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Diese
Erfindung bezieht sich auf Dichtungssegmente für Gasturbinen-Maschinen. Die
Erfindung bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf
Dichtungssegmente für
Hochdruck-Turbinen von Gasturbinen-Maschinen. Die Erfindung bezieht sich
weiterhin auf Wandstrukturen für
Turbinen, die aus einer Vielzahl von Dichtungssegmenten gebildet sind.
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In
Gasturbinen-Maschinen bilden Dichtungssegmente einen Dichtungssegment-Ring
um die Turbinenschaufeln der Maschine. Diese Dichtungssegmente können aufgrund
des Ausleckens von heißen Gasen überhitzen,
die durch die Turbine um die Spitzen der Turbinenschaufeln herum
strömen.
Dies ist ein besonderes Problem bei Hochdruck-Turbinen.
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Es
ist bekannt, Dichtungssegmente zu schaffen, die gekühlt sind,
um das Problem ihrer Überhitzung
zu beseitigen. Beispielsweise ist in der
EP-A-0 709 550 ein Dichtungssegment
beschrieben, das dadurch gekühlt
wird, dass Kühlluftstrahlen
auf die radial außen
liegende Oberfläche
einer Dichtungssegment-Platte gerichtet werden, die den Turbinenschaufeln
gegenüberliegt.
Die Luft strömt
dann über
Kanäle,
die an dem in Axialrichtung am weitesten vorne liegenden Teil der
Platte vorgesehen sind, in den Heißgasstrom durch die Turbine
aus.
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Es
ist weiterhin aus der
EP-A-1
245 792 bekannt, eine Dichtungssegment-Kühlung dadurch
zu schaffen, dass eine Anordnung verwendet wird, bei der Kühlluft in
eine Kammer innerhalb des Segmentes gelenkt wird, so dass sie durch
das Segment in einer Richtung strömt, die allgemein die gleiche
wie die des Heißgasstromes
durch die Turbine ist.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Dichtungssegment zu
schaffen, das mit einer verbesserten Kühlung versehen ist.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt dieser Erfindung wird ein Dichtungssegment für einen
Dichtungssegment-Ring einer Gasturbinen-Maschine geschaffen, wobei
das Dichtungssegment einen Hauptkörper mit einer Innenoberfläche umfasst,
die so ausgebildet ist, dass sie im Gebrauch auf die Turbinenschaufeln
gerichtet ist, wobei eine Pfadeinrichtung für ein Kühlströmungsmedium in dem Hauptkörper gebildet
ist, wobei sich die Pfadeinrichtung im Gebrauch von einem Stromaufwärts- zu
einem Stromabwärts-Bereich
des Dichtungssegmentes erstreckt, wobei die Pfadeinrichtung eine
stromabwärts
gelegene Einlasseinrichtung, durch die ein Kühlströmungsmedium zum Kühlen des
Segmentes in die Pfadeinrichtung eintreten kann, und eine stromaufwärts gelegene
Auslasseinrichtung aufweist, aus denen das Kühlströmungsmedium aus der Pfadeinrichtung
austreten kann, wodurch das Kühlströmungsmedium entlang
der Pfadeinrichtung in einer allgemein stromaufwärts gerichteten Richtung entgegengesetzt
zur Gasströmung
durch die Turbine strömen
kann.
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Der
Hauptkörper
kann als einstückiges
Element gebildet sein.
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Die
Auslasseinrichtung ist vorzugsweise im Gebrauch stromaufwärts von
den Turbinenschaufeln angeordnet. Bei einer Ausführungsform ist die Auslasseinrichtung
für das
Kühlströmungsmedium
so angeordnet, dass sie sich in einer Stromabwärts-Richtung öffnet. Bei einer anderen Ausführungsform
ist die Auslasseinrichtung allgemein radial nach innen gerichtet.
Somit kann bei diesen Ausführungsformen das
Kühlströmungsmedium,
das aus der Pfadeinrichtung ausströmt, über die Innenoberflächen des
Segmentes in einer Stromabwärts-Richtung
strömen.
Die Auslasseinrichtung kann im Gebrauch unter einem Winkel zur Hauptachse
der Turbine gerichtet sein, so dass das Kühlströmungsmedium die Pfadeinrichtungen
in einer im Wesentlichen identischen Richtung zu der Gasströmung durch
die Turbine an der Auslasseinrichtung verlässt.
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Die
Pfadeinrichtung erstreckt sich vorzugsweise im Gebrauch allgemein
parallel zur Hauptachse der Turbine. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser
Erfindung hat den Vorteil, dass die verbesserte Wärmeübertragung
durch die Schaffung von Pfadeinrichtungen erzielt wird, in denen
die Strömung
des Kühlströmungsmediums
von einem stromabwärts gelegenen
Bereich des Dichtungssegmentes zu einem stromaufwärts gelegenen
Bereich erfolgt. Die Strömung
des Kühlströmungsmediums
in der Pfadeinrichtung ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform
entgegengesetzt zur Hauptströmung
des Gases durch die Turbine, was den Vorteil einer Verbesserung
der Wärmeübertragung
hat. Die Einlasseinrichtung kann im Gebrauch gegenüber der
Hauptachse der Turbine derart abgewinkelt sein, dass die Strömung des
Kühlströmungsmediums
durch die Pfadeinrichtung im Wesentlichen direkt entgegengesetzt zu
der Strömung
des Gases durch die Maschine ist.
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Die
Pfadeinrichtung erstreckt sich vorzugsweise zu einem oder mehreren
Bereichen des Hauptkörpers
benachbart zu der Innenoberfläche,
um im Gebrauch eine Kühlung
an dem oder jedem dieser Bereiche zu schaffen.
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Vorzugsweise
umfasst die Pfadeinrichtung zumindest einen Kanal, der vorzugsweise
langgestreckt ist, und der Kanal kann sich lateral über das Dichtungssegment
erstrecken, vorzugsweise in einer allgemeinen Umfangsrichtung im
Gebrauch. Vorzugsweise definiert jedes Dichtungssegment zwei oder
mehr dieser Kanäle,
die Seite an Seite gebildet sein können, und die sich seitlich
jeweils teilweise, vorzugsweise halb, über das Segment erstrecken können. Die
Pfadeinrichtung kann eine Vielzahl derartiger Kanäle umfassen,
wobei sich jeder Kanal im Gebrauch vorzugsweise allgemein parallel
zur Hauptachse der Turbine erstreckt. Vorzugsweise ist die Pfadeinrichtung
so konfiguriert, dass sie im Wesentlichen in ihrer Form dem Profil
der Innenoberfläche
entspricht.
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Das
Dichtungssegment kann eine Vielzahl von Wärmeabfuhreinrichtungen in der
Pfadeinrichtung einschließen.
Die Wärmeabfuhrelemente
können
die Form von Sockeln aufweisen, die sich von einer radial innen
liegenden Wand der Pfadeinrichtung zu einer radial außen liegenden
Wand der Pfadeinrichtung erstrecken.
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Die
Pfadeinrichtung kann eine oder mehrere Stufen umfassen. Bei einer
Ausführungsform
umfasst die Pfadeinrichtung erste und zweite axiale Abschnitte, wobei
sich der erste Abschnitt von der Einlasseinrichtung zu einem Bereich
stromaufwärts
hiervon erstreckt, und der zweite Abschnitt sich von dem Bereich
zu der Auslasseinrichtung erstreckt. Die ersten und zweiten Abschnitte
können
sich in Axialrichtung überlappen,
und eine Leitung kann sich zwischen den ersten und zweiten Abschnitten
in den Bereich erstrecken. Die Konfiguration der Leitung ist vorzugsweise
so angeordnet, dass sie eine Aufprallkühlung des Dichtungssegmentes
durch das Kühlströmungsmedium
hervorruft, wenn dieses von der Leitung aus in den zweiten Abschnitt
eintritt. Alternativ oder zusätzlich
kann die Konfiguration der Leitung so angeordnet sein, dass eine
Kühlung
des Dichtungssegmentes durch andere verbesserte Wärmeübertragungsmechanismen
hervorgerufen wird. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Pfadeinrichtung
einen einzelnen axialen Abschnitt, der ein oder mehrere Stufen einschließen kann.
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In
einer Ausführungsform
erstreckt sich die Pfadeinrichtung zu einer oder mehreren Bereichen des
Dichtungssegmentes benachbart zu der Innenoberfläche des Dichtungssegmentes.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt dieser Erfindung wird ein Dichtungssegment-Ring für eine Turbine
einer Gasturbinen-Maschine geschaffen, wobei der Dichtungssegment-Ring
aus einer Vielzahl von Dichtungssegmenten gebildet ist, wie sie
vorstehend beschrieben wurden, wobei die Segmente im Gebrauch in
Umfangsrichtung um die Turbine herum angeordnet sind.
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Vorzugsweise
bildet die Pfadeinrichtung aufeinanderfolgender Segmente eine Vielzahl
von sich in Axialrichtung erstreckenden Kanälen, die Seite an Seite in
Umfangsrichtung um den Dichtungssegment-Ring herum angeordnet sind,
um einen Ring der Kühlkanäle zu bilden.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt dieser Erfindung wird ein Kern zur Verwendung
in einem Verfahren zur Herstellung eines Dichtungssegmentes geschaffen,
wobei der Kern einen Hauptteil zur Bildung von Pfadeinrichtungen
in dem Dichtungssegment und eine sich von diesem erstreckende Vorsprung-Einrichtung umfasst.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorsprung- Einrichtung
so auf dem Hauptteil angeordnet und so konfiguriert, dass die Menge
an bei dem Verfahren verwendeten Material zu einem Minimum gemacht
wird.
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Vorzugsweise
ist die Vorsprung-Einrichtung allgemein in der Mitte des Kerns zweckmäßigerweise auf
einer im Wesentlichen zentralen Achse angeordnet. Die Vorsprung-Einrichtung
kann einen ersten Vorsprung, der sich von einer ersten Oberfläche des Hauptteils
aus erstreckt, und einen zweiten Vorsprung umfassen, der sich von
einer zweiten Oberfläche
des Hauptteils erstreckt. Die erste Oberfläche ist vorzugsweise eine sich
in Längsrichtung
und lateral erstreckende Oberfläche.
Die zweite Oberfläche
ist vorzugsweise eine Kantenfläche,
zweckmäßigerweise
eine sich lateral erstreckende Kantenfläche.
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Der
erste Vorsprung kann einen allgemein zylindrischen Bereich aufweisen,
und der zweite Vorsprung kann einen allgemein konischen Hauptbereich
aufweisen. Der erste Vorsprung kann einen Verbindungsbereich zum
Verbinden des Hauptbereiches mit der Oberfläche einschließen, wobei
sich der Verbindungsbereich von dem Hauptbereich nach außen erweitert.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nunmehr lediglich in Form eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Seitenschnittansicht der oberen Hälfte einer Gasturbinen-Maschine ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Teils der Hochdruck-Turbine eines
Beispiels der in 1 gezeigten Maschine ist; und
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3 ein
vertikaler Querschnitt durch einen Teil der in 2 gezeigten
Turbinenanordnung ist, der eine Ausführungsform zeigt;
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4 eine
der 3 ähnliche
Ansicht ist, die eine weitere Ausführungsform eines Dichtungssegmentes
zeigt;
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5 eine
Seitenansicht eines Kerns zur Verwendung bei der Formung der Pfadeinrichtungen in
einem Dichtungssegment ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht des in 5 gezeigten
Kerns ist; und
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7 eine
Seitenansicht eines Dichtungssegmentes während eines Prozesses zur Formung
des Dichtungssegmentes ist.
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In 1 ist
eine Gasturbinen-Maschine allgemein bei 10 gezeigt und
umfasst in axialer Strömungsfolge
einen Lufteinlass 11, ein Vortriebsgebläse 12, einen Mitteldruck-Kompressor 13,
einen Hochdruck-Kompressor 14, Verbrennungsausrüstungen 15,
eine Turbinenanordnung mit einer Hochdruck-Turbine 16,
einer Mitteldruck-Turbine 17 und einer Niederdruck-Turbine 18 sowie
eine Auslassdüse 19.
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Die
Gasturbinen-Maschine 10 arbeitet in einer konventionellen
Weise, so dass in den Einlass 11 eintretende Luft von dem
Gebläse 12 beschleunigt wird,
wodurch zwei Luftströmungen
erzeugt werden: eine erste Luftströmung durch den Mitteldruck-Kompressor 13 und
eine zweite Luftströmung,
die den Vortriebs-Schub liefert. Der Mitteldruck-Kompressor komprimiert
die Luftströmung,
die in ihn gelenkt wird, bevor er diese Luft dem Hochdruck-Kompressor 14 zuführt, an
dem eine weitere Kompression erfolgt.
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Die
von dem Hochdruck-Kompressor 14 ausgestoßene komprimierte
Luft wird in die Verbrennungsausrüstung 15 gelenkt,
in der sie mit Treibstoff gemischt wird und die Mischung verbrannt
wird. Die resultierenden heißen
Verbrennungsprodukte dehnen sich dann durch die Hochdruck-, Mitteldruck-
und Niederdruck-Turbinen 16, 17 und 18 aus
und treiben diese an, bevor sie über
die Düse 19 ausgestoßen werden,
um einen zusätzlichen
Vortriebs-Schub zu liefern. Die Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruck-Turbinen 16, 17 bzw. 18 treiben
die Hoch- und Mitteldruck-Kompressoren 14 und 13 und
das Gebläse über geeignete
Verbindungswellen an.
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In 2 ist
ein Teil einer Hochdruck-Turbine 16 gezeigt, die eine Einzelstufen-Turbine ist und mit dem
Hochdruck-Kompressor 14 über eine Welle 26 verbunden
ist und diese antreibt. Es ist zu erkennen, dass die Turbine eine
mehrstufige Turbine sein könnte,
beispielsweise eine zweistufige Turbine. Ein Mantel 24 erstreckt
sich um die Hochdruck-Turbine 16 und erstreckt sich auch
um die Mittel- und Niederdruck-Turbinen 17 und 18.
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Die
Hochdruck-Turbine 16 umfasst eine Statorbaugruppe 31 in
Form einer ringförmigen
Anordnung von festen Leitschaufeln 32, die stromaufwärts von
einer Rotorbaugruppe 35 angeordnet sind, die eine ringförmige Anordnung
von Turbinenschaufeln 36 umfasst, die drehbar auf der Welle 26 befestigt sind
(siehe 1). Eine Halterungsstruktur 34 für die Leitschaufeln 32 erstreckt
sich in Umfangsrichtung um die Anordnung von Leitschaufeln 32,
die fest an der Halterungsstruktur 34 befestigt sind.
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Eine
Wandstruktur oder ein Dichtungssegment-Ring 64 ist schematisch
in 2 gezeigt und erstreckt sich in Umfangsrichtung
um die Anordnung von Turbinenschaufeln 36. Der Dichtungssegment-Ring 64 umfasst
eine Vielzahl von Dichtungssegmenten 66, die zusammen den
ringförmigen Dichtungssegment-Ring 64 bilden.
Bei der dargestellten Ausführungsform
sind die Schaufeln 36 mit Ummantelungen 37 versehen,
es ist jedoch verständlich,
dass die Schaufeln 36 ummantelungsfrei sein können. Die
Schaufeln 37 umfassen Rippen oder andere Vorsprünge 37A.
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Die
Mittel- und Niederdruck-Turbinen 17 und 18 umfassen
ebenfalls Anordnungen von Leitschaufeln und Rotorschaufeln. Die
Mitteldruck-Turbine 17 empfängt Luft von der Hochdruck-Turbine 16 und
ist mit dem Mitteldruck-Kompressor 13 über eine Welle 28 (siehe 1)
verbunden und treibt diese an. In ähnlicher Weise empfängt die
Niederdruck-Turbine 18 Luft von der Mitteldruck-Turbine 17 und
ist mit dem Gebläse 12 über eine
Welle 30 (siehe 1) verbunden und treibt dieses
an.
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In 3 ist
schematisch eine Schnittansicht eines Teils der in 2 gezeigten
Hochdruck-Turbine 16 gezeigt. 3 zeigt
im Einzelnen die Halterungsstruktur 34 für die Düsen-Leitschaufeln 32.
Die Halterungsstruktur 34 haltert die Leitschaufeln in
einer bekannten Weise über
eine erste Befestigungseinrichtung 62 an dem strömungsabwärts gelegenen Endbereich
der Anordnung von Leitschaufeln 32 und weitere (nicht gezeigte)
Befestigungseinrichtungen am dem strömungsaufwärts gelegenen Endbereich.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
haltert die Halterungsstruktur 34 weiterhin einen Dichtungssegment-Ring 64,
der sich in Umfangsrichtung um die Anordnung von Hochdruck-Turbinen-Schaufeln 36 erstreckt.
Der Dichtungssegment-Ring 64 umfasst eine Vielzahl von
Dichtungssegmenten 66, von denen lediglich eines in 3 gezeigt
ist.
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Der
Dichtungssegment-Ring 64 ist im Wesentlichen in radialer
Ausrichtung mit den Turbinenschaufeln 36 angeordnet, und
ein Spalt 68 wird zwischen der Ummantelung 37 der
Schaufeln 36 und dem Dichtungssegment-Ring 64 gebildet.
Jedes Dichtungssegment 66 weist eine auf die Schaufeln 36 gerichtete
Innenoberfläche
auf. Die Innenoberfläche 70 hat
ein Profil, das allgemein der Form der Ummantelung 37 der
Turbinenschaufeln 36 entspricht.
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Das
in den Zeichnungen gezeigte Dichtungssegment 66 schließt einen
Hauptkörper 71 ein,
in dem Pfadeinrichtungen in Form einer Anzahl von Kanälen 72 in
dem Dichtungssegment 66 ausgebildet sind, um die Strömung eines
Kühlströmungsmediums
in Form von Kühlluft
durch diese zu ermöglichen.
Der Hauptkörper 71 kann
ein oder mehrere Kanäle 72 bilden,
von denen sich jeder bei der dargestellten Ausführungsform allgemein parallel
zu der Hauptachse Y-Y der Turbinenanordnung erstreckt, wobei die
Linie Z-Z in 3 parallel zur Achse Y-Y ist.
Jeder Kanal 72 erstreckt sich weiterhin lateral zu dem
Dichtungssegment 66 im Wesentlichen über die Hälfte von dessen Erstreckung.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
bildet der Hauptkörper 71 jedes
Dichtungssegmentes 66 zwei Kanäle 72, die Seite an
Seite angeordnet sind und voneinander durch eine Wand getrennt sind.
Es ist zu erkennen, dass in anderen Ausführungsformen der Hauptkörper mehr
als zwei der Kanäle 72 bilden kann,
beispielsweise vier Kanäle 72.
Die Anzahl von Kanälen 72 wird
von den Hauptkörpern 71 der
jeweiligen Dichtungssegmente 66 gebildet, die Seite an Seite
in Umfangsrichtung um den Dichtungssegment-Ring 66 herum
angeordnet sind und zusammen eine ringförmige Anordnung von Kanälen um die Turbinenschaufeln 36 herum
bilden. Jeder Kanal 72 ist mit Wärmeabfuhrelementen in Form
von Sockeln 33 versehen, die sich zwischen den radial inneren und äußeren Wänden der
Kanäle 72 erstrecken.
Die Wärmeabfuhrelemente
könnten
andere Formen annehmen, beispielsweise Rippen oder andere Merkmale,
um eine turbulente Strömung
hervorzurufen.
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Ein
stromabwärts
gelegener Einlass 74A erstreckt sich durch das Dichtungssegment 66 von
einer radial außen
liegenden Oberfläche
zu dem Kanal 72 an dem stromabwärts gelegenen Endbereich des Dichtungssegmentes 66,
um es zu ermöglichen, dass
Luft in den Kanal 72 von einem ringförmigen Raum 75 aus
eintritt. Luft wird an diesen Raum 75 über eine Leitung 75A in
der Halterungsstruktur 34 geliefert. Beim Eintritt in jeden
Kanal 72 strömt
die Luft von dem Einlass 74A zu einem Auslass 77 in
der Stromaufwärts-Richtung,
wie dies durch die Pfeile A angezeigt ist. Die Strömung der
Luft entlang des Kanals 72 leitet Wärme von dem umgebenden Material ab,
wodurch das Material gekühlt
wird.
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Weitere
Einlässe 74B und 74C können stromaufwärts von
dem Einlass 74A vorgesehen sein, um es der Luft zu ermöglichen,
in den Kanal 72 an verschiedenen Stellen stromaufwärts von
dem Einlass 74A einzutreten. Die Anzahl und Position der Einlässe kann
nach Wunsch geändert
werden, um eine lokalisierte Kühlung
vorausgewählter
Bereiche des Dichtungssegmentes 66 zu schaffen. Beispielsweise
kann der Einlass 74B zum Kühlen eines Bereiches 66A des
Dichtungssegmentes 66 vorgesehen sein, für den bei
Versuchen festgestellt wurde, dass er zu einer Überhitzung neigt. In ähnlicher
Weise können
andere Bereiche, die zu einer Überhitzung neigen,
mit gegenüberliegenden
Einlässen
versehen sein, um ankommende Kühlluft
direkt auf derartige Bereiche zu lenken.
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Weil
die durch die Turbine 17 strömende Luft verwirbelt sein
kann, d.h. sie strömt
unter einem Winkel zu der Hauptachse der Turbine, können die
Auslässe
derart abgewinkelt sein, dass die aus den Kanälen 72 austretende
Luft in der im Wesentlichen identischen Richtung zu der Hauptströmung der
Luft durch die Turbine 17 gelenkt wird.
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Wie
dies aus 3 zu erkennen ist, ist jeder Kanal 72 jedes
der Dichtungssegmente 66 so konfiguriert, dass er im Wesentlichen
dem Profil der Innenoberfläche 70 des
Dichtungssegment-Ringes 64 entspricht. Jeder Kanal 72 umfasst
einen ersten Abschnitt 76, der sich von dem stromabwärts gelegenen Einlass 74A zu
einem Mittelbereich 78 des Dichtungssegmentes 66 erstreckt.
Ein zweiter Abschnitt 80 erstreckt sich von dem Bereich 78 zu
dem Auslass 77. Die ersten und zweiten Abschnitte überlappen sich,
und eine Verbindungsleitung 82 mit kleinerem Durchmesser
als dem der Abschnitte 76 und 80 erstreckt sich
von dem ersten Abschnitt 76 zu dem zweiten Abschnitt 80 in
den Mittelbereich 78. Somit trifft, während die Kühlluft in den zweiten Abschnitt 80 von
der Verbindungsleitung 82 eintritt, sie auf die Wände des
zweiten Abschnittes 80 des Kanals 72 auf, um eine
Aufprallkühlung
der Wände
zu bewirken. Entlang des Restes des Kanals 72 wird eine
Kühlung durch
eine Transpirationskühlung
oder andere Arten von Kühlung
bewirkt, beispielsweise durch Konvektion und Wärmeleitung.
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Der
Auslass 77 kann in der Stromabwärts-Richtung offen sein und
lenkt Luft, wie dies durch die Pfeile B gezeigt ist, entlang der
Innenoberfläche 70 des
Dichtungssegment-Ringes 64.
Dies hat eine doppelte Wirkung. Zunächst ergibt dies eine Kühlung der
Oberfläche 70 und/oder
der Schaufel 36. Zweitens wird hierdurch sichergestellt,
dass es die Luftströmung
von den Kanälen 72 ist,
die durch den Spalt 68 strömt, bevorzugt gegenüber der
Luft, die von den Leitschaufeln 32 verwirbelt wird, die
besser für
den Antrieb der Schaufeln 36 benutzt wird, wodurch die
Arbeitsleistung und die Effizienz verbessert wird. Alternativ kann
der Auslass 77A so angeordnet sein, dass er sich in Radialrichtung
nach innen erstreckt, wie dies durch die gestrichelten Linien gezeigt
ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform kann die aus den
Kanälen 72 über den
Auslass 77A austretende Luft in der gleichen Richtung gelenkt werden,
wie die aus den Auslässen 77 durch
den darauf wirkenden Druck austretende Luft.
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Bei
einer anderen Ausführungsform,
wie sie in 4 gezeigt ist, ist der Kanal 72 ein
einziger Kanal, der sich in einer stufenförmigen Konfiguration von dem
stromaufwärts
gelegenen Endbereich zu dem stromabwärts gelegenen Endbereich erstreckt. In 4 wurden
alle die Merkmale mit den gleichen Bezugsziffern wie in 3 versehen. 4 unterscheidet
sich von 3 dadurch, dass die Leitung 82 fortgelassen
ist.
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Wie
bei der in 3 gezeigten und vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
kann die Anzahl und die Position der Einlässe in der beschriebenen Weise
geändert
werden, um Bereiche des Dichtungssegmentes 6 zu kühlen, die
zu einer Überhitzung
neigen.
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Ein
Vorteil der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen besteht darin,
dass sie es ermöglichen,
dass Kühlkanäle 72 so
nahe wie möglich an
der radial innen liegenden Oberfläche 70 jedes Dichtungssegmentes 66 gebildet
werden. Beispielsweise bildet in jeder der Ausführungsformen der Kanal 72 einen
Bereich 72A benachbart zu dem Auslass 77. Das
Material des Dichtungssegmentes, das den Bereich 72A umgibt,
neigt zu einer Überhitzung, und
die Bereiche 72A liefern Kühlströmungsmittel, um ein derartiges Überhitzen
zu verhindern.
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Die
Dichtungssegmente 66 werden durch ein Modellausschmelzverfahren
hergestellt, das typischerweise die Formung einer Master-Gussform
aus einem ursprünglichen
Muster und das Gießen
eines Arbeitsmusters in Wachs (oder einem ähnlichen Material) von dieser
Master-Gussform umfasst. Nachdem das Wachs-Arbeitsmuster geformt
wurde, wird es mit einer keramischen Ummantelung beschichtet, um
eine abschließende
Form zu bilden. Die abschließende
Form wird dann in einem Ofen gebrannt, bis sie gehärtet ist.
Die Hitze des Brennens schmilzt das Wachs, so dass es auslaufen
kann. Nach dem Brennen wird geschmolzene Metalllegierung in die
Form gegosssen um das Segment zu bilden. Wenn das Metall erstarrt
ist, wird die Form zerstört,
um das Dichtungssegment zu entfernen.
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Die
Gestalt der Dichtungssegmente 66 der bevorzugten Ausführungsform
wird allgemein unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens gegossen,
jedoch werden, nachdem die Master-Gussform gebildet wurde, Kerne 110 (siehe 5 und 6)
in der Gussform angeordnet. Die Kerne werden aus einem Keramikmaterial
geformt und bilden schließlich die
Kanäle 72.
Nach dem Brennen der fertigen Gussform und dem Ausschmelzen des
Wachs-Arbeitsmusters bleiben die Kerne an ihrem Platz. Wenn das geschmolzene
Metall in die abschließende
Gussform gegossen und zum Erstarren gebracht wurde, werden die Kerne 110 durch Eingießen einer
geeigneten Lösung,
beispielsweise einer Säurelösung, aufgelöst, um die
Kanäle 72 zu
bilden.
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Ein
Beispiel des Kerns 110 ist in den 5 und 6 gezeigt.
Der Kern 110 umfasst einen Hauptteil 112, der,
wie zu erkennen ist, eine Konfiguration hat, die den Kanälen 72 nach
den 3 und 4 entspricht. Der Kern 110 erstreckt
sich weiterhin lateral, und er hat eine Breite, die im Wesentlichen
gleich der halben Umfangslänge
des Dichtungssegmentes 66 ist, das um diesen Kern zu formen
ist. Der Hauptteil 112 bildet eine Vielzahl von zylindrischen
Durchgangsbohrungen 114, die die Sockel 73 bilden,
und eine Vielzahl von durchgehenden Schlitzen mit langgestreckter
Konfiguration, die die Versteifungsrippen 82 in dem Dichtungssegment 66 bilden,
das unter Verwendung des Kerns 110 geformt wird.
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Erste
und zweite Vorsprünge 118, 120 erstrecken
sich von dem Hauptteil 112 aus nach außen. Diese sind dazu vorgesehen,
das Gießen
der Kanäle 72 in
den Dichtungssegmenten 66 zu unterstützen. Wenn auf 5 Bezug
genommen wird, ist zu erkennen, dass sich der erste Vorsprung 118 von
der Oberfläche 122 des
Kerns 110 erstreckt, während
sich der zweite Vorsprung 120 von einer Kante 124 des
Kerns 110 erstreckt. Um die Bezugnahme zu erleichtern, wird
in 5 die Oberfläche 122 als
die obere Oberfläche
bezeichnet, und die Kante 124 wird als die linke Kante
des Kerns 110 bezeichnet. Es ist jedoch verständlich,
dass die Oberflächen
und die Kante nicht oben und auf der linken Seite sein müssen.
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Der
erste Vorsprung 118 umfasst einen Hauptbereich 126 mit
einer allgemein zylindrischen Konfiguration und einen Verbindungsbereich 128, der
von dem Hauptbereich 126 aus nach außen erweitert ist, um den Hauptbereich 126 mit
der Oberfläche 122 zu
verbinden. Der zweite Vorsprung 120 umfasst einen im Wesentlichen
konischen Hauptbereich 130, der sich von der Kante 124 aus
nach außen
erweitert.
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In 7 ist
ein Dichtungssegment 66 gerade nach dem Auflösen des
keramischen Kerns 110 gezeigt. Von dem Kanal 72 erstreckt
sich eine erste Öffnung 88 in
einer radial nach außen
gerichteten Richtung, und eine zweite Öffnung 90 in einer stromaufwärts gerichteten
Richtung. Die ersten und zweiten Öffnungen 88, 90 werden
jeweils durch die ersten und zweiten Vorsprünge 118, 122 gebildet,
nachdem der Kern 110 aufgelöst wurde. Um die Herstellung des
Dichtungssegmentes 66 abzuschließen, werden die Öffnungen 88, 90 mit
einem geeigneten Material, beispielsweise einem Schweißmaterial,
verschlossen. Einlässe
und Auslässe
können
an gewünschten Positionen
vor und nach dem Verschließen
der Öffnungen 88, 90 gebohrt
werden. Das Bohren kann mit Hilfe irgendeiner geeigneten Technik
ausgeführt
werden, beispielsweise durch die Verwendung von Lasern oder durch
EDM (elektro-erosive Bearbeitung).
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Die
Position, Größe und Form
der ersten und zweiten Vorsprünge 118, 120 wird
bei der beschriebenen Ausführungsform
sorgfältig
ausgewählt,
um es dem Kern 110 zu ermöglichen, sicher durch die Master-Gussform
gehalten zu werden, wenn das Wachs-Arbeitsmuster geformt wird, und
auch durch die abschließende
Gussform während
des Gießens der
Metalllegierung und der abschließenden Abkühlung und Verfestigung. Weiterhin
verringern die ersten und zweiten Vorsprünge auch die Menge an Material,
die zur Bildung des Kerns 110 und zur Bildung der Stopfen
in den ersten und zweiten Öffnungen 88, 90 erforderlich
ist.
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Es
können
verschiedene Modifikationen durchgeführt werden, ohne von dem Schutzumfang der
Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnten die Kanäle 72 aus
mehreren Abschnitten gebildet werden, wobei sich Verbindungsleitungen
zwischen benachbarten Abschnitten erstrecken. Weiterhin können, obwohl
die Öffnung
besondere Anwendung in Bezug auf Hochdruck-Turbinen findet, ähnliche Anordnungen
in Verbindung mit Niederdruck- oder Mitteldruck-Turbinen verwendet
werden, wenn dies erwünscht
ist. Weiterhin müssen
sich die Kanäle 72 nicht
präzise
parallel zur Hauptachse der Turbine erstrecken. Die Kanäle 72 könnten stattdessen
so angeordnet werden, dass sie eine Umfangsverwirbelung der Kühlluft ermöglichen,
die durch diese hindurchströmt.
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Somit
wurde ein Dichtungssegment beschrieben, dessen bevorzugte Ausführungsform
es ermöglicht,
dass Einlässe
und/oder Auslässe
in einer gewünschten
Anzahl und an gewünschten
Positionen gebohrt werden können,
um die am besten geeignete Kühlung
in dem Segment zu schaffen. Dies ergibt den Vorteil, dass die Kühlung in
einem feinen Ausmaß ohne Änderungen
beim Gießen
oder in dem Kern abgestimmt werden kann, wie dies für unterschiedliche
Anforderungen für
unterschiedliche Maschinen oder in Abhängigkeit von Maschinen oder Komponenten
der Fall sein kann, die unter unterschiedlichen Bedingungen getestet
oder betrieben werden, beispielsweise bei unterschiedlichen Höhen oder
unterschiedlichen Temperaturen.