DE602005004447T2

DE602005004447T2 - Manschettendichtung für Turbinenleitschaufeln

Info

Publication number: DE602005004447T2
Application number: DE602005004447T
Authority: DE
Inventors: Thomas Allen Wells; David Edward Bulman; Mark Eugene Noe; Nitin Bhate
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: BRPI0502751A; SG118372A1; DE602005004447D1; MXPA05006608A; EP1609952B1; MY138366A; US7052234B2; CN1712674B; US20050287002A1; CA2509743C; JP4781017B2; CA2509743A1; EP1609952A1; JP2006009800A; CN1712674A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen, und insbesondere darin angeordnete Turbinenleitapparate.
In einer Gasturbine wird Luft in einem Verdichter komprimiert und in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Eine Hochdruckturbine (HPT = High Pressure Turbine) entzieht den heißen Gasen Energie, um den Verdichter anzutreiben. Und eine Niederdruckturbine (LPT = Low Pressure Turbine) entzieht den Gasen weitere Energie, um in einer Flugzeug-Mantelstromturbinentriebwerksanwendung einen stromaufwärts angeordneten Bläser anzutreiben oder im Falle von Schifffahrts- und Industrie- Anwendungen über eine Antriebswelle externe Energie bereitzustellen.
Die HPT enthält einen an dem Auslass der Brennkammer angeordneten Turbinenleitapparat einer ersten Stufe, der als erster die heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer entgegen nimmt, die anschließend durch die Leitapparatschaufeln in eine Reihe von Turbinenrotorlaufschaufeln der ersten Stufe gelenkt werden, die sich ausgehend von dem Umfang einer Laufradscheibe nach außen erstrecken. Die Laufschaufeln entziehen den Gasen Energie, um die Scheibe drehend anzutreiben, die wiederum die Rotorlaufschaufeln des Verdichters antreibt.
Um den heißen Verbrennungsgasen standzuhalten, sind die vielfältigen Komponenten der HPT gewöhnlich aus Superlegierungen hergestellt, die ihre Festigkeit bei relativ hohen Temperaturen beibehalten. Außerdem sind die Leitapparatschaufeln und Rotorlaufschaufeln gewöhnlich hohl und in ihrem Inneren mit Kühlkreisläufen versehen, durch die ein Teil der durch den Verdichter komprimierten Luft geleitet wird, um die Leitschaufeln und Laufschaufeln während des Betriebs zu kühlen.
Der Stand der Technik umfasst zahlreiche Kühlkreisläufe und Merkmale, die speziell für die Statorleitschaufeln des Leitapparats und die stromabwärts derselben angeordneten Rotorlaufschaufeln entwickelt wurden.
Allerdings geht dem Verbrennungsprozess die für die Kühlung der Turbinenkomponenten von dem Verdichter abgezweigte Luft verloren, mit der Folge einer entsprechenden Reduzierung des Wirkungsgrads der Gasturbine. Der Gasturbinenwirkungsgrad steht in direkter Beziehung zu der Temperatur der während des Betriebs erzeugten Verbrennungsgase, wobei höhere Verbrennungsgastemperaturen genutzt werden, um den Wirkungsgrads der Gasturbine zu erhöhen.
Moderne Gasturbinen nutzen die Festigkeit von Leitschaufeln und Laufschaufeln aus Superlegierungsmetall und deren Innenkühlung, um den Gasturbinenwirkungsgrad zu maximieren, während außerdem eine lange Nutzungslebensdauer der Gasturbine erreicht wird. Allerdings sind weitere Steigerungen des Gasturbinenwirkungsgrads mittels der verfügbaren Superlegierungen und durch die Menge von Kühlluft beschränkt, die in der Praxis aus dem Verdichter abgezweigt werden kann.
Beispiele von Turbinenleitschaufeln, die Dichtungen mit äußeren Schichten aus einem gewebten Material aufweisen, sind in der US-A-5 630 700 und EP-A-1 323 900 beschrieben.
Dementsprechend beinhalten gegenwärtige Entwicklungen zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrads von Gasturbinen den selektiven Einsatz von Keramikteilen, die in der Lage sind, wesentlich höheren Verbrennungsgastemperaturen standzuhalten als es bei gegenwärtig eingesetzten modernen Superlegierungsmetallen der Fall ist. Ein Art von für Gasturbinen geeigneten Keramik materialien ist ein Keramik-Matrixverbundstoff (CMC = Ceramic Matrix Composite), bei dem mit Blick auf Festigkeit und Beständigkeit in eine Siliziumkarbidmatrix Siliziumkarbidfasern eingebettet sind.
Allerdings weisen Keramikmaterialien eine zu geringe Duktilität auf und erfordern eine spezielle Befestigung, um übermäßige Spannungen darin zu vermeiden, die zu ihrem Ausfall durch Bruch und ihrer entsprechend kurzen Nutzungslebensdauer führen könnten.
Beispielsweise lässt es sich in der Regel nicht vermeiden, in einer Gasturbine Keramikmaterialien in Verbindung mit herkömmlichen Metallkomponenten derselben Gasturbine einzusetzen. Die Keramikteile können bevorzugt in dem unmittelbaren Strömungspfad der heißen Verbrennungsgase verwendet werden und in Metallkomponenten getragen werden, die nicht der von den Verbrennungsgasen ausgehenden hohen Wärmebelastung ausgesetzt sind.
Dies stellt ein wesentliches Konstruktionsproblem dar, da die Keramikmaterialien im Vergleich zu Metallkomponenten einen verhältnismäßig niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich in den unterschiedlichen Abschnitten des Triebwerkszyklus während der ansteigenden und sinkenden Temperaturen ausdehnen und zusammenziehen.
Mit Blick auf die erhebliche Differenz, die zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramikmaterial und tragenden Metallkomponenten besteht, kommt es in dem Keramikmaterial möglicherweise zu beträchtliche Wärmespannungen, mit der Folge einer Verkürzung der Lebensdauer der Komponenten.
Darüber hinaus wirkt auf die Leitschaufeln des Turbinenleitapparats der ersten Stufe außerdem die von den heißen Verbrennungsgasen herrührende aerodynamische oder Druckbelastung, die ebenfalls von den Leitschaufeln in die sie tragenden Komponenten übertragen werden muss.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Turbinenleitapparat mit keramischen Leitschaufeln, die in Metallkomponenten eingebaut sind, die die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten derselben ausgleichen.
Erfindungsgemäß ist eine Kragendichtung für eine Turbinenleitapparatschaufel entworfen. Die Dichtung basiert auf einem Halter mit einer Umfangsströmungsflächenkontur, die mit der Schaufelkontur der Leitschaufel übereinstimmt. Eine elastische Folie ist von dem Halter umgeben und mit diesem fest verbunden. Eine gewebte Ummantelung umschließt die Folie und ist fest mit dem Halter verbunden.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen derselben in Verbindung mit den beigefügten Figuren mehr im Einzelnen beschrieben:
1 zeigt eine zum Teil geschnittene und schematische Ansicht eines exemplarischen Turbinenleitapparats der ersten Stufe in dem Kerntriebwerk einer Gasturbine;
2 zeigt eine ebene Ansicht eines Abschnitts des in 1 veranschaulichten Turbinenleitapparats längs der Schnittlinie 2-2;
3 zeigt in einer zum Teil geschnittenen isometrischen Ansicht eine der in 1 und 2 veranschaulichten exem plarischen keramischen Leitschaufeln, die mittels einer umgebenden Kragendichtung in ein äußeres Metallband eingebaut ist;
4 zeigt eine vergrößerte, zum Teil geschnittene isometrische Ansicht eines Abschnitts der in 3 veranschaulichten Kragendichtung, die in einem entsprechenden Schlitz in dem Metallband eingebaut ist;
5 zeigt in einer zum Teil geschnittenen isometrischen Ansicht die in 2 und 3 veranschauliche Kragendichtung abgesondert von dem entsprechenden Ende der in den Metallbändern montierten keramischen Leitschaufeln;
6 veranschaulicht in einem Flussdiagramm den Zusammenbau der vielfältigen Komponenten der in 3 bis 5 veranschaulichten Kragendichtung und deren Einbau in das entsprechende Metallband in einem Ausführungsbeispiel;
1 zeigt schematisch einen Abschnitt einer Gasturbine (10), die um eine longitudinale oder axiale mittige Achse (12) achsensymmetrisch ist. Die Gasturbine enthält einen mehrstufigen Axialverdichter (14), der dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft (16) zu verdichten.
Stromabwärts des Verdichters ist eine ringförmige Brennkammer (18) angeordnet, um von diesem Druckluft entgegen zu nehmen, die mit Brennstoff vermischt und gezündet wird, um heiße Verbrennungsgase (20) zu erzeugen.
Auf die Brennkammer folgt eine Hochdruckturbine (HPT = High Pressure Turbine), die einen ringförmigen Turbinenleitapparat (22) der ersten Stufe enthält, der schematisch in seiner achsensymmetrischen Position um die Mittelachse (12) in der Gasturbine dargestellt ist, sowie in Teilen in isometrischer Ansicht veranschaulicht ist. Die HPT enthält ferner ein Turbinenlaufrad (24) mit einer Reihe von Turbinenrotorlaufschaufeln, die sich ausgehend von einem tragenden Laufrad radial nach außen erstrecken, das seinerseits über eine Welle mit den mehreren Stufen der Rotorlaufschaufeln des Verdichters (14) verbunden ist.
Was den Turbinenleitapparat (22) betrifft, kann die in 1 veranschaulichte Gasturbine hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebs allerdings auf einer herkömmlichen Bauart basieren, bei der den heißen Verbrennungsgasen in dem Turbinenlaufrad (24) Energie entzogen wird, um den Verdichter (14) mit Leistung zu versorgen. Dieses Kerntriebwerk kann in vielfältigen Anwendungen verwendet werden, zu denen beispielsweise Zweikreisflugzeugtriebwerke gehören, die in der Regel stromabwärts des Kerntriebwerks außerdem eine Niederdruckturbine (LPT = Low Pressure Turbine) enthalten, die dazu dient, den Verbrennungsgasen zusätzliche Energie zu entziehen, um einen stromaufwärts angeordneten (nicht gezeigten) Turbinenbläser anzutreiben. In Schifffahrts- und industriellen Anwendungen kann die LPT für den Antrieb einer externen Welle verwendet werden, die dazu dient, das Antriebssystem eines Schiffs oder beispielsweise eines elektrischen Generators mit Leistung zu versorgen.
Der in 1 veranschaulichte Turbinenleitapparat (22) enthält radial äußere und innere Bänder (26), (28), die jeweils mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Öffnungen (30) aufweisen, die sich in radialer Richtung durch sie hindurch erstrecken. Die beiden Bänder weisen ähnliche Konfigurationen auf, um die entgegengesetzten radialen Enden einer entsprechenden Reihe von hohlen Leitapparatschaufeln (32) zu tragen.
Jede der Leitschaufeln (32) ist ein gesonderte Komponente und basiert vorzugsweise im Gegensatz zu den vorzugsweise auf Metall basierenden Stützbändern (26), (28) auf Keramik. Die keramischen Leitschaufeln können aus dem oben beschriebenen typischen CMC-Material ausgebildet sein, während die Bänder aus typischen Superlegierungen, z. B. kobaltbasierten Metalllegierungen, hergestellt sein können.
Durch den Einsatz keramischer Leitschaufeln (32) in dem Turbinenleitapparat (22) der ersten Stufe kann die Temperatur der Verbrennungsgase (20) in der Gasturbine zusätzlich erhöht werden, um eine weitere Steigerung des Gesamtwirkungsgrads der Gasturbine zu erzielen. Die keramischen Leitschaufeln (32) weisen bei derartig hohen Temperaturen eine ausreichende Festigkeit auf, um im Betrieb eine angemessene Nutzungslebensdauer sicherzustellen.
Die Leitschaufeln sind vorzugsweise hohl, wobei sich zwei einfache radiale Strömungskanäle zwischen ihren gegenüberliegenden Enden erstrecken, durch die im Betrieb ein Teil der komprimierten Verdichterluft (16) geleitet werden kann, um sie von innen zu kühlen. Die Verdichterzapfluft (16) kann außerdem auf eine beliebige zweckmäßige Weise zur Kühlung der äußeren und inneren Bänder (26), (28) genutzt werden.
Wie oben erwähnt, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der keramischen Leitschaufeln (32) erheblich geringer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallbänder (26), (28). Um die Leitschaufeln (32) in den Stützbändern (26), (28) wirkungsvoll zu befestigen, weisen die Befestigungsöffnungen (30) daher Strömungsflächenkonfigurationen auf, die zu denjenigen der gegenüberliegenden Enden der Leitschaufeln (32) passen, und die Enden der Leitschaufeln sind in diesen Öffnungen mittels entsprechender Kragendichtungen (34) angebracht, die die Leit schaufeln an den Bänder sichern sowie gegenüber den Bänder abdichten.
Insbesondere werden die mehreren Leitapparatschaufeln (32) ursprünglich als einzelne oder gesonderte keramische Leitschaufel ausgebildet. Die äußeren und inneren Bänder bilden nach ihrem Einbau in die Gasturbine volle Kreisringe und sind vorzugsweise in Form einzelner Segmente ausgebildet, wobei jeder der Leitschaufeln beispielsweise jeweils ein Segment entspricht. Die Bandsegmente können mittels geeigneter Befestigungsflansche und Bolzenbefestigungsmittel, die sich in der in 1 und 2 veranschaulichten exemplarischen Weise durch sie hindurch erstrecken, starr aneinander befestigt sein.
Wie zu Beginn in 3 veranschaulicht, ist jede der Kragendichtungen (34) an einem proximalen Ende in entsprechenden der Öffnungen (30) starr mit jedem der Bänder verbunden. Die gegenüberliegenden Spitzenenden oder fernen Enden der Dichtungen umgeben entsprechende Leitschaufelenden sowohl in Dichtungseingriff mit diesen als auch als eine strukturelle Befestigung derselben. Auf diese Weise sind die einzelnen Leitschaufeln nicht starr oder einteilig mit den äußeren und inneren Bändern vereinigt, wie in herkömmlicher Weise bei ausschließlich auf Metall basierenden Turbinenleitapparaten der Fall, vielmehr sind die einzelnen Leitschaufeln beweglich in den beiden Kragendichtungen festgehalten, die an den entgegengesetzten radialen Enden derselben in den Befestigungsöffnungen (30) angeordnet sind.
Wie in 1 und 2 gezeigt, sind die einzelnen Leitschaufeln um den Umfang ihrer gegenüberliegenden radialen Enden in den entsprechenden Bändern vollkommen gefangen. Die einzelnen Leitschaufeln können außerdem mittels außerhalb des Außenbands und innerhalb des inneren Bandes angeordneter An schlagelemente, z. B. (nicht gezeigter) einstückig ausgebildeter kleiner Nasen oder Flansche, die die Öffnungen (30) gegenüber den entsprechenden Enden der Leitschaufeln teilweise überlappen, in radialer Richtung in den Bändern gefangen sein.
Ein Teil einer exemplarischen Konstruktion der Kragendichtung (34) ist detaillierter in 4 veranschaulicht. Jede Kragendichtung weist einen ringförmigen Tragbalken oder Halter (36) mit einer Umfangsströmungsflächenkontur auf, die, wie in 2 und 3 veranschaulicht, mit der Schaufelkontur des angebrachten Endes der Leitschaufel (32) übereinstimmt.
Der in den 3 und 4 veranschaulichte Halter (36) ist in einer entsprechenden Ausnehmung bzw. einem Schlitz 38 eingebaut, der um die Innenfläche jede der Öffnungen (30) ausgebildet ist. Wie in 3 dargestellt, weist jede Leitschaufel (32) eine Anströmkante (40), die die aus der Brennkammer stammenden Verbrennungsgase zuerst entgegennimmt, und eine axial gegenüber liegende Abströmkante (42) auf.
Die Leitschaufel hat in einem radialen Querschnitt ein aerodynamisches oder Strömungsflächenprofil, dessen Dicke entlang den in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten (44), (46) ausgehend von dem breiten Anströmkantenabschnitt der Leitschaufel hin zu dem dünnen Abströmkantenabschnitt der Leitschaufel abnimmt. Die Druckseite (44) der Leitschaufel ist im Allgemeinen konkav, wobei die entgegengesetzte Saugseite (46) in Gestalt des typischen Profils von Turbinenleitapparatschaufeln im Wesentlichen konvex ist.
Dementsprechend weist der Halter (36) der Kragendichtung eine passende oder konforme Schaufelkontur auf, um den Umfang der Befestigungsenden der Leitschaufeln eng anliegend zu umgeben. Jede Dichtung weist zusätzlich, wie in 4 gezeigt, eine dünne, nachgiebige Beilagfolie (48) auf, die von dem Halter (36) umgeben und fest damit verbunden ist. In Entsprechung bedeckt oder umschließt eine Gewebe- oder Stoffummantelung (50) die Folie (48) und ist ebenfalls fest mit dem gemeinsamen Halter (36) verbunden.
Die vielfältigen Komponenten der Kragendichtung (34) basieren bevorzugt auf Metall, beispielsweise auf den allgemein in Turbinenkonstruktionen verwendeten vielfältigen Superlegierungsmetallen. Beispielsweise kann der ringförmige Halter (36) aus Inconel 625 ausgebildet sein, die elastische Folie (48) kann ebenfalls auf Inconel 625 basieren, und die gewebte Ummantelung (50) kann aus Haynes 188, einer kobaltbasierten Superlegierung, hergestellt sein.
Die dünne Folie (48) und die gewebte Ummantelung (50) sind gemeinsam an dem tragenden Halter befestigt und sind verhältnismäßig nachgiebig, wohingegen der Halter starr ist. Die Ummantelung und die Folie stellen eine nachgiebige Stütze für das entsprechende Ende der keramischen Leitschaufel bereit und bilden mit derselben eine geeignete Kontaktdichtungslinie.
Die gewebte Ummantelung gewährleistet Verschleißfestigkeit und schütz vor den Wärmebelastungen, die von den heißen Verbrennungsgasen ausgehen, die während des Betriebs über die exponierten Flächen der keramischen Leitschaufeln strömen, wenn diese zwischen den entgegengesetzten äußeren und inneren Bänder angebracht sind, in denen die Kragendichtungen angebracht und geschützt sind.
Die Kragendichtung (34) ist in 4 in der Öffnung (30) des Außenbands (26) eingebaut veranschaulicht, und in 5 für sich gesondert dargestellt. Die eingebettet Folie (48) ist vorzugsweise in mehreren Schichten oder Lagen, z. B. zweilagig, geschichtet, die sich um die Schaufelkontur des starren Halters (36) oder entlang desselben erstrecken, der der elastischen Folie und Ummantelung eine entsprechende definierte Gestalt verleiht. Die exemplarischen zwei Lagen der Folie (48) weisen im Allgemeinen ebene Flächen auf, die außerhalb des gemeinsamen Halters (36) radial oder vertikal lateral aneinander angrenzen.
Die gewebte Ummantelung (50) ist vorzugsweise ein auf einer einzelnen Lage basierendes metallisches Gewebe, das Metallfasern oder -stränge enthält, die in einer beliebige geeigneten Weise, beispielsweise in Bezug auf den gemeinsamen Halter (36) diagonal ausgerichtet, gewebt sind. Die gewebte Ummantelung (50) ist um die gemeinsamen fernen Enden der zweilagigen Folie (48) gewickelt und stimmt rund um die gesamte Schaufelkontur des Halters (36) mit der ebenen Gestalt der Folie überein.
Wie am besten in 4 dargestellt, sind die proximalen Enden der beiden Folienlagen (48) und die umschließende Ummantelung (50) gemeinsam an dem Halter (36) durch Schweißen befestigt, wodurch beispielsweise eine entlang des Umfangs des Halters (36) verlaufende Schweißraupe (52) gebildet wird. Der starre Halter (36) ist seinerseits in geeigneter Weise mit dem Stützband durch Hartlöten fest verbunden, woraus sich beispielsweise eine kontinuierliche Hartlötverbindung (54) entlang des Umfangs des Halters ergibt.
Auf diese Weise sind die einzelnen Kragendichtungen (34) durch ihre in den entsprechenden Schlitzen (38) angeordneten starren Halter (36) um den Umfang der Befestigungsöffnungen (30) fest angebracht. Die proximalen Enden der Folie (48) und der Ummantelung (50) sind mit dem Halter starr verbunden, und die entgegengesetzten distalen oder Spitzenenden derselben ra gen vertikal bzw. radial in die Öffnungen (30), um eine nachgiebige Halterung und Abdichtung hinsichtlich der entsprechenden Enden der keramischen Leitschaufeln um deren gesamten Umfang zu bilden.
2 veranschaulicht die um den gesamten Umfang verlaufende Befestigung der gegenüberliegenden Enden der keramischen Leitschaufeln (32) mittels der in den Bändern eingebauten umgebenden Kragendichtungen (34). Im Betrieb strömen die heißen Verbrennungsgase (20) axial durch die konvergierenden Leitapparatdurchlasskanäle, die entlang des Umfangs zwischen den benachbarten Leitschaufeln definiert sind, um in geeigneter Weise auf die (nicht gezeigten) stomabseitigen Rotorlaufschaufeln gelenkt zu werden. Die einzelnen Leitschaufeln sind im Betrieb daher sowohl der höheren Temperatur als auch dem höheren Druck der heißen Verbrennungsgase ausgesetzt.
Wie oben erwähnt, bewirkt die Temperatur der Verbrennungsgase, dass sich die keramischen Leitschaufeln und die Metallbänder in Abhängigkeit von ihren unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit verschiedenen Raten ausdehnen und zusammenziehen. Außerdem erzeugt der wesentliche Druckabfall der Verbrennungsgase über die Leitapparatschaufeln hinweg an diesen aerodynamische Kräfte, die zwangsläufig über die Kragendichtungen (34) in die äußeren und inneren Bänder übertragen werden.
Da die einzelne Leitschaufeln beweglich und nicht integral in die entsprechenden Bänder eingebaut sind, sind sie innerhalb des geringen umgebenden Toleranzabstands, der zwischen den Leitschaufeln und den Befestigungsöffnungen (30) vorgesehen ist, vielfältigen schwingenden, rollenden und gleitenden Bewegungen ausgesetzt. Außerdem beeinflussen die für die Leitschaufeln selbst, die Befestigungsöffnungen (30) und die Kra gendichtungen (34) bemessenen Herstellungstoleranzen in entsprechender Weise die spezielle Stelle der Leitschaufelenden in den entsprechenden umgebenden Befestigungsöffnungen.
Daher kann die Strömungsflächengestalt der Kragendichtung (34) und die Flexibilität der Folie (48) und die Ummantelung (50) derselben genutzt werden, um die unterschiedliche lokale Bewegung – siehe die Bewegungsachsen X, Y in 3 – der Leitschaufelenden in den Befestigungsöffnungen (30) aufzunehmen, die während des Betriebs längs sowohl der Druck- und Saugseiten der Kragendichtung selbst als auch zwischen deren entsprechenden Anström- und Abströmkanten unterschiedlich ist.
Wie in 4 und 5 gezeigt, sind die Folienlagen (48) vorzugsweise längs ihrer lokalen axialen Achse, die der radialen Achse der in der Gasturbine eingebauten Leitschaufeln entspricht, geschlitzt. Jede Lage weist mehrere transversale Schlitze (56) auf, die sich ausgehend von ihren proximalen Enden an dem Halter (36) hin zu ihren fernen Enden erstrecken, um ihre Nachgiebigkeit zu steigern. Auf diese Weise können die Folienlagen als einzelne freitragende Finger gestaltet sein, die sich an die Strömungsflächengestalt der getragenen Leitschaufel um den gesamten Umfang derselben einschließlich der gegenüberliegenden Anström- und Abströmkanten und Druck- und Saugseiten besser anpassen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schlitze (56) in jeder der beiden Lagen der Folie (48) vorzugsweise in Längsrichtung oder entlang des Umfangs um den Umfang der Kragendichtung zwischen den beiden Lagen derselben versetzt, um die Abdichtung durch Reduzierung jedes durch die Schlitze selbst eingeführten Leckstroms zu verbessern.
3 und 4 veranschaulichen die Kragendichtung (34), eingebaut in das entsprechende Stützband. Im Betrieb wird die Druckluft (16) von dem Verdichter geeignet durch das außenseitige Ende der in dem Außenband ausgebildeten Öffnungen (30) und entsprechend durch das innere Ende der in dem inneren Band ausgebildeten Öffnungen geleitet, wobei die entsprechenden Kragendichtungen gegenüber der in 4 veranschaulichten Konfiguration umgekehrt angebracht sind.
Die Druckluft (16) wirkt, wie in 3 und 4 gezeigt, über den gesamten Außenflächenbereich der einzelnen Kragendichtungen hinweg, so dass auf die Ummantelung und deren Folie eine nach innen gerichtete Druckkraft P ausgeübt wird, die die Kragendichtung in einen engeren Dichtungseingriff mit den darin angebrachten entsprechenden Leitschaufeln bewegt. Die Folie und Ummantelung jeder Dichtung ist daher in der Lage, nach Bedarf von dem stützenden Halter (36) abzurücken, um eine Kontaktdichtungsline mit der Leitschaufel aufrecht zu erhalten, ungeachtet einer relativen Bewegung der Leitschaufel in den entsprechenden Befestigungsöffnungen (30) in xy-Richtung.
In dem in 5 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Halter (36), die Folienlagen (48) und die Ummantelung (50) rund um den Umfang der einzelnen Kragendichtunagmentiert, um die Herstellung zu erleichtern und um die Anpassung an die dreidimensionale Gestalt und Orientierung der Kragendichtung zu verbessern, nachdem diese, wie in 1 dargestellt, in die ringförmigen Bänder eingebaut ist.
Beispielsweise weist die in 5 veranschaulichte Kragendichtung, wie durch die entsprechenden Trennungslinien (58) skizziert, längs der Druckseite der Dichtung drei Segmente auf. Und jede Kragendichtung weist längs ihrer Saugseite, die auch um die Anströmkante bis zu dem Beginn der Druckseite gewunden ist, vorzugsweise weitere vier Segmente auf.
Die in 5 veranschaulichten sieben Segmente können hinsichtlich einer besseren Anpassung an die wesentliche Änderung der Kontur der Leitschaufel zwischen der Anström- und Abströmkante derselben getrennt hergestellt sein. Die sieben Segmente lassen sich anschließend geeignet zusammenbauen, so dass sie sich nicht nur der Strömungsflächenaußenkontur der einzelnen Leitschaufel selbst anpassen, sondern auch der zylindrischen Kontur der äußeren und inneren Bänder, in denen sie, wie in 1 gezeigt, befestigt sind.
Der in den 4 und 5 veranschaulichte Halter (36) ist vorzugsweise eine starre Stange bzw. ein Stab, der mit der Schaufelkontur der Leitschaufelenden übereinstimmt und zweckmäßig in herkömmlichen, mehrere Wellen aufweisenden, numerisch gesteuerten Maschinen mittels spanabhebender Bearbeitung hergestellt werden kann. Die Folienlagen (48) basieren vorzugsweise auf einem dünnen, nachgiebigen Blech, das auf herkömmliche Weise geformt werden kann, um zusätzlich die Schlitze (56) aufzuweisen, die sich größtenteils durch sie hindurch erstrecken.
Die ursprünglich ebenen Blechsegmente der Kragendichtung werden zusammen mit der umschließenden Ummantelung (50) an den starren Halter (36) geschweißt, der anschließend die Blechfolienlagen und die gewebte Ummantelung an die gewünschte Schaufelkontur anpasst.
Die unterschiedlichen Segmente der in 5 veranschaulichten Kragendichtung (34) können speziell dazu eingerichtet sein, um zu dem entsprechenden Abschnitt der getragenen Leitschaufel von deren Anströmkante, die eine verhältnismäßig gro ße Breite mit einem großen Krümmungsdurchmesser aufweist, bis zu der verhältnismäßig dünnen Abströmkante örtlich zu passen, die an ihrer Abströmkante eine Krümmung mit einem geringen Durchmesser oder Radius aufweist. Die Druckseite der Kragendichtung ist im Allgemeinen konkav, wobei die drei Segmente dazu passen. Weiter ist die Saugseite der Kragendichtung im Allgemeinen konvex, wobei die drei größeren Segmente dazu passen, und das vierte Segment nach außen hin, während es um den Anströmkantenabschnitt der Kragendichtung gewunden ist, konvex ist.
Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft für den Einbau der aus mehreren Segmenten aufgebauten Kragendichtung in die entsprechenden Bänder, z. B. in das in 2 veranschaulichte Außenband. Das Außenband, und in ähnlicher Weise das innere Band, weisen axiale Trennungslinien (60) auf, die das Band an der Anström- und Abströmkante jeder Leitschaufel und an der sich dazwischen erstreckenden Befestigungsöffnung (30) trennen. Jedes Bandsegment umfasst daher den Druckseitenbereich einer Befestigungsöffnung und den Saugseitenbereich einer benachbarten Befestigungsöffnung.
Drei Segmente einer Kragendichtung lassen sich problemlos in den in der hälftigen Öffnung ausgebildeten stützenden Schlitz einbauen, und vier Segmente der nächsten Kragendichtung lassen sich bequem in die nächste Halböffnung des Bandsegments einbauen. Die gesamte Anordnung kann anschließend in einem Vakuumofen angeordnet werden, um die Dichtungssegmente darin auf herkömmliche Weise hartzulöten.
Die auf diese Weise hartverlöteten Bandsegmente können anschließend miteinander vereinigt werden, um die ringförmige Kontinuität der Bänder und das Auffangen der entsprechenden keramischen Leitschaufeln dazwischen zu vollenden.
In dem in 2 und 5 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiel passen die axialen Trennungslinien (60) des Außenbands (26) zu der Trennungslinie (58) des ersten Segments auf der Druckseite der Kragendichtung in der Nähe ihrer Anströmkante und zu der letzten Trennungslinie (58), die die Druck- und Saugseite der Kragendichtung an der Abströmkante verbindet.
In dem in 5 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiel basiert der segmentiert Halter (36) auf sieben Segmenten, die Endbereiche oder -abschnitte aufweisen, die um den Umfang einander angrenzen. In ähnlicher Weise basiert die gewebte Ummantelung (50) auf sieben Segmenten mit in Umfangsrichtung einander angrenzenden Endbereichen oder -abschnitten. Weiter weist jede der zweilagigen Folienlagen (48) sieben Segmente mit Endbereichen oder -abschnitten auf, die rund um den Umfang der Dichtung aneinander angrenzen.
In dieser Konstruktion der Kragendichtungen können die sieben Segmente getrennt hergestellt werden, um örtlich zu den entsprechenden Bereichen der getragenen Leitschaufeln zu passen, und einfach in dem Befestigungsschlitz (38) der Bänder miteinander in Anlage gebracht werden, wie in 3 und 4 veranschaulicht. Vorzugsweise überlappen sich die segmentierten Folienlagen (48) um den Umfang der Kragendichtung, um innere Dichtungsverbindungen zu bilden.
Dies ist in 5 veranschaulicht, in der eine der Folienlagen (48) eine Zunge oder Nase (62) aufweist, die sich ausgehend von dem entsprechenden Segmenten der anderen Folienlage, Ummantelung (50) und Halter (36) nach außen erstreckt, um zu einer Nut in dem nächsten benachbarten Dichtungssegment zu passen, in dem die entsprechende Folienlage in Richtung des Inneren des Segments versetzt ist. Die in 5 veranschaulichte Nase (62) ist über den gesamten geraden Abschnitt der Folienlage ausgebildet und endet in der Nähe des proximalen Endes derselben, das wie in 4 veranschaulicht, gebogen ist, um an dem Halter (36) angebracht zu werden.
Die auf Zunge und Nut basierenden Verbindungen der überlappenden Folienlagen können an einer oder mehreren beliebigen der in 5 veranschaulichten sieben Kragendichtungssegmente ausgebildet sein. Diese Verbindungen verbessern die lokale Abdichtung der Segmente und verbinden die Folienlagen und die gewebte Ummantelung strukturell. Auf die vorstehenden Nasen (62) kann an den beiden Trennungslinien (58) der Kragendichtung, die der axialen Trennungslinie (60) der Bänder entsprechen, falls gewünscht, verzichtet werden, wie in 2 veranschaulicht.
Der in 4 dargestellte Halter (36) weist vorzugsweise eine Außenoberfläche mit einem Schlitz auf, in dem bequem Hartlotmaterial eingefangen werden kann, um die Kragendichtungssegmente in den Bandsegmenten in der Herstellung ofenhartzulöten. Die Innenoberfläche des Halters (36) ist vorzugsweise mit einem gekrümmten oder halbkreisförmigen sich entlang des Umfangs der Kragendichtung erstreckenden Angelpunktwulst (64) ausgebildet, der ebenfalls an den entsprechenden Trennungslinien (58) segmentiert ist. Der Halter (36) weist ferner einen von dem Wulst (64) seitlich beabstandeten flachen Steg (66) auf, wobei die beiden Abschnitte gemeinsam eine im Allgemeinen P-förmige Gestalt bilden.
Die beiden Folienlagen (48) und die umschließende Ummantelung (50) sind an ihren proximalen Enden an den Steg (66) geschweißt. Die proximalen Enden der Folienlagen und der Ummantelung weisen eine Biegung von etwa 90° auf, die es dem Rest der Folienlagen und der Ummantelung erlaubt, sich in einer freitragenden Weise über den Wulst (64) zu erstrecken oder diesen zu überlappen. Der Wulst (64) bildet auf diese Weise einen Angelpunkt für die sich darüber erstreckenden Folienlagen bzw. Ummantelung.
Die Folienlagen (48) und die umgebende Ummantelung (50) weisen eine angemessen von dem Wulst (64) beabstandete gemeinsame Spitze bzw. ein fernes Ende auf und sind ausreichend nachgiebig, um ein Umbiegen um den Wulst während des Betriebs zu erlauben.
Wie oben erwähnt, bewegt die durch die Druckluft (16) während des Betriebs ausgeübte Druckkraft P die Spitzenenden der Folienlagen und der umgebenden Ummantelung in abdichtende Berührung mit der Leitschaufel um den Umfang derselben. Die Leitschaufel ist nichtsdestoweniger unter der während des Betriebs des Turbinenleitapparats auftretenden Temperatur- und Druckbelastung einer unterschiedlichen Bewegung gegenüber den äußeren und inneren Bändern unterworfen. Die Leitschaufel kann räumlich bezüglich der äußeren und inneren Bänder schwingen oder rollen, und die entsprechenden Kragendichtungen weisen eine ausreichende Flexibilität auf, um diese Relativbewegung der Leitschaufeln aufzunehmen, während sie gleichzeitig eine wirkungsvolle Halterung und Abdichtung derselben gewährleisten.
In 4 neigt die Druckkraft P der Druckluft 16 dazu, die Folienlagen und Ummantelung im Uhrzeigersinn zu drehen, wohingegen eine Relativbewegung zwischen ihnen und Bändern möglicherweise dazu neigt, die Folienlagen und Ummantelung im Gegensatz dazu gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Wenn dieser Fall eintritt, sind die Folienlagen und die Ummantelung in der Lage, sich um den Angelpunktwulst (64) zu biegen, wenn sie im Betrieb um diese herum bewegt werden. Der Angelpunktwulst (64) minimiert Spannungen in den Folienlagen und in der Ummantelung und erhält die Unversehrtheit der Schweißverbindung bzw. des Wulsts (52) aufrecht, um eine lange Nutzungslebensdauer der Kragendichtung sicherzustellen.
6 veranschaulicht schematisch den Zusammenbau der vielfältigen Segmente der Kragendichtung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die beiden Folienlagen (48) jedes Segments können zusammengebaut und von der um diese herum gewebten Ummantelung (50) umschlossen werden. Die proximalen Enden der Folienlagen und Ummantelung werden anschließend in Anlage mit den Haltersegmenten (36) angeordnet und geeignet an diese geschweißt.
Die auf diese Weise vormontierten Kragensegmente können anschließend miteinander in Anlage gebracht werden, wobei die Nasen (62) jeweils eines Segments in die in dem benachbarten Segment ausgebildete entsprechende Nut eingeführt und in den Befestigungsschlitzen (38) der Bänder (26), (28) zusammengebaut werden. Die Haltersegmente (36) werden anschließend auf geeignete Weise, wie oben erwähnt, in ihren Befestigungsschlitzen (38) hartverlötet. Der endgültige Zusammenbau beinhaltet ein Auffangen der einzelnen Leitschaufeln zwischen den beiden Hälften jeder Kragendichtung und ein Verbinden der vielfältigen Bandsegmente, um die vollständige 360-Grad Leitapparatanordnung zu bilden.
Die oben offenbarte Kragendichtung erlaubt ein Anbringen der in 1 bis 3 veranschaulichten keramischen Leitschaufeln (32) in tragenden Metallbandsegmenten sowohl in den äußeren als auch inneren Bändern (26), 28. Ganz im Gegensatz zu der einteiligen Konstruktion typischer aus Metall hergestellter Leitschaufeln in Metallbändern, wie sie in herkömmlichen Tur binenleitapparate vorzufinden ist, bleiben die Leitschaufeln (32) gesonderte oder einzelne Komponenten, die durch die entsprechenden Kragendichtungen (34) in den entsprechenden Befestigungsöffnungen (30) der beiden Bänder arretiert sind.
Die Kragendichtungen (34) umgeben die getragenen Enden der keramischen Leitschaufeln vollständig und stellen wirkungsvolle Dichtungen um dieselben bereit, um die Verbrennungsgase in den Leitapparatdurchlasskanäle zwischen den Leitschaufeln zu halten, während jeder die Kragendichtungen überwindende Druckluftleckstrom minimiert ist.
Die Kragendichtungen bilden nachgiebige Träger für die keramischen Leitschaufeln und nehmen die vielfältige unterschiedliche Bewegung auf, die zwischen den Leitschaufeln und den Bändern aufgrund der Drucklasten der Verbrennungsgase und der unterschiedlichen Ausdehnung und Kontraktion zwischen den Leitschaufeln und den Bändern aufgrund der Betriebstemperatur der Verbrennungsgase über die vielfältigen Bereiche des typischen Triebwerkszyklus hinweg auftritt.
Das Segmentieren der Kragendichtung erlaubt es, die einzelnen Segmente mit Blick auf die verschiedenen örtlichen Konturen der getragenen Leitschaufel lokal maßzuschneidern, und erlaubt den Einsatz ursprünglich ebener, dünner, Blechfolienlagen und einer gewebten Stoffummantelung (50), die sich der Schaufelkontur der Leitschaufeln anpassen, wenn sie mit der Strömungsflächenkontur des stützenden Halters (36) fest verbunden werden.
Die segmentierte Konstruktion der einzelnen Kragendichtungen (34) erlaubt darüber hinaus eine Anpassung der zylindrischen Kontur der ringförmigen äußeren und inneren Bänder, in denen die Befestigungsöffnungen (30) vorzufinden und mit den komplementären Kragendichtungen (34) abgedichtet sind.

Claims

Kragendichtung (34) für eine Turbinenleitschaufel (32), mit: einem starren ringförmigen Halter (36), der eine Umfangsströmungsflächenkontur aufweist, die mit der Schaufelkontur der Leitschaufel (32) übereinstimmt; und einer gewebte Ummantelung (50), die fest mit dem Halter (36) verbunden ist, gekennzeichnet durch: nachgiebige Blechfolienlagen (48), die um die Schaufelkontur des Halters (36) herum geschichtet und mit diesem fest verbunden sind, wobei die gewebte Ummantelung die Folienlagen (48) umschließt.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei der Halter (36) einen gekrümmten Wulst (64) aufweist, der sich längs dessen Umfang erstreckt und von einem Steg (66) seitlich beabstandet ist, und wobei die Folienlagen (48) und die Ummantelung (50) an den Steg (60) geschweißt sind und so gebogen sind, dass sie den Wulst überlappen.
Dichtung nach Anspruch 2, wobei die Ummantelung (50) um die Folienlagen (48) gewunden ist und mit dieser um die Schaufelkontur des Halters (36) herum übereinstimmt und üblicherweise über proximale Enden der Folienlagen mit dem Halter vereinigt ist.
Dichtung nach Anspruch 3, wobei die Folienlagen (48) mit Schlitzen (56) ausgebildet sind, um ihre Nachgiebigkeit zu steigern, und wobei die Schlitze zwischen den Folienlagen versetzt sind.
Dichtung nach Anspruch 4, wobei der Halter (36), die Folienlagen (48) und die Ummantelung (50) um ihren Umfang herum segmentiert sind, und wobei die segmentierten Folienlagen (48) sich um den Umfang herum überlappen.
Dichtung nach Anspruch 5, wobei: der segmentierte Halter (36) um den Umfang aneinander angrenzende Bereiche aufweist; die segmentierte Ummantelung (50) um den Umfang aneinander angrenzende Bereiche aufweist; und die segmentierten Folienlagen (48) um den Umfang aneinander angrenzende Bereiche aufweisen.
Turbinenleitapparat (22), zu dem gehören: radial äußere und innere Bänder (26), (28), die mit mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen (30) ausgebildet sind, die sich in radialer Richtung durch sie hindurch erstrecken; mehrere keramische Leitapparatschaufeln (32), die jeweils entgegengesetzte Enden aufweisen, die sich durch die Öffnungen (30) in den Bändern hindurch erstrecken; mehrere Kragendichtungen (34) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, die an einem Ende fest mit den Bändern (26), (28) in entsprechenden der Öffnungen (30) verbunden sind und entgegengesetzte Spitzenenden aufweisen, die die Leitschaufelenden in Dichtungseingriff mit letzteren umgeben.