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Die
vorliegende Erfindung betrifft Dichtungen in einer Gasturbine zur
Ergänzung
der Sehnenscharnierdichtungen zwischen Turbinendüsen bzw. Turbinenleitapparaten
und einem Turbinenleitapparatträgerring
und insbesondere zusätzliche
Dichtungen, die dazu dienen, die Leckageverluste an den Sehnenscharnierdichtungen
im Wesentlichen zu minimieren oder zu beseitigen.
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In
einer Gasturbine strömen
heiße
Verbrennungsgase von Brennkammern durch die Düsen bzw. Leitapparate und die
Laufschaufeln der ersten Stufe sowie durch die Leitapparate und
Laufschaufeln der nachfolgenden Turbinenstufen. Die Leitapparate
der ersten Stufe enthalten gewöhnlich
eine ringförmige
Reihe oder Anordnung von gegossenen Leitradsegmenten, die jeweils
eine oder mehrere Statorleitschaufeln pro Segment enthalten. Jedes
Leitradsegment der ersten Stufe enthält ferner einen inneren und
einen äußeren Bandabschnitt,
die radial voneinander beabstandet sind. Nach der Montage der Leitradsegmente
sind die Statorleitschaufeln in Umfangsrichtung in Abstand zueinander
angeordnet, um eine ringförmige
Reihe aus diesen zwischen dem ringförmigen inneren und äußeren Band
zu bilden. Ein Leitradhaltering, der mit dem äußeren Band der Leitapparate
der ersten Stufe verbunden ist, trägt die Leitapparate der ersten
Stufe in dem Gasströmungspfad
der Turbine. Ein ringförmiger
Leitradstützring, der
vorzugsweise an einer horizontalen Mittellinie unterteilt ist, steht
mit dem inneren Band in Eingriff und haltert die Düsen der
ersten Stufe gegen eine axiale Bewegung.
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In
einer beispielhaften Anordnung sind achtzehn gegossene Segmente
mit zwei Leitschaufeln pro Segment vorgesehen. Die ringförmige Reihe
der Segmente ist entlang der aneinander angrenzenden, in Umfangsrichtung
verlaufenden Kanten durch Seitendichtungen gegeneinander abgedichtet.
Die Seitendichtungen dichten zwischen einem Hochdruckbereich radial
innerhalb des inneren Bandes, d.h. einer Kompressoraustrittsluft
unter einem hohen Druck, und den heißen Verbrennungsgasen in dem Heißgasströmungspfad
ab, die unter einem niedrigen Druck stehen.
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Sehnenscharnierdichtungen
oder Sehnengelenkdichtungen (Chordal Hinge Seals) werden verwendet,
um zwischen dem inneren Band der Leitapparate der ersten Stufe und
einer axial gegenüberliegenden
Oberfläche
des Leitradstützrings
eine Abdichtung zu schaffen. Jede Sehnenscharnierdichtung enthält einen
axialen Vorsprung, der sich geradlinig entlang einer Sehnenlinie
des inneren Bandabschnitts jedes Leitradsegmentes erstreckt. Insbesondere
erstreckt sich die Sehnenscharnierdichtung entlang einer inneren
Schiene jedes Segmentes, wobei die Schiene radial innen in Bezug
auf den inneren Bandabschnitt liegt. Der Vorsprung der Sehnenscharnierdichtung
steht in einem abdichtenden Kontakt mit der axial gegenüberliegenden
Dichtungsfläche
des Leitradstützrings.
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US 4 815 933 beschreibt
eine bolzenlose Turbinenleitrad- und Leitradträgeranordnung, die einen Turbinenleitradmontageflansch
enthält,
der in einem Leitradsitz untergebracht ist, der einen Teil des Leitradträgers bildet.
An dem Turbinenleitrad ist benachbart zu dem Leitradsitz eine druckbetätigt biegbare
Dichtung befestigt.
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Während eines
Betriebs und/oder einer Reparatur des Leitrads der ersten Stufe
ist festgestellt worden, dass ein Verzug Spalten zwischen den Sehnenscharnierdichtungen
und der Dichtungsfläche des
Düsenstützrings
hinterlassen kann. Diese Spalten ermöglichen einen Leckagestrom,
der von dem Hochdruckbereich radial innerhalb des ringförmigen inneren
Bandes an den Sehnenscharnierdichtungen vorbei in den Heißgasströmungspfad
hinein führt. Dies
bedeutet, dass die Sehnenscharnierdichtungen zur Verhinderung einer
Leckströmung
unzureichend sind, wenn die Vorsprünge der Sehnenscharnierdichtungen
den Kontakt mit der Dichtungsfläche
des Leitradstützrings
verlieren. Demgemäß besteht
ein Bedarf nach einer zusätzlichen
Dichtung an der Verbindung zwischen den Leitapparaten der ersten
Stufe und dem Leitradstützring,
um die an den Sehnenscharnierdichtungen vorbeiführende Leckströmung auf
ein Minimum zu reduzieren oder zu eliminieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist eine Zusatzdichtung zwischen den Düsen- bzw. Leitradsegmenten
der ersten Stufe und dem Düsen-
bzw. Leitradstützring geschaffen,
die eine Leckage an den Sehnenscharnierdichtungen vorbei verhindert
oder auf ein Minimum reduziert und die schnell und einfach einzubauen
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
enthält die
zusätzliche
Dichtung eine elastische Metallblechdichtung, die an der inneren
Schiene gesichert ist und einen Rand aufweist, der vorgespannt ist,
um in abdichtender Verbindung mit einer ersten Oberfläche des
Leitradstützrings
zu stehen. Vorzugsweise ist die Metallblechdichtung zu einer im
Wesentlichen L-förmigen
Gestalt gebogen oder abgekantet, wobei sich die beiden Beinabschnitte
der Metallblechdichtung entlang einer Seite der inneren Schiene,
die von der Sehnenscharnierdichtung entfernt liegt, bzw. entlang einer
radial in neren Fläche
der inneren Schiene erstrecken. Die Metallblechdichtung erstreckt
sich über die
volle Sehnenlänge
der inneren Schiene hinweg. An der Verbindungsstelle zwischen den
Beinabschnitten ist die Metallblechdichtung hinterdreht bzw. freigearbeitet,
um einen von dem Eckrand der inneren Schiene weggerichteten Wulst
zu bilden. Der Rand der Metallblechdichtung ist vorgespannt und erstreckt
sich in axialer Richtung, wobei er anschließend in eine im Wesentlichen
radial nach innen weisende Richtung umgebogen ist, um gegen die
erste Oberfläche
des Leitradstützrings
abzudichten.
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Um
das Metallblechdichtungssegment an der inneren Schiene zu haltern
und zu klemmen, liegt über
der Dichtung ein komplementär
gestalteter Träger
bzw. eine komplementär
gestaltete Klammer, der bzw. die eine Leckströmung zwischen der Metallblechdichtung
und der inneren Schiene unterdrückt oder
verhindert. Entweder ist der Träger
vorzugsweise an der inneren Schiene entlang ihrer radial äußeren Kante
sowie entlang von Enden des Trägers
und der inneren Schiene angeschweißt, oder der Träger kann
mit der inneren Schiene verschraubt sein. In jedem Fall haltert
der Träger
die Dichtung, klemmt die Dichtung gegen die innere Schiene, sorgt
für die
abdichtende Abstützung
zwischen der Dichtung und der inneren Schiene und hält den vorgespannten
Rand der Metallblechdichtung in abdichtender Verbindung mit der
ersten Oberfläche
des Leitradstützrings.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Turbine geschaffen, die einen Turbinenleitradstützring mit
einer im Wesentlichen axial weisenden ersten Oberfläche, ein
Turbinenleitradsegment mit wenigstens einer Statorleitschaufel und
einer radial innen verlaufenden inneren Schiene, die eine der ersten
Oberfläche
axial gegenüberliegende
zweite Oberfläche
aufweist, eine Dichtung, die sich entlang der inneren Schiene erstreckt
und ein Metallblechsegment mit einem flexiblen Rand enthält, der
zur Abdichtung gegen die erste Oberfläche vorgespannt ist, und eine
Halteklammer bzw. einen Stützträger aufweist,
der sich entlang wenigstens eines Abschnitts einer Seite der Dichtung erstreckt,
um das Metallblechsegment entlang der inneren Schiene zu stützen, wobei
der Stützträger an der
inneren Schiene derart befestigt ist, dass er das Metallblechsegment
gegen einen Wandabschnitt der Innenschiene klemmt und eine Leckage
zwischen der Schiene und dem Metallblechsegment auf ein Minimum
reduziert oder verhindert.
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Die
Erfindung ist nachstehend in größeren Einzelheiten
zu Beispielszwecken mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in
denen zeigen:
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1 eine
ausschnittsweise schematisierte seitliche Aufrissansicht eines Abschnitts
einer Gasturbine;
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2 eine
vergrößerte ausschnittsweise Querschnittsansicht
unter Veranschaulichung eines herkömmlichen Sehnendichtungsscharniers;
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3 eine
ausschnittsweise Perspektivansicht unter Veranschaulichung eines
Abschnitts einer herkömmlichen
Sehnenscharnierdichtung entlang einer inneren Schiene eines Leitradsegmentes;
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4 eine
ausschnittsweise Perspektivansicht mit im Querschnitt dargestellten
Teilen unter Veranschaulichung der herkömmlichen Sehnenscharnierdichtung
in einem abdichtenden Kontakt mit einem Leitradstützring der
Gasturbine;
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5 eine
vergrößerte ausschnittsweise Querschnittsdarstellung
unter Veranschaulichung einer Zusatzdichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
ausschnittsweise Perspektivdarstellung der Sehnenscharnierdichtung
und der Zusatzdichtung, betrachtet von der hinteren Fläche der inneren
Schiene aus; und
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7 eine
Perspektivansicht der Zusatzdichtung und ihres Stützträgers.
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Indem
nun auf 1 Bezug genommen wird, ist dort
ein repräsentatives
Beispiel für
einen Turbinenabschnitt einer Gasturbine dargestellt, der allgemein
mit 10 bezeichnet ist. Die Turbine 10 nimmt heiße Verbrennungsgase
von einer ringförmigen
Reihe von nicht dargestellten Brennkammern auf, die die heißen Gase
durch ein Übergangsstück 12 zur
Strömung
entlang eines ringförmigen
Heißgaspfades 14 hindurchleiten.
Entlang des Heißgaspfades 14 sind Turbinenstufen
angeordnet. Jede Stufe weist mehrere in Umfangsrichtung voneinander
beabstandete Laufschaufeln, die an dem Turbinenrotor befestigt sind
und einen Teil desselben bilden, sowie mehrere in Umfangsrichtung
voneinander beabstandete Statorleitschaufeln auf, die eine ringförmige Reihe
von Leitapparaten bilden. Beispielsweise enthält die erste Stufe mehrere
in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Laufschaufeln 16,
die auf einem Rotorlaufrad 18 der ersten Stufe angebracht
sind, sowie mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete
Statorleitschaufeln 20. In ähnli cher Weise enthält die zweite
Stufe mehrere Laufschaufeln 22, die auf einem Rotorlaufrad 24 montiert
sind, sowie mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Statorleitschaufeln 26.
Es können
weitere Stufen, zum Beispiel eine dritte Stufe, die aus mehreren
in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Laufschaufeln 28,
die auf einem Rotorlaufrad 30 der dritten Stufe montiert
sind, und mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten
Statorleitschaufeln 32 besteht, vorgesehen sein. Es ist
verständlich, dass
die Statorleitschaufeln 20, 26 und 32 an
einem Turbinengehäuse
montiert und fixiert sind, während die
Laufschaufeln 16, 22 und 28 sowie Laufräder 18, 24 und 30 einen
Teil des Turbinenrotors bilden. Zwischen den Rotorlaufrädern sind
Abstandshalter 34 und 36 angeordnet, die ebenfalls
einen Teil des Turbinenrotors bilden. Es versteht sich, dass sich
die Kompressoraustrittsluft in einem Bereich 37 befindet, der
radial innerhalb der ersten Stufe angeordnet ist, und dass eine
derartige Luft in dem Bereich 37 im Vergleich zu dem Druck
der entlang des Heißgaspfads 14 strömenden Heißgase einem
höheren Druck
ausgesetzt ist.
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Unter
Bezugnahme auf die erste Stufe der Turbine sind die Statorleitschaufeln 20,
die die Düsen bzw.
Leitapparate der ersten Stufe bilden, zwischen einem inneren und
einem äußeren Band 38 bzw. 40 angeordnet,
die von dem Turbinengehäuse
getragen sind. Wie vorstehend erwähnt, sind die Leitapparate der
ersten Stufe aus mehreren Leitradsegmenten 41 (3)
ausgebildet, die jeweils eine, vorzugsweise zwei Statorleitschaufeln
tragen, die sich zwischen einem inneren und einem äußeren Bandabschnitt
erstrecken und in einer ringförmigen
Reihe von Segmenten angeordnet sind. Ein Leitradhaltering 42,
der mit dem Turbinengehäuse
verbunden ist, ist mit dem äußeren Band
gekoppelt und sichert das Leitrad der ersten Stufe. Ein Leitradstützring 44,
der radial innerhalb des inneren Bandes 38 der Leitapparate
der ersten Stufe angeordnet ist, steht mit dem inneren Band 38 in
Eingriff. Insbesondere enthält
der Grenzbereich bzw. die Verbindungsstelle zwischen dem inneren Band 38 und
dem Leitradstützring 44 eine
innere Schiene 52 (2). Die
innere Schiene 52 enthält
einen sich in Sehnenrichtung geradlinig erstreckenden axialen Vorsprung 48,
der hierin anschließend
allgemein und zusammenfassend als eine Sehnenscharnierdichtung 46 bezeichnet
wird. Der Vorsprung 48 erstreckt sich entlang einer in
Axialrichtung weisenden Oberfläche 50 der
inneren Schiene 52, die einen einstückigen, integralen Teil jedes
Leitradsegmentes und insbesondere des inneren Bandes 38 bildet.
Der Vorsprung 48 steht mit einer ersten ringförmigen Oberfläche 54 des
Leitradstützrings 44 in
Eingriff. Es versteht sich, dass sich die Austrittsluft des Hochdruckverdichters
in dem Bereich 37 befindet, während die heißen Gase
unter niedrigerem Druck, die in dem Heißgaspfad 14 strömen, sich
auf der gegenüberliegenden
Seite der Dichtung 46 befinden. Die Sehnenscharnierdichtung 46 ist
folglich dazu vorgesehen, eine Abdichtung gegen eine Leckage aus dem
Hochdruckbereich 37 in den Niederdruckbereich des Heißgaspfades 14 hinein
zu schaffen.
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Wie
zuvor erwähnt,
neigen die Komponenten der Leitapparate und des Leitradstützrings
während eines
Betriebs der Turbine jedoch dazu, zwischen den Vorsprüngen 48 und
der Oberfläche 54 des
Leitradstützrings 44 Leckagespalte
zu bilden, durch die hindurch eine Leckströmung von dem Hochdruckbereich
in den Niederdruckbereich austreten kann. Um eine in den Heißgaspfad 14 hinein
führende
Leckströmung
auf ein Minimum zu reduzieren oder zu verhindern, ist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Zusatzdichtung zur Schaffung einer
Abdichtung zwischen den Leitapparaten der ersten Stufe und dem Leitradstützring 44 geschaffen.
Die Zusatzdichtung, die allgemein mit 70 bezeichnet ist
(5), ist in Dichtungssegmenten 73 vorgesehen,
die sich in einer Sehnenrichtung erstrecken und hinsichtlich der
Länge in
der Sehnenrichtung der Länge
der inneren Schiene 52 entsprechen. Jedes Dichtungssegment
ist aus einer dünnen,
elastischen Metallblechdichtung ausgebildet, die eine im Wesentlichen
L-förmige
Gestalt mit im Wesentlichen radial und axial verlaufenden Beinabschnitten 76 bzw. 78 aufweist.
Die Beinabschnitte 76 und 78 sind entsprechend
der Form der von der Oberfläche 50 entfernten
Seite 79 der inneren Schiene 52 und der radial
inneren Fläche 80 der
inneren Schiene gestaltet. Zwischen den Beinabschnitten 76 und 78 ist
eine Ausrundung oder ein Wulst 82 vorgesehen, die bzw. der
einen Teil des Metallblechsegmentes bildet und die bzw. der von
der geradlinig verlaufenden Kante 84 an der Verbindung
der Seite mit der inneren Fläche
der inneren Schiene 52 weggerichtet ist. Dies verhindert
einen Verschleiß und
einen möglichen Schaden
an der Verbindungsstelle zwischen den Beinabschnitten des Dichtungssegmentes.
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Das
Metallblechdichtungssegment 73 enthält einen distalen Randabschnitt 86,
der vorgespannt ist, um sich axial und radial nach innen zu erstrecken,
um mit der Dichtungsfläche 54 des
Leitradstützrings 44 in
Anlage zu stehen.
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Um
die Dichtung wie vorstehend beschrieben in Stellung zu haltern,
ist eine Halteklammer bzw. ein Stützträger 83 vorgesehen,
die bzw. der eine im Wesentlichen L-förmige Gestalt entsprechend
der Gestalt des Metallblechsegmentes aufweist. Der Träger 83 enthält entsprechende
Beinabschnitte 88 und 90, die sich gegen die Metallblechdichtung
abstützen und
die Metallblechdichtung in einer eingeklemmten Dichtungsverbindung
mit der inneren Schiene 52 haltern. Zur Sicherung des Trägers und
der Metallblechdichtung an der inneren Schiene kann der Träger 83 an
der inneren Schiene entlang deren radial äußeren Kante angeschweißt sein,
wie dies durch die Schweißnaht 92 angezeigt
ist, und er kann ferner entlang der gegenüberliegenden Enden der inneren Schiene 52 angeschweißt sein.
Alternativ kann der Träger 83 gemeinsam
mit dem Metallblechsegment 73 durch Bolzen mit der inneren
Schiene 52, vorzugsweise entlang der von der Oberfläche 52 entfernten
Seite von dieser, verbunden sein. Die Bolzenlöcher und Abschnitte der Bolzen
sind in 7 bei 94 bzw. 96 angezeigt.
Die Bolzenköpfe
kommen natürlich
entlang der zugänglichen
Rückseite
des Beinabschnitts 88 des Trägers 83 zum Vorschein.
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Die
Zusatzdichtung wird durch die Vorspannkraft des Randabschnitts 86 gegen
die Fläche 54 in Dichtungsverbindung
mit der Oberfläche 54 gehalten.
Während
eines Turbinenbetriebs spannt zusätzlich der Hochdruck aus dem
Hochdruckbereich 37 der Turbine den flexiblen Randabschnitt 86 gegen
die Dichtungsfläche 54 des
Leitradstützrings
vor. Der rein metallische Kontakt entlang der Dichtungsflächen stellt
eine effektive Abdichtung sicher. Die Metallblechdichtung kann eine
Dicke in der Größenordnung
von 0,006 Zoll aufweisen. Es versteht sich, dass bei der angeschweißten oder
angebolzten Anordnung die Zusatzdichtung aufwandslos und einfach
an der inneren Schiene eingebaut werden kann. Außerdem können durch Übergreifen der Metallblechteile
an der Kante des Dichtungssegmentes, d.h. durch Ausdehnung der Metallblechdichtung über die
Ränder
der inneren Schiene hinweg, die Spalte zwischen benachbarten Leitradsegmenten
abgedichtet werden. Es versteht sich, dass jeder Verzug oder jede
Verformung der Teile der Turbine, d.h. der inneren Schiene und des
Leitradstützrings,
einen Spalt zwischen dem Vorsprung 48 der Sehnenscharnierdichtung
und der Dichtungsfläche 54 freilegen
könnte.
Die Vorspannkraft und der Hochdruck, die gegen den Rand 86 der
Zusatzdichtung einwirken, erhalten eine Abdichtung zwischen den
Leitradsegmenten und dem Leitradstützring aufrecht. Ferner wird
mit der an die Flächen
der inneren Schiene 52 geklemmten Metallblechdichtung eine
Leckage von der Rückseite
der Dichtung aus verhindert.