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Diese
Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen im Allgemeinen und insbesondere
Statorleitschaufelanordnungen innerhalb Gasturbinenmaschinen.
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Der
Bläser,
der Verdichter und Turbinenabschnitte einer Gasturbinenmaschinen
enthalten typischerweise eine Mehrzahl von Rotoranordnungen und
Statoranordnungen. Die Rotoranordnungen haben eine Mehrzahl von
Laufschaufeln, die an eine Scheibe zur Rotation um eine Rotationsachse
herum angebracht sind. Die Statoranordnungen enthalten eine Mehrzahl
von in einer ringförmigen
Struktur angeordneten Leitschaufelsegmenten, die um die Rotationsachse
zentriert sind und radial zwischen einem inneren Lagerring und entweder
einem äußeren Gehäuse oder
einem äußeren Lagerring
angeordnet sind. Die Rotoranordnungen führen der Kerngasströmung innerhalb
des Verdichters Arbeit zu und entziehen der Kerngasströmung Arbeit
innerhalb der Turbine. Die Statoranordnungen verbessern die Effizienz, indem
sie die Kerngasströmung
in die oder aus den Rotoranordnungen führen.
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Die
der Kerngasströmung
in dem Verdichter hinzugefügte
Arbeit und die in den Verbrennungseinrichtungen hinzugefügte Energie
erzeugen genügend
thermische Energie in der Kerngasströmung, um Kühlen innerhalb des Kerngasströmungspfads nötig zu machen.
Kühlen
wird erreicht, indem Kühlluft durch
Löcher
in den Leitschaufeln, Wänden
und/oder Laufschaufeln innerhalb oder angrenzend an den Kerngasströmungspfad
geführt
wird. Der Druck der Kühlluft,
der höher
ist als der der Kerngasströmung, zwingt
die Kühlluft
durch die Kühllöcher. Ein
Fachmann jedoch erkennen, dass der Druck die Kühlluft auch durch unerwünschte Leckpfade
zwingt, wodurch mehr Kühlluft
gebraucht wird als für
Kühlzwecke
nötig ist.
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Die
Leckpfade, die zwischen den Statorleitschaufelsegmenten und einem
benachbarten statischen Element (z.B. einer inneren Leitschaufelhalterung,
einem inneren Dichtring, dem äußeren Gehäuse oder
einem äußeren Leitschaufellager)
entstehen, sorgen für
einige der herausforderndsten Dichtprobleme in nerhalb einer Statorleitschaufelanordnung. Bürstendichtungen
und "Stoßende"-Dichtungen sind zwei
Arten von Dichtungen, die momentan verwendet werden, um Leckage
zwischen Statorleitschaufelsegmenten und einem benachbarten statischen Element
zu minimieren. Bürstendichtungen
tragen relativer Bewegung zwischen den Statorleitschaufelsegmenten
und dem statischen Element Rechnung und sorgen deshalb für eine effektive
Dichtung, sind aber unerschwinglich teuer. Eine Bürstendichtung
ist in
US-A-5 480 162 gezeigt,
die insbesondere angepasst ist, die Übergangsstelle der Verbrennungseinrichtung
und des Stators der Turbine der ersten Stufe einer Gasturbinenmaschine
zu dichten. Auf der anderen Seite dichten momentan erhältliche
Stoßende-Dichtungen,
indem sie einen gewundenen Leckpfad erzeugen, der Leckage erschwert.
Momentan erhältliche
Stoßende-Dichtungen
sind weniger teuer als Bürstendichtungen,
dichten aber nicht genauso gut und tragen auch nicht so viel relativer
Bewegung Rechnung. Ein Nachteil von momentan erhältlichen Stoßende-Dichtungen
ist, dass Fehlausrichtung zwischen benachbarten Statorleitschaufelsegmenten unter
Last nicht adäquat
Rechnung getragen werden kann. Genauer gesagt belastet die Kerngasströmung die
Statorleitschaufelsegmente normalerweise in einer nicht gleichförmigen Art
und Weise, was dazu führt,
dass die einzelnen Segmente schief werden und Zwischenräume zwischen
der Stoßende-Dichtung
und jenem bestimmten Statorleitschaufelsegment entstehen.
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Zusätzlich können momentan
erhältliche Stoßende-Dichtungen
Herstellungstoleranzunterschiede, die in Statorleitschaufelsegmenten
vorhanden sind, nicht berücksichtigen.
Z.B. ist die axiale Länge
der äußeren Plattform
jedes Leitschaufelsegments spanend hergestellt auf eine Abmessung
innerhalb eines gegebenen Tolerenzbereichs. In den meisten Fällen wird
die Anordnung der ringförmigen Leitschaufelsegmentstruktur äußere Plattformen
von Leitschaufelsegmenten mit verschiedenen axialen Längen wegen
der Toleranzen haben. Somit wird die Größe des Zwischenraums zwischen
der Stoßende-Dichtung
und der axialen Oberfläche
der äußeren Plattformen
um einen Betrag schwanken, der direkt mit den Unterschieden in axialer
Länge der äußeren Plattformen
in Zusammenhang steht. Im ungünstigsten
Fall werden einige der Statorleitschaufelsegmente äußere Plattformen
mit einer maximalen axialen Länge
(d.h. der innerhalb des Toleranzbereichs maximal erlaubten Abmessung)
haben, und der Rest der Statorleitschaufelsegmente wird äußere Plattformen mit
einer minimalen axialen Länge
(d.h. der innerhalb des Toleranzbereichs minimal erlaubten Abmessung) haben.
Der Zwischenraum zwischen den Leitschaufelsegmenten mit minimaler
Länge wird
einen zu großen
Leckagepfad bilden, und die Statorleitschaufeln mit Plattformen
maximaler axialer Länge
werden mit der Stoßende-Dichtung
in Kontakt treten und die Stoßende-Dichtung
davon abhalten, den Zwischenraum zu schließen. Ein kombiniertes Lager-
und Dichtringelement ist in
US-A-5
289 677 offenbart zum Dichten der Verbrennungseinrichtungsabdichtung
einer Gasturbinenmaschine.
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Was
somit benötigt
wird, ist eine Statorleitschaufelanordnung mit einer verbesserten
Einrichtung zum Dichten zwischen den Statorleitschaufelsegmenten
und einem statischen Element innerhalb der Gasturbinenmaschine.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Statorleitschaufelanordnung
für eine Gasturbinenmaschine
vorgesehen, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist. Jedes Statorleitschaufelsegment
der genannten Anordnung hat eine äußere Plattform, eine innere
Plattform und ein sich zwischen den Plattformen erstreckendes Strömungsprofil.
Die Statorleitschaufelsegmente bilden gemeinsam eine ringförmige Struktur.
Kontakt, und folglich Reibung, zwischen den einzelnen Statorleitschaufelsegmenten
und dem abreibbaren Lagerkissen führt dazu, dass sich das abreibbare
Lagerkissen abreibt, wodurch eine dichtende Fläche entsteht, die die gegenüberliegenden
Statorleitschaufelsegmente in Kontakt mit dem abreibbaren Lagerkissen
wiedergibt.
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Die
Erfindung stellt auch aus einem anderen Aspekt ein Verfahren des
Dichtens einer Statorleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenmaschine bereit,
wie es in Anspruch 10 beansprucht ist.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Statorleitschaufelanordnung
gemäß der Erfindung
die Leistungsfähigkeit
der Maschine durch Minimieren von Kühlluftleckage verbessert. Genauer gesagt
reibt Statorleitschaufelsegmentbewegung eine maßgeschneiderte dichtende Fläche in das
abreibbare Lagerkissen. Wenn z.B. Kerngasströmungsbelastung die Statorleitschaufelsegmente
schief macht, wird sich das abreibbare Lagerkissen abreiben, um
die Schiefe wiederzugeben und dadurch den Lückenabstand zwischen dem Dichtring
und den Statorleitschaufelsegmenten zu minimieren.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Vorrichtung
zum Dichten Herstellungstoleranzen in Statorleitschaufelsegmenten Rechnung
trägt.
Genauer gesagt trägt
das abreibbare Lagerkissen der vorliegenden Erfindung Abmessungsschwankungen
in den Statorleitschaufelsegmentoberflächen, die mit dem Dichtring
in Kontakt sind, Rechnung und minimiert dadurch jegliche Leckpfade,
die zwischen dem Dichtring und den Statorleitschaufelsegmenten bestehen
können.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine weniger
teure Vorrichtung zum Dichten innerhalb einer Statorleitschaufelanordnung bereitgestellt
wird.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, bei denen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Turbineneinlassführungsleitschaufel stromabwärts einer
Verbrennungseinrichtung und stromaufwärts eines Turbinenrotors der
ersten Stufe ist.
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2 eine
vergrößerte Teilansicht
einer ersten Ausführungsform
der in 1 gezeigten Statorleitschaufelanordnung der vorliegenden
Erfindung ist.
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3 eine
vergrößerte Teilansicht
einer zweiten Ausführungsform
der in 1 gezeigten Statorleitschaufelanordnung der vorliegenden
Erfindung ist.
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4 eine
vergrößerte Teilansicht
einer dritten Ausführungsform
der in 1 gezeigten Statorleitschaufelanordnung der vorliegenden
Erfindung ist.
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5 eine
schematische Ansicht einer Statorleitschaufelanordnung einer Turbine
der zweiten Stufe ist, die hinter einem Rotor einer Turbine der
ersten Stufe und vor einem Rotor einer Turbine der zweiten Stufe
angeordnet ist.
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6 eine
vergrößerte Teilansicht
des in 5 gezeigten Dichtrings ist.
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Mit
Bezug auf 1 enthält eine Gasturbinenmaschine
eine Verbrennungseinrichtung 10, eine Turbineneinlassführung-Leitschaufelanordnung 12 und
einen Rotor der ersten Stufe 14, angeordnet radial innerhalb
eines äußeren Gehäuses 16.
Der Rotor der ersten Stufe 14 enthält eine Scheibe 18,
die um eine Achse rotieren kann, und eine Mehrzahl von Rotorschaufeln 20,
die um den Umfang der Scheibe 18 herum verteilt sind. Die
Turbineneinlassführung-Leitschaufelanordnung 12 enthält eine
Mehrzahl von Statorleitschaufelsegmenten 22, einen äußeren Dichtring 24 und
einen inneren Dichtring 26. Jedes Statorleitschaufelsegment 22 enthält eine äußere Plattform 28,
eine innere Plattform 30 und mindestens ein Strömungsprofil 32,
das sich zwischen den Plattformen 28, 30 erstreckt.
Die Statorleitschaufelsegmente 22 bilden gemeinsam eine
ringförmige Struktur.
Die äußere Plattform 28 jedes
Statorleitschaufelsegments 22 enthält einen äußeren Befestigungsflansch 34.
Der äußere Befestigungsflansch 34 ist
innerhalb eines äußeren Lagerrings 36 aufgenommen,
der wiederum an dem äußeren Gehäuse 16 befestigt
ist. Die innere Plattform 30 jedes Statorleitschaufelsegments 22 enthält einen
inneren Befestigungsflansch 38. Der innere Befestigungsflansch 38 ist
an einem inneren Lagerring 40 angebracht, der um die Rotationsachse
der Maschine zentriert ist.
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Mit
Bezug auf 2 bis 4 enthalten
der innere Dichtring 26 und der äußere Dichtring 24 jeweils
einen Hauptbestandteil 42 und ein abreibbares Lagerkissen 44,
das sich nach außen
von einer axial gerichteten Oberfläche 46 des Hauptbestandteils 42 erstreckt.
Zur Erklärung: 2 bis 4 zeigen
eine vergrößerte Ansicht
des äußeren Dichtrings 24.
Das abreibbare Lagerkissen 44 weist ein Material auf, das eine
Härte hat,
die geringer ist als die des Elements, das mit dem Kissen 44 in
Kontakt treten wird. Der Härtebereich
des abreibbaren Lagerkissens 44 wird von der Anwendung
abhängen,
aber in allen Fällen wird
das Kissen 44 "weich" genug sein, um unerwünschte Abnützung des
Elements, das mit dem Kissen 44 in Kontakt tritt, zu verhindern.
In einer ersten Ausführungsform
(2) ist das abreibbare Lagerkissen 44 mit
der axialen Oberfläche 46 des
Hauptbestandteils 42 verbunden. In einer zweiten Ausführungsform
(3) ist das abreibbare Lagerkissen 44 integral
innerhalb der axialen Oberfläche 46 des Hauptbestandteils 42 ausgebildet.
In dieser Ausführungsform
enthält
die axialen Oberfläche 46 des Hauptbestandteils 42 weiterhin
einen Anschlag 48, der eine Härte hat, die wesentlich größer ist
als die des Dichtring-Hauptbestandteils 42, wobei der Anschlag
mit einem Teil der axialen Oberfläche 46 verbunden ist
und axial innerhalb des abreibbaren Lagerkissens 44 ist.
Signifikantes Abreiben des Kissens 44 wird dazu führen, dass
das Kissen 44 und der Anschlag 48 im Wesentlichen
koplanar werden, zu welchem Zeitpunkt das Element mit dem Anschlag 48 in Kontakt
tritt und daran gehindert wird, die axiale Oberfläche 46 des
Dichtrings 24, 26 weiter abzureiben. In einer
dritten Ausführungsform
(4) ist das abreibbare Lagerkissen 44 ein
abnehmbarer und ersetzbarer Ring 50, der an dem Hauptbestandteil 42 befestigt
ist und sich nach außen
von der axialen Oberfläche 46 des
Hauptbestandteils 42 erstreckt. Akzeptable Verfahren des
Befestigens des abreibbaren Rings 50 an dem Hauptbestandteil 42 enthalten eine
Passung vom Presssitztyp, einen mechanische Befestiger, Hartlöten und
andere.
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In
der in 1 bis 4 gezeigten Anwendung ist der äußere Dichtring 24 an
dem hinteren Ende 52 der Verbrennungseinrichtung 10 in
enger Nähe
zu den äußeren Plattformen 28 der
Statorleitschaufelsegmente 22 der Turbineneinlassführung-Leitschaufelanordnung 12 befestigt.
Der innere Dichtring 26 ist an einem radial innerhalb der
Verbrennungseinrichtung 10 positionierten Verbrennungseinrichtung-Lagerring 54 befestigt,
benachbart den inneren Plattformen 30 der Statorleitschaufelsegmente 22.
Wie die Turbineneinlassführung-Leitschaufelanordnung 12 dreht
sich weder die Verbrennungseinrichtung 10 noch der Verbrennungseinrichtung-Lagerring 54.
Lückenabstände können zwischen
den Dichtringen 24, 26 und der inneren Plattform 30 und
der äußeren Plattform 28 vorgesehen sein,
um Toleranzanhäufung,
thermischer Ausdehnung oder Ähnlichem
Rechnung zu tragen.
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Mit
Bezug auf 5 und 6 wird eine
alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt, die in einer Statorleitschaufelanordnung 56 einer
Turbine der zweiten Stufe verwendet wird, die zwischen einem Rotor
der ersten Stufe 58 und einem Rotor der zweiten Stufe 60 angeordnet
ist. Die Statorleitschaufelanordnung 56 enthält eine Mehrzahl
von Statorleitschaufelsegmenten 61, ähnlich den oben beschriebenen,
welche gemeinsam eine ringförmige Struktur
bilden. Ein radial innerhalb der inneren Plattform 64 der
Statorleitschaufelsegmente 61 positionierter Dichtring 62 wird
verwendet, um eine Druckdifferenz zwischen einem ersten, dem Rotor
der ersten Stufe 58 benachbarten Bereich 66 und
einem zweiten, dem Rotor der zweiten Stufe 60 benachbarten
Bereich 68 aufrecht zu erhalten. Der Dichtring 62 enthält einen äußeren Flansch 72 und einen
inneren Flansch 74. Der äußere Flansch 72 enthält Längsnuten/Längskeile
(nicht gezeigt), um Rotation zu verhindern, und ein abreibbares
Lagerkissen 76 (siehe 6) ähnlich dem
oben beschriebenen, welches die verschiedenen Ausführungsformen
des Lagerkissens 76 aufweist. Ein wabenförmiges Kissen 78 ist
an den inneren Flansch 74 zur Verwendung mit Messerkanten-Abdichtungslamellen 80 angebracht.
Die in dem äußeren Flansch 72 angeordneten
Längsnuten/Längskeile
werden in einer axialen Richtung innerhalb innerer Befestigungsflansche 82,
die sich unterhalb der inneren Plattformen 64 erstrecken,
verschieblich aufgenommen. Nasen (nicht gezeigt), die sich nach
außen
von dem äußeren Flansch 72 erstrecken,
begrenzen die axiale Bewegung des Dichtrings 62 relativ
zu den inneren Befestigungsflanschen 82. Die Druckdifferenz
zwischen dem ersten, dem Rotor der ersten Stufe 58 benachbarten
ringförmigen
Bereich 66 (bei P1) und dem zweiten,
dem Rotor der zweiten Stufe 60 benachbarten ringförmigen Bereich 68 (bei
P2) zwingt das abreibbare Lagerkissen 76 des
Dichtrings 62 in Kontakt mit dem hinteren Arm 84 des
inneren Befestigungsflansches 82 (P1 > P2).
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Mit
Bezug auf 1 und 5 wird beim Betrieb
der Maschine Kerngasströmung,
die auf die Statorleitschaufelsegmente 22, 61 wirkt,
dazu führen, dass
die Statorleitschaufelsegmente 22, 61 sich thermisch
ausdehnen, vibrieren und/oder sich verschieben. Die Dichtringe 24, 26, 62 der
vorliegenden Erfindung tragen Ausdehnung, Vibration und Verschiebung
der Statorleitschaufelsegmente 22, 61 Rechnung,
indem sie den einzelnen Statorleitschaufelsegmenten 22, 61 erlauben,
das abreibbare Lagerkissen 44, 76, das an dem
Dichtring 24, 26, 62 angebracht ist,
abzureiben. Der Dichtring 24, 26, 62 bietet
demzufolge weniger und/oder kleinere Leckpfade, durch die Kühlluft in
die Kerngasströmung
eintreten kann, was wiederum den Betrag von wegen unerwünschter Leckage
verlorener Kühlluft
minimiert.
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Dadurch
wird aus der obigen Beschreibung ersichtlich, dass eine bevorzugte
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung eine Statorleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenmaschine
vorsieht, die die Leistungsfähigkeit
der Maschine durch Minimieren von Kühlluftleckage verbessert, dass
sie eine Vorrichtung zum Dichten vorsieht, die Bewegung von Statorleitschaufelsegmenten
und Herstellungstoleranzen in Statorleitschaufelsegmenten Rechnung trägt und die
weniger kostspielig ist.
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Obwohl
diese Erfindung in Bezug auf ihre detaillierten Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen,
dass verschiedene Änderungen
an ihrer Form und ihrem Detail gemacht werden können, ohne den Umfang der Erfindung
zu verlassen. Zum Beispiel kann es abhängig von der Anwendung wünschenswert
sein, einen Anschlag 48 an der axialen Oberfläche 46 des Dichtrings 24, 26, 62 zu
befestigen und das abreibbare Lagerkissen 44, 76 an
dem Anschlag 48 zu befestigen. In dieser Ausführungsform
verhindert der Anschlag 48, dass ein Statorleitschaufelsegment 22, 61 in
den Hauptbestandteil 42 des Dichtrings 24, 26, 62 hinein
abreibt.