EP1245790A1 - Gasturbine - Google Patents

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EP1245790A1
EP1245790A1 EP01107508A EP01107508A EP1245790A1 EP 1245790 A1 EP1245790 A1 EP 1245790A1 EP 01107508 A EP01107508 A EP 01107508A EP 01107508 A EP01107508 A EP 01107508A EP 1245790 A1 EP1245790 A1 EP 1245790A1
Authority
EP
European Patent Office
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sealing ring
gas turbine
ring
turbine according
groove
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01107508A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Tiemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens 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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
    • F05D2230/64—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins
    • F05D2230/642—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins using maintaining alignment while permitting differential dilatation

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with a ring Blades in a flared gas channel and with a gap with the free ends of the blades forming ring, in the existing axially adjacent guide parts Joints are sealed in the radial direction.
  • Gas turbines are often used with changing performance requirements operated. This inevitably leads to transient, thermal loads. To despite different heating behavior of the individual components of a gas turbine To ensure operational safety and its good efficiency, are strung together in the axial direction of the turbine Component joints required. Allow these joints the components are unhindered from each other thermally conditional changes in length, but need to prevent unwanted Gas losses must be sealed.
  • the invention is therefore based on the object for gas turbines a seal with joints of the type mentioned create, even with different heating behavior and combined axial and radial movements of adjacent to each other Guide parts can be used reliably.
  • the arrangement according to the invention ensures a reliable Sealing the joints between adjacent guide parts, even if this is due to different heating behavior at different times independently of one another Axialund / or Carry out radial movements.
  • This slides to balance axially parallel displacements of the neighboring parts against each other an axially parallel leg of the sealing ring in an axially parallel groove and when displaced transversely to the turbine axis the other leg in a right angle to Turbine axis extending groove.
  • the turbine following movements of adjacent components to each other both legs of the sealing ring slide in simultaneously the leading grooves.
  • the arrangement according to the invention is therefore also advantageous because a sealing ring required for their application without great effort in any dimensions and from the most varied Materials can be produced.
  • Way disks 2 for multiple rotor blades fixed with blades 3.
  • the blades 3 are provided on their foot 5 with ribs and grooves with which them in a known manner in the disk 2 assigned to them are wedged.
  • the disks 2 and the blades 3 are along channels, not shown, by compressed fresh air cooled, the blade 3 in the direction of flow give hot propellant to this.
  • the rotor blade ring shown with the rotor blades 3 is in the axial direction on both sides of a wreath Guide vanes 4 flanked.
  • the guide vanes 4 are with their radially inner ends in rings 6 and with their radial outer ends clamped in guide parts 7. Joints between one of the rings 6 on the one hand and a disc 2 on the other are due to rubbing lips of sealing rings 12 locked like a labyrinth.
  • the guide parts 7 are over other components not shown in one also not Turbine housing shown secured against rotation anchored.
  • the blade ring with the blades 3 is on his Outside circumference of a ring 8 includes the free ends the blades 3 forms a blade tip gap 9.
  • the joints 10 are formed by L-shaped sealing rings in cross section 11 closed.
  • the sealing rings 11 are for example made from a metallic angle profile by rolling.
  • the legs of the sealing rings 11 are approximately the same length and are at the edges of their free end by a bevel or a Radius defused.
  • the sealing rings 11 lie with play one of its legs in a groove in one of the guide parts 7 and with the other leg in a groove of the ring 8th
  • the disks 2 and the rings 6 form an inner boundary and the guide parts 7 and the ring 8 have an outer boundary a gas channel in which a stream of compressed and heated gas drives the blades 3.
  • the gas channel is circular in cross-section, its cross-section due to the conical shape of the inner and in particular the external limit increases in the direction of the gas flow.
  • FIG. 1 and 2 show an embodiment in which the apex the L-shaped sealing rings 11 facing the gas channel are.
  • the gas channel faces in each case Flanks of the groove longer than the other flanks.
  • the Axially parallel grooves are located in this version arranged in the upstream of the associated joint 10 Component (guide part 7 or ring 8) and the right-angled, that is, radial to the axis 1 grooves lie in the component located downstream of the associated joint 10 (ring 8 or guide part 7). Shield the elongated flanks of the groove largely the sealing ring 11 from the hot gas and extensively support the webs of the sealing ring 11 as long as the Pressure in the gas channel at the respective joint 10 is less than on the other side of the sealing ring 11.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which the apex of the Cross-section L-shaped sealing rings 11 facing away from the gas channel are. It is advantageous here to be radial to the turbine axis lying leg of each of the sealing rings 11 upstream, that is lying conically downwards, and the axially parallel leg to be arranged downstream, i.e. conically upwards. expedient are not directly the gas channel in this version limiting flanks of the grooves extended and support the Leg of the sealing ring 11 with a larger area than the flanks of the grooves lying directly on the gas channel.
  • both in the embodiment according to FIG. 2 and in the embodiment 3 are sufficient for accommodation large, in particular sufficiently deep grooves to accommodate the Leg of the sealing rings 11 material thickening on the involved Guide parts 7 and the ring 8 provided and effect additionally a stiffening of this in a manner not shown and way against rotation directly or via other components on Turbine housing secured components.
  • the embodiment according to FIG. 2 is preferred used because the result is a particularly elegant Execution of the components involved.

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Abstract

Gasturbinen mit einem Kranz aus Laufschaufeln (3) in einem sich konisch aufweitenden Gaskanal sind üblicherweise von einem sie mit einem Laufschaufelspitzenspalt (9) freihaltenden Ring (8) umfasst, bei dem zu axial benachbarten Leitteilen (7) bestehende Fugen (10) in radialer Richtung abgedichtet sind. Diese Abdichtung ist im Hinblick auf instationäre, thermische Verhältnisse flexibel. Diese Flexibilität ist dadurch erhöht, daß die Fugen (10) zwischen dem Ring (8) und den ihm benachbarten Leitteilen (7) durch im Querschnitt L-förmige Dichtringe verschlossen sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Kranz aus Laufschaufeln in einem sich konisch aufweitenden Gaskanal und mit einem mit den freien Enden der Laufschaufeln einen Spalt bildenden Ring, bei dem zu axial benachbarten Leitteilen bestehende Fugen in radialer Richtung abgedichtet sind.
Gasturbinen werden häufig mit wechselnden Leistungsanforderungen betrieben. Das führt zwangsläufig zu instationären, thermischen Belastungen. Um trotz unterschiedlichen Aufheizverhaltens der einzelnen Komponenten einer Gasturbine deren Betriebssicherheit und deren guten Wirkungsgrad zu gewährleisten, sind zwischen in Achsrichtung der Turbine aneinandergereihten Komponenten Fugen erforderlich. Diese Fugen ermöglichen den Komponenten zwar voneinander ungehinderte thermisch bedingte Längenänderungen, müssen aber zur Verhinderung unerwünschter Gasverluste abgedichtet sein.
Üblicherweise dienen hierzu verschiedene Arten von im Längsschnitt knochenförmigen oder federnden Dichtungen, beispielsweise mit C- oder E-förmigem Querschnitt. Problematisch ist bei im Längsschnitt knochenförmigen Dichtungen deren relative Undichtigkeit und eine durch sie möglicherweise verursachte Verspannung von gegeneinander bewegten Leitteilen, insbesondere bei Bewegungen im Bereich von 2 bis 6 mm. Nachteilig bei federnden Dichtungen sind deren jeweils sägezahnförmige Anlageflächen unter Last, ihr großer benötigter Bewegungsbereich sowie ihr auf vergleichsweise niedrige Temperaturen beschränkter Einsatzbereich.
Durch das US-Patent 4,177,004 ist auch schon eine Dichtung bekannt, bei der von einem Leitteil in Achsrichtung vorstehende Lippen in Nuten in benachbarten Leitteilen eintauchen. Hierdurch wird zwar eine gute Abdichtung einer Fuge zwischen benachbarten Leitteilen erreicht, aber diese Lösung ist auf Anwendungen beschränkt, bei denen ein weitgehend gleiches Aufheizverhalten der beteiligten Leitteile auch bei instationärem Betrieb wenigstens annähernd eingehalten ist. Diese bekannte Lösung erlaubt jedoch keinerlei Relativbewegungen der beteiligten Leitteile in radialer Richtung und ist demzufolge in vielen Anwendungsfällen nicht einsetzbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für Gasturbinen mit Fugen der eingangs genannten Art eine Dichtung zu schaffen, die auch bei unterschiedlichem Aufheizverhalten und kombinierten Axial- und Radialbewegungen einander benachbarter Leitteile zuverlässig einsetzbar ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst, indem die Fugen zwischen dem den Laufschaufelspalt flankierenden Ring und den ihm benachbarten Leitteilen durch im Querschnitt L-förmige Dichtringe verschlossen sind. Zweckmäßig greift dabei je ein Schenkel des L-förmigen Querschnitts jedes Dichtringes in eine Nut im Ring und der jeweils andere Schenkel in eine Nut im benachbarten Leitteil ein.
Die erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet eine zuverlässige Abdichtung der Fugen zwischen benachbarten Leitteilen, auch wenn diese infolge unterschiedlichen Aufheizverhaltens zu unterschiedlichen Zeiten unabhängig voneinander Axialund/oder Radialbewegungen ausführen. Dabei gleitet zum Ausgleich achsparalleler Verschiebungen der benachbarten Teile gegeneinander ein achsparalleler Schenkel des Dichtringes in einer achsparallelen Nut und bei Verschiebung quer zur Turbinenachse der andere Schenkel in einer sich rechtwinkelig zur Turbinenachse erstreckenden Nut. Bei schräg zur Achsrichtung der Turbine folgenden Bewegungen benachbarter Bauteile zueinander gleiten beide Schenkel des Dichtringes gleichzeitig in den sie führenden Nuten. Um dabei unvermeidbare Reibkräfte klein zu halten, liegen die Schenkel des Dichtringes mit Spiel in der sie jeweils aufnehmenden Nut und sind in Richtung der Nuttiefe nahezu widerstandsfrei verschiebbar. Diese Ausführung mit im Querschnitt L-förmigen Dichtringen hat darüber hinaus den Vorteil, dass Scherkräfte infolge verkippender Leitschaufeln aufgenommen werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Ansprüchen 4 bis 11 angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch deshalb vorteilhaft, weil ein zu ihrer Anwendung erforderlicher Dichtring ohne großen Aufwand in beliebigen Abmessungen und aus den verschiedensten Werkstoffen herstellbar ist.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1
einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine Gasturbine und
FIG 2 und 3
eine Einzelheit bei "A" aus diesem Längs-schnitt in einem größeren Maßstab.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Auf einer Achse 1 einer Gasturbine sind auf nicht näher dargestellte Art und Weise Scheiben 2 für mehrere Laufschaufelkränze mit Laufschaufeln 3 befestigt. Die Laufschaufeln 3 sind an ihrem Fuß 5 mit Rippen und Nuten versehen, mit denen sie in bekannter Weise in der ihnen zugeordneten Scheibe 2 verkeilt sind. Die Scheiben 2 und die Laufschaufeln 3 werden entlang nicht dargestellter Kanäle durch komprimierte Frischluft gekühlt, die die Laufschaufel 3 in Strömungsrichtung eines heißen Treibgases an dieses abgeben.
Der dargestellte Laufschaufelkranz mit den Laufschaufeln 3 ist in Achsrichtung auf beiden Seiten von je einem Kranz aus Leitschaufeln 4 flankiert. Die Leitschaufeln 4 sind mit ihren radial innen liegenden Enden in Ringe 6 und mit ihren radial außen liegenden Enden in Leitteile 7 eingespannt. Fugen zwischen einem der Ringe 6 einerseits und einer Scheibe 2 andererseits sind durch aneinander schleifende Lippen von Dichtringen 12 labyrinthartig gesperrt. Die Leitteile 7 sind über weitere nicht dargestellte Bauteile in einem ebenfalls nicht dargestellten Turbinengehäuse gesichert gegen Rotationsbewegungen verankert.
Der Laufschaufelkranz mit den Laufschaufeln 3 ist auf seinem Außenumfang von einem Ring 8 umfasst, der mit den freien Enden der Laufschaufeln 3 einen Laufschaufelspitzenspalt 9 bildet. Zwischen dem Ring 8 und den benachbarten Leitteilen 7 gebildete Fugen 10 sind durch im Querschnitt L-förmige Dichtringe 11 verschlossen. Die Dichtringe 11 sind beispielsweise aus einem metallischen Winkelprofil durch Rollen hergestellt. Die Schenkel der Dichtringe 11 sind etwa gleich lang und sind an den Kanten ihres freien Endes durch eine Schräge oder einen Radius entschärft. Die Dichtringe 11 liegen mit Spiel mit je einem ihrer Schenkel in einer Nut in einem der Leitteile 7 und mit dem jeweils anderen Schenkel in einer Nut des Ringes 8
Die Scheiben 2 sowie die Ringe 6 bilden eine innere Begrenzung und die Leitteile 7 sowie der Ring 8 eine äußere Begrenzung eines Gaskanals, in dem ein Strom aus komprimierten und aufgeheiztem Gas die Laufschaufeln 3 antreibt. Der Gaskanal ist im Querschnitt kreisringförmig, wobei sein Querschnitt infolge konischer Gestalt der inneren und insbesondere der äußeren Begrenzung in Richtung des Gasstromes zunimmt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführung, bei der die Scheitel der im Querschnitt L-förmigen Dichtringe 11 dem Gaskanal zugekehrt sind. Dabei sind jeweils dem Gaskanal zugekehrte Flanken der Nut länger als die jeweils anderen Flanken. Die achsparallelen Nuten befinden sich bei dieser Ausführung jeweils in dem stromauf von der zugehörigen Fuge 10 angeordneten Bauteil (Leitteil 7 oder Ring 8) und die rechtwinklig, also radial zur Achse 1 verlaufenden Nuten liegen in dem stromab von der zugehörigen Fuge 10 liegenden Bauteil (Ring 8 oder Leitteil 7). Die verlängerten Flanken der Nut schirmen den Dichtring 11 gegenüber dem heißen Gas weitgehend ab und stützen großflächig die Stege des Dichtringes 11, solange der Druck im Gaskanal an der jeweiligen Fuge 10 geringer ist als auf der anderen Seite des Dichtringes 11.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung bei der die Scheitel der im Querschnitt L-förmigen Dichtringe 11 vom Gaskanal abgekehrt sind. Hierbei ist es vorteilhaft, den radial zur Turbinenachse liegenden Schenkel jedes der Dichtringe 11 stromauf, also konisch abwärts liegend, und den achsparallelen Schenkel stromab, also konisch aufwärts liegend, anzuordnen. Zweckmäßig sind bei dieser Ausführung die nicht direkt den Gaskanal begrenzenden Flanken der Nuten verlängert und stützen die Schenkel des Dichtringes 11 mit einer größeren Fläche ab als die unmittelbar am Gaskanal liegenden Flanken der Nuten.
Sowohl bei der Ausführung gemäß Fig. 2 als auch bei der Ausführung gemäß Fig. 3 sind zur Unterbringung ausreichend großer, insbesondere genügend tiefer Nuten zur Aufnahme der Schenkel der Dichtringe 11 Werkstoffverdickungen an den beteiligten Leitteilen 7 und dem Ring 8 vorgesehen und bewirken zusätzlich eine Versteifung dieser auf nicht dargestellte Art und Weise gegen Rotation direkt oder über weitere Bauteile am Turbinengehäuse gesicherten Bauteile. Obwohl beide Ausführungen praktikabel sind, wird die Ausführung gemäß Fig. 2 bevorzugt eingesetzt, weil sie im Ergebnis eine besonders elegante Ausführung der beteiligten Bauteile ermöglicht.

Claims (11)

  1. Gasturbine mit einem Kranz aus Laufschaufeln (3) in einem sich konisch aufweitenden Gaskanal und mit einem mit den freien Enden der Laufschaufeln (3) einen Spalt (9) bildenden Ring (8), bei dem zu axial benachbarten Leitteilen (7) bestehende Fugen (10) in radialer Richtung abgedichtet sind,
    dadurch gekennzeichnet , daß die Fugen (10) zwischen dem Ring und dem ihm benachbarten Leitteilen (7) durch im Querschnitt L-förmige Dichtringe (11) verschlossen sind.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet , daß je ein Schenkel des L-förmigen Querschnitts jedes Dichtringes (11) in eine Nut im Ring (8) und der jeweils andere Schenkel in eine Nut im benachbarten Leitteil (7) eingreift.
  3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2
    dadurch gekennzeichnet , daß die Schenkel des Dichtringes (11) mit Spiel in der sie jeweils aufnehmenden Nut liegen und in Richtung der Nuttiefe nahezu widerstandsfrei verschiebbar sind.
  4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3
    dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Schenkel des L-förmigen Querschnitts des Dichtringes (11) etwa gleich lang sind.
  5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekennzeichnet , daß Kanten am Ende eines in eine Nut eintauchenden Schenkels des Dichtringes (11) durch eine Schräge oder eine Rundung entschärft sind.
  6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5
    dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtring (11) aus metallischem Werkstoff besteht.
  7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6
    dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtring (11) durch Rollen aus einem Winkelprofil gefertigt ist.
  8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7
    dadurch gekennzeichnet , daß ausgehend von einer Fuge (10) ein achsparalleler Schenkel des Dichtringes (11) in eine konisch abwärts, stromauf im Gaskanal gelegene und ein zur Turbinenachse (1) senkrechter Schenkel des Dichtringes in eine konisch aufwärts, stromab im Gaskanal gelegene Nut eingreift.
  9. Gasturbine nach Anspruch 8
    dadurch gekennzeichnet , daß eine jeweils dem Gaskanal zugekehrte Flanke der Nut verlängert ausgeführt ist.
  10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7
    dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einer Fuge (10) ein zur Turbinenachse (1) senkrechter Schenkel des Dichtringes (11) konisch abwärts, stromauf im Gaskanal und ein achsparalleler Schenkel des Dichtringes konisch aufwärts, stromab im Gaskanal liegt.
  11. Gasturbine nach Anspruch 10
    dadurch gekennzeichnet, daß eine jeweils vom Gaskanal abgewendete Flanke der Nut verlängert ausgeführt ist.
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