EP0995881B1 - Dichtungsanordnung - Google Patents

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EP0995881B1
EP0995881B1 EP99810907A EP99810907A EP0995881B1 EP 0995881 B1 EP0995881 B1 EP 0995881B1 EP 99810907 A EP99810907 A EP 99810907A EP 99810907 A EP99810907 A EP 99810907A EP 0995881 B1 EP0995881 B1 EP 0995881B1
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EP
European Patent Office
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sealing arrangement
guide
arrangement according
felt
sealing
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EP99810907A
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EP0995881A3 (de
EP0995881A2 (de
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Alexander Dr. Beeck
Mohamed Dr. Nazmy
Bernhard Dr. Weigand
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Alstom SA
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F01D11/006—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement for reducing leakage currents within a flow rotation machine according to the preamble of Claim 1.
  • Seals consist of a sealing surface with or without a spring element exist and in a correspondingly provided in the rotor or guide blade root Sealing groove contour.
  • the spring element generates one Contact pressure as well as the positioning of the sealing surface between those to be sealed Contours.
  • Such seals are used in static gas turbine components carrying hot gas, such as turbine guide vanes, heat accumulation segments or combustion chamber segments to reduce cooling air consumption, to prevent axial gap flows with hot gas and to shield against heat radiation.
  • the two sealing surfaces has, which each include an elastic corrugated surface.
  • the sealing arrangement to be designed in different surface shapes However, it requires flat, sealed contour surfaces on which they lie flat can. Is it the sealing of intermediate gaps, that of curved Surfaces are included, so the known sealing arrangement bumps to its limits.
  • GB 1 580 884 also describes a sealing arrangement with sealing elements made of metal, thermoplastic or ceramic.
  • the invention has for its object a sealing arrangement for reduction of leakage currents within a rotary flow machine, preferably an axial turbomachine, with rotor and guide vanes, each in at least a row of guide blades or guide vanes are arranged and have blade feet, via which the individual rotor blades and guide vanes are connected with fastening contours are to be designed such that the sealing arrangement between any shape Gaps between spaces is adjustable.
  • the sealing arrangement should consist of one Material that corresponds to the operating conditions prevailing in a gas turbine plant, with regard to the high temperatures and pressure conditions, without prejudice survives.
  • a sealing arrangement according to the preamble of the claim 1 designed such that in the space between two adjacent Blade feet within a guide or blade row or between Guide and / or blades and adjacent components of the turbomachine a sealing element comprising a felt-like material is provided.
  • Felt-like materials based on intermetallic fibers can be undamaged Temperatures of over 1000 ° C survive because of the intermetallic Fibers have a high heat resistance. They also have one high resistance to oxidation and advantageous thermal conductivity. These properties can also be specifically adjusted by the selected intermetallic fiber and be adapted to the respective conditions. Add to that that through appropriate Choice of the intermetallic used in the manufacture of the felt-like material Fibers a fine-grained structure with selectively adjustable porosity and thus associated elasticity is possible.
  • the intermetallic fibers preferably consist of an intermetallic Aluminum-iron or nickel-based phase or of an alloy of the above mentioned components.
  • the sealing elements according to the invention are designed like a strand and have, depending on the cross-sectional shape of the space to be sealed between two adjacent blade feet, over different strand cross-sections, for example rectangular, angled or cross-shaped cross sections.
  • the strand-like sealing element is preferably firmly attached to at least a blade root attached at a suitable location, for example by gluing, Soldering or welding.
  • a suitable location for example by gluing, Soldering or welding.
  • the felt-like material it is also possible to use the felt-like material to have a precise fit in the correspondingly provided grooves.
  • Figure 1 there are two blade feet 1, 2 in a highly schematic manner opposite, for example arranged in a guide or moving blade row are.
  • a sealing element 3 made of felt-like material.
  • the sealing element 3 is true to shape adapted the surface contours of both blade feet 1 and 2 so that the seal seals both blade feet 1 and 2 gas-tight against each other.
  • the sealing element 3 is fixed with a Blade foot connected. This is preferably done with the help of a soldering, adhesive or Welded joint.
  • the sealing element 3 is fixed with the blade root 1 along its contact contour 4.
  • FIG 2a two are arranged side by side in a perspective view Guide vanes 5 and 6 are shown, each having a headband 7, a guide blade blade 8 and have a guide blade root 9. Between the opposite Headbands 7 of the guide vanes 5 and 6 and the opposite guide vane feet 9 is in each case a sealing element suitably adapted to the intermediate space 3, consisting of felt-like material.
  • FIG. 2a shows two blades 10, 11 arranged side by side - the blade is only for reasons of a clearer presentation Blade 10 not shown - between those in the upper region of the blade feet likewise the sealing elements 3 according to the invention are provided.
  • FIGS. 3a to 3e A large number of differently shaped sealing elements are shown in FIGS. 3a to 3e.
  • the sealing element 3 in FIG. 3a protrudes into two opposite ones Grooves 12, 13 each of two adjacent blade feet.
  • this includes Sealing element 3 both a vertical contact surface of the blade root shown as well as part of the lower horizontal support surface.
  • Figure 3c shows one Sheet metal structure 14 for fastening purposes, on the vertical flank of which Felt-like material provided sealing element 3 is attached.
  • the sealing element 3 can also be made by means of soldered, adhesive and welded connections Detachable connections, such as screw connections, to corresponding Contact surfaces are attached.
  • a side view is shown by a guide vane in the area of the guide vane foot 9 has a sealing element 3, which is blunt on a plane Side surface is soldered.
  • the guide vane sits in the area of the headband 7 the felt-like sealing element 3 'in a corresponding groove-shaped recess within the headband.
  • Such grooves can also be in the form of a dovetail shape be carried out as shown in Figure 3e. Here it can Sealing element 3 inserted laterally into the dovetail-like recess or removed again.
  • sealing elements 3 are provided the entry of hot gases into the space between the housing 17 and the first Prevent vane 18.
  • a further sealing element 3 ' likewise seals the lateral space between the guide vane foot and housing 17 from gas-tight.
  • the sealing arrangement according to the invention consisting of felt-like material, which in Kind of an intermetallic felt is basically in there anywhere Spaces are inserted in which a gas flow is prevented should. Due to the high oxidation resistance and high resistance against mechanical deformations this is suitable on aluminides or Intermetallic felts based on nickel aluminides are particularly preferred for use in gas turbines, where hot temperature conditions and high pressure ratios are predominant.

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung zur Reduzierung von Leckströmen innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Dichtungsanordnungen sind hinreichend bekannt und dienen einer weitgehend gasdichten Verbindung zwischen zwei fest nebeneinander angeordneten Laufschaufeln bzw. Leitschaufeln, die in Turborotationsmaschinen zur Verdichtung oder Entspannung gasförmiger Medien eingesetzt werden.
Es sind Dichtungen bekannt, die aus einer Dichtfläche mit oder ohne einem Federelement bestehen und in eine entsprechend im Lauf- oder Leitschaufelfuß vorgesehenen Dichtnutkontur eingelegt werden. Das Federelement erzeugt hierbei einen Anpreßdruck sowie die Positionierung der Dichtfläche zwischen den zu dichtenden Konturen. Derartige Dichtungen dienen bei Heißgas führenden statischen Gasturbinen-Komponenten, wie Turbinenleitschaufeln, Wärmestausegmenten oder Brennkammersegmenten zur Reduktion des Kühlluftverbrauches, zur Verhinderung von axialen Spaltströmungen mit Heißgas und zur Abschirmung gegenüber Wärmestrahlung.
Aus der US 0 501 700 A1 geht eine Turbinenleitschaufelkonstruktion hervor, deren Leitschaufelfuß sowie Kopfband mittels Federdichtelementen 52, 54 (s. hierzu die Figur 3 der Druckschrift) gegen entsprechende Konturen der Gehäusekomponenten fixiert werden. Der Nachteil von mit Federelementen versehenen Dichtungen besteht u.a. darin, daß nicht ausgeschlossen werden kann, daß das Federmaterial aufgrund der überaus hohen Materialbeanspruchungen hinsichtlich der in Gasturbinen vorherrschenden Temperatur- und Druckbedingungen sehr rasch ermüdet, so daß es seine Federkraft und damit seine Dichtfunktion verliert.
Ferner geht aus der DE 195 20 268 A1 eine Flächendichtung hervor, die zwei Dichtflächen aufweist, die jeweils eine elastische Wellfläche einschließen. Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 5 der angegebenen Druckschrift erstreckt sich die zu einem U geformte Flächendichtung 11 entlang der Innenkontur eines hammerkopfartig ausgebildeten Leitschaufelfußes und dient der Abdichtung von Kühlluft, die in die Leitschaufel eingeblasen wird sowie zum Schutz des Leitschaufelfußes vor heißen Gasen. Die in unterschiedlichen Flächenformen auszubildende Dichtungsanordnung benötigt jedoch ebene, abzudichtende Konturflächen, an denen sie flächig aufliegen können. Handelt es sich um die Abdichtung von Zwischenspalten, die von gekrümmten Oberflächen eingeschlossen sind, so stößt die bekannte Dichtungsanordnung an ihre Grenzen.
Weiterhin beschreibt GB 1 580 884 eine Dichtungsanordnung mit Dichtelementen aus Metall, Thermoplast oder Ceramik.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zur Reduzierung von Leckströmen innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, vorzugsweise einer axialen Turbomaschine, mit Lauf- und Leitschaufeln, die jeweils in wenigstens einer Lauf- bzw. Leitschaufelreihe angeordnet sind und Schaufelfüße aufweisen, über die die einzelnen Lauf- und Leitschaufeln mit Befestigungskonturen verbunden sind, derart auszubilden, daß die Dichtungsanordnung zwischen beliebig geformten Spaltzwischenräumen anpaßbar ist. Ferner soll die Dichtungsanordnung aus einem Material bestehen, das die in einer Gasturbinenanlage vorherrschenden Betriebsbedinungen, hinsichtlich der hohen Temperaturen und Druckverhältnisse, unbeschadet übersteht.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Dichtungsanordnung gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart ausgebildet, daß in den Zwischenraum zweier benachbart angebrachter Schaufelfüße innerhalb einer Leit- oder Laufschaufelreihe oder zwischen Leit- und/oder Laufschaufeln und benachbarten Komponenten der Strömungsmaschine ein filzartiges Material aufweisendes Dichtelement vorgesehen ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist der Einsatz eines an sich bekannten filzartigen Materials, das aus zusammengepreßten, gesinterten intermetallischen Fasern besteht und gezielt in den Zwischenraum zweier Leit- bzw. Laufschaufelfüße zur Reduzierung des Gasaustausches zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen, eingebracht wird.
Filzartige Materialien, die auf intermetallischen Fasern basieren, können unbeschadet Temperaturen von über 1000 ° C überstehen, da die intermetallischen Fasern eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen. Überdies verfügen sie über eine hohe Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften. Diese Eigenschaften können zudem durch die gewählte intermetallische Faser gezielt eingestellt und den jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. Hinzu kommt, daß durch geeignete Wahl der bei der Herstellung des filzähnlichen Materials verwendeten intermetallischen Fasern ein feinkörniges Gefüge mit gezielt einstellbarer Porösität und damit verbunden Elastizität möglich ist.
Vorzugsweise bestehen die intermetallischen Fasern aus einer intermetallischen Phase auf Aluminium-Eisen- oder Nickelbasis oder aus einer Legierung der vorstehend genannten Bestandteile.
Bereits im Wege der Herstellung derartiger Materialien kann ihre Geometrie, mit der sie in den Zwischenraum zweier benachbarter Schaufelfüße oder im Zwischenraum zwischen Schaufelvorderkante und Brennkammersegment eingebracht werden, erzeugt werden. So sind die erfindungsgemäßen Dichtelemente strangartig ausgebildet und verfügen, je nach Querschnittsform des abzudichtenden Zwischenraumes zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen, über unterschiedliche Strangquerschnitte, beispielsweise rechteckig, abgewinkelt oder kreuzartig ausgebildete Querschnitte.
Das strangartig ausgebildete Dichtelement wird vorzugsweise fest an wenigstens einem Schaufelfuß an geeigneter Stelle angebracht, beispielsweise durch Kleben, Löten oder Schweißen. Es ist jedoch auch möglich, das filzartig ausgebildete Material in entsprechend vorgesehene Paßnuten paßgenau zu verfügen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:
Fig. 1
Teilquerschnittsdarstellung durch zwei benachbarte Schaufelfüße mit in einen Zwischenraum eingebrachtes filzartiges Materia;
Fig. 2a, b
perspektivische Darstellung von jeweils zwei benachbarten Laufund Leitschaufeln;
Fig. 3 a,b,c,d,e
Material, beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Dichtungselementes sowie
Fig. 4
Querschnittsdarstellung durch eine Gasturbinenanlage im Bereich des Brennkammeraustrittes sowie Turbineneintrittes.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 stehen sich in stark schematisierter Weise zwei Schaufelfüße 1, 2 benachbart gegenüber, die beispielsweise in einer Leit- oder Laufschaufelreihe angeordnet sind. Im Zwischenraum zwischen beiden Schaufelfüßen ist ein Dichtelement 3, bestehend aus filzartigem Material vorgesehen. Das Dichtelement 3 ist formgetreu an die Oberflächenkonturen beider Schaufelfüße 1 und 2 angepaßt, so daß die Dichtung beide Schaufelfüße 1 und 2 gasdicht gegeneinander abdichtet.
Zu Zwecken einer erleichterten Montage von Schaufelfüßen in entsprechende Aussparungen in Gehäuseteilen der Turbinenanlage ist das Dichtelement 3 fest mit einem Schaufelfuß verbunden. Dies erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Löt-, Kleboder Schweißverbindung.
Im Falle des Ausführungsbeispieles gemäß der Figur 1 ist das Dichtelement 3 fest mit dem Schaufelfuß 1 entlang seiner Berührungskontur 4 verfügt.
In Figur 2a sind in perspektivischer Darstellung zwei nebeneinander angeordnete Leitschaufeln 5 und 6 dargestellt, die jeweils ein Kopfband 7, ein Leitschaufelblatt 8 sowie einen Leitschaufelfuß 9 aufweisen. Zwischen den sich gegenüberliegenden Kopfbändem 7 der Leitschaufeln 5 und 6 sowie der sich gegenüberliegenden Leitschaufelfüße 9 ist jeweils ein geeignet an den Zwischenraum angepaßtes Dichtelement 3, bestehend aus filzartigem Material vorgesehen.
In Figur 2a sind zwei nebeneinander angeordnete Laufschaufeln 10, 11 dargestellt - nur aus Gründen einer übersichtlicheren Darstellung ist das Laufschaufelblatt der Laufschaufel 10 nicht dargestellt -, zwischen denen im oberen Bereich der Laufschaufelfüße ebenso die erfindungsgemäßen Dichtelemente 3 vorgesehen sind.
In Figur 3a bis 3e ist eine Vielzahl unterschiedlich ausgeformter Dichtelemente gezeigt. So ragt das Dichtelement 3 in der Figur 3a in zwei sich gegenüberliegende Nuten 12,13 jeweils zweier benachbarter Schaufelfüße ein. In Figur 3b umfaßt das Dichtelement 3 sowohl eine vertikale Kontaktfläche des dargestellten Laufschaufelfußes als auch einen Teil der unteren horizontalen Auflagefläche. Figur 3c zeigt eine Blechstruktur 14 zu Befestigungszwecken, an deren vertikale Flanke ein aus dem filzartigen Material vorgesehenes Dichtelement 3 angebracht ist. Neben den angegebenen Löt-, Klebe- und Schweißverbindungen kann das Dichtelement 3 auch mittels lösbarer Verbindungen, wie beispielsweise Schraubverbindungen, an entsprechende Kontaktflächen angebracht werden.
In Figur 3d ist eine Seitendarstellung durch eine Leitschaufel dargestellt, die im Bereich des Leitschaufelfußes 9 ein Dichtelement 3 aufweist, das stumpf auf einer ebenen Seitenfläche aufgelötet ist. Im Bereich des Kopfbandes 7 der Leitschaufel sitzt das filzartige Dichtelement 3' in einer entsprechenden nutförmigen Aussparung innerhalb des Kopfbandes. Derartige Nuten können auch in Form einer Schwalbenschwanzform ausgeführt sein, wie es in Figur 3e dargestellt ist. Hierbei kann das Dichtelement 3 seitlich in die schwalbenschwanzartige Ausnehmung eingeschoben bzw. wieder entnommen werden.
In Figur 4 ist ein Querschnitt durch eine Turbinenanlage im Bereich des Brennkammeraustrittes 15 und Turbineneinlasses 16 dargestellt. Zwischen dem Turbinengehäuse 17 und dem Brennkammeraustritt 15 sind Dichtelemente 3 vorgesehen, die den Eintritt von Heißgasen in den Zwischenraum zwischen Gehäuse 17 und der ersten Leitschaufel 18 verhindern. Ebenso dichtet ein weiteres Dichtelement 3' den seitlichen Zwischenraum zwischen Leitschaufelfuß und Gehäuse 17 gasdicht ab.
Die erfindungsgemäße Dichtanordnung, bestehend aus filzartigem Material, das in Art eines intermetallischen Filzes ausgebildet ist, kann grundsätzlich überall dort in Zwischenräumen eingefügt werden, in denen eine Gasströmung unterbunden werden soll. Aufgrund der hohen Oxidationsresistenz und hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Deformationen eignet sich dieses auf Aluminiden oder Nickelaluminiden basierende intermetallische Filze besonders bevorzugt für den Einsatz in Gasturbinen, in denen heiße Temperaturbedingungen und hohe Druckverhältnisse vorherrschend sind.
Bezugszeichenliste
1, 2
Schaufelfuß
3, 3'
Dichtelement
4
Konturverlauf
5, 6
Leitschaufeln
7
Kopfband
8
Leitschaufelblatt
9
Leitschaufelfuß
10, 11
Laufschaufeln
12, 13
Nuten
14
Blechstruktur
15
Brennkammeraustritt
16
Turbineneinlaß
17
Turbinengehäuse
18
Leitschaufel

Claims (7)

  1. Dichtungsanordnung zur Reduzierung von Leckströmen innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, vorzugsweise einer axialen Turbomaschine, mit Laufund Leitschaufeln, die jeweils in wenigstens einer Lauf- bzw. Leitschaufelreihe angeordnet sind und Schaufelfüsse (1, 2) aufweisen, über die die einzelnen Laufund Leitschaufeln mit Befestigungskonturen verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen wenigstens zwei benachbarten Schaufelfüßen (1, 2) innerhalb einer Leit- oder Laufschaufelreihe oder zwischen Leitund/oder Laufschaufeln und benachbarten Komponenten der Strömungsrotationsmaschine ein filzartiges Material aufweisendes Dichtelement (3) vorgesehen ist, wobei das fitzartige Material ein aus zusammengepressten und gesinterten intermetallischen Fasern zusammengesetzter intermetallischer Filz ist.
  2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (3) beidseitig formschlüssig an Außenkonturen der benachbarten Schaufelfüsse (1, 2) angepaßt ist.
  3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (3) wenigstens mit einem Schaufelfuß (1) fest verbunden ist.
  4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine Löt- oder Klebverbindung ist.
  5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallischen Fasern aus einer intermetallischen Phase auf Aluminium-, Eisen oder Nickelbasis oder eine Legierung aus diesen Bestandteilen besteht.
  6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß das filzartige Material über eine Porösität verfügt, so daß das Material von Kühlluft durchdringbar ist.
  7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Komponenten der Strömungsmaschine Gehäuseteile oder Brennkammer sind.
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