außerhalb der Dichtungsfläche 31. Die Kühlluft 64 fließt dann über die Sockel 62, die eine Turbulenz der Kühlluft 64 erzeugen, indem sie einen gekrümmten Strömungspfad durch jede Passage 43 schaffen, wodurch der interne Wärmeübertragungskoef­ fizient der Kühlluft 64 erhöht wird. Die Kühlluft 64 tritt dann aus der Passage 43 durch einen der Schlitze 50, 54 aus und schafft eine Filmkühlung auf der Dichtungsfläche 31. Zusätzlich kann die Größe der Bemessungsöffnungen 41 variiert werden, um individuell den Strom an Kühlluft durch die Passage zu steuern und eine Fähigkeit zu gewährleisten, das Kühlpotential der Hitzeübertragung durch Erhöhen des Stroms an Kühlluft auf heiße Stellen (hot spots) entlang der axialen Richtung jedes Segments 19 anzupassen und die Kühlung an kühleren Flächen (cool spots) zu vermindern und somit den Gesamtstrom an benötigter Kühlluft zu vermindern.

Wie der Fachmann bereits erkannt haben wird, kann durch Orien­ tierung einer der Filmkühlungsschlitze 50 so, daß die Längsachse 52 dieser tangential zur Kontur 49 jeder Turbinenschaufel 47 ist, wenn die Schaufel 47 über diesen Kühlschlitz 50 streicht, erreicht werden, daß die Kühlluft 64 entlang der Trajektorie der Grenzschicht des Strömungspfads des Arbeitsfluids ausgegeben wird. Dadurch wird die filmartige Bedeckung der äußeren Luft­ dichtung 11 der Turbinenschaufel verbessert, während der Momen­ teaustausch in der Grenzschicht minimiert wird, wodurch das Ver­ mischen und die Erzeugung von Turbulenzen vermindert werden und auf diese Weise der Wirkungsgrad der Filmkühlung erhöht wird.

Die Dichtung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Kühl­ anordnung ermöglichen, die Merkmale aufweist, durch die der Ein­ gang der Kühlluftpassage und die Austrittsorte benutzt werden, um Kerne bei der Herstellung zu lagern und somit die Gießbarkeit der Teile zu erhöhen und einen Guß mit hoher Festigkeit aus hochfestem und hochtemperaturfestem Turbinenmaterial zu ermögli­ chen. Der Kühlwirkungsgrad der Sockel 62 kann durch Variieren der Strömungsrate des Kühlmittels zu den jeweiligen Reihen von Passagen 68, 69, 70, 74 an die Hitzeübertragung im ersten Strömungspfad angepaßt werden, während die Fähigkeit der Sockel 62, eine Last aufzunehmen, zu einer äußeren Luftdichtung 11 führt, die unempfindlich bezüglich Berührungen durch die Turbin­ enschaufel ist. Die Sockel 62 verstärken die Filmkühlschlitze 50, 54, die so orientiert sind, daß ein Verstopfen dieser ver­ hindert wird und mit einer abriebefesten Beschichtung versehen werden können, ohne daß der Kühlmittelstrom vermindert wird.

Zusätzlich zu der abriebsfesten Beschichtung zur Erhöhung der Dichteigenschaften kann die äußere Luftdichtung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Kombination von Beschichtungen der Dichtoberfläche, wie oxidations- und erosionswiderstands­ fähiger Beschichtungen, benutzen, um die Lebensdauer der Dich­ tung 11 zu erhöhen, und Thermostop-Beschichtungen, um die Be­ triebstemperaturen der Dichtung 11 zu vermindern.

Es dürfte von der obigen Beschreibung der Erfindung deutlich ge­ worden sein, daß zumindest die bevorzugten Ausführungsbeispiele eine äußere Luftdichtung ermöglichen, die nur einen minimalen Bedarf an Kühlluft aufweisen, wobei eine Kühlung erforderlich ist, um die Lebensdauer der äußeren Luftdichtung zu verlängern, und diese äußere Dichtung, Aufschlagskühlung, Sockel und Schlitzfilmkühlung in ihren Merkmalen kombiniert zum Gebrauch einer äußeren Luftdichtung bei Turbinenmaschinenschaufeln, wobei der Kühlluftfilm gemäß der Trajektorie der Grenzschicht am Strömungspfad des Arbeitsfluids ausgerichtet wird, um den Aus­ tausch an Turbulenzmomenten zwischen der Kühlluft und dem Ar­ beitsfluid zu minimieren.

Obwohl diese Erfindung anhand eines detaillierten Aus­ führungsbeispiels dargestellt und beschrieben wurde, dürfte es für den Fachmann klar sein, daß verschiedene Änderungen in der Ausgestaltung und im Detail dieser vorgenommen werden können, ohne daß der Schutzbereich der Erfindung, wie definiert durch die anliegenden Ansprüche, verlassen wird.

Claims (17)

1. Eine ringförmige Dichtung (11) in oder für eine Gastur­ binenmaschine, die eine Rotationsachse (14) aufweist, einen ringförmigen Strömungspfad (13) konzentrisch zu der Rotations­ achse (14) zum Durchstrom eines Arbeitsfluids durch zumindest eine Rotorstufe (12) der Maschine, wobei der Strömungspfad durch eine Statorstruktur begrenzt wird und die ringförmige Dichtung (11) an dieser Statorstruktur radial außerhalb der ersten Stufe befestigt ist, wobei die erste Stufe eine Vielzahl von im wesen­ tlichen gleichen Schaufeln (18) umfaßt, von denen jede Schaufel eine Oberfläche gemäß einem Flügelprofil aufweist, die sich von der Rotationsachse (14) nach außen erstreckt und in einer Schaufelspitze (48) endet, wobei jede Schaufelspitze (48) in Ab­ stand zu der ringförmigen Dichtung (11) angeordnet ist und die Oberfläche des Flügelprofils direkt benachbart zu der ringförmi­ gen Dichtung (11) eine Kontur einer Schaufelspitze definiert und die ringförmige Dichtung (11) Hitze von dem Arbeitsfluid auf­ nimmt, mit:
einer Vielzahl von geschwungenen Dichtungssegmenten (19), die sich in Umfangsrichtung um den Strömungspfad (13) er­ strecken, wobei jedes Segment (19) radial außerhalb der Schaufeln (18) in einem Abstand angeordnet ist und jedes Segment (19) in Umfangsrichtung von dem benachbarten Element (19) beab­ standet angeordnet ist, wobei jedes Segment (19) umfaßt:
eine Dichtfläche (31), die dem Strömungspfad (13) des Ar­ beitsfluids gegenüberliegt und eine Vielzahl von länglichen er­ sten Kühlschlitzen (50) aufweist, wobei jeder erste Kühlschlitz (50) abwechselnd bedeckt und unbedeckt ist, wenn die Spitze (48) jeder Schaufel (47) des Rotors an den ersten Kühlschlitz (50) vorbei rotiert, wobei jeder erste Kühlschlitz (50) eine erste Längsachse (52) aufweist und diese erste Längsachse (52) jedes ersten Kühlschlitzes (50) sich im wesentlichen tangential zu der Kontur (49) jeder Blattspitze (48) erstreckt, wenn die Spitze (48) an dem Schlitz (50) vorbei rotiert.

2. Eine Dichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Segment (19) weiterhin umfaßt: eine Zufuhrfläche (40), radial außerhalb von der Dichtfläche (31) angeordnet, eine Vielzahl von Kühlluft-Einlaßöffnungen (41), die sich durch die Zufuhrfläche (40) und in das Segment (19) erstrecken, und eine Vielzahl von Kühlluft­ passagen (43), die vollständig zwischen der Zufuhrfläche (40) und der Dichtfläche (31) angeordnet sind, wobei jede Passage (43) einen der ersten Kühlschlitze (50) mit zumindest einem der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) verbindet, wobei jeder der ersten Kühlschlitze (50) mit zumindest einer der Einlaßöffnungen (41) durch zumindest eine der Kühlluftpassagen (43) verbunden ist.

3. Eine Dichtung nach Anspruch 2, wobei jede Passage (43) eine erste innere Oberfläche (58) und eine zweite innere Ober­ fläche (59) radial außerhalb der ersten inneren Oberfläche (58) relativ zur Rotationsachse aufweist und jedes Segment (19) eine Vielzahl von Sockeln (62) hat, die sich radial von der Rotations­ achse (14) weg erstrecken und jeder Sockel (62) die erste in­ nere Oberfläche (58) einer der Passagen (43) mit der zweiten in­ neren Oberfläche (59) dieser verbindet, wobei die Sockel (62) einen gekrümmten Strömungspfad für die Kühlluft (64) schaffen, die in die Passage (43) durch einen der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) eintritt und durch die Passage (43) zu den Kühlschlitzen (50), die mit dieser in Verbindung sind, strömt.

4. Eine Dichtung nach Anspruch 3, wobei jede Kühlluft-Einlaßöffnung (41) und die Rotationsachse (14) eine Referenz­ linie (66) definieren, die senkrecht zu der Rotationsachse (14) ist und der Kühlschlitz (50) in Verbindung mit jeder Kühlluft-Einlaßöffnung (41) ist und in einem Abstand zu der Referenzlinie angeordnet ist, wodurch die Kühlluft, die in die Passage (43) durch eine der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) eintritt, dazu ge­ zwungen wird, auf die erste innere Fläche (58) aufzutreffen, bevor sie die Passage (43) durch den Kühlschlitz (50), der mit dieser in Verbindung ist, verläßt.

5. Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei jede Passage (43) einen minimalen Strömungsquerschnitt aufweist und jede der Kühlluft-Einlaßöffnungen einen minimalen Ein­ laßströmungsquerschnitt aufweist und der minimale Strömungs­ querschnitt zumindest zweimal so groß ist wie die Summe der Strömungseinlaßquerschnitte der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41), die mit der Passage in Verbindung sind.

6. Eine Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der ersten Kühl­ schlitze (50) in einer ersten Reihe (68) ausgerichtet sind, wobei die erste Reihe (68) eine erste Referenzebene (71) senk­ recht zur Rotationsachse (14) definiert.

7. Eine Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer zweiten Reihe (69) ausgerichtet sind und die zweite Reihe (69) eine zweite Refe­ renzebene (72) senkrecht zur Rotationsachse (14) definiert, wobei die zweite Referenzebene (72) in einem Abstand zur ersten Referenzebene (71) vorgesehen ist.

8. Eine Dichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer dritten Reihe (70) ausgerichtet sind und die dritte Reihe (70) eine dritte Refe­ renzebene (73) senkrecht zur Rotationsachse (14) definiert, wobei die zweite Referenzebene (72) zwischen der ersten (71) und der dritten Referenzebene (73) angeordnet ist.

9. Eine Dichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von länglichen zweiten Kühlschlitzen (54), von denen jeder Kühlschlitz (54) eine zweite Längsachse (56) aufweist, wobei diese zweite Längsachse (56) jeder der zweiten Kühl­ schlitze (54) im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse (14) ist.

10. Eine Dichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment (19) weiterhin eine Zufuhrfläche (40), radial außerhalb von der Dichtfläche (31) angeordnet, umfaßt und eine Vielzahl von Kühlluft-Einlaßöffnungen (41), die sich durch die Zufuhrfläche (40) in das Segment (19) erstrecken und desweiteren eine Vielzahl von Kühlluftpassagen (43), vollständig angeordnet zwischen der Zufuhrfläche (40) und der Dichtfläche (31), wobei jede Passage (43) eine der ersten (50) und zweiten Kühlschlitze (54) mit zumindest einem der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) ver­ bindet, wobei jeder erste (50) und zweite Kühlschlitz (54) mit zumindest einem der Kühlluft-Einlaßöffnungen durch eine der Kühlluftpassagen (43) in Verbindung sind.

11. Eine Dichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Passage (43) eine erste innere Oberfläche (58) und eine zweite innere Oberfläche (59) radial außerhalb der ersten in­ neren Oberfläche (58) relativ zur Rotationsachse aufweist, wobei jedes Segment (19) eine Vielzahl von Sockeln (62) umfaßt, die sich von der Rotationsachse (14) radial nach außen erstrecken, und jeder Sockel (62) eine erste innere Oberfläche (58) mit einer der Passagen (43) der zweiten inneren Oberfläche (59) die­ ser verbindet und die Sockel (62) einen gekrümmten Strömungspfad für die Kühlluft (64) erzeugen, wenn diese in die Passage (43) durch eine der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) eintritt und durch die Passage (43) zu den Kühlschlitzen (50, 54) fließt, die mit dieser in Verbindung ist.

12. Eine Dichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kühlluft-Einlaßöffnung (41) und die Rotationsachse (14) eine Referenzlinie (66) definieren, die senkrecht zu der Rota­ tionsachse (14) ist und die Kühlschlitze (50, 54), die mit jeder Kühlluft-Einlaßöffnung in Verbindung sind, in einem Abstand von dieser Referenzlinie (66) angeordnet sind, wodurch die Kühlluft, die in die Passage (43) durch eine der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) eintritt, dazu gezwungen wird, an die erste innere Ober­ fläche (58) zu stoßen, bevor sie die Passage (43) durch den Kühlschlitz (50, 54), der mit dieser in Verbindung ist, ver­ läßt.

13. Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Passage (43) einen minimalen Strömungs­ querschnitt aufweist und jede der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) einen minimalen Einlaßströmungsquerschnitt hat, wobei der mini­ male Strömungsquerschnitt zumindest das zweifache der Summe der Einlaßströmungsquerschnitte der Kühlluft-Einlaßöffnungen (41) beträgt, die mit dieser in Verbindung sind.

14. Eine Dichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer er­ sten Reihe (68) ausgerichtet sind, wobei die erste Reihe (68) eine erste Referenzebene (71) senkrecht zur Rotationsachse definiert und die zweiten Kühlschlitze (54) in einer zweiten Reihe (74) ausgerichtet sind, wobei die zweite Reihe (74) eine zweite Referenzebene (75) senkrecht zur Rotationsachse (14) definiert.

15. Eine Dichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer dritten Reihe (69) ausgerichtet sind, wobei die dritte Reihe (69) eine dritte Referenzebene (72) senkrecht zur Rotationsachse (14) definiert und die dritte Referenzebene (72) zwischen der ersten (71) und der zweiten Referenzebene (75) angeordnet ist.

16. Eine Dichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einige der ersten Kühlschlitze (50) in einer vierten Reihe (70) angeordnet sind, wobei die vierte Reihe (70) eine vierte Referenzebene (73) senkrecht zu der Rotationsachse (14) de­ finiert, wobei die vierte Referenzebene (73) zwischen der drit­ ten (72) und der zweiten Referenzebene (75) angeordnet ist.

17. Eine ringförmige Dichtung für eine Gasturbinenmaschine mit einer Vielzahl von länglichen Kühlschlitzen (50), wobei jeder Schlitz (50) so angeordnet ist, daß er im wesentlichen tangen­ tial zu der Kontur (49) der Schaufelspitze (48) der Maschine angeordnet ist, wenn diese an dem Schlitz (50) vorbei rotiert.