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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen in einer Gasturbine,
um die Sehnengelenkdichtungen zwischen den Turbinenleitapparaten und
einem Turbinenleitapparathalterungsring zu ergänzen, und sie bezieht sich
insbesondere auf Zusatzdichtungen, um im Wesentlichen an den Sehnengelenkdichtungen
vorbei gelangende Leckverluste zu minimieren oder zu unterbinden.
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In
einer Gasturbine strömen
heiße
Verbrennungsgase aus den Brennkammern durch die Leitapparate und
Schaufeln der ersten Stufe und durch die Leitapparate und Schaufeln
der stromabwärts
folgenden Turbinenstufen. Die Leitapparate der ersten Stufe weisen üblicherweise
eine ringförmige
Gruppe oder Anordnung von Gussleitapparatesegmenten auf, von denen
jedes eine oder mehrere Statorleitschaufeln pro Segment enthält. Jedes
Leitapparatsegment der ersten Stufe weist zudem mehrere Innen- und Außenbänder auf,
die in einem radialen Abstand zueinander angeordnet sind. An der
Leitapparatsegmentanordnung sind die Statorleitschaufeln in Umfangsrichtung
in regelmäßigen Abständen voneinander
angeordnet und bilden miteinander eine ringförmige Anordnung zwischen den
ringförmigen
Innen- und Außenbändern. Ein
mit dem Außenband
des Leitapparats der ersten Stufe verbundener Leitapparathalterungsring
stützt
die Leitapparate der ersten Stufe im Gasweg der Turbine. Ein ringförmiger Leitapparathalterungsring,
der vorzugsweise in einer horizontalen Mittellinie geteilt ist,
steht mit dem Innenband in Eingriff und sichert die Leitapparate
der ersten Stufe gegen Axialverschiebung.
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Beispielsweise
werden achtzehn Gusssegmente mit zwei Leitschaufeln pro Segment
vorgesehen. Die ringförmig
angeordneten Segmente werden untereinander entlang der angrenzenden
ringsum laufenden Ränder
durch Randdichtungen abgedichtet. Die Randdichtungen dichten zwischen
einem Hochdruckbereich radial im Inneren des Innenbandes, d.h. der
vom Verdichter abgegebenen Luft unter hohem Druck und den heißen Verbrennungsgasen im
Strömungsbereich
des Heißgases,
die sich unter einem niedrigeren Druck befinden.
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Um
zwischen dem Innenband des Leitapparats der ersten Stufe und einer
axial weisenden Oberfläche
des Leitapparathalterungsrings abzudichten werden Sehnengelenkdichtungen
eingesetzt. Jede Sehnengelenkdichtung weist einen axialen Vorsprung
auf, der sich geradlinig entlang einer Sehnenrichtung des Innenbandabschnitt
von jedem Leitapparatsegment erstreckt. Insbesondere erstreckt sich die
Sehnengelenkdichtung entlang einer Innenschiene von jedem Segment
und die Schiene erstreckt sich radial im Inneren des Innenbandteilbereichs.
Der Vorsprung der Sehnengelenkdichtung steht in abdichtendem Kontakt
mit der axial gegenüber
liegenden Dichtungsfläche
des Leitapparathalterungsrings.
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Während des
Betriebs und/oder bei Reparatur des Leitapparats der ersten Stufe
wurde festgestellt, dass eine Verformung Spalte zwischen den Sehnengelenkdichtungen
und der Dichtungsfläche des
Leitapparathalterungsrings hinterlassen kann. Diese Spalte verursachen
Verluste an den Sehnengelenkdichtungen aus dem Hochdruckbereich,
der sich radial im Inneren des ringförmigen Innenbands befindet,
in den Strömungsbereich
des Heißgases. Das
heißt,
die Sehnengelenkdichtungen sind zur Verhinderung eines Leckstroms
nicht geeignet, weil die Sehnengelenkdichtungsvorsprünge den
Kontakt zu der Dichtungsfläche
des Leitapparathalterungsrings verlieren. Infolgedessen wird an
der Berührungsfläche des
Leitapparats der ersten Stufe und des Leitapparathalterungsrings
eine zusätzliche
Dichtung benötigt,
um den Leckstrom durch die Sehnengelenkdichtungen zu minimieren
oder zu unterbinden. Eine dem Stand der Technik entsprechende Dichtungsanordnung
zeigt Dokument 056287091 auf.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, auf die jedoch kein Anspruch erhoben wird,
wird eine zusätzliche
Dichtung zwischen dem Leitapparat der ersten Stufe und dem Leitapparathalterungsring
vorgesehen, die den Leckstrom durch die Sehnengelenkdichtungen unterbindet
oder minimiert. Die zusätzliche
Dichtung weist elastische, vorzugsweise aus Blech bestehende Dichtungen
auf, die jeweils an der ersten oder der zweiten axial weisenden
Oberfläche
des Leitapparathalterungsrings und Leitapparatsegments und vorzugsweise
an der Dichtungsfläche
des Leitapparatsegments befestigt werden. Jede elastische Dichtung erstreckt
sich bogenförmig
entlang der Leitapparatsegmente radial außerhalb der Hauptdichtung,
die von der Sehnengelenkdichtung gebildet wird. In einer exemplarischen
Ausführungsform
werden die Dichtungsflächen
der Leitapparatsegmente mit einer sich ringsum erstreckenden Nut
versehen, die einen Rand der elastischen Dichtung aufnimmt. Insbesondere
der von der Nut aufgenommene Rand der elastischen Dichtung ist gekrümmt oder
abgekantet, um einen abdichtenden Kontakt gegen die Oberfläche, vorzugsweise
den Boden der Nut auszuüben.
Um den Rand der elastischen Blechdichtung in der Nut zu halten,
ist ein länglicher
Streifen an der elastischen Dichtung entlang deren Rand befestigt,
wodurch die elastische Dichtung bei der Installation in der Nut
in Umfangsrichtung verschiebbar ist. Die Nut besitzt einen Flansch
und der längliche
Streifen weist einen gegenüber
liegenden überlappenden
Flansch auf, der die elastische Dichtung gegen axiale Verschiebungstendenzen
in der Nut hält.
Vorzugsweise wird ein zweiter länglicher
Streifen entlang der gegenüber
liegenden Seite des Rands des ersten länglichen Streifens vorgesehen,
um den Rand des länglichen
Streifensmittig in der Nut zu fixieren.
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Der
gegenüber
liegende Rand der elastischen Dichtung weist einen Rand auf, der
gegen die ringförmige
erste Dichtungsfläche
des Leitapparathalterungsrings drückt. Weil die elastische Dichtung radial
außerhalb
der Sehnendichtung liegt, drückt
der Leckstrom durch die Sehnendichtung gegen die radiale Innenfläche der
elastischen Blechdichtung, um die Rand der elastischen Dichtung
in abdichtenden Kontakt mit der ersten Dichtungsfläche des
Leitapparathalterungsrings zu halten. Obwohl die elastische Dichtung
aus sich in Umfangsrichtung erstreckenden Segmenten ausgebildet
werde kann, die der Ausdehnung von jedem Leitapparatsegment entsprechen, wird
die elastische Dichtung vorzugsweise aus zwei oder vier sich in
Umfangsrichtung erstreckenden Segmente gebildet. Auf diese Weise überspannt
die elastische Dichtung die Verbindungsstelle zwischen benachbarten
Segmenten, was das Dichtungsvermögen
der zusätzlichen
Dichtung verbessert.
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In
einer bevorzugten, der vorliegenden Erfindung gemäßen Ausführungsform,
wird eine Turbine geschaffen, die einen Turbinenleitapparathalterungsring
mit einer im Wesentlichen in Axialrichtung weisenden ersten Oberfläche sowie
ein Turbinenleitapparatsegment enthält, das wenigstens eine Statorleitschaufel
aufweist und zu dem ein inneres Band gehört, wobei das Segment eine
zweite Oberfläche
aufweist, die der ersten Oberfläche
axial gegenüber liegt,
wobei eine der ersten und zweiten Oberfläche einen sich an ihr entlang
erstreckenden axialen Vorsprung aufweist um mit der jeweils anderen
der ersten und zweiten Oberfläche
in Berührung
zu kommen, um dazwischen eine erste Dichtung zu bilden, die zwischen
Bereichen hohen und niedrigen Drucks an einander gegenüber liegenden
Seiten der Dichtung abdichtet und eine elastische Dichtung, die
sich zwischen der ersten und zweiten Oberfläche und zwi schen seitlichen
Rändern
des Segments erstreckt, wobei ein erster Rand der elastischen Dichtung
an einer der ersten und zweiten Oberflächen befestigt ist und ein
zweiter Rand der elastischen Dichtung mit der jeweils anderen der
ersten und zweiten Oberflächen
abgedichtet in Eingriff bringbar ist, um gegen die jeweils andere
Oberfläche
abzudichten.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun beispielhaft, in Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
beschrieben, von denen:
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1 eine
ausschnittsweise schematische seitliche Aufrissansicht eines Teilbereichs
der Gasturbine darstellt;
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2 eine
vergrößerte ausschnittsweise Schnittdarstellung
einer herkömmlichen
Sehnengelenkdichtung zeigt;
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3 eine
ausschnittsweise perspektivische Ansicht eines Teilbereichs einer
herkömmlichen
Sehnengelenkdichtung entlang einer Innenschiene eines Leitapparatsegments
zeigt;
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4 eine
ausschnittsweise perspektivische Ansicht mit geschnittenen Teilen
der herkömmlichen Sehnengelenkdichtung
in abdichtendem Kontakt mit einem Leitapparathalterungsring der
Gasturbine zeigt;
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5 eine
vergrößerte Schnittdarstellung
einer zusätzlichen
elastischen Dichtung zeigt, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erstellt wurde;
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6 eine
ausschnittsweise perspektivische Ansicht der Innenschiene eines
Segments und die Position der Sehnengelenkdichtung und der elastischen
Dichtung darstellt; und
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7 eine
vergrößerte ausschnittsweise Schnittdarstellung
der Befestigung der elastischen Dichtung in einer Nut der Innenschiene
zeigt.
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Bezugnehmend
auf 1 ist nun ein charakteristisches Beispiel eines
Turbinenausschnitts einer Gasturbine dargestellt, die im Ganzen
mit 10 gekennzeichnet wird. Die Turbine 10 erhält heiße Verbrennungsgase
aus einer ringförmigen,
nicht dargestellten Brennkammeranordnung, die die Heißgase durch ein
Strömungsüberleitungsteil 12 entlang
eines ringförmigen
Heißgaspfads 14 übertragen.
Die Turbinenstufen sind entlang des Heißgaspfads 14 angeordnet.
Jede Stufe besteht aus mehreren in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten
Schaufeln, die an dem Turbinenrotor montiert werden und Bestandteil
desselben sind, und aus mehreren in Umfangsrichtung beabstandet
angeordneten Statorleitschaufeln, die eine ringförmige Anordnung von Leitapparatsegmenten
bilden. Zum Beispiel weist die erste Stufe mehrere in Umfangsrichtung
beabstandet angeordnete Schaufeln 16, die an einem Rotorschaufelrad 18 der
ersten Stufe montiert sind und mehrere in Umfangsrichtung beabstandet
angeordnete Statorleitschaufeln 20 auf. In ähnlicher
Weise besitzt die zweite Stufe mehrere Schaufeln 22, die
an dem Rotorschaufelrad 24 montiert sind und mehrere in
Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Statorleitschaufeln 26.
Es können
zusätzliche
Stufen vorgesehen werden, zum Beispiel eine dritte Stufe, die aus mehreren
in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten Schaufeln 28 besteht,
die an einem Rotorschaufelrad 30 der dritten Stufe montiert
sind und mehreren in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten Statorleitschaufeln 32.
Es ist einsichtig, dass die Statorleitschaufeln 20, 26 und 32 an
dem Turbinengehäuse
montiert und an diesem fixiert sind, während die Schaufeln 16, 22 und 28 und
die Schaufelräder 18, 24 und 30 Bestandteil
des Turbinenrotors sind. Zwischen den Rotorleitschaufeln befinden
sich Abstandshalter 34 und 36 die ebenfalls Bestandteil des
Rotors sind. Es ist einsichtig, dass sich die von dem Verdich ter
abgegebene Luft in dem Bereich 37 befindet, der radial
im Inneren der ersten Stufe angelegt ist, und dass die Luft in dem
Bereich 37 unter einem höheren Druck als dem der Heißgasströmung entlang
des Strömungsbereichs
des Heißgases 14 steht.
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Bezugnehmend
auf die erste Stufe der Turbine; die Statorleitschaufeln 20,
die den Leitapparat der ersten Stufe bilden, sind zwischen Innen-
und Außenbändern 38 bzw. 40 angeordnet,
die jeweils durch das Turbinengehäuse getragen sind. Wie oben
erwähnt,
werden die Leitapparate der ersten Stufe durch mehrere Leitapparatsegmente 42 (2)
gebildet, von denen jedes eine, vorzugsweise zwei, Statorleitschaufeln
hält, die
sich zwischen Innen- und Außenbandbereichen
erstrecken und in einer ringförmigen
Segmentanordnung eingeteilt sind. Ein mit dem Turbinengehäuse verbundener
Leitapparathalterungsring 42 ist mit dem Außenband
verbunden und sichert den Leitapparat der ersten Stufe. Ein Leitapparathalterungsring 44,
der sich radial im Inneren des Innenbandes 38 des Leitapparates
der ersten Stufe befindet, steht mit dem Innenband 38 in
Eingriff. Insbesondere die Berührungsfläche zwischen dem
Innenband 38 und dem Leitapparathalterungsring 44 weist
eine Sehnengelenkdichtung auf, die im Ganzen mit 46 gekennzeichnet
wird (2). Die Sehnengelenkdichtung 46 weist
einen sehnenartigen, sich geradlinig erstreckenden axialen Vorsprung 48 auf.
Der Vorsprung 48 erstreckt sich entlang einer axial weisenden
Oberfläche 50 einer
Innenschiene 52, die einen einstückigen Bestandteil des jeweiligen Leitapparatsegmentes
und besonders des Innenbandes 38 bildet. Der Vorsprung 48 steht
in Eingriff mit einer ersten ringförmigen Oberfläche 54 des
Leitapparathalterungsrings 44. Es ist einsichtig, dass
sich die von dem Hochdruckverdichter abgegebene Luft im Bereich 37 und
die Niederdruckheißgasströmung in dem
Heißgaspfad 14 auf
der Gegenseite der Dichtung 48 befindet. Die Sehnengelenkdichtung 46 wird somit
vorgesehen, um einen Leckstrom aus dem Hochdruckbereich 36 in
den Niederdruckbereich des Heißgaspfades 14 abzudichten.
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Wie
vorher erwähnt,
neigen die Einzelteile der Leitapparate und des Leitapparathalterungsrings jedoch
während
des Betriebs dazu, Leckspalte zwischen dem Vorsprung 48 und
der Oberfläche 54 des Leitapparathalterungsrings 44 auszubilden,
wodurch ein Leckstrom aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich
entstehen kann. Um einen Leckstrom in den Heißgaspfad 14 zu minimieren
oder zu verhindern, wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Dichtung vorgesehen,
um zwischen dem Leitapparat der ersten Stufe und dem Leitapparathalterungsring 44 abzudichten.
Die im Ganzen mit 70 gekennzeichnete zusätzliche
Dichtung weist eine bogenförmige,
vorzugsweise aus Blech bestehenden Dichtung auf, die sich zwischen
dem Leitapparathalterungsring 44 und den Leitapparatsegmenten,
insbesondere deren Innenschienen 52, erstreckt und diese
abdichtet. Die Dichtung 70 befindet sich radial außerhalb
der Sehnengelenkdichtung 46 und ist daher so positioniert,
dass ein Leckstrom durch die Sehnengelenkdichtung gegen eine weitere
Strömung in
den Niederdruckheißgaspfad
abgedichtet ist.
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Insbesondere
besteht die zusätzliche
Dichtung 70 aus Blech, das in einer bogenförmigen Form um
die Turbinenachse verläuft.
Die Dichtung 70 besteht aus Segmenten 71, die
einen umlaufenden Vorsprung aufweisen können, der dem des umlaufenden Vorsprungs
des Leitapparatsegments entspricht, das heißt sie können sich bogenförmig zwischen
den Seitenrändern
von jedem Leitapparatsegment erstrecken. Die zusätzliche Dichtung 70 wird
jedoch vorzugsweise in zwei oder vier Segmenten mit jeweils 180° bzw. 90° bereitgestellt.
Auf diese Weise überspannt
die zusätzliche
Dichtung 70 die Verbindungsstelle zwischen benachbarten
Segmenten, wie in 6 dargestellt wird, wodurch
ihr Dichtungsvermögen
verbessert wird.
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Speziell
ist die zusätzliche
Dichtung 70 in einer Nut des Leitapparathalterungsrings
oder der Leitapparatsegmente und vorzugsweise in einer Nut 74 verankert,
die sich in der Dichtungsfläche 50 der
Leitapparatsegmente befindet. Die Nut 74 befindet sich radial
außerhalb
der Sehnengelenkdichtung 46. Die Nut 74 besitzt
einen sich radial nach außen
erstreckenden Flansch 76. Die zusätzliche Blechdichtung 70 besitzt
einen Rand 78, der von der bogenförmigen Nut 74 aufgenommen
wird. Die Kante 80 des Blechdichtungsrands 78 ist
gekrümmt
oder abgekantet, um gegen die Nutoberfläche 74, vorzugsweise
gegen den Boden 75 der Nut 74, zu drücken. Auf
diese Weise dichtet die elastische Blechdichtung gegen eine Fluiddurchströmung, das
heißt
sie dichtet die Luft von der einen Seite der Dichtung von der Luft
der gegenüber
liegenden Seite entlang der Nut 74 ab.
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Um
die elastische Dichtung 70 in der Nut 74 zu halten,
wird mindestens ein länglicher
Metallstreifen 82, zum Beispiel durch Verschweißung, entlang einer
Seite des Rands 78 der Blechdichtung 70 gesichert.
Der längliche
Streifen weist einen Flansch 84 auf, der mit dem Flansch 76 zusammenwirkt,
um den Rand der Dichtung in der Nut 74 zu halten. Vorzugsweise
wird ein länglicher
Metallstreifen 86 gleichermaßen entlang der gegenüber liegenden
Seite des Rands des ersten Streifens 82 gesichert, um dadurch den
Rand 78 der elastischen Blechdichtung mittig in der bogenförmigen Nut 74 zu
positionieren.
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Der
gegenüber
liegende Rand 88 der Dichtung 70 drückt gegen
die gegenüberliegende
Dichtungsfläche,
das heißt
gegen die axial weisende Dichtungsfläche 54 des Leitapparathalterungsrings 44.
Der Rand 88 ist vorbelastet oder vorgespannt, um gegen
die Oberfläche 54 zu
drücken.
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Im
Einsatz liegt die zusätzliche
Dichtung 70 radial außer-
halb der Sehnengelenkdichtung 46 und erstreckt sich zwischen der
axial gegenüber
liegenden ersten und zweiten Oberfläche 54 und 50 des Leitapparathalterungsrings
bzw. der Leitapparatsegmente. Jeglicher Leckstrom, der aus einem
Hochdruckbereich 37 durch die Sehnengelenkdichtung 46 gelangt,
trifft auf die elastische Blechdichtung 70. Jeglicher Hochdruckleckstrom
trägt zur
zusätzlichen Biegung
der Dichtung 70 bei, so dass ihr freier Rand 88 fest
gegen die Dichtungsfläche 54 des
Leitapparathalterungsrings drückt.
Die Sicherung zwischen der elastischen Dichtung 70 an ihrem
Rand 78 dichtet, wie vorher erwähnt, ebenfalls gegen jeglichen
Leckstrom um den Rand 78 und die Nut 74.
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Weil
die elastische Dichtung aus zwei oder vier Segmenten mit 180° bzw. 90° besteht, überspannt
die elastische Dichtung die Verbindungsstelle zwischen benachbarten
Segmenten und verbessert die zusätzliche
Dichtung an diesen Stellen. Es ist ebenfalls einsichtig, dass nur
eine minimale Veränderung
der vorhandenen Turbinenkomponenten im Bereich der Sehnengelenkdichtung 46 erforderlich
ist, um die zusätzliche
Dichtung zu beeinflussen. Die bogenförmige Nut 74 kann
leicht mittels EDM-Techniken
in der Oberfläche
der Innenschiene erzeugt werden. Es ist ebenfalls einsichtig, dass
die zusätzlichen elastischen
Dichtungen 70 in die Nut 74 in einer Umfangsrichtung
eingesetzt werden und dass geeignete, nicht dargestellte Anschläge entlang
der Nut vorgesehen werden können,
um eine Bewegung der elastischen Dichtungen in Umfangsrichtung zu
verhindern. Außerdem
benutzt die Dichtung den metallischen Kontakt ihrer benachbarten
gegenüberliegenden
Ränder
und besitzt daher ein ausgezeichnetes Dichtungs- und Haltbarkeitsvermögen.