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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen in einer Gasturbine
zur Ergänzung
von Scharnierblattdichtungen zwischen Turbinenleiträdern und
einem Turbinenleitrad-Stützring,
und insbesondere auf Zusatzdichtungen, die dazu dienen, Leckageverluste
durch die Scharnierblattdichtungen wesentlich zu minimieren oder
ganz zu beheben.
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In
einer Gasturbine fließen
heiße
Verbrennungsgase aus Brennern durch Leiträder der ersten Stufe und Rotorschaufeln
sowie durch die Leiträder und
Schaufeln von nachfolgenden Turbinenstufen. Die Leiträder der
ersten Stufe umfassen typischerweise eine ringförmige Anordnung oder Baugruppe aus
Gussleitradsegmenten, von denen jedes eine oder mehrere Leitrad-Statorschaufeln
pro Segment aufweist. Jedes Leitradsegment der ersten Stufe umfasst
auch innere und äußere Deckplattenabschnitte, die
im Abstand zueinander radial angeordnet sind. Beim Zusammenbau der
Leitradsegmente werden die Statorschaufeln umlaufend im Abstand
zueinander angeordnet, so dass sie zwischen den ringförmigen inneren
und äußeren Deckplatten
eine ringförmige
Anordnung bilden. Ein Leitradrückhaltering,
der an die äußere Deckplatte
der Leiträder
der ersten Stufe gekoppelt ist, stütz die Leiträder der
ersten Stufen im Gasfließweg
der Turbine. Ein ringförmiger Leitrad-Stützring,
der vorzugsweise entlang einer horizontalen Mittellinie gespalten
ist, wird von der inneren Deckplatte gehalten und stützt die
Leiträder
der ersten Stufe, so dass sie sich nicht in Axialrichtung bewegen.
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In
einer beispielhaften Anordnung sind achtzehn Gusssegmente vorhanden,
welche mit zwei Schaufeln pro Segment ausgestattet sind. Bei der ringförmigen Anordnung
liegen die Segmente entlang anliegender umlaufender Kanten durch
Seitendichtungen dicht aneinander an. Die Seitendichtungen stellen
eine Versiegelung zwischen einem Bereich mit hohem Druck, der sich
in Radialrichtung inwärts
von der inneren Deckplatte befindet, d. h. Kompressorauslassluft
bei hohem Druck [enthält],
und den heißen
Verbrennungsgasen im Heißgasfließweg dar,
die einen geringeren Druck aufweisen.
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Scharnierblattdichtungen
werden verwendet, um zwischen der inneren Abdeckung der Leiträder der
ersten Stufe und einer in Axialrichtung gegenüberliegenden Fläche des
Leitrad-Stützrings
eine Dichtung zu schaffen. Jede Scharnierblattdichtung umfasst einen
axialen Ansatz, der sich linear entlang einer Sehnenlinie des inneren
Deckplattenabschnitts jedes Leitradsegments erstreckt. Insbesondere
erstreckt sich die Scharnierblattdichtung entlang einer Innenschiene
jedes Segments, wobei sich die Leitschiene radial inwärts von
der inneren Deckplatte aus erstreckt. Der Scharnierblattdichtungsansatz
bildet eine abgedichtete Verbindung mit der axial gegenüberliegenden
Dichtungsoberfläche
des Turbinenleitrad-Stützringes.
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US 4,815,933 stellt ein
bolzenloses Turbinenleitrad und eine Leitradstützanordnung vor, zu welcher
ein Turbinenleitrad-Montageflansch gehört, der auf einem Leitradsitz
aufgesetzt ist, welcher einen Teil der Leitradstütze bildet. Eine durch Druck
aktivierte nachgiebige Dichtung ist neben dem Leitradsitz am Turbinenleitrad
angebracht.
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Es
wurde festgestellt, dass während
des Betriebs oder der Reparatur des Leitrads der ersten Stufe durch
Verzug Lücken
zwischen den Scharnierblattdichtungen und der Dichtungsfläche des
Leitrad-Stützrings
zurückbleiben
können.
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Diese
Lücken
ermöglichen
eine Leckage durch die Scharnierblattdichtungen von dem Hochdruckbereich,
der sich in Radialrichtung inwärts
der ringförmigen
Deckplatte befindet, in den Fließweg des heißen Gases.
Das heißt,
dass die Scharnierblattdichtungen nicht geeignet sind, um den Leckagefluss
zu vermeiden, da die Scharnierblattdichtungsansätze den Kontakt mit der Dichtungsfläche des
Leitrad-Stützrings
verlieren. Folglich besteht an der Schnittstelle der Leiträder der
ersten Stufe und dem Leitrad-Stützring
der Bedarf an einer zusätzlichen
Dichtung, um den Leckagefluss durch die Scharnierblattdichtungen
zu minimieren oder ganz zu unterbinden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird eine Zusatzdichtung zwischen den Leiträdern der
ersten Stufe und dem Leitrad-Stützring
geliefert, welche die Leckage durch die Scharnierblattdichtungen
ganz unterbindet oder minimiert. Die Zusatzdichtung umfasst eine
flexible Dichtung, die vorzugsweise aus Blech besteht und die zwischen
der Innenschiene jedes Leitradsegments und der Dichtungsoberfläche des
Leitrad-Dichtungsrings auf der Hochdruckseite der Scharnierblattdichtung
befestigt ist. Insbesondere weist die Zusatzdichtung einen ersten
Rand auf, der abdichtend in eine Nut eingebracht wird, welche entlang
einer inneren Sehnenfläche
der Innenschiene ausgebildet ist, und einen zweiten Rand, der eine
bogenförmige
Konfiguration aufweist, welche sich in Axialrichtung auf der Dichtungsfläche des
Leitrad-Stützrings
erstreckt und abdichtend mit ihm verbunden ist. Der erste Rand der
Zusatzdichtung, der in der Nut aufgenommen wird, wird gebogen oder
gefaltet, so dass er in einer Dichtungsverbindung gegen eine Oberfläche – vorzugsweise
die Basis der Nut – gedrückt wird,
so dass Leckage durch die Dichtung an der Nut verhindert wird. Um
den Rand der zusätzlichen
Blechzusatzdichtung in der Nut zu halten, wird entlang des ersten
Randes ein verlängerter
Streifen linear an einer flexiblen Dichtung befestigt. Die Nut weist
einen Flansch auf, und der Streifen umfasst einen gegenüberliegenden überlappenden
Flansch, der verhindert, dass die flexible Dichtung von der Nut aus
in Radialrichtung verschoben wird. Vorzugsweise ist ein zweiter
verlängerter
Streifen vorhanden, der entlang der gegenüberliegenden Seite des ersten Randes
des ersten Streifens verläuft,
um die Kante des Streifens zentral innerhalb der Nut der Innenschiene
zu platzieren.
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Der
zweite oder gegenüberliegende
Rand der Zusatzdichtung umfasst eine Kante, die gegen die Dichtungsoberfläche des
Leitrad-Stützrings
geklemmt ist. Der zweite Rand verläuft bogenförmig um die Achse des Rotors
herum. Die Zusatzdichtung stellt so eine direkte Abdichtung zwischen
dem Hochdruckbereich und den Bereichen dar, die von der Zusatzdichtung
aus gesehen in Radialrichtung nach außen hin liegen, wozu auch die
Scharnierblattdichtung gehört.
So wird der Leckagefluss durch die Scharnierblattdichtung mit Hilfe
der an den Innenschienen und den Leitrad-Stützring anliegenden Dichtungsränder der
Zusatzdichtung minimiert oder vollständig unterbunden. Vorzugsweise
weist die Zusatzdichtung einen linearen ersten Rand auf, so dass
der erste Rand entlang einer Sehnenlinie innerhalb der Nut und entlang
der inneren Fläche
der Innenschiene angebracht werden kann. Die entgegengesetzten Kanten
der Zusatzdichtung können
einander überlappen, so
dass sie Dichtungen zwischen den Segmenten bilden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Turbine geliefert, die einen Turbinenleitrad-Stützring umfasst, welcher
eine im Allgemeinen in Axialrichtung nach vorn gerichtete erste
Oberfläche
aufweist, ein Turbinenleitradsegment mit mindestens einer Statorschaufel
und mindestens eine innere Deckplatte, welche eine Innenschiene
trägt,
wobei die Innenschiene eine zweite Fläche aufweist, die sich in axialer
Position zu der ersten Fläche
befindet, wobei eine der ersten und zweiten Flächen einen sich in Axialrichtung
erstreckenden Ansatz entlang dieser Fläche aufweisen, der der Verbindung
mit der jeweils anderen der ersten und zweiten Flächen dient,
so dass eine erste Dichtung zwischen diesen entsteht, wodurch eine
Abdichtung zwischen den Hochdruckbereichen auf entgegengesetzten
Seiten der Dichtung erfolgt, und eine flexible Zusatzdichtung, die
sich zwischen der Innenschiene und der ersten Oberfläche in einer
in Radialrichtung inwärts
liegenden Position von der ersten Dichtung aus gesehen und mindestens
zwischen gegenüberliegenden
Kanten des Segments befindet, wobei ein erster Rand der flexiblen Dichtung
an der Innenschiene befestigt ist und ein zweiter Rand der flexiblen
Dichtung abdichtend mit der ersten Oberfläche verbunden werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Gasturbine geliefert, welche einen Turbinenleitrad-Stützring mit
einer im Allgemeinen in Axialrichtung nach vorn ausgerichteten ersten
Oberfläche, eine
Vielzahl von Turbinenleitradsegmenten, von denen jedes mindestens
eine Statorschaufel und eine Innenschiene umfasst, wobei die Innenschienen
der Segmente eine im Allgemeinen ringförmige zweite Oberfläche bilden,
die der ersten Oberfläche
in Axialrichtung gegenüberliegt,
wobei jedes der Segmente einen sich in Axialrichtung erstreckenden
Ansatz entlang einer zweiten Oberfläche des Seg ments umfasst, welcher
der Verbindung mit der ersten Oberfläche dient, so dass zwischen
ihnen eine erste Dichtung gebildet wird, durch welche die Hochdruckbereiche
und Bereichen von niedrigerem Druck, welche sich auf entgegengesetzten
Seiten der Dichtung befinden, gegeneinander abgedichtet werden,
eine Vielzahl von flexiblen Zusatzdichtungssegmenten, die sich zwischen
den Innenschienen und der ersten Oberfläche in Positionen erstrecken,
die in Radialrichtung inwärts
von der ersten Dichtung aus gesehen befinden, wobei jedes flexible
Dichtungssegment einen ersten Rand aufweist, der an den Innenschienen
von mindestens zwei angrenzenden Segmenten befestigt ist und mindestens
die Verbindung zwischen diesen umspannt, einen zweiten Rand jedes flexiblen
Dichtungssegments, das als Reaktion auf Leckagefluss durch die erste
Dichtung abdichtbar mit der ersten Oberfläche verbunden werden kann.
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Die
Erfindung wird nun durch Beispiele und unter Verweis auf die Bilder
detaillierter beschrieben, wobei gilt:
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1 ist
eine fragmentarische schematische Seitenelevationsansicht eines
Abschnitts der Gasturbine;
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2 ist
eine vergrößerte fragmentarische Querschnittansicht,
die eine konventionelle Scharnierblattdichtung illustriert;
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3 ist
eine fragmentarische perspektivische Ansicht, die einen Abschnitt
einer konventionellen Scharnierblattdichtung entlang einer Innenschiene
eines Leitradsegments illustriert;
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4 ist
eine fragmentarische perspektivische Ansicht mit Teilen in Querschnittsdarstellung, welche
die konventionelle Scharnierblattdichtung in Dichtungsverbindung
mit einem Leitrad-Stützring
einer Gasturbine illustriert;
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5 ist
eine vergrößerte Querschnittansicht,
welche eine Scharnierblattdichtung und eine Zusatzdichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht, die die flexible Dichtung zwischen
der Innenschiene des Segments und einer Dichtungsfläche des
Turbinenleitrad-Stützrings
illustriert;
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7 ist
eine vergrößerte fragmentarische perspektivische
Ansicht, welche den ersten Rand der Zusatzdichtung in der Nut entlang
der Innenschiene illustriert; und
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8 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Innenschiene mit der daran
angebrachten Zusatzdichtung illustriert.
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In 1 wird
ein repräsentatives
Beispiel eines Turbinenabschnitts einer Gasturbine gezeigt, die generell
mit 10 gekennzeichnet wird. Die Turbine 10 nimmt
heiße
Verbrennungsgase von einer ringförmigen
Anordnung von Brennern (nicht gezeigt) auf, welche die heißen Gase
durch ein Übergangsbauteil 12 hindurch übertragen,
so dass sie entlang eines ringförmigen
Heißgaswegs 14 fließen. Turbinenstufen sind
entlang eines Heißgaswegs 14 angeordnet. Jede
Stufe umfasst eine Vielzahl von im Umfangsbereich im Ab stand zueinander
liegenden Rotorschaufeln, die auf dem Turbinenrotor angebracht sind
und einen Teil von diesem bilden, und eine Vielzahl von im Umfangsbereich
im Abstand zueinander liegenden Statorschaufeln, die eine ringförmige Anordnung von
Leiträdern
bilden. Beispielsweise umfasst die erste Stufe ein Vielzahl von
im Umfangsbereich im Abstand zueinander liegenden Rotorschaufeln 16, die
auf einem Rotorrad 18 der ersten Stufe angebracht sind,
und eine Vielzahl von im Umfangsbereich im Abstand zueinander liegenden
Statorschaufeln 20. Ebenso umfasst die zweite Stufe eine
Vielzahl von Rotorschaufeln 22, die auf einem Rotorrad 24 montiert
sind, und eine Vielzahl von im Umfangsbereich im Abstand zueinander
liegenden Statorschaufeln 26. Es können zusätzliche Stufen hinzugefügt werden,
z. B. eine dritte Stufe, die eine Vielzahl von im Umfangsbereich
im Abstand zueinander liegenden Rotorschaufeln 28 umfasst,
welche auf einem Rotorrad 30 der dritten Stufe montiert
sind, und eine Vielzahl von im Umfangsbereich im Abstand zueinander
liegenden Statorschaufeln 32. Es sei darauf hingewiesen,
dass die Statorschaufeln 20, 26 und 32 an
einem Turbinengussteil angebracht und befestigt sind, während die
Rotorschaufeln 16, 22 und 28 und die
Räder 18, 24 und 30 einen
Teil des Turbinenrotors bilden. Zwischen den Rotorrädern befinden
sich Abstandhalter 34 und 36, die ebenfalls einen
Teil des Turbinenrotors darstellen. Es sei darauf hingewiesen, dass
die Kompressorauslassluft sich in einem Bereich 37 befindet,
der in Radialrichtung inwärts
von der ersten Stufe aus gesehen liegt, und dass solche Luft im
Bereich 37 unter höherem
Druck steht als die heißen
Gase, die entlang des Heißgaswegs 14 fließen.
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Bezieht
man sich auf die erste Stufe der Turbine, so sind die Statorschaufeln 20,
die die Leiträder der
ersten Stufe bilden, jeweils zwischen der inneren und äußeren Deckplatte 38 und 40 angeordnet,
gestützt
von dem Turbinegussteil. Wie oben erwähnt, werden die Leiträder der
ersten Stufe von einer Vielzahl von Leitradsegmenten 41 (3)
gebildet, wobei an jedes eine und vorzugsweise zwei Statorschaufeln
montiert sind, die sich zwischen innerem und äußerem Abdeckplattenbereich
erstrecken und in einer ringförmigen
Segmentanordnung positioniert sind. Ein Leitradrückhaltering 42, der
mit dem Turbinengussteil verbunden ist, ist an die äußere Deckplatte
gekoppelt und sichert die Leiträder
der ersten Stufe. Ein Leitrad-Stützring 44 wird
von der inneren Deckplatte 38 der Leiträder der ersten Stufe aus gesehen
in Radialrichtung inwärts
mit der inneren Deckplatte 38 verbunden. Insbesondere umfasst
die Schnittstelle zwischen der inneren Deckplatte 38 und dem
Leitrad-Stützring 44 eine
Innenschiene 52 (2). Die
Innenschiene 52 umfasst einen sich in Sehnenrichtung linear
erstreckenden axialen Ansatz 48, der im Folgenden generell
und im Sinne eines Sammelbegriffs als Scharnierblattdichtung 46 bezeichnet
wird. Der Ansatz 48 erstreckt sich entlang einer in Axialrichtung
nach vorn hin liegenden Fläche 50 der
Innenschiene 52, welche einen fest eingebauten Teil jedes
Leitradsegments und insbesondere der inneren Deckplatte 38 bildet.
Die Projektion 48 wird mit einer ersten ringförmigen Fläche 54 des
Leitrad-Stützrings 44 verbunden.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich im Bereich 37 Kompressorauslassluft befindet,
die unter hohem Druck steht, und sich auf der entgegengesetzten
Seite der Dichtung 48 heiße Gase von niedrigerem Druck
befinden, die in dem Heißgasfließweg 14 fließen. Daher
ist die Scharnierblattdichtunge 6 dafür gedacht, eine Dichtung gegen Leckage
vom Hochdruckbereich 37 in den Bereich mit niedrigerem
Druck des Heißgasfließwegs 14 zu bilden.
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Wie
zuvor gesagt, weisen allerdings die Komponententeile der Leiträder und
der Leitrad-Stützring
die Tendenz auf, Leckagelücken
zwischen dem Ansatz 48 und der Fläche 54 des Leitrad-Stützringes 44 zu
bilden, wodurch Leckagefluss von dem Hochdruckbereich zum Bereich
mit niedrigerem Druck auftreten kann. Um den Leckagefluss in den
Heißgasfließweg 14 zu
minimieren oder zu vermeiden, und in Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wird eine Zusatzdichtung zur Abdichtung
zwischen den Leiträdern
der ersten Stufe und dem Leitrad-Stützring 44 geliefert.
Die Zusatzdichtung, die allgemein mit 70 gekennzeichnet
wird, umfasst einen Dichtungskörper 72,
der vorzugsweise aus Blech besteht und einen ersten Rand 74 zum
Einfügen
in die Nut 76 (7) hat, die entlang einer in
Radialrichtung liegenden inneren Fläche 73 der Innenschiene 52 jedes
Segments verläuft.
Die Dichtung 70 umfasst auch einen zweiten Rand 78,
der entlang einer gegenüberliegenden
Seite der Dichtung liegt und zum Verbinden der Dichtungsfläche 54 des
Leitrad-Stützrings 44 dient.
Wie in 5 illustriert wird, liegt die Zusatzdichtung 70 in
Radialrichtung inwärts
von der Scharnierblattdichtung 46 aus gesehen, wo sich auch
der Ansatz 48 befindet, und dichtet so den Hochdruckbereich 37 vom
stromabwärtigen
Bereich auf der gegenüberliegenden
Seite der Dichtung ab, wo sich auch die Scharnierblattdichtung befindet.
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Die
Zusatzdichtung 70 wird in Segmenten geliefert, welche der
Anzahl der Leitradsegmente entsprechen. Der erste Rand der Zusatzdichtung
erstreckt sich in einer Sehnen-Richtung,
so dass er in die lineare Nut 76 der Innenschiene 52 eingefügt werden
kann. Genauer gesagt umfasst der Innenrand 74 der Zusatzdichtung 70 eine
Kante 80 (7), die gebogen oder übergefaltet
ist, so dass sie gegen die Oberfläche der Nut 76 gedrückt wird,
und zwar vorzugsweise gegen die Basis der Nut, um den Durchgang
von Fluid, z.B. Luft, von der Seite der Dichtung zu der entgegengesetzten
Seite entlang der Nut abzudichten.
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Um
die flexible Dichtung 70 in der Nut zurückzuhalten, wird mindestens
ein verlängerter
Streifen aus Metall 82 beispielsweise durch Lötung entlang
einer Seite des ersten Randes 74 der Blechdichtung 70 befestigt.
Der verlängerte
Streifen umfasst einen Flansch 84, der mit dem Flansch 75 zusammenwirkt,
der in der Nut 76 gebildet wird, um den ersten Rand 74 der
Zusatzdichtung innerhalb der Nut 76 zu halten. Vorzugsweise
wird ein verlängerter
Metallstreifen 86 ebenfalls entlang der dem ersten Streifen 82 gegenüberliegenden
Seite des Randes befestigt, so dass der Rand 74 der flexiblen
Blechdichtung im Wesentlichen innerhalb der linearen Nut 76 platziert wird.
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Der
gegenüberliegende
oder zweite bogenförmige
Rand 78 der Ersatzdichtung wird gegen die ringförmige Dichtungsfläche 54 des
Leitrad-Stützrings 44 gedrückt. Der
zweite Rand 78 erstreckt sich bogenförmig um die Achse des Rotors
herum. Zusätzlich
wird die Zusatzdichtung 70 vorbelastet oder vorgespannt,
so dass der zweite Rand 78 gegen die Dichtungsfläche 54 des
Leitrad-Stützrings 44 gepresst
wird. Da die Dichtung 70 dem Hochdruckbereich 37 ausgesetzt
ist, wird zusätzlich
auch die Blechdichtung 70 aufgrund von Druckunterschieden auf
entgegengesetzten Seiten der Dichtung 70 in einer Verbindung
mit dem Leitrad-Stützring
vorgespannt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die flexible Zusatzdichtung 70 beim
Betrieb in Radialrichtung im Inneren der Scharnierblattdichtung 46 liegt,
und zwar zwischen der sich in Sehnenrichtung erstreckenden, in Radialrichtung
innersten Oberfläche
der Innenschiene 52 und der ringförmigen Dichtungsfläche 54 des
Leitrad-Stützrings 44.
So trifft jeder beliebige durch die Zusatzdichtung 70 erfolgende
Leckagefluss bei niedrigerem Druck auf die Scharnierblattdichtung 46.
So wird der Druckunterschied zwischen der Scharnierblattdichtung
minimiert, so dass jeglicher Leckagefluss reduziert wird. Vorzugsweise
wird jedes Leitradsegment mit einer Zusatzdichtung 70 ausgestattet.
Die benachbarten Enden der Dichtungen 70, die sich auf
benachbarten Leiträdern
bilden, können
einander überlappen,
wobei sie effektive intersegmentäre
Zusatzdichtungen an den Verbindungsstellen zwischen benachbarten
Segmenten liefern.