EP1448874B1 - Dichtungsanordnung zur dichtspaltreduzierung innerhalb einer strömungsrotationsmaschine - Google Patents

Dichtungsanordnung zur dichtspaltreduzierung innerhalb einer strömungsrotationsmaschine Download PDF

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EP1448874B1
EP1448874B1 EP02767798A EP02767798A EP1448874B1 EP 1448874 B1 EP1448874 B1 EP 1448874B1 EP 02767798 A EP02767798 A EP 02767798A EP 02767798 A EP02767798 A EP 02767798A EP 1448874 B1 EP1448874 B1 EP 1448874B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
platform
arrangement according
seal arrangement
sealing element
blade
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02767798A
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English (en)
French (fr)
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EP1448874A1 (de
Inventor
Erhard Kreis
Markus Oehl
Ulrich Rathmann
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
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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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • 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
    • F01D11/008—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor by spacer elements between the blades, e.g. independent interblade platforms
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S277/00—Seal for a joint or juncture
    • Y10S277/935—Seal made of a particular material
    • Y10S277/939—Containing metal
    • Y10S277/941—Aluminum or copper

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement for sealing gap reduction within a flow rotating machine, preferably an axial turbomachine according to the preamble of claim 1.
  • a sealing arrangement for sealing gap reduction within a flow rotating machine, preferably an axial turbomachine according to the preamble of claim 1.
  • Such an arrangement is for example DE-A1-198 48 103 known.
  • Generic sealing arrangements are well known and serve a largely gas-tight connection between two fixed longitudinally in a row of blades juxtaposed running or vanes, which are used in turbo rotation machines for compression or expansion of gaseous media, depending on whether it is a compressor or a gas turbine unit.
  • Running and guide vanes adjoin one another via platforms arranged directly on the blade root area, separating the area of the working medium from a plant area to be cooled, be it the rotor arrangement or housing areas of the turbo-rotation machine.
  • spacers can be introduced as spacers between two blade roots along a row of blades, which also adjoin each other via corresponding softanken with the platforms of the blade roots.
  • DE-A-198 48 103 describes a seal assembly for reducing leakage currents within a flow rotating machine, preferably an axial turbomachine, with blades and vanes; which are each arranged in at least one row of blades or guide vanes and have blade roots via which the individual blades and vanes are connected to fastening contours.
  • the embodiment is characterized in that between at least two adjacent blade roots within a guide or blade row or between guide and / or moving blades and adjacent components of the turbomachine, a felt-like material exhibiting sealing element is provided.
  • EP-A-1 076 157 refers to the equipment of a turbine blade of a gas turbine with an intermetallic felt. By occupying the tip of the turbine blade with the intermetallic felt and a coating of a ceramic material, improved protection against thermal and mechanical effects and improved oxidation resistance can be achieved. It is also an arrangement of the intermetallic felt on the turbine blade opposite rotor or stator or on the platform of the turbine blade conceivable.
  • DE-A-198 58 031 relates to an abradable seal between a wall portion and the blade tips of a gas turbine, which consists entirely of a foamed, metallic, corrosion-resistant high-temperature alloy. After a first manufacturing process prefabricated metal foam segments are connected by high-temperature soldering to the wall sections. Alternatively, the non-foamed starting material. The squeal seal is first connected to the wall sections and then foamed at it. Such metal foam seals have an optimal sealing behavior, while improving the insulation of the housing structure against the hot gas. By influencing the foaming parameters, the cell structure of the rubbing seal can be influenced within certain limits, so that the inlet properties, the flow obstruction and the insulating effect are determined in this way.
  • the U-shaped surface seal extends along the inner contour of a hammerhead-shaped vane root and serves to seal cooling air blown into the vane and to protect the vane root from hot gases.
  • the sealing arrangement to be formed in different surface shapes requires flat, contoured surfaces to be sealed against which they can rest flatly. When it comes to the sealing of intermediate gaps which are enclosed by curved surfaces, the known sealing arrangement reaches its limits.
  • the silicone rubber strip is glued to the underside of a blade platform and thereby overlaps the surface of the adjacent blade.
  • the intermediate gap between the adjacent blade platforms can be largely sealed.
  • a disadvantage of the use of silicone gaskets is their limited temperature resistance, which makes their use in high-performance gas turbines, in which temperatures of up to 1200 ° C. prevail, appear questionable.
  • the intermediate gap between two adjacent vane feet is selected to be too large in the cold state, large intermediate gaps exist despite thermally induced material expansions in the nominal operating state of the flow rotary machine, for example a gas turbine plant, through which significant leakage losses occur.
  • the invention as characterized in the claims, the object underlying a sealing arrangement for Dichtspaltreduzierung within a flow rotating machine, preferably an axial turbomachine, with blades and vanes, which are each arranged in at least one row of blades and vanes and blade feet over each which are in fastening contours within the rotor and vane rows such that, during the hot operating behavior of the turbomachine, an optimally minimal sealing gap is formed between two adjacent blade roots, which on the one hand effectively and optimally reduces a possibly existing leakage flow and on the other hand does not cause compressive forces between the blade roots by the circumferential direction of a blade row fastened blade roots are claimed in a defective manner.
  • the seal assembly should also be resistant to high temperatures and oxidation and thus have a long life.
  • the invention is based on the idea, in contrast to the previously known approaches, in which two adjacent blade roots are as firm and intimately with each other, have two adjacent blade feet so loose against each other, so that the blade feet are exposed to pressure forces even when hot, the lead to mechanical tension in the blade roots, but still include a minimum possible sealing gap with each other.
  • the plastically deformable material is also to be provided between components of the flow rotary machine, such as spacer spacers along a row of guide blades or blades or heat shield segments, the so-called Heartshields.
  • plastically deformable materials are preferably sintered metals, metal foams and porous metallic coating materials used.
  • Sintered metals which are present in their original form as powdered nickel aluminide, iron aluminide or cobalt aluminim and preferably can be applied under high pressure to at least one of two opposite flanks of a blade root, are preferred oxidation-resistant sealing materials.
  • metal foams in the form of nickel or nickel alloy foams, cobalt or cobalt-forming foams, as well as aluminum or aluminum alloy foams, which are applied to the respective side flank of a blade root, for example by means of a soldering or welding process, and are permanently available therewith.
  • metallic porous coatings such as the provision of so-called MCrAIY layers, where M is selected for an element of the group consisting of iron-cobalt-nickel, is particularly suitable as a sealing material in the sense described above.
  • Such material compounds can also be applied by means of flame spraying onto the surface of an edge of a blade root.
  • suitable spray parameters different porosities can be set in a targeted manner, whereby the degree of plasticity is almost arbitrarily adjustable.
  • any oxidation-resistant, plastically deformable materials can be used for the above-mentioned purpose, which are suitably available by means of flame spraying, electrodeposition, vacuum coating, plating or using the blade roots with soldering and welding techniques.
  • Fig. 1a is a partial cross-sectional view through two, along a row of blades extending in the circumferential direction (see arrow) on a rotor assembly 1, immediately adjacent opposite platforms 21, 31 of two blade roots 2, 3, which extend into the rotor assembly 1 for attachment, shown.
  • FIG. 1a shows the cold state, ie the state of the blade roots 2, 3 before the flow rotary machine is put into operation, which represents, for example, a compressor unit or a gas turbine stage.
  • a layer-shaped, consisting of plastically deformable material sealing element 4 is provided in each case, which together include a cold gap 5 with a cold gap width s c with each other.
  • the cold gap width s c typically has a spacing of between 0.01 and 5 mm.
  • Fig. 1 b the same arrangement is shown in the hot state, ie after already completed thermal expansion of the two opposite blade roots 2, 3 with the platforms 21, 31.
  • Both sealing elements 4 are subjected to force against each other and at least partially plastically deformed due to the prevailing joining forces, which has reduced their effective material thickness.
  • lateral over-crimping regions 41 have formed, which also remain in a recirculation in the cold state due to the plastic deformation.
  • Fig. 2 two contoured edges of two platforms 7, 8 are shown by vanes, which delimit a hot gas channel 9 within a gas turbine plant relative to a stator housing, not shown. Also in this case, a part of the platform flank 81 has a sealing element 4 consisting of plastically deformable material, against which a corresponding shoulder of the platform 7 is pressed and at the same time cooled by a cooling channel 72.
  • FIG. 4 shows a further alternative embodiment of two opposing platforms 7, 8, in which two opposite flanks 71, 81 with corresponding sealing elements 4 are provided. Additional cooling channels 72, 82 provide for a corresponding local cooling.
  • FIG. 5 the plan view of two arranged along a row of vanes guide vanes with associated platforms 7, 8 along the two side edges 73, 83 are arranged side by side.
  • the provided on both side edges 73 and 83 sealing elements 4 are dimensioned such that adjusts the most uniform possible minimum hot gap. This is complicated by the occurring tilting of both platforms 7, 8 relative to each other. However, this can be taken into account by suitable choice of layer thickness in the sealing elements
  • FIG. 6 shows a further alternative embodiment comparable to FIGS. 2 to 4.
  • the platform flank of the vane has a raised-sealing nose 74 which is locally pressed into the opposite sealing element 4, resulting in a local, simple plastic deformation within the sealing element 4, through which the leakage current can be effectively suppressed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung zur Dichtspaltreduzierung innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, vorzugsweise einer axialen Turbomaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus DE-A1-198 48 103 bekannt.
    • Stand der Technik
  • Gattungsgemäße Dichtungsanordnungen sind hinreichend bekannt und dienen einer weitgehend gasdichten Verbindung zwischen zwei fest, längs in einer Schaufelreihe nebeneinander angeordneten Lauf- bzw. Leitschaufeln, die in Turborotationsmaschinen zur Verdichtung bzw. Entspannung gasförmiger Medien eingesetzt werden, je nachdem ob es sich um eine Verdichter- oder eine Gasturbineneinheit handelt. Lauf- und Leitschaufeln grenzen über unmittelbar am Schaufelfussbereich angeordnete Plattformen aneinander, den Bereich des Arbeitsmediums von einem zu kühlenden Anlagenbereich, sei es die Rotoranordnung oder Gehäusebereiche der Turborotationsmaschine, abtrennen. Auch können Zwischenstücke als Distanzelemente zwischen zwei Schaufelfüssen längs ein Schaufelreihe eingebracht sein, die ebenfalls über entsprechende Seitenftanken mit den Plattformen der Schaufelfüsse aneinandergrenzen. Eben jene Stossflächen aneinandergrenzender Plattformen zweier benachbarter Schaufelfüsse bzw. Schaufelfüsse und Distanzelemente gilt es zur Vermeidung von Leckageströmungen gegeneinander möglichst wirkungsvoll abzudichten. Der Einfachheit halber ist im Weiteren vom Aneinandergrenzen der Schaufelfüsse und den damit verbundenen Dichtspalten die Rede, worunter jedoch die vorstehenden Zusammenhänge gemeint sind.
  • DE-A-198 48 103 beschreibt 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. Die Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen wenigstens zwei benachbarten Schaufelfüßen innerhalb einer Leit- oder Laufschaufelreihe oder zwischen Leit- und/oder Laufschaufeln und benachbarten Komponenten der Strömungsmaschine ein filzartiges Material aufweisendes Dichtelement vorgesehen ist.
  • EP-A-1 076 157 bezieht sich auf die Ausstattung einer Turbinenschaufel einer Gasturbine mit einem intermetallischen Filz. Durch die Besetzung der Spitze der Turbinenschaufel mit dem intermetallischen Filz und einem Überzug mit einem keramischen Material kann ein verbesserter Schutz gegen thermische und mechanische Einwirkungen und eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit erreicht werden. Es ist auch eine Anordnung des intermetallischen Filzes an dem der Turbinenschaufel gegenüberliegenden Rotor bzw. Stator oder auf der Plattform der Turbinenschaufel denkbar.
  • DE-A-198 58 031 betrifft eine Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine, die vollständig aus einer aufgeschäumten, metallischen, korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierung besteht. Nach einem ersten Herstellungsverfahren werden vorgefertigte Metallschaumsegmente durch Hochtemperaturlöten mit den Wandabschnitten verbunden. Alternativ kann das nicht aufgeschäumte Vormaterial. Der Anstreifdichtung zunächst mit den Wandabschnitten verbunden und anschliessend daran aufgeschäumt werden. Solche Metallschaumdichtungen besitzen ein optimales Dichtverhalten, bei gleichzeitiger Verbesserung der Isolierung der Gehäusestruktur gegen das Heissgas. Durch Einflussnahme auf die Aufschäumparameter ist die Zellstruktur der Anstreifdichtung in bestimmten Grenzen beeinflussbar, so dass die Einlaufeigenschaften, die Umströmungsbehinderung und die Isolierwirkung auf diese Weise bestimmt werden.
  • Aus der EP 0 501 700 A1 geht hierzu eine Turbinenleitschaufelkonstruktion hervor, deren Leitschaufelfuß, sowie Kopfband mittels Federdichtelementen 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 ermüden, so daß sie ihre Federkraft und damit ihre Dichtfunktion verlieren.
  • Ferner geht aus der DE 195 20 268 A1 eine Flächendichtung hervor, die zwei Dichtflächen aufweist, die jeweils eine elastische Wellfläche einschließen. In einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die zu einem U geformte Flächendichtung 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.
  • In der DE 33 03 482 A1 ist eine Rotorbaugruppe beschrieben, innerhalb der die Laufschaufeln über ihre jeweiligen Deckbänder bzw. Plattformen aneinander grenzen. Um Leckage-Ströme zwischen verbleibenden Zwischenspalten, die sich zwischen den aneinandergrenzenden Laufschaufelplattformen einstellen, weitgehend vollständig abzudichten, wird vorgeschlagen, Silikonkautschukstreifen vorzusehen, die an der Unterseite der Laufschaufelplattformen angebracht werden, um den Zwischenspalt zumindest an der Unterseite der aneinandergrenzenden
  • Laufschaufelplattformen abzudichten. Hierzu wird der Silikonkautschukstreifen an der Unterseite einer Laufschaufelplattform verklebt und überlappt dabei die Oberfläche der benachbarten Laufschaufel. Durch die Klebung, sowie durch die durch Rotation auf den Silikonkautschukstreifen einwirkende Fliehkraft kann der Zwischenspalt zwischen den benachbarten Laufschaufelplattformen weitgehend abgedichtet werden. Nachteilhaft bei der Verwendung von Silikondichtungen ist ihre nur begrenzte Temperaturbeständigkeit, durch die ihr Einsatz in Hochleistungsgasfiurbinen, in denen Temperaturen von bis zu 1200 °C vorherrschen, fragwürdig erscheint.
  • Die vorstehend zum Stand der Technik aufgezeigten Beispiele zur Reduzierung des Dichtspaltes zwischen zwei längs einer Laufschaufelreihe angeordneter Lauf- oder Leitschaufeln machen deutlich, dass trotz der Vielzahl bekannter Lösungskonzepte Unzulänglichkeiten bei der Umfangsspaltreduzierung in Schaufelreihen verbleiben. Die hierbei auftretenden Schwierigkeiten sind mit den überaus hohen Betriebstemperaturen, insbesondere beim Betrieb von Gasturbinenanlagen, verbunden, durch die bekannte Dichthilfen zur Reduzierung der einzelnen Dichtspalte erheblich in Mitleidenschaft gezogen werden können und schliesslich ihre anfängliche Dichtfunktion verlieren.
  • Weitere Schwierigkeiten entstehen zudem auch dadurch, dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungseigenschaften der einzelnen Anlagenkomponenten, insbesondere das der Lauf- und Leitschaufeln in ihren Schaufelfußbereichen, sehr stark von den dort verherrschenden Temperaturen abhängen. Werden beispielsweise zwei innerhalb einer Schaufelreihe benachbart angeordnete Schaufelfüße im "kalten" Zustand mit einem minimal kleinen Dichtspalt aneinander gepresst und in dieser Stellung fixiert, so treten im Nennlastbetrieb der Strömungsrotationsmaschine durch thermisch bedingte Materialausdehnungen derart hohe Druckkräfte in Umfangsrichtung der Schaufelreihe zwischen benachbarten Schaufelfüßen auf, die im Fügebereich zwischen jedem einzelnen Schaufelfuss und der jeweiligen Befestigungsnut zu Strukturüberlastungen führen können, die Ursache für eine vorzeitige Materialermüdung und letztlich für einen Totalverlust einer Schaufel sein können.
  • Wird der Zwischenspalt zwischen zwei benachbarten Schaufetfüßen im Kaltzustand hingegen zu groß gewählt, so sind trotz thermisch bedingten Materialausdehnungen im Nennbetriebszustand der Strömungsrotationsmaschine, bspw. einer Gasturbinenanlage, große Zwischenspalte vorhanden, durch die Leckageströme in beträchtlichen Mengen hindurchtreten und somit merkliche Leistungsverluste verursachen.
  • Die vorstehend geschilderten Zusammenhänge machen deutlich, dass für das Erreichen eines möglichst optimalen minimalen Dichtspaltes zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen längs einer Schaufelreihe Dichtspalte im kalten Zustand vorzusehen sind, deren Bemessungen höchst präzise mit sehr engen Toleranzgrenzen einzustellen sind, um im Warmzustand einen gewünschten minimalen Dichtspalt zu erhalten. Dies ist jedoch aufgrund der technischen Gegebenheiten und der nicht exakt vorausbestimmbaren thermischen Ausdehnungseigenschaften der einzelnen Komponenten in der gewünschten Weise nicht realisierbar. Überdies tragen Oxidationserscheinungen an den Flanken bzw. Kanten der Schaufelfüße während des Betriebes dazu bei, dass ursprünglich als optimal bemessene Dichtspaltabstände im kalten Zustand erhebliche Abweichungen erfahren. Dadurch kommt es zu unerwünschten Veränderungen innerhalb des Dichtspalts etc, die im Warmzustand zu sehr hohen Druckkräften zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen und somit zu Strukturüberlastungen, wie vorstehend erwähnt, führen können.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zur Dichtspaltreduzierung innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, vorzugsweise einer axialen Turbomaschine, mit Lauf- und Leitschaufeln, die jeweils in wenigstens einer Lauf- und Leitschaufelreihe angeordnet sind und jeweils über Schaufelfüße verfügen, die in Befestigungskonturen innerhalb der Lauf- und Leitschaufelreihen hineinragen, derart weiterzubilden, dass sich während des heißen Betriebsverhaltens der Turbomaschine ein optimal minimaler Dichtspalt zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen ausbildet, der.einerseits einen möglicherweise bestehenden Leckagestrom effektiv und optimal reduziert und andererseits keine Druckkräfte zwischen den Schaufelfüssen hervorruft, durch die die in Umfangsrichtung einer Schaufelreihe befestigten Schaufelfüße in schadhafter Weise beansprucht werden. Die Dichtungsanordnung soll überdies hochtemperatur- und oxidationsbeständig sein und somit eine lange Lebensdauer aufweisen.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, im Gegensatz zu den bisher bekannten Lösungsansätzen, bei denen zwei benachbarte Schaufelfüsse möglichst fest und innig miteinander verfügt sind, zwei benachbarte Schaufelfüße derart lose gegeneinander zu verfügen, so dass die Schaufelfüße auch im Warmzustand keinen Druckkräften ausgesetzt sind, die zu mechanischen Verspannungen in den Schaufelfüßen führen, aber dennoch einen möglichst minimalen Dichtspalt miteinander einschließen.
  • Dies ist erfindungsgemäß durch die Verwendung eines plastisch leicht verformbaren Materials realisierbar, das gezielt zwischen zwei benachbarte Schaufelfüße eingebracht ist und vorzugsweise eine Materialdicke aufweist, die derart bemessen ist, dass beide Schaufelfüße im Kaltzustand durch einen Kaltspalt in üblicher, fertigbarer Größenordnung von etwa 1/100 mm bis 5 mm voneinander beabstandet sind. Da die einzelnen Schaufelfüße innerhalb der Befestigungskontur längs der Schaufelreihe in Umfangsrichtung fixiert sind, reduziert sich jeweils der zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen eingeschlossene Dichtspalt während des Betriebes der Turbomaschine, vorzugsweise Gasturbinenmaschine, aufgrund der sich einstellenden hohen Betriebstemperaturen und den dadurch initiierten thermischen Materialausdehnungen innerhalb der Schaufelfüße. Bedingt durch die Materialausdehnung bewegen sich die Seitenflanken der Schaufelfüsse aufeinander zu, kommen in Kontakt und vermögen aufgrund weiterer Ausdehnung das zwischen beiden Schaufelfüssen eingebrachte Material plastisch zu verformen, sodass das Material zu einem gewissen Anteil regelrecht aus dem Dichtspalt "herausgequetscht" wird und/oder einer lokalen Materialverdichtung unterliegt, je nach plastischen Verformungsverhalten des Materials. Auf diese Weise werden die von beiden sich gegenüberliegenden Schaufelfüßen ausgehenden Druckkräfte von dem plastisch verformbaren Dichtelement selbst aufgenommen und nicht auf den jeweils gegenüberliegenden Schaufelfuß übertragen. Durch die plastische Verformung des Dichtelementes stellt sich automatisch ein geringst möglicher Warmspalt ein unabhängig von aktuellen Betriebsbedingungen sowie ursprünglich vorgesehener Toleranzen in der Bemessung von Kalt-Dichtspalten sowie entsprechender Dichtelemente.
  • Neben der Dichtspaltreduzierung zwischen benachbarten Schaufelfüssen ist das plastisch verformbare Material auch zwischen Komponenten der Strömungsrotationsmaschine wie Distanzzwischenstücken längs einer Leit- oder Laufschaufelreihe oder Wärmestausegmenten, den sogenannten Heartshields, vorzusehen.
  • Als plastisch verformbare Materialien sind bevorzugt Sintermetalle, Metallschäume sowie poröse metallische Beschichtungsmaterialen verwendbar.
  • Sintermetalle, die in ursprünglicher Form als pulverförmiges Nickelaluminit, Eisenaluminit oder Kobaltaluminit vorliegen und vorzugsweise im Wege eines Flammspritzverfahrens unter hohem Druck auf wenigstens eine zweier sich gegenüberliegenden Flanken eines Schaufelfußes aufbringbar sind, stellen bevorzugte oxidationsbeständige Dichtungsmaterialien dar.
  • Auch ist die Verwendung von Metallschäumen in Form von Nickel- oder Nickellegierungsschäumen, Kobalt oder Kobaltiegierungsschäumen, sowie auch Aluminium oder Aluminiumlegierungsschäume denkbar, die beispielsweise im Wege eines Löt- oder Schweissprozesses auf die jeweilige Seitenflanke eines Schaufelfußes aufgebracht und mit dieser fest verfügbar ist.
  • Auch die Verwendung metallisch poröser Beschichtungen, wie beispielsweise das Vorsehen von sogenannten MCrAIY-Schichten, wobei M für ein Element der Gruppe bestehend aus Eisen-Kobalt-Nickel gewählt ist, eignet sich besonders gut als Dichtungsmaterial im vorstehend geschilderten Sinne. Derartige Materialverbindungen können ebenfalls im Wege des Flammspritzens auf die Oberfläche einer Flanke eines Schaufelfußes aufgebracht werden. Je nach Wahl geeigneter Spritzparameter können unterschiedliche Porositäten gezielt eingestellt werden, wodurch der Grad der Plastizität nahezu beliebig einstellbar ist.
  • Grundsätzlich lassen sich jegliche oxidationsbeständige, plastisch verformbare Materialien zu dem vorstehend genannten Einsatzzweck verwenden, die mittels Flammspritzens, galvanischen Abscheiden, Vakkumbeschichten, Plattieren oder unter Verwendung von Löt- und Schweisstechniken mit den Schaufelfüßen in geeigneter Weise verfügbar sind.
  • Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1a, b
    schematisierter Ausschnitt eines Querschnittes zweier sich gegenüberliegender-innerer Deckbänder zweier Schaufelfüße,
    Fig. 2,3,4
    alternative Ausbildungsformen,
    Fig. 5
    schematisierte Draufsicht auf zwei in einer Leitschaufelreihe benachbart angeordneter Leitschaufeln mit Dichtelemente, sowie
    Fig. 6
    alternative Ausbildungsform.
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • In Fig. 1a ist eine Teilquerschnittsdarstellung durch zwei, längs einer Laufschaufelreihe, die sich in Umfangsrichtung (siehe Pfeil) auf einer Rotoranordnung 1 erstreckt, unmittelbar benachbart gegenüberliegende Plattformen 21, 31 zweier Schaufelfüße 2, 3, die zur Befestigung in die Rotoranordnung 1 hineinragen, dargestellt.
  • Die Fig. 1a zeigt den Kaltzustand, d.h. den Zustand der Schaufelfüße 2, 3 vor Inbetriebnahme der Strömungsrotationsmaschine, die beispielsweise eine Verdichtereinheit oder eine Gasturbinenstufe darstellt. An den sich beiden, unmittelbar gegenüberliegenden Flanken 22, 32 der Plattformen 21, 31 ist jeweils ein schichtförmiges, aus plastisch verformbaren Material bestehendes Dichtelement 4 vorgesehen, die gemeinsam einen Kaltspalt 5 mit einer Kaltspaltweite sc miteinander einschließen. Die Kaltspaltweite sc weist typischerweise einen Abstand zwischen 0,01 und 5 mm auf.
  • In Fig. 1 b ist die gleiche Anordnung im Warmzustand dargestellt, d.h. nach bereits erfolgter thermischer Ausdehnung der sich beiden gegenüberliegenden Schaufelfüße 2, 3 mit den Plattformen 21, 31. Beide Dichtelemente 4 sind kraftbeaufschlagt gegeneinander verfügt und aufgrund der herrschenden Fügekräfte zumindest teilweise plastisch verformt, wodurch sich ihre effektive Materialdicke reduziert hat. An den Randbereichen beider plastisch verformter Schichten 4 gemäß Fig. 1 haben sich seitliche Überquetschungsbereiche 41 gebildet, die auch in einer Wiederrückführung in den Kaltzustand aufgrund der plastischen Verformung verbleiben.
  • Durch das erfindungsgemäße Vorsehen plastisch verformbaren Materials zwischen zwei sich unmittelbar aneinander grenzenden Schaufelfüßen, vorzugsweise zwischen den benachbarten Plattformen 21, 31 der beiden Schaufelfüße 2, 3 bildet sich im Warmzustand ein optimaler minimaler Warmspalt 6 aus, der eine Spaltweite sw aufweist, die im besten Fall nahe Null ist und auf alle Fälle wesentlich kleiner als der Kaltspalt sc.
  • In Fig. 2 sind zwei konturierte Flanken zweier Plattformen 7, 8 von Leitschaufeln dargestellt, die einen Heißgaskanal 9 innerhalb einer Gasturbinenanlage gegenüber einem nicht dargestellten Statorgehäuse abgrenzen. Auch in diesem Fall weist ein Teil der Plattformflanke 81 ein Dichtelement 4 bestehend aus plastisch verformbarem Material auf, gegen das ein entsprechender Absatz der Plattform 7 gepresst wird und zugleich über einen Kühlkanal 72 gekühlt wird.
  • Eine entsprechende Anordnung sieht Fig. 3 vor, bei der sich beide Plattformen 7, 8 über ein keilförmig ausgebildetes Dichtelement 4 aneinander fügen. Das größere Keilende 42 des keilförmig ausgebildeten Dichtelementes 4 ist zu Seiten des Heissgaskanals 9 orientiert.
  • Schließlich ist in der Fig. 4 eine weitere alternative Ausführungsform zweier sich gegenüber befindlicher Plattformen 7, 8 dargestellt, bei denen sich zwei gegenüberliegende Flanken 71, 81 mit entsprechenden Dichtelementen 4 verfügt sind. Zusätzliche Kühlkanäle 72, 82 sorgen für eine entsprechende lokale Kühlung. Schließlich geht aus Fig. 5 die Draufsicht auf zwei längs einer Leitschaufelreihe angeordneter Leitschaufeln mit zugehörigen Plattformen 7, 8 die längs der beiden Seitenkanten 73, 83 nebeneinander angeordnet sind. Die an beiden Seitenflanken 73 und 83 vorgesehenen Dichtelemente 4 sind dabei derart bemessen, dass sich ein möglichst gleichmäßiger minimaler Warmspalt einstellt. Erschwert wird dies durch die auftretende Verkippung beider Plattformen 7, 8 relativ zueinander. Dies kann jedoch durch geeignete Schichtdickenwahl bei den Dichtelemente berücksichtigt werden
  • In Figur 6 ist eine weitere alternative Ausführungsform vergleichbar zu den Figuren 2 bis 4 dargestellt. Die Plattformflanke der Leitschaufel weist eine erhabene-Dichtnase 74 auf, die lokal in das ihr gegenüberliegende Dichtelement 4 gepresst wird, wodurch sich eine lokale, einfache plastische Deformation innerhalb des Dichtelementes 4 ergibt, durch die der Leckagestrom wirkam unterdrückt werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rotoranordnung
    2, 3
    Schaufelfuß
    21, 31
    Plattform
    22, 32
    Seitenflanken
    4
    Plastisch verformbares Material, Dichtelement
    41
    Überquetschungsbereich
    42
    Keilende
    5
    Dichtspalt (Kaltspalt)
    6
    Dichtspalt (Warmspalt)
    7, 8
    Plattform
    71, 81
    Seitenflanken vom Plattform 7, 8
    72, 82
    Kühlkanäle
    73, 83
    Seitenflanken
    74
    Dichtnase
    9
    Heissgaskanal

Claims (16)

  1. Dichtungsanordnung zur Dichtspaltreduzierung innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, vorzugsweise einer axialen Turbomaschine,
    - mit Lauf- und Leitschaufeln, die jeweils in wenigstens einer Lauf- und Leitschaufelreihe angeordnet sind und jeweils über Schaufelfüsse (2, 3) verfügen, die in Befestigungskonturen innerhalb der Lauf- und Leitschaufelreihen hineinragen,
    - wobei die Schaufelfüsse (2, 3) jeweils eine Plattform (7, 8, 21, 31) aufweisen,
    - zwischen wenigstens zwei Plattformen (7, 8, 21, 31) benachbarter Schaufelfüsse (2, 3) längs einer Lauf-oder Leitschaufelreihe oder zwischen einer Plattform (7, 8, 21, 31) eines Schaufelfusses (2, 3) einer Lauf- oder Leitschaufel und einer unmittelbar an die Plattform (7; 8, 21, 31) angrenzenden Komponente der Strömungsrotationsmaschine ein Dichtelement (4) aus plastisch verformbaren Material vorgesehen ist,
    - wobei das Dichtelement (4) wenigstens mit einer Plattform (7, 8, 21, 31) fest verbunden ist und eine von der Oberfläche der Plattform (7, 8, 21, 31) erhabene Dicke aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die zwei benachbarten Plattformen (7, 8, 21, 31) oder die Plattform (7, 8, 21, 31) und die unmittelbar an die Plattform (7, 8, 21, 31) angrenzenden Komponente im Kaltzustand einen Kaltspalt sc und im Warmzustand beim Betrieb der Strömungsrotationsmaschine einen Warmspalt sw miteinander einschließen.
  2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Verbindung des Dichtelements (4) mit der Plattform (7, 8, 21, 31) eine Löt- oder Klebverbindung ist.
  3. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Dichtelement (4) als Schichtmaterial an einer Plattform (7, 8, 21, 31) im Wege eines Abscheideprozesses angebracht ist, und
    - dass das Dichtelement (4) und die Plattform (7, 8, 29, 31) eine metallurgische Verbindung eingehen.
  4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das als Schichtmaterial ausgebildete Dichtelement (4) durch Flammspritzen, galvanisches Abscheiden oder durch Plattieren auf die Plattform (7, 8, 21, 31) aufbringbar ist.
  5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das plastisch verformbare Material (4) Sintermetall, ein Metallschaum oder eine poröse metallische Beschichtung ist.
  6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Sintermetall eine homogene gebackene Verbindung aus NiAl, FeAl oder CoAl ist.
  7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Metallschaum ein Ni-, Co- und/oder Al-haltiger Metallschaum ist.
  8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die poröse metallische Beschichtung MCrAIY aufweist, mit M als ein Metall aus der Gruppe bestehend aus Ni, Co oder Fe.
  9. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass gilt: sw << sc.
  10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich bei Überschreiten eines zwischen zwei Plattformen (7, 8, 21, 31) oder zwischen der Plattform (7, 8, 21, 31) und die unmittelbar an die Plattform (7, 8, 21, 31) angrenzenden Komponente herrschenden Anpressdruckes im Warmzustand der Strömungsrotationsmaschine das Dichtelement (4) zur Bildung eines minimalen Warmspaltes sw plastisch verformt.
  11. Dichtungsanordnung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die plastische Verformung des Dichtelementes (4) im wesentlichen lateral zur Ebene eines durch beide Plattformen (7, 8, 21, 31) oder durch die Plattform (7, 8, 21, 31) und die unmittelbar an die Plattform (7, 8, 21, 31) angrenzenden Komponente eingeschlossenen Dichtspaltes (5, 6) erfolgt.
  12. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Dichtelement (4) keilartig ausgebildet ist, und dass das dickere Keilende (42) den Schaufelblättern zugewandt orientiert ist.
  13. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Plattformen (7, 8, 21, 31) oder die Plattform (7, 8, 21, 31) und die unmittelbar an die Plattform (7, 8, 21, 31) angrenzenden Komponente eine gegenseitig ineinanderragende Kontur aufweisen, an der zumindest den Schaufelblättern zugewandten Konturteil das Dichtelement (4) vorgesehen ist.
  14. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens ein Kühlkanal (72, 82) vorgesehen ist, der im Bereich des Dichtelementes (4) aus der Plattform (1, 8, 21, 31) mündet.
  15. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dem Dichtelement (4) gegenüberliegend an der Plattform (7, 8, 21, 31) eine Dichtnase (74) vorgesehen ist.
  16. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die an die Plattform (7, 8, 21, 31) angrenzende Komponente der Strömungsrotationsmaschine ein Zwischenstück, in Form eines Distanzstückes, oder ein Wärmestausegment ist.
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