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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein dichtungsaktives Spielsteuer- bzw. -regelsystem für eine Gasturbinen-Leitschaufel,
wie sie beispielsweise in dem vorbekannten Dokument JP-A-02 153232
(Abstract) offenbart ist.
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Bei einer Laufschaufel einer Gasturbine
wird die Luft von einem Kompressor teilweise von einem äußeren Deckring
abgeführt
und über
die Innenseite der Laufschaufel in einen Hohlraum eines inneren Deckrings
geleitet, um den Druck in dem Hohlraum höher als den eines an der Außenseite
befindlichen heißen
Verbrennungsgases zu gestalten, wodurch der Eintritt von heißem Gas
zur Innenseite verhindert wird.
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3 ist
eine Schnittansicht einer allgemeinen Dichtungsstruktur für eine Gasturbinen-Leitschaufel.
In 3 umfasst eine Leitschaufel 21 einen äußeren Deckring
bzw. eine äußere Umhüllung 22 und
einen inneren Deckring bzw. eine innere Umhüllung 23. Dieser innere
Deckring 23 haltert einen Dichtungsring-Rückhaltering 24 an
seinem Flansch, und ein Dichtungsring 25 wird durch den
Dichtungsring-Rückhaltering 24 gehaltert,
um Scheiben 33a und 33b auf der Rotorseite abzudichten.
Durch den Dichtungsring-Rückhaltering 24 und
den inneren Deckring 23 ist ein Hohlraum 26 gebildet.
Die Bezugsziffer 27 bezeichnet ein in dem Dichtungsring-Rückhaltering 24 ausgebildetes
Loch, und ein Dichtungs-Luftrohr 28 ist durch die Leitschaufel
vom äußeren Deckring 22 zum
inneren Deckring 23 hin ausgebildet.
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Laufschaufeln 31a und 31 sind
angrenzend aneinander über
der Leitschaufel 21 in der Längsrichtung der Rotorachse
angeordnet und weisen Plattformen 32a und 32b auf.
Zwischenräume 34 und 35 sind
in der Leitschaufel 21 zwischen den Laufschaufeln 31a und 31b ausgebildet,
und Dichtungsabschnitte 36 und 37 an den beiden
Enden des inneren Deckrings 23 dichten einzeln die Plattformen 32a und 32b der
Laufschaufeln sowie die beiden Endabschnitte des inneren Deckrings 23 der
Leitschaufel 21 ab.
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Bei der so aufgebauten Leitschaufel
wird ein Teil der von einem Kompressor abgezogenen Luft, das heißt die Dichtungsluft 40,
von dem Fach aus zu dem äußeren Deckring 22 geleitet
und strömt
von dem Dichtungsrohr 28 in die Leitschaufel 21 und
weiter in den Hohlraum 26, wie durch einen Pfeil 40a angegeben
ist. Ein Teil der in den Hohlraum 26 geströmten Luft
strömt
durch das Loch 27 des Dichtungsring-Rückhalterings 24 in
den vorderen Raum 34, wie durch einen Pfeil 40b angegeben
ist, und ferner durch den Dichtungsabschnitt 36 in einen
Verbrennungsgas-Durchgang, wie durch den Pfeil 40c angegeben
ist. Außerdem
passiert die Dichtungsluft den Dichtungsabschnitt des Dichtungsrings 25 und strömt in den
hinteren Raum 35, wie durch einen Pfeil 40d angegeben
ist, bis sie schließlich
aus dem hinteren Dichtungsabschnitt 37 zu dem Verbrennungsgas-Durchgang
ausströmt,
wie durch einen Pfeil 40e angegeben ist.
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Durch die oben beschriebene Dichtungsluft 40 wird
der Druck in dem im inneren Deckring 23 ausgebildeten Hohlraum 26 sowie
in den beiden Räumen 34 und 35 höher als
in dem Verbrennungsgas-Durchgang, um zu verhindern, dass das heiße Verbrennungsgas
in den inneren Deckring 23 eintritt. Andererseits muss
ein Zwischenraum bzw. Spiel δh zwischen
den Konfrontationsflächen
des Dichtungsrings 25 eines stationären Abschnitts und den Rotorscheiben 33a und 33b eines
Drehabschnitts aufrechterhalten werden. Das übermäßig große Spiel δh verstärkt das
Auslecken von Luft und vermindert die Dichtungsleistung, und das übermäßig kleine
Spiel δh bewirkt,
dass die stationäre
Seite und die drehbare Seite miteinander in Kontakt treten. Somit
ist es nötig,
das Spiel richtig einzustellen.
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An der Innenseite der Leitschaufel
der Gasturbine ist, wie vorher beschrieben wurde, der Dichtungsring 25 angebracht,
um den Abstand bzw. das Spiel δh an dem Rotor-Scheibenabschnitt
des Drehabschnitts gegenüberliegenden Fläche beizubehalten.
Dieses Spiel δh kann,
wenn es übermäßig groß ist, die
Leckerscheinung verstärken
und die Dichtungsleistung nachteilig beeinflussen, und kann, wenn
es übermäßig klein
ist, bewirken, dass der stationäre
Abschnitt und der Drehabschnitt miteinander in Kontakt kommen.
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Dieses Spiel δh wird verändert, um
sich durch die Einflüsse
der Wärmedehnung
des Drehabschnitts und des stationären Abschnitts im Laufzustand
der Gasturbine, wie zum Beispiel zur Startzeit oder zu einer Last-Laufzeit,
auszudehnen oder zusammenzuziehen. Diese Wärmedehnung unterscheidet sich
nur geringfügig
zwischen dem stationären
Teil und dem Drehteil, aber das Spiel δh muss so eingestellt werden,
dass bei dem Minimalspiel kein Kontakt zwischen den beiden (Teilen)
während
des Laufs stattfindet. Für
gewöhnlich
wird das Spiel δh mit
einer Toleranz eingestellt, um sie von einem Kontakt abzuhalten,
selbst wenn es zu einer Montagezeit minimal ist. Dieses Spiel muss
aber so klein wie möglich
und richtig eingestellt sein, um den Kontakt zu vermeiden. Derzeit
gibt es jedoch kein Mittel zum richtigen Regeln bzw. Einstellen
des Spiels, und es bestand ein starkes Bedürfnis, ein solches Mittel zu realisieren.
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Abriss der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung,
ein aktives Dichtungsspiel-Regelsystem bereitzustellen, das in der
Lage ist, das Spiel zwischen dem stationären Abschnitt und dem Drehabschnitt
einer Gasturbine durch Erfassen der Veränderung im Spiel infolge einer
Wärmedehnung
zu jeder Zeit zu optimieren; so dass die Wärmedehnung bei der Temperatur
der Dichtungsluft durch Reduzieren des Spiels geregelt wird, wenn
dieses Spiel übermäßig groß wird,
und durch Vergrößern des
Spiels, wenn es übermäßig klein
wird.
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Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird
gemäß der Erfindung
das folgende Mittel bereit gestellt.
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Ein Steuersystem einer Dichtung mit
aktivem Spiel für
eine Gasturbinen-Leitschaufel, mit:
einem an einem Gasturbinen-Leitschaufel-Dichtungsring abschnitte
befestigten Sensor gegenüber einer
Rotor-Scheibenfläche zum
Messen eines Spiels zwischen den gegenüberliegenden Flächen;
einen
in einer Dichtungsluft-Zuführleitung
angeordneten Kühler, über den
die Luft von einem Kompressor durch die Innenseite einer Leitschaufel
in einen Hohlraum in der Leitschaufel geleitet wird, um die Luft
zu kühlen,
einem
in einem Bypass-Durchgang parallel mit dem Kühler angeordnetes Strömungsregelventil
sowie
eine Steuereinheit zum Steuern des Strömungsregelventils,
wobei
die Steuereinheit ein Signal hinsichtlich des Spiels von dem Sensor
abruft, um das Strömungsregelventil
zu öffnen,
wenn das Signal höher
als ein voreingestellter Wert ist, und um das Strömungsregelventil
zu schließen,
wenn das Signal niedriger als der voreingestellte Wert ist.
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Bei der Erfindung wird das Spiel
zwischen dem stationären
Abschnitt und dem Drehabschnitt immer durch die Steuer- bzw. Regeleinheit
mittels der Messung des Sensors so überwacht, dass ein Signal von
dem Sensor erfasst wird, wenn das Spiel durch die Wärmedehnung
zur Startzeit oder zu der Last-Laufzeit der Gasturbine verändert wird,
und wird in die Steuer- bzw. Regeleinheit eingegeben. An dieser
Steuereinheit ist ein optimaler Spielwert voreingestellt und nimmt
eine Steuerung bzw. Regelung vor, um das Strömungsregelventil zu öffnen, wenn das
Eingangssignal des Sensors höher
ist als der eingestellte Wert, um einen Teil der Luft von dem Kompressor
unter Umgehung des Kühlers
in den Hohlraum zu leiten, so dass die Temperatur der Dichtungsluft
angehoben wird, um die Wärmedehnung des
stationären
Abschnitts zu vergrößern, wodurch das
Spiel reduziert wird.
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Wenn das Eingangssignal des Sensors
niedriger als der eingestellte Wert ist, können der stationäre Abschnitt
und der Drehabschnitt miteinander in Kontakt kommen. Daher schließt die Steuer-
bzw. Regeleinheit das Strömungsregelventil,
um die gesamte Luftströmung
beim Kühler
so abzukühlen, dass
die Temperatur der Dichtungsluft abgesenkt wird, um die Wärmedehnung
des stationären
Abschnitts zu reduzieren, wodurch das Spiel vergrößert wird.
Wenn das Signal des Sensors an dem voreingestellten Wert liegt,
wird das Strömungsregelventil so
eingestellt, dass es seinen vorherrschenden Öffnungsgrad beibehält.
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Somit überwacht die Steuer- bzw. Regeleinheit
das Spiel zu jeder Zeit so, dass das Spiel optimiert werden kann.
Infolgedessen wird der Abstand bzw. das Spiel auf dem Optimalwert
gehalten, so dass das Auslecken von Luft reduziert werden kann, um
die Dichtungsleistung zu verbessern und um den Kontakt zwischen
dem stationären
Abschnitt und dem Drehabschnitt zu verhindern, wodurch ein sicherer
Lauf gewährleistet
ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein
Aufbaudiagramm eines Steuersystems einer Dichtung mit aktivem Spiel
für eine
Gasturbinen-Leitschaufel gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung,
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2 ein
Steuer-Ablaufdiagramm des Steuersystems einer Dichtung mit aktivem
Spiel für
die Gasturbinen-Leitschaufel
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung, und
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3 eine
allgemeine Schnittansicht eines Dichtungsaufbaus der Leitschaufel
der Gasturbine.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Im folgenden wird eine Ausführungsform
der Erfindung spezifisch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
ein Aufbaudiagramm eines Steuersystems einer Dichtung mit aktivem
Spiel für
eine Gasturbinen-Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Wie gezeigt ist, hat eine Leitschaufel 21 einen äußeren Deckring 22 und
einen inneren Deckring 23. Dieser innere Deckring 23 hält einen
Dichtungsring-Rückhaltering 24 an
seinem Flansch fest. Dieser Dichtungsring-Rückhaltering 24 trägt einen
Dichtungsring 25, und durch den Dichtungsring 25 und
den inneren Deckring 23 ist eine Ausnehmung 26 gebildet.
Ein Spiel δh ist
zwischen den gegenüberliegenden
Flächen
des Dichtungsrings 25 und der Rotorscheibe 33a und 33b ausgebildet.
Dieser Aufbau ist identisch mit dem des Standes der Technik, der
mit Bezug auf 3 beschrieben wurde.
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Die Bezugsziffer 10 bezeichnet
eine Steuereinheit, die Bezugsziffer 11 bezeichnet ein
Strömungsregelventil
zum Regeln der Strömung
von Luft; um diese umzuleiten, und die Bezugsziffer 12 bezeichnet
einen Kühler
zum Kühlen
von Dichtungsluft. Dieser Kühler 12 ist
an der Dichtungsluftleitung an der Gasturbine mit einer Eingangsgastemperatur
von 1.500°C
vorgesehen, wird aber der Gasturbine, die keinen permanenten Kühler aufweist,
neu hinzugefügt.
Die Bezugsziffer 13 bezeichnet einen Bypass-Durchgang,
und die Bezugsziffer 14 bezeichnet einen Spiel-Messfühler, der
an dem Gasturbinen-Leitschaufel-Dichtungsring 25 gegenüber der Rotorscheibenfläche angebracht
und befestigt ist.
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In der Dichtungsluftleitung wird
die Luft von dem Kompressor abgezogen und durch den Kühler 12 geleitet.
Die Dichtungsluft 50 wird in ein Fach eingeleitet und ferner
von dem äußeren Deckring 22 über die
Innenseite der Leitschaufel 21 so geleitet, dass sie über ein
Dichtungsluftrohr 28, das durch den inneren Deckring 23 hindurch
ausgebildet ist, in den Hohlraum bzw. die Ausnehmung 26 geleitet
wird. Die Dichtungsluft von diesem Hohlraum 26 strömt wie beim
Stand der Technik durch die (nicht dargestellten) Löcher 27 des
Dichtungsring-Rückhalterings 24 in
einen Raum 34, wie durch einen Pfeil angedeutet ist, und
strömt
in einen Dichtungsabschnitt 36 aus. Desgleichen erreicht
die Dichtungsluft, nachdem sie den Dichtungsring 25 passiert
hat, eine Luftkammer 35 und strömt in einen Dichtungsabschnitt 37 aus. Somit
ist die stationäre
Schaufel 21 so aufgebaut, dass sie das Einströmen des
Gases durch Abdichten der Innenseite des inneren Deckrings 23 gegenüber dem
heißen
Verbrennungsgas verhindert. Es ist auch der Bypass-Durchgang 13 zum
Leiten eines Teils der Luft vorgesehen, während diese den Kühler 12 durch Öffnen des darin
angeordneten Strömungsregelventils 11 umgeht.
Dieser Durchgang 13 wird gesteuert, um die Luft durch die
Steuerung der Steuereinheit 10 umzuleiten, um das Strömungsregelventil 1 zu öffnen/schließen.
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Bei dem so aufgebauten System wird
das Spiel δh zu
jeder Zeit durch den Spiel-Messfühler 14 so überwacht,
dass sein Signal der Steuereinheit 10 eingegeben wird.
Die Dichtungsluft wird von dem Kompressor abgeführt und durch den Kühler 12 abgekühlt, so
dass die Dichtungsluft 50 von dem Dichtungsrohr 28 in
den Hohlraum bzw. die Ausnehmung 26 geleitet wird. Die
Temperatur Tair der Luft aus dem Kompressor
beträgt
etwa 200 bis 300°C
für ein
Beispiel der Gasturbine mit einer Eingangsgastemperatur von 1.300°C, und die
Dichtungsluft wird auf etwa Tc = 150 bis 200°C durch den Kühler abgekühlt und als
Dichtungsluft 50 eingespeist.
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In der Steuereinheit 10 wird
das Signal von dem Spiel-Messfühler 14 überwacht
und wird mit einem voreingestellten optimalen Spielwert verglichen. Falls
das Spiel übermäßig groß ist, wird
das Strömungsregelventil 11 geöffnet, um
einen Teil der Luft vom Kompressor in die Kühlluft einzumischen, wobei der
Kühler 12 umgangen
wird, so dass die Temperatur der Kühlluft angehoben wird, um die
Wärmedehnung
des Dichtungsring-Rückhalterings 24 und
des Dichtungsrings 25 zu vergrößern, wodurch das Spiel kleiner
wird.
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Falls das Spiel übermäßig klein ist, kann andererseits
ein Kontakt mit der Rotorscheiben-Seite auftreten. Daher wird das
Strömungsregelventil 11 geschlossen,
um die Menge an umgeleiteter Luft zu reduzieren, so dass die Temperatur
der Dichtungsluft gesenkt wird, um die Wärmedehnung des Dichtungsring-Rückhalterings 24 und
des Dichtungsrings 25 zu reduzieren, wodurch das Spiel
vergrößert wird.
Wenn sich das Signal des Messfühlers
bzw. Sensors auf dem eingestellten Wert befindet, ist das Strömungsregelventil
so eingestellt, dass es den vorherrschenden Öffnungsgrad beibehält.
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2 ist
ein Ablaufdiagramm zur Darstellung der bisher beschriebenen Steuer-
bzw. Regelungsituationen. Wie gezeigt ist, wird das Signal von dem
Spiel-Messfühler 14 bei S1
durch die Steuereinheit 10 überwacht. Bei S2 wird überprüft, ob das
gemessene Spiel auf dem voreingestellten, in der Steuereinheit 10 vorhandenen
Optimalwert steht. Falls ein gleiches Resultat erhalten wird, wird
bei S15 festgestellt, dass das Spiel optimal ist, und der vorherrschende Öffnungsgrad
des Strömungsregelventils wird
beibehalten.
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Falls bei S2 festgelegt wird, dass
das Spiel nicht gleich dem eingestellten Wert ist, wird bei S3 überprüft, ob das
Spiel größer als
der eingestellte Wert ist oder nicht. Falls die Antwort NEIN ist,
wird bei S4 festgestellt, dass das gemessene Spiel kleiner ist. Bei
S5 wird das Strömungsregelventil 11 geschlossen.
Bei S6 wird die Kühllufttemperatur
TC verringert. Bei S7 wird die Wärmedehnung
des Dichtungsring-Rückhalterings 24 oder
dergleichen auf der stationären
Seite reduziert. Bei S8 wird das Spiel δh vergrößert. Bei S9 wird festgestellt,
dass das Spiel sich verändert
hat.
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Dann kehrt die Routine zu S1 zurück, bei dem
das Signal des Spiel-Messfühlers 14 überwacht wird.
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Falls bei S3 festgestellt wird, dass
der gemessene Wert des Spiel-Messfühlers 14 größer ist als
der eingestellte Wert, wird bei S10 bestimmt, dass das gemessene
Spiel groß ist.
Bei S11 wird das Strömungsregelventil 11 geöffnet. Bei
S12 wird die Kühllufttemperatur
Tc angehoben. Bei S13 wird die Wärmedehnung
des Dichtungsring-Rückhalterings 24 auf
der stationären
Seite erhöht.
Bei S14 wird festgestellt, dass das Spiel 14 reduziert
worden ist. Dann geht die Routine auf S9 über und kehrt wieder zu S1 zurück, wo das
Signal des Spiel-Messfühlers 14 überwacht
wird.
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Hier ist die erste Ausführungsform
zu dem Beispiel beschrieben worden, bei dem das Strömungsregelventil 11 geöffnet/geschlossen
wird. Die Öffnung
des Strömungsregelventils 11 kann
aber natürlich
auch gemäß der Größe des Spiels
eingestellt bzw. angepasst werden, wodurch die Strömungsrate des
Bypass-Durchgangs 13 bestimmt wird.
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Andererseits kann das bisher beschriebene Spiel- Steuersystem natürlich auch
an jeder der stationären
Schaufeln angebracht werden, die mit mehreren Stufen oder nur mit
der stationären
Schaufel als notwendiger Stufe aufgebaut sind.
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Gemäß dem Steuersystem einer Dichtung mit
aktivem Spiel für
die Gasturbinen-Leitschaufel der bisher beschriebenen Ausführungsform
wird das Signal des Spiel-Messfühlers 14,
der an dem Dichtungsring-Rückhaltering 24 auf
der stationären
Seite angebracht ist, zu jeder Zeit durch die Steuereinheit 10 überwacht,
um die Temperatur der Dichtungsluft 50, die von dem Kühler 12 abzukühlen ist,
zu steuern, wodurch die Wärmedehnung
derart ist, dass das Spiel δh auf
den Optimalwert gesteuert werden kann. Infolgedessen wird das Spiel
auf der stationären
Seite und der sich drehenden Seite immer optimal gehalten, um die
Dichtungsleistung zu verbessern und die Störung durch den Kontakt zu verhindern.