EP1350925A2 - Sealing device in turbo machines - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
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- F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
- F01D11/025—Seal clearance control; Floating assembly; Adaptation means to differential thermal dilatations
Definitions
- the invention relates to a device for sealing between the vanes and the rotor of turbomachinery with the Features of the preamble of claim 1.
- a cooled honeycomb seal is known, the at the outer boundary of the flow channel inside a gas turbine is arranged.
- the honeycomb seal is a part of the cooling air, which is the upstream Guide vane is available on the outer shroud, through Holes in the honeycomb ring bearing the Honeycomb supplied.
- the invention is based on the object, the generic Seal so that the distance between the Honeycomb seal and the labyrinth tips to reduce the Leakage currents while increasing the efficiency of Turbomachine can be reduced.
- the sealing gap can be from be designed narrower in the front.
- turbomachines The construction of turbomachines is basically known.
- a formed as a gas turbine turbomachine is shown in FIG. 7 from a housing 16 in which a rotor 17 is rotatably mounted.
- the rotor 17 carries a plurality of rows of blades 18, between which fixed, attached to the housing 16 vanes. 1 are arranged.
- Figs. 1 to 5 and 9 to 11 is a part of the rotor 17 with two blades 18 and the lower part of a vane. 1 shown.
- the vane 1 is at its end facing the rotor 17 provided with a Leitschaufelfuß 14.
- a Leitschaufelfuß 14 At the Leitschaufelfuß 14 is heat-elastic, an inner ring 3 suspended.
- the Leitschaufelfuß 14 provided with a projection 19 which in an adapted recess 20 engages in the inner ring 3, wherein between the end face of the projection 19 of the Leitschaufelfußes 14 and the bottom of the recess 20 of the inner ring 3 a the Thermal expansion receiving gap 13 remains.
- Centering pins 2, in the projection 19 of the vane root 14 and in the bottom the recess 20 of the inner ring 3 are used, provide for a centering of the inner ring 3 on the Leitschaufelfuß 14th
- honeycomb seal 4 On the rotor 17 facing surface of the inner ring 3 is a honeycomb seal 4 soldered.
- the honeycomb seal 4 contains an open honeycomb structure made up of webs. The Webs are connected to the inner ring 3 and limit the after inside open honeycomb.
- the honeycomb seal 4 are labyrinth peaks 5 of a one-piece sealing labyrinth ring opposite, which is mounted on the rotor 17. Between the with the rotor 17 rotating labyrinth tops 5 and the fixed honeycomb seal 4 is a sealing gap of small to be held radial height.
- the guide vanes 1 are cooled and have a cavity 21 on, which is traversed by cooling air.
- the cooling air occurs at the Vane trailing edge 6 off.
- the cooling air is taken from the vane 1. To this end is through the Leitschaufelfuß 14 a first flow channel guided, which is designed as a bore 15 and into the gap 13th between the Leitschaufelfuß 14 and the inner ring 3 opens.
- the first flow channel can also be shown in FIG. 8 as an inner bore 23 of a hollow centering pin 2 may be formed, wherein the Inner bore 23 via a radially through the Leitschaufelfuß 14th guided bore 24 with the cavity 21 of the guide vane 1 in Connection stands.
- the inner bore 23 of the hollow Centering pin 2 is at least one of the second as well Flow channel serving, radial bores 7 connected. In each case one of the radial bores 7 opens into one of the axial holes 8 a.
- At least one of the radial bores 7, which serve as second flow channels, branch off fourth flow channels, as the oblique holes. 9 are guided by the inner ring 3 and in a further annular groove 22 end. In this way, the honeycomb seal 4 is a large area cooled.
- the inner ring 3 consists of two parts, the on the mutually facing sides with grooves and projections are provided.
- the two parts of the inner ring 3 are so put together that the grooves and protrusions into each other and thereby forming serpentines 12 which form a fifth represented by the inner ring 3 guided flow channel.
- the Serpentine 12 are in communication with the axial bores 8. Through this serpentine-like cooling air flow is the residence time the cooling air in the inner ring 3 larger than the others described embodiments.
- the surface becomes for heat transfer (cooling) through the serpentines 12 increases and thus the effectiveness of cooling.
- Fig. 9 shows the cooling air flows a to h for the uncooled Variant of the inner ring 3 according to the prior art.
- a hot gas stream e from the Flow channel of the vane 1 in the annular gap between the Wickelichtung 4 and the labyrinth tips 5 is pulled and there leads to an increase in the leakage current f.
- FIGS. 10 and 11 illustrate the cooling air flows a to 1 for the cooled variant of the inner ring 3, wherein the cooling air flow k is low in FIG. 10 and large in FIG. 11.
- the amount the cooling air flow k can be controlled by a higher pressure of the Cooling air in the vane 1, a larger diameter of the Hole 7 or a change in the flow resistance through the design of the inlet and outlet (rounded, sharp-edged) change the hole 7.
- the cooling air flow k is a cooling air flow of small amount. It is observed that the Hot gas collapse e is avoided and a much lower Leakage flow f through the annular gap between the honeycomb seal 4th and the labyrinth tips 5 flows. The annular gap between the Wickelichtung 4 and the labyrinth tips 5 is in one Direction of the leakage flow f flows through.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abdichtung zwischen
den Leitschaufeln und dem Rotor von Turbomaschinen mit den
Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.The invention relates to a device for sealing between
the vanes and the rotor of turbomachinery with the
Features of the preamble of
Bei einer aus der Praxis bekannten Abdichtung in Turbomaschinen ist der an den Leitschaufeln aufgehängte Innenring mit der aufgelöteten Wabendichtung ungekühlt. Um einen Metallkontakt zwischen dem Rotor und dem Stator der Turbomaschine sicher zu vermeiden, muss der Abstand zwischen der Wabendichtung und den Labyrinthspitzen auf den größtmöglichen Betrag der Wärmedehnung ausgelegt werden. Der verhältnismäßig große Abstand hat einen großen Leckagestrom zur Folge.In a known from practice sealing in turbomachinery is the suspended on the vanes inner ring with the soldered honeycomb seal uncooled. To a metal contact between the rotor and the stator of the turbomachine avoid, the distance between the honeycomb seal and the Labyrinth tips to the maximum amount of thermal expansion be interpreted. The relatively large distance has one large leakage current result.
Aus der DE-A-19 821 365 ist eine gekühlte Wabendichtung bekannt, die an der äußeren Begrenzung des Strömungskanals innerhalb einer Gasturbine angeordnet ist. Zur Kühlung der Wabendichtung wird ein Teil der Kühlluft, welche der stromauf liegenden Leitschaufel am äußeren Deckband zur Verfügung steht, durch Bohrungen in dem die Wabendichtung tragenden Ring der Wabendichtung zugeführt.From DE-A-19 821 365 a cooled honeycomb seal is known, the at the outer boundary of the flow channel inside a gas turbine is arranged. For cooling the honeycomb seal is a part of the cooling air, which is the upstream Guide vane is available on the outer shroud, through Holes in the honeycomb ring bearing the Honeycomb supplied.
Aus der US-A-5 749 701 und der US-A-5 157 914 sind Gasturbinen mit innen gekühlten Leitschaufeln bekannt. Mit den Leitschaufeln sind starr Dichtsegmente verbunden, die eine Wabendichtung enthalten. Die Dichtsegmente sind radial fixiert und nicht wärmeelastisch aufgehängt. Den Dichtsegmenten wird Kühlluft aus den gekühlten Leitschaufeln zugeführt. Diese Kühlluft dient vor allem der Sperrung des Dichtspaltes zwischen den Dichtsegmenten und Labyrinthspitzen und weniger der Kühlung der Wabendichtung. Wegen der nicht wärmeelastischen Aufhängung der Dichtsegmente wird die Breite des Dichtspaltes durch die Kühlluft nicht beeinflusst.From US-A-5,749,701 and US-A-5,157,914 are gas turbines known with internally cooled vanes. With the vanes are rigid sealing segments connected to a honeycomb seal contain. The sealing segments are radially fixed and not heat-elastic suspended. Cooling air is released from the sealing segments fed to the cooled vanes. This cooling air is used especially the blocking of the sealing gap between the sealing segments and labyrinth tips rather than cooling the honeycomb seal. Because of the non-heat-elastic suspension of the sealing segments the width of the sealing gap by the cooling air is not affected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Abdichtung so zu gestalten, dass der Abstand zwischen der Wabendichtung und den Labyrinthspitzen zur Reduzierung der Leckageströme bei gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbomaschine verringert werden kann.The invention is based on the object, the generic Seal so that the distance between the Honeycomb seal and the labyrinth tips to reduce the Leakage currents while increasing the efficiency of Turbomachine can be reduced.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Abdichtung
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.The task is in a generic seal
According to the invention by the characterizing features of
Der als Dichtspalt dienende Ringspalt zwischen der Wabendichtung und den Labyrinthspitzen wird maßgeblich durch die Temperatur des wärmeelastisch aufgehängten Innenringes bestimmt. Die durch den Innenring geführte Kühlluft kühlt diesen und senkt damit dessen Bauteiltemperatur. Dadurch stellt sich aufgrund der geringeren Wärmedehnung ein kleinerer Innendurchmesser der Wabendichtung und somit auch ein kleinerer Ringspalt ein. Durch die Versorgung des Innenringes mit Kühlluft lässt sich damit die Breite des Dichtspaltes beeinflussen. Der Dichtspalt kann von vorne herein enger ausgelegt werden.Serving as a sealing gap annular gap between the honeycomb seal and the labyrinth peaks will be determined by the temperature determined by the heat-elastic suspended inner ring. By Cooling air guided by the inner ring cools and lowers it its component temperature. This raises due to the lower thermal expansion a smaller inner diameter of the Honeycomb seal and thus a smaller annular gap. By the supply of the inner ring with cooling air can thus be the Influence the width of the sealing gap. The sealing gap can be from be designed narrower in the front.
Des weiteren wird ein Heißgaseinbruch aus dem Strömungskanal der Leitschaufel in die Wabendichtung vermieden und dadurch wird sich auch der Leckagestrom dementsprechend verringern. Das geht mit einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbomaschine einher. Durch die Kühlung des Innenringes und der Wabendichtung wird die lebensdauerbegrenzende Materialtemperatur reduziert, die Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit der betroffenen Bauteile verbessert und die Lebensdauer des Heißgasteiles der Turbomaschine erhöht. Durch eine Regelung der Kühlung kann ein Metallkontakt zwischen dem Rotor und dem Stator in transienten Zuständen der Turbomaschine vermieden werden. Aufgrund der angegebenen vorteilhaften Eigenschaften eignet sich die Erfindung besonders für die Nabenabdichtung zwischen dem Rotor und dem Stator von Gasturbinen.Furthermore, a hot gas intrusion from the flow channel of Leitschaufel avoided in the honeycomb seal and thereby becomes the leakage current will decrease accordingly. This works out accompanied by an increase in the efficiency of the turbomachine. By cooling the inner ring and the honeycomb seal is the reduced life-limiting material temperature, the Temperature and corrosion resistance of affected components improved and the life of the hot gas part of the Turbomachine increased. By regulating the cooling can a Metal contact between the rotor and the stator in transient States of the turbomachine can be avoided. Due to the given advantageous properties is the Invention especially for the hub seal between the rotor and the stator of gas turbines.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 - 5
- verschiedene Ausführungsformen einer Einzelheit X einer Gasturbine nach Fig. 7,
- Fig. 6
- die Einzelheit Z nach Fig. 3,
- Fig. 7
- schematisch den Längsschnitt durch eine Gasturbine,
- Fig. 8
- eine andere Ausführungsform der Einzelheit Z nach Fig. 3 und
- Fig. 9 - 11
- verschiedene Ausbildungen der Kühlluftstromverteilungen.
- Fig. 1-5
- various embodiments of a detail X of a gas turbine according to Fig. 7,
- Fig. 6
- the detail Z of Fig. 3,
- Fig. 7
- schematically the longitudinal section through a gas turbine,
- Fig. 8
- another embodiment of the detail Z of Fig. 3 and
- Fig. 9 - 11
- various designs of the cooling air flow distributions.
Der Aufbau von Turbomaschinen ist grundsätzlich bekannt. Eine
als Gasturbine ausgebildete Turbomaschine besteht gemäß Fig. 7
aus einem Gehäuse 16, in dem ein Rotor 17 drehbar gelagert ist.
Der Rotor 17 trägt mehrere Reihen von Laufschaufeln 18, zwischen
denen feststehende, an dem Gehäuse 16 befestigte Leitschaufeln 1
angeordnet sind.The construction of turbomachines is basically known. A
formed as a gas turbine turbomachine is shown in FIG. 7
from a
In den Fig. 1 bis 5 und 9 bis 11 ist ein Teil des Rotors 17 mit
zwei Laufschaufeln 18 und dem unteren Teil einer Leitschaufel 1
dargestellt.In Figs. 1 to 5 and 9 to 11 is a part of the
Die Leitschaufel 1 ist an ihrem dem Rotor 17 zugewandten Ende
mit einem Leitschaufelfuß 14 versehen. An dem Leitschaufelfuß 14
ist wärmeelastisch ein Innenring 3 aufgehängt. Zu diesem Zweck
ist der Leitschaufelfuß 14 mit einem Ansatz 19 versehen, der in
eine angepasste Ausnehmung 20 im Innenring 3 greift, wobei
zwischen der Stirnfläche des Ansatzes 19 des Leitschaufelfußes
14 und dem Grund der Ausnehmung 20 des Innenringes 3 ein die
Wärmedehnung aufnehmender Spalt 13 verbleibt. Zentrierstifte 2,
die in den Ansatz 19 des Leitschaufelfußes 14 und in den Grund
der Ausnehmung 20 des Innenringes 3 eingesetzt sind, sorgen für
eine Zentrierung des Innenringes 3 an dem Leitschaufelfuß 14.The
Auf der dem Rotor 17 zugewandten Fläche des Innenringes 3 ist
eine Wabendichtung 4 aufgelötet. Die Wabendichtung 4 enthält
eine offene Wabenstruktur, die aus Stegen gebildet ist. Die
Stege sind mit dem Innenring 3 verbunden und begrenzen die nach
innen offenen Waben. Der Wabendichtung 4 stehen Labyrinthspitzen
5 eines einteiligen als Dichtung dienenden Labyrinthringes
gegenüber, der auf dem Rotor 17 angebracht ist. Zwischen den mit
dem Rotor 17 rotierenden Labyrinthspitzen 5 und der
feststehenden Wabendichtung 4 besteht ein Dichtspalt von klein
zu haltender radialer Höhe.On the
Die Leitschaufeln 1 sind gekühlt und weisen einen Hohlraum 21
auf, der von Kühlluft durchströmt ist. Die Kühlluft tritt an der
Leitschaufelhinterkante 6 aus.The
Um den Dichtspalt zwischen der feststehenden Wabendichtung 4 und
den rotierenden Labyrinthspitzen 5 gering zu halten und die den
Dichtspalt durchdringenden Leckageströme zu verringern, ist auch
der Innenring 3 und die Wabendichtung 4 gekühlt. Die Kühlung
erfolgt durch einen geringen Teilstrom der zur Kühlung der
Leitschaufel 1 verwendeten Kühlluft, deren Hauptstrom an der
Leitschaufelhinterkante 6 ausströmt.To the sealing gap between the
Die Kühlluft wird der Leitschaufel 1 entnommen. Zu diesem Zweck
ist durch den Leitschaufelfuß 14 ein erster Strömungskanal
geführt, der als Bohrung 15 ausgebildet ist und in den Spalt 13
zwischen dem Leitschaufelfuß 14 und dem Innenring 3 einmündet. The cooling air is taken from the
Von dem Spalt 13 gehen zweite Strömungskanäle aus, die durch den
Innenring 3 als radiale Bohrungen 7 oder als räumlich diagonale
Bohrungen 11 hindurch geführt sind. Die Bohrungen 7, 11 münden
in dritte Strömungskanäle ein, die als axiale Bohrungen 8 durch
den Innenring 3 hindurch geführt sind. Die axialen Bohrungen 8
sind an der hinteren Kante des Innenringes 3 offen und bilden
den Austritt 25. Der Teilstrom an Kühlluft, welcher der
Leitschaufel 1 durch die Bohrung 15 entnommen wird, verteilt
sich in dem Spalt 13 zwischen dem Leitschaufelfuß 14 und dem
Innenring 3, tritt in die radialen und die räumlich diagonalen
Bohrungen 7, 11 ein und über die axialen Bohrungen 8 durch die
Austritte 25 aus. Die der Leitschaufel 1 entnommene Kühlluft
senkt die Temperatur des Innenringes 3 und der Wabendichtung 4,
während diese die Bohrungen 7, 11, 8 passiert (Fig. 1, 3, 6).From the
Der erste Strömungskanal kann gemäß Fig. 8 auch als Innenbohrung
23 eines hohlen Zentrierstiftes 2 ausgebildet sein, wobei die
Innenbohrung 23 über eine radial durch den Leitschaufelfuß 14
geführte Bohrung 24 mit dem Hohlraum 21 der Leitschaufel 1 in
Verbindung steht. Mit der Innenbohrung 23 des hohlen
Zentrierstiftes 2 ist zumindest eine der ebenfalls als zweiter
Strömungskanal dienenden, radialen Bohrungen 7 verbunden.
Jeweils eine der radialen Bohrungen 7 mündet jeweils in eine der
axialen Bohrungen 8 ein.The first flow channel can also be shown in FIG. 8 as an
Gemäß Fig. 4 enden die radialen Bohrungen 7 in einer offenen
Ringnut 10, die in der dem Rotor 17 zugewandten Fläche des
Innenringes 3 eingeschnitten ist. In diesem Falle tritt die der
Leitschaufel 1 entnommene Kühlluft durch die Wabendichtung 4 aus
und kühlt dabei diese direkt.4, the radial bores 7 end in an
Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, können von mindestens einer der
radialen Bohrungen 7, die als zweite Strömungskanäle dienen,
vierte Strömungskanäle abzweigen, die als schräge Bohrungen 9
durch den Innenring 3 geführt sind und in einer weiteren Ringnut
22 enden. Auf diese Weise wird die Wabendichtung 4 großflächig
gekühlt.As shown in FIG. 2, at least one of the
radial bores 7, which serve as second flow channels,
branch off fourth flow channels, as the oblique holes. 9
are guided by the
Gemäß Fig. 5 besteht der Innenring 3 aus zwei Teilen, die auf
den einander zugewandten Seiten mit Nuten und Vorsprüngen
versehen sind. Die beiden Teile des Innenringes 3 sind so
zusammengesetzt, dass die Nuten und Vorsprünge ineinander
greifen und dadurch Serpentinen 12 bilden, die einen fünften
durch den Innenring 3 geführten Strömungskanal darstellen. Die
Serpentinen 12 stehen mit den axialen Bohrungen 8 in Verbindung.
Durch diese serpentinenartige Kühlluftführung ist die Verweildauer
der Kühlluft im Innenring 3 größer als bei den anderen
beschriebenen Ausführungen. Darüber hinaus wird die Oberfläche
zur Wärmeübertragung (Kühlung) durch die Serpentinen 12
vergrößert und damit auch die Effektivität der Kühlung.According to Fig. 5, the
In den Fig. 9 bis 11 sind im Bereich des Innenringes 3 für
verschiedene Varianten die Kühlluftströme a bis 1 dargestellt,
die sich wie folgt zusammensetzen:
Die Fig. 9 zeigt die Kühlluftströme a bis h für die ungekühlte
Variante des Innenringes 3 gemäß dem Stand der Technik. In der
Fig. 9 ist zu erkennen, dass ein Heißgasstrom e aus dem
Strömungskanal der Leitschaufel 1 in den Ringspalt zwischen der
Wabendichtung 4 und den Labyrinthspitzen 5 gezogen wird und dort
zu einer Erhöhung des Leckagestroms f führt. Dies hat weiterhin
eine Temperaturerhöhung des Innenringes 3 mit einer weiteren
wärmeelastischen Dehnung desselben zur Folge.Fig. 9 shows the cooling air flows a to h for the uncooled
Variant of the
Die Fig. 10 und 11 stellen die Kühlluftströme a bis 1 für die
gekühlte Variante des Innenringes 3 dar, wobei der Kühlluftstrom
k in der Fig. 10 gering und in der Fig. 11 groß ist. Die Menge
des Kühlluftstromes k lässt sich durch einen höheren Druck der
Kühlluft in der Leitschaufel 1, einen größeren Durchmesser der
Bohrung 7 oder eine Veränderung des Strömungswiderstandes durch
die Gestaltung des Ein- und Austrittes (gerundet, scharfkantig)
der Bohrung 7 verändern.FIGS. 10 and 11 illustrate the cooling air flows a to 1 for the
cooled variant of the
Fig. 10 zeigt eine Variante mit der Kühlung des Innenringes 3,
wobei es sich bei dem Kühlluftstrom k um einen Kühlluftstrom von
geringer Menge handelt. Es ist zu beobachten, dass der
Heißgaseinbruch e vermieden wird und ein wesentlich geringerer
Leckagestrom f durch den Ringspalt zwischen der Wabendichtung 4
und den Labyrinthspitzen 5 strömt. Der Ringspalt zwischen der
Wabendichtung 4 und den Labyrinthspitzen 5 wird in einer
Richtung von dem Leckagestrom f durchströmt.10 shows a variant with the cooling of the
Wird, wie in Fig. 11 dargestellt, der Kühlluftstrom k erhöht, so
teilt sich dieser in die beiden Leckageströme f und 1 auf, die
zu beiden Seiten des Innenringes 3 den Ringspalt zwischen der
Wabendichtung 4 und den Labyrinthspitzen 5 verlassen. Auch hier
wird der Heißgaseinbruch e und die Pumpwirkung vermieden. Sowohl
in Fig. 10 als auch in Fig. 11 nimmt der Innenring 3 eine
niedrigere Temperatur an, und eine wärmeelastische Dehnung wird
vermieden.If, as shown in Fig. 11, the cooling air flow k increases, so
this is divided into the two leakage currents f and 1, the
on both sides of the
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