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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Kraftmaschinen mit innerer
Verbrennung und spezieller eine Luftabdichtung nach außen, die
leckagereduzierende und kühlwirkungsverbessernde Merkmale
aufweist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Verbrennungskraftmaschinen
sind Maschinen, die in Brennstoff gespeicherte chemische Energie
in mechanische Energie umwandeln, die zur Erzeugung von Elektrizität, Erzeugung
von Schubkraft oder in sonstiger Weise zur Verrichtung von Arbeit von
Nutzen ist. Diese Motoren umfassen in der Regel mehrere zusammenwirkende
Bereiche, die in irgendeiner Weise zum Energieumwandlungsprozess beitragen.
Bei Gasturbinenmotoren werden Luft, die aus einem Verdichterbereich
austritt, und Kraftstoff, der von einer Kraftstoffquelle eingeleitet
wird, gemischt und in einem Verbrennungsbereich verbrannt. Die Verbrennungsprodukte
(auch als Prozessgas oder Arbeitsfluid bezeichnet) werden nutzbar
gemacht und durch einen Turbinenbereich geleitet, in dem sie sich
ausdehnen und eine zentrale Rotorwelle drehen. Die Rotorwelle wiederum
kann mit Geräten wie
einem Stromgenerator verbunden sein, um Elektrizität zu erzeugen.
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Um
die Energieerzeugungsfähigkeit
von Gasturbinenmotoren zu steigern, werden häufig Anstrengungen unternommen,
um die Energiemenge zu maximieren, die über den Turbinenbereich gewonnen
werden kann. Es wurde eine Anzahl von Strategien entwickelt, um
in dieser Hinsicht Fortschritte zu machen. Eine Strategie ist, den
Verbrennungsbereich mit einer erhöhten Temperatur zu betreiben,
in der Regel nahe an den technischen Grenzwerten der Motorbauteile,
um große
Mengen potenzieller Energie in das Arbeitsfluid zu übertragen.
Eine andere Strategie beinhaltet die Anwendung von Abdichtungen,
um den Motorwirkungsgrad zu erhöhen,
indem ein Austreten von Arbeitsfluid in nichtenergieumwandelnde
Bereiche des Motors reduziert wird. Bei noch einer weiteren Strategie
kann die Konstruktion von Fluidführungskomponenten
wie Laufschaufeln und Leitschaufeln optimiert werden, um ein hocheffizientes
Zusammenwirken zwischen den Komponenten und dem Arbeitsfluid zu
erzielen. Jede dieser Strategien hat Vor- und Nachteile, und die
Strategien können
kombiniert werden, um verschiedenen Situationen und Betriebsbedingungen
gerecht zu werden.
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In
Fällen,
in denen Turbinenbereichsabdichtungen verwendet werden, kann eine
Vielzahl von Schwierigkeiten auftreten. Damit zum Beispiel das Sich-Ausdehnen
und Zusammenziehen möglich
ist, das durch Temperaturzyklen während des Motorbetriebs entsteht,
sitzen Abdichtungen häufig
während des
Betriebs mit niedrigen Lastbedingungen lose und ermöglichen
ein Austreten in alle außer
die am weitesten außen
gelegenen Bereiche. Turbinenabdichtungen können ferner Wärme speichern,
was zu unerwünschten
höheren
Anforderungen an die Motorkühlung
führt und
somit den Motorwirkungsgrad verringert.
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EP 1033477 beschreibt einen
zylindrischen Segmentring (für
eine Gasturbine), der aus Segmenten besteht, die Flansche mit gebogenen
Flächen aufweisen.
Die Segmente werden miteinander verbunden, um den Segmentring auszubilden,
und die gebogenen Flächen
auf angrenzenden Segmenten wirken zusammen, um eine Nut auszubilden.
Einkerbungen in den Segmenten nehmen eine Abdichtplatte für die Nut
auf. Dementsprechend besteht auf diesem Gebiet weiterhin ein Bedarf,
die Wirksamkeit von Abdichtungen zu verbessern.
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GB2356022 beschreibt eine
weitere Verkleidungsstruktur (für
eine Gasturbine), die aus Segmenten ausgebildet ist, die zusammenwirkende
Flächen aufweisen,
die einen Spalt definieren. Die Anordnung umfasst einen Dichtstreifen
im Spalt.
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EP0657625 beschreibt eine
Abdichtung für eine
Gasturbine, die aus bogenförmigen
Dichtelementen besteht, die in einem Abstand zueinander angeordnet
sind, um schräge
Spalte zwischen den Segmenten zu definieren. Die Segmente weisen
Kühlkanäle auf,
die in die Spalte münden,
und es ist eine Abdichtplatte vorhanden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Baugruppe zur Luftabdichtung nach
außen
mit den Merkmalen nach Anspruch 1, der dieser Patentanmeldung beigefügt ist.
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Weitere
Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen deutlich, wodurch bestimmte Ausführungsformen dieser Erfindung
durch Veranschaulichung und Beispiele beschrieben werden. Die Zeichnungen
sind ein Bestandteil dieser Patentbeschreibung, umfassen beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und veranschaulichen verschiedene Aufgaben
und Merkmale derselben.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
Längsschnitt
eines Motors, bei dem die Luftabdichtung nach außen der vorliegenden Erfindung
verwendet wird;
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2 ist
eine Ansicht von der Stirnseite her der Luftabdichtung nach außen gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in dem in 1 gezeigten Motorturbinenbereich
verwendet wird;
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3 ist
eine Teilansicht von der Stirnseite her von zwei zusammenwirkenden
Begrenzungselementen der vorliegenden Erfindung; und
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4 ist
eine Darstellung der in 3 gezeigten Begrenzungselemente
von außen
her, wobei kein Abschlussblech montiert ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Es
wird allgemein auf die Abbildungen verwiesen, in denen eine Luftabdichtung 10 nach
außen gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist. Zusammenfassend umfasst die Abdichtung 10 einen Satz 20 von
Begrenzungselementen 12, die in einer ringförmigen Anordnung
gruppiert sind, um Leckagen im Turbinenbereich 16 eines
zugehörigen
Gasturbinenmotors 18 zu verhindern. Jedes Begrenzungselement 12 ist
von den benachbarten Begrenzungselementen durch zwischen ihnen ausgebildete Dehnspalte 22 getrennt.
Die Dehnspalte 22 ermöglichen
das Sich-Zusammenziehen und Ausdehnen der einzelnen Begrenzungselemente 12 sowie
eine relative gemeinsame Bewegung zwischen den Begrenzungselementen
während
des Betriebs. Der Dehnspalt 22 umfasst einen radial schräg verlaufenden Bereich 24,
der von den schräg
verlaufenden Bereichen 26, 28 der zusammenwirkenden,
angrenzenden Begrenzungselementkontaktflächen 30, 32 ausgebildet
wird. Der Dehnspalt 22 umfasst ferner einen radial ausgerichteten
Bereich 34, und ein oder mehrere Wandungselemente 36 ragen
in den Dehnspalt 22, um einen gewundenen Pfad 38 (in 2 nicht dargestellt)
innerhalb des Dehnspalts auszubilden. Kühlmitteldurchgänge 40,
die in den Begrenzungselementen 12 angeordnet sind, stellen
einen Pfad bereit, damit Kühlmittel 42 in
den Dehnspalt 22 eintreten kann, wodurch für eine zusätzliche
Kühlung
gesorgt wird, ohne den Motorwirkungsgrad zu reduzieren. Es ist anzumerken,
dass, obwohl die Luftabdichtung 10 nach außen in Zusammenhang
mit einem Industriegasturbinenmotor 18 und insbesondere
in einem Motorturbinenbereich 16 beschrieben wird, die
Abdichtung auch für
andere Anwendungsbereiche Vorteile bieten würde, einschließlich anderer
berührungsfrei
korrespondierender Spalte zwischen Leitschaufeln und Abschlusswänden und
in Drehrichtung nachgelagerten Bauteilen. Zudem wird der Konvention
entsprechend die Drehrichtung der Laufschaufeln 14 dargestellt,
als würden
sie auf den Referenzmotor 18 bezogen im Betrieb links drehen.
Jedoch ist auch ein rechtsdrehender Betrieb möglich und bei Anwendungen mit
rechtsdrehendem Betrieb würden
die verschiedenen Aspekte der Erfindung am effektivsten erreicht,
wenn die Ausrichtung des radial schräg verlaufenden Bereichs 24 des
Dehnspalts 22 entsprechend umgekehrt gegenüber der
in dieser Patentanmeldung dargestellten und beschriebenen ist. Darüber hinaus
beziehen die Begriffe „in
Drehrichtung vorgelagert" und „in Drehrichtung
nachgelagert" sich
auf Positionen, die auf die Drehrichtung bezogen zu einem gegebenen
Referenzpunkt nach rechts bzw. links versetzt sind. Die Luftabdichtung 10 nach
außen der
vorliegenden Erfindung wird nun ausführlich beschrieben.
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Wie
unter besonderer Heranziehung von 1 und 2 zu
erkennen und wie vorstehend angemerkt, umfasst die Luftabdichtung 10 nach
außen
der vorliegenden Erfindung mehrere Begrenzungselemente 12,
die in einer ringförmigen
Anordnung gruppiert angeordnet sind, um unerwünschte Leckagen von Arbeitsfluid 44 aus
dem Turbinenbereich 16 eines Industriegasturbinenmotors 18 zu
reduzieren. Insbesondere sind die Begrenzungselemente 12 nahe
an den, jedoch radial außerhalb
der Laufschaufeln 14 des Turbinenbereichs angeordnet. Bei
der vorliegenden Ausführungsform
sind die Begrenzungselemente 12 gleichartig und mit demselben
radialen Abstand Rbm zu einer Mittelachse 48 angeordnet.
Es ist anzumerken, dass, obwohl die vorliegende Erörterung
sich auf eine Anordnung gleichartiger Begrenzungselemente 12 bezieht,
sie auch Anordnungen genügen
würde,
die verschiedenartige Begrenzungselemente betreffen.
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Es
wird weiterhin auf 2 Bezug genommen und ferner
auf die 3 und 4 verwiesen; es
ist zu erkennen, dass die Begrenzungselemente 12 im Wesentlichen
rechteckige Elemente sind, die gemeinsam einen im Wesentlichen durchgehenden Ring
ausbilden, der so beschaffen ist, dass er einen längs verlaufenden
Bereich im Turbinenbereich 16 umgibt. Die Begrenzungselemente 12 umfassen
eine vordere Fläche 50 und
eine hintere Fläche 52,
die sich jeweils zwischen den vorstehend erwähnten Kontaktflächen 30, 32 erstrecken.
Die Begrenzungselemente 12 besitzen einen gekrümmten Querschnitt,
der durch eine radial weiter innen liegende Fläche 54 gekennzeichnet
ist, die zur Motormittelachse 48 ausgerichtet ist, und
eine gegenüberliegende,
radial weiter außen
liegende Fläche 56.
Die Kontaktflächen 30, 32 benachbarter
Begrenzungselemente 12 weisen komplementäre Konturen
auf. Wie vorstehend angemerkt, bilden die Kontaktflächen benachbarter
Begrenzungselemente Dehnspalte 22 aus, die eine relative
Bewegung sowie zyklisches Ausdehnen und Sich-Zusammenziehen der
Begrenzungselemente während
des Motorbetriebs ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner einen radial ausgerichteten
Bereich 34, der an der radial weiter außen liegenden Begrenzungselementfläche 56 angeordnet
ist. Ein Abschlussblech 58, das im Dehnspalt 22 angeordnet
ist, bietet eine physische Barriere, die dazu beiträgt, eine
unerwünschte,
radial weiter nach außen
gerichtete Bewegung des Arbeitsfluids 44 zu verhindern,
das durch den Turbinenbereich 16 strömt. Auf die Abschlussbleche 58 kann
in Fällen
verzichtet werden, in denen keine Fluidstromsperren gewünscht sind.
Werden jedoch Abschlussbleche 58 eingesetzt, können sie
durch eine Vielzahl von Verfahren befestigt werden, etwa mit Einkerbungen 60, 62,
die in die Begrenzungselementkontaktflächen 30, 32 geschnitten
werden. Andere Verbindungsverfahren einschließlich Schweißen, Löten, konstruktiver
Verbindungen und der Verwendung von Befestigungselementen können ebenfalls
die Abschlussbleche 58 in Position halten, falls erwünscht. Wie
weiter unten ausführlicher
erläutert
wird, sorgt der Dehnspalt 22 der vorliegenden Erfindung
ferner für
eine höhere
Lebensdauer der Bauteile, indem die pulsierende Belastung der Abschlussbleche 58 reduziert
wird. Obwohl die radiale Position der Abschlussbleche 58 variieren
kann, ist das nachstehend beschriebene Blechschutzmerkmal am effektivsten, wenn
das Abschlussblech 58 radial weiter außen liegend vom radial schräg verlaufenden
Bereich 24 angeordnet ist. Bei dieser Anwendung bezeichnet
der Begriff „radial
schräg
verlaufend" eine
Ausrichtung, die so gedreht ist, dass sie um einen gewünschten Betrag
von einer radialen Ausrichtung abweicht. Bei der vorliegenden Erfindung
weicht der radial schräg verlaufende
Bereich des Dehnspalts 22 von der radialen Ausrichtung
um einen Winkel α ab,
der sich innerhalb eines Bereichs von etwa fünfzehn bis fünfundfünfzig Grad
befindet. Der radial schräg
verlaufende Bereich 24 ist an der radial weiter innen liegenden
Fläche 54 der
Begrenzungselemente 12 angeordnet.
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Es
wird weiterhin auf 3 und 4 Bezug
genommen; nun wird ein beispielhafter Dehnspalt 22 beschrieben.
Der radial schräg
verlaufende Bereich 24 des Dehnspalts 22 ist an
der radial weiter innen liegenden Begrenzungselementfläche 54 angeordnet
und ist durch einen radial weiter innen liegenden Bereich 68 und
einen radial weiter außen
liegenden Bereich 70 gekennzeichnet. Gemäß verschiedenen
Aspekten der Erfindung ist der radial weiter außen liegende Bereich 70 des
radial schräg
verlaufenden Bereichs 24 in Drehrichtung vorgelagert zum
radial weiter innen liegenden Bereich 68.
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Während des
Betriebs trifft das Arbeitsfluid 44, das durch den Turbinenbereich 16 strömt, auf
die Turbinenlaufschaufeln 14 auf und bewirkt eine Drehbewegung
der Turbinenwelle 64. Wenn die Turbinenwelle 64 mit
hoher Drehzahl dreht und sich die Turbinenlaufschaufeln 14 ständig drehen,
strömt
das Arbeitsfluid 44, wie in 1 dargestellt, über einen
im Wesentlichen spiralförmigen
Pfad zum Turbinenbereichsaustritt 66.
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Während sich
die Laufschaufeln 14 drehen, überstreichen die zugehörigen Schaufelspitzen 72 zyklisch
die verschiedenen Dehnspalte 22. Das von den Schaufelspitzen 72 geführte Arbeitsfluid 44 wird zu
den Begrenzungselementen 12 geleitet und strömt pulsierend
in die Dehnspalte 22. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist der radial schräg
verlaufende Bereich 24 des Dehnspalts 22 im Wesentlichen
lotrecht zur Richtung (Fd) des Arbeitsfluids 44 ausgerichtet,
das von den Schaufelspitzen geführt wird,
wenn es die Dehnspalte 22 erreicht. Bei dieser Anordnung ändert der
radial schräg
verlaufende Bereich 24 des Dehnspalts 22 die Richtung
der Pulsationen des Arbeitsfluids 44, wodurch ihre Geschwindigkeit
im Dehnspalt reduziert und die Einwirkung auf die Abschlussbleche 58 reduziert
wird, die im Spalt angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht,
dass der Motor 18 über
längere
Zeiträume
betrieben wird, bevor ein Austausch des Abschlussblechs 58 erforderlich
ist. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Anordnungen der radial
schräg
verlaufenden Dehnspaltbereiche 24 ausreichen könnten, um
die Richtung pulsierender Belastungen des Arbeitsfluids 44 umzulenken,
das in die Dehnspalte 22 gefördert wird, einschließlich Anordnungen,
bei denen mehrere Neigungswinkel im Spalt erzeugt werden, oder bei
denen die Bereiche des schräg
verlaufenden Bereichs mit den Pulsationen des Arbeitsfluids ausgerichtet sind
bzw. nur geringfügig
von ihnen abweichen.
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Es
wird 4 Bezug genommen; die Wandungselemente 36,
die, wie vorstehend angemerkt, in die Dehnspalte 22 hineinragen,
werden nun beschrieben. Bei der Erfindung umfasst die Luftabdichtung 10 nach
außen
der vorliegenden Erfindung einen gewundenen Pfad 38, der
in einem oder mehreren Dehnspalten 22 angeordnet ist; der
Pfad ist mithilfe von Wandungselementen 36 ausgebildet,
die von den Kontaktflächen 30, 32 hervorstehen.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform
sind die Wandungselemente 36 mit einer im Wesentlichen
radialen Ausrichtung angeordnet, und sie sind besonders wirksam,
um das längsgerichtete
Voranströmen
des Arbeitsfluids 44 durch den Dehnspalt 22 zu
verlangsamen. Wie in 3 dargestellt, erstrecken die Wandungselemente 36 sich
im Wescentlichen über den
gesamten Abstand zwischen den radial weiter innen und radial weiter
außen
liegenden Begrenzungselementflächen 54, 56.
Es ist ferner anzumerken, dass auch verschiedene Kombinationen (nicht
dargestellt) von Ausrichtungen der Wandungselemente 36 verwendet
werden können.
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Es
wird auf 3 und 4 Bezug
genommen; die Kühlmitteldurchgänge 40,
die wie vorstehend beschrieben einen Pfad ausbilden, damit das Kühlmittel 42 in
die Dehnspalte 22 eintreten kann, werden nun beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform
umfasst die Luftabdichtung 10 nach außen der vorliegenden Erfindung
Kühlmittelkanäle 40, die
die Dehnspalte 22 mit einer Quelle für Kühlmittel 42 verbinden,
beispielsweise Gehäuseluft,
die radial zwischen den Begrenzungselementen 12 und dem äußeren Gehäuse 74 des
Turbinenbereichs 16 angeordnet ist. Es wird insbesondere
auf 3 Bezug genommen; die Kühlmitteldurchgänge 40 verlaufen von
den radial weiter außen
liegenden Flächen 56 der
Begrenzungselemente 12 zum radial schräg verlaufenden Bereich 24 des
Dehnspalts 22. Bei dieser Anordnung erreicht Kühlmittel 42 den
Dehnspalt 22 und sorgt für eine zusätzliche Kühlung. Wenn sie in Verbindung
mit den vorstehend beschriebenen Wandungselementen 36 verwendet
werden, leiten die Kühlmitteldurchgänge 40 Kühlmittel 42 in
einen Bereich, der durch eine relativ geringe Fluidgeschwindigkeit
gekennzeichnet ist, wodurch eine verlängerte Kühlmittelverweildauer gewährleistet
ist und die Kühlwirkung
des Kühlmittels
verbessert wird. Darüber
hinaus tritt das Kühlmittel 42,
das durch den radial schräg
verlaufenden Bereich 24 des Dehnspalts 22 eingeleitet
wird, aus dem Dehnspalt mit einer in Drehrichtung nachgelagerten
Geschwindigkeitskomponente aus und neigt dazu, die radial weiter
innen liegende Fläche 54 des
Begrenzungselements 12 zu überstreichen. Bei dieser Anordnung
sorgt das Kühlmittel 42,
das aus dem Dehnspalt 22 austritt, für einen Kühlmittelfilm, der nicht nur
die Temperatur der Schaufelspitzen 72 senkt, sondern auch
die Begrenzungselemente 12 davor schützt, zu lange extremen Temperaturen
ausgesetzt zu sein.
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Obwohl
die Begrenzungselemente 12 mit Dehnspalten 22 beschrieben
wurden, die zwischen den Kontaktflächen 30, 32 der
umlaufend mit einem Abstand zueinander angeordneten Begrenzungselemente 12 angeordnet
sind, können
die vordere und die hintere Fläche 50, 52 der
Begrenzungselemente auch so profiliert sein, dass sie Dehnspalte
ausbilden. Bei profilierter vorderer und hinterer Fläche (nicht
dargestellt) der Begrenzungselemente können verschiedene der vorstehend
beschriebenen Merkmale in Dehnspalte (nicht dargestellt) integriert
sein, die zwischen den Sätzen 20 von
Begrenzungselementen angeordnet sind, die mit einem Abstand zueinander
axial in einem Motor 18 angeordnet sind.
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Auch
wenn bestimmte Formen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben
wurden, ist diese selbstverständlich
nicht auf die speziellen Formen oder die spezielle Anordnung von
Teilen beschränkt, die
in dieser Patentschrift beschrieben und dargestellt. werden. Für den Fachmann
ist unschwer zu erkennen, dass verschiedene Änderungen, neue Anordnungen
und Ersetzungen möglich
sind, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, und die Erfindung
ist nicht als auf das in den Zeichnungen. Gezeigte und in der Beschreibung
Beschriebene beschränkt
zu betrachten. Der Geltungsbereich der Erfindung wird durch die
dieser Patentanmeldung beigefügten
Ansprüche
definiert.