EP1456507A1 - Dichtungsbaugruppe für komponenten einer strömungsmaschine - Google Patents

Dichtungsbaugruppe für komponenten einer strömungsmaschine

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EP1456507A1
EP1456507A1 EP02805241A EP02805241A EP1456507A1 EP 1456507 A1 EP1456507 A1 EP 1456507A1 EP 02805241 A EP02805241 A EP 02805241A EP 02805241 A EP02805241 A EP 02805241A EP 1456507 A1 EP1456507 A1 EP 1456507A1
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EP
European Patent Office
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sealing
coolant
sealing element
gas
flow
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EP02805241A
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English (en)
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EP1456507B1 (de
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Shailendra Dr. Naik
Ulrich Rathmann
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D11/127—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with a deformable or crushable structure, e.g. honeycomb
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    • 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
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    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
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    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/612—Foam

Definitions

  • the present invention relates to a seal assembly, in particular for a turbomachine, according to the preamble of claim 1.
  • the present seal assembly can be used in particular for contactless sealing between components that move against one another in areas in which the seal is exposed to high temperature loads.
  • a particular area of application here is the use in turbomachines, in particular in gas turbines, for reducing leakage currents which occur inevitably, for example, between the rotor blades and the housing or between rotor blades and the rotor.
  • turbomachines in particular in gas turbines
  • leakage currents which occur inevitably, for example, between the rotor blades and the housing or between rotor blades and the rotor.
  • JP 61149506 shows a similar embodiment, in which the honeycomb seals are carried by a layer of porous metal, which adjoins a supply chamber for cooling air. In this embodiment, too, the cooling air is brought up to the blade tips through the honeycomb seals.
  • the cooling of a honeycomb seal "honeycomb sealing" for sealing between the blade tips and the housing of a gas turbine has become known.
  • the sealing assembly has two honeycomb-shaped sealing elements which serve simultaneously as rubbing-on coverings, one of which is arranged to seal an axial leakage gap and one to seal a radial leakage gap.
  • the honeycomb-shaped sealing elements are arranged on a carrier ring, in which an annular space is formed which has a fluid connection with sealing elements.
  • the annular space is supplied with cooling medium via supply channels, which flows out through the cavities of the honeycomb seals.
  • the honeycomb seals can be lubricated over large parts of the circumference, for example due to contamination, foreign bodies or even a rubbing event, so that the emerging cooling air mass flow is thereby considerably reduced. This leads to failure
  • honeycomb seals also serve as an outlet for an upstream one Cooling system, the clogging of these outlet areas can lead to a breakdown of the upstream component cooling with the corresponding negative consequences.
  • the object of the present invention is to provide a sealing assembly of the type mentioned at the outset, which avoids the disadvantages of the prior art.
  • the object of the present invention is, in particular, that in the event of blockage of the structures which are permeable to the cooling medium and are comparatively soft, since they are streakily olerant,
  • Sealing assembly is still guaranteed sufficient cooling.
  • the sealing assembly according to the invention proves to be particularly suitable for use in turbomachines, such as gas turbines, for the contactless sealing between rotating and stationary components in the hot gas area.
  • the essence of the invention is to design the seal assembly so that a redundant coolant path is created.
  • at least one redundant coolant channel branches off from the coolant supply to the gas-permeable seal assembly, such that a first one Coolant flow path, which leads to the sealing elements and through the sealing elements, as a result of which transpiration cooling of the gas-permeable sealing elements is realized, and a redundant coolant flow path is formed, the redundant coolant channel preferably viewed upstream of the gas-permeable element in the direction of the hot gas flow to be sealed on the hot gas side of the seal assembly in the
  • Hot gas flow opens.
  • the first coolant path or perspiration cooling path thus leads through gas-permeable soft sealing element, while the redundant coolant channel is guided in a non-gas-permeable and generally mechanically rigid support structure.
  • the redundant coolant channel is designed such that the coolant escaping through redundant coolant openings, in particular cooling air, opens at least approximately parallel to the wall of the hot gas side, in such a way that the coolant emerging there as a cooling film over the gas-permeable sealing element, in particular a honeycomb seal , "Honeycomb", or a porous metal or ceramic element.
  • a transpiration cooling according to the design of the gas-permeable sealing elements is thus combined with a redundant film cooling of the gas-permeable sealing elements. This is also achieved particularly well when the redundant
  • Coolant channel is inclined in the direction of the hot gas flow, in particular in such a way that the coolant partial flow passing through at an angle emerges from the redundant coolant openings of preferably less than 30 ° with respect to the overflowing leakage flow.
  • part of the coolant is used in a highly efficient manner
  • Perspiration cooling is passed directly through the gas-permeable sealing element, while a second coolant flow emerges through the redundant coolant openings.
  • the passage cross-sections of the sealing elements and the redundant coolant openings and / or channels can be dimensioned such that in normal operation only a relatively small part of the total mass flow of the coolant passing through the seal assembly of less than 50%, in particular less than 30%, through the redundant coolant openings. If there is now a blockage of through openings in the gas-permeable sealing element, the pressure loss increases via the first coolant path and the efficiency of the perspiration cooling is reduced.
  • the coolant flow then shifts from the gas-permeable element into the redundant coolant channel, and the part of the coolant that can no longer pass through the gas-permeable sealing element due to the increased flow resistance flows through the redundant coolant outlet opening onto the hot gas side and forms preferred orientation of the redundant coolant channel such that coolant emerging through the redundant coolant opening at least partially flows over the sealing element, a cooling film over the Sealing element. It is advantageous if the coolant emerging through the redundant coolant openings emerges essentially parallel to the front side of the gas-permeable sealing element. In this way, an at least sufficient cooling of the sealing elements is ensured even if the coolant through-flow is prevented by redundant coolant overflow.
  • Coolant outflow into the sealing gap that is, into the leakage flow, in any case also improves the sealing effect, since at least part of the sealing gap cross-section is acted upon by the coolant, and thus the hot gas flow is displaced from the sealing gap.
  • the gas-permeable element is therefore preferably designed and arranged in such a way that the coolant flow passing through opens into the leakage flow and encloses an angle of more than 45 ° with it, and is preferably oriented normally to the leakage flow.
  • the sealing element is designed as a honeycomb honeycomb seal.
  • the sealing element consists of a porous material.
  • the seal assembly according to the invention is such executed that the outlet opening of the redundant coolant channel is upstream of the sealing element with respect to the flowing hot gas or the leakage flow, so that the coolant is guided over the sealing element.
  • the assembly has at least one chamber which is in fluid communication both with the coolant supply and with a gas-permeable sealing element.
  • the task of the chamber is in particular to distribute the coolant over the entire sealing element.
  • the carrier has a plurality of chambers and a plurality of feeds, at least one feed opening into each chamber, and each chamber being connected to at least one sealing element.
  • Each chamber is assigned to a segment, with each segment being completely separated from the other segments with regard to the coolant flow. The segmentation additionally ensures that if one segment fails due to blockage or mechanical damage, the further sealing element segments of the sealing assembly are not impaired in the cooling effect.
  • seal assembly according to the invention is also used in other areas can be in which the appropriate conditions for a flow or flow to the seal assembly are given a suitable coolant.
  • Figure 1 shows an example of the use of an embodiment of a sealing assembly according to the invention in a sealing device for sealing leakage currents between the rotor blade and the housing of a turbomachine.
  • FIG. 2 shows a cross section through the arrangement shown in FIG. 1;
  • Fig. 3 shows a further preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an example for the use of an embodiment of a sealing assembly according to the invention for sealing leakage flows between the tip of a rotor blade 7, or a blade shroud, and the housing of a turbomachine, which is not shown in detail.
  • a hot gas flow 9 flows against the rotor blade. The direction of flow of the hot gas runs from left to right in this example.
  • a sealing gap is formed between the blade tips and the housing of the gas turbine or the sealing assembly, through which a leakage flow 10 to be sealed flows.
  • the sealing assembly according to the invention together with a relatively moving component opposite a sealing surface, in the present case the sealing tips 8a of the blade cover band 8, forms a contactless sealing device which reduces the leakage mass flow.
  • a carrier 1 carries sealing elements 2 directly opposite the sealing tips 8a on the hot gas-flowing side.
  • the sealing elements form narrowest cross sections of the leakage gap with the sealing tips 8a. The narrower these are, the lower the leakage flow. Due to the narrow gap, there is a risk of the rotating sealing tips rubbing against the stationary sealing elements if there are deviations from the design point.
  • the sealing elements are therefore designed so that they can be touched by deformation without causing severe machine damage. These sealing elements are preferably honeycombs, so-called “honeycombs", or porous metal or
  • Coolant for example cooling air
  • the cooling air 11 flows in via a feed 3, and in the exemplary embodiment a partial flow 11a of the cooling air is guided into a chamber 5, and flows out from there through cavities in the sealing element 2, the sealing element being cooled.
  • the chamber distributes the coolant as evenly as possible over the sealing element.
  • a redundant branch therefore branches off from the coolant flow path 3a and 5, which leads to the rear of the sealing element
  • Coolant channel which opens into a redundant coolant opening 4 on the hot gas side of the massive, gas-impermeable carrier.
  • This mouth is arranged upstream of the sealing element 2, as seen in the direction of the flow to be sealed, and the mouth is such that the redundant coolant partial flow 11b emerges from the second subchannel substantially parallel to the sealing element and to the leakage flow.
  • the redundant cooling air flow thus forms a cooling film that lies over the sealing element.
  • the distribution of the design coolant mass flows can be set in a targeted manner by a suitable configuration of the flow cross sections of the different coolant paths, so that, for example, in the undisturbed
  • Normal operation is a comparatively low partial flow, for example less than half of the total cooling mass flow of the seal assembly, over the redundant channel and flows through the redundant coolant openings 4. If the flow of coolant through the sealing element 2 is now impeded, the flow of coolant through the redundant flow path 3b increases, in particular provided that the cooling system is designed in such a way that there is a significant pressure drop upstream of the branching of the flow path, in particular in the area of the feed 3 and the increasing film cooling of the sealing element 2 compensates for the decrease in cooling due to the throughflow at least to such an extent that sufficient cooling of the sealing element and its functionality are ensured in the long term.
  • FIG. 2 shows a cross section of the exemplified device.
  • the arrangement of the sealing elements is divided into segments 6 in the circumferential direction.
  • Each of the sealing elements 2 in a segment is impinged with cooling air by a single chamber 5, each with a separate feed 3, 3a.
  • the chambers 5 are separated from one another in the circumferential direction by webs of the carrier 1.
  • the redundant coolant openings 4 are designed in the manner of elongated holes, so that a circumferential segment of the sealing elements 2 is covered as completely as possible by the film cooling air flow.
  • the cooling air supply of the sealing elements 2 is thus divided into a number of completely independent subsystems in the circumferential direction.
  • damage to the seal for example by tearing out individual segments, is limited to the areas actually affected and further temperature-related damage to the remaining sealing sections is caused by Collapse of the cooling air pressure prevented.
  • only the pressure of the cooling medium in the correspondingly affected chamber collapses. This does not affect neighboring chambers.
  • the feeds 3, 3a have a significantly smaller cross-section than the chambers themselves, so that the feeds act as throttling points for metering the cooling air mass flow. Due to this configuration, the cooling effect in the remaining segments is not significantly influenced if one segment is damaged, so that the remaining segments of the sealing element 2 continue to be cooled according to the design.
  • FIG. 1 Another preferred embodiment of the invention is shown in FIG.
  • the assembly according to the invention is shown for sealing the hot gas flow between moving parts of a gas turbine.
  • the guide blade 12 preceding this in the flow direction is shown.
  • the hot gas flow 9 is oriented from right to left.
  • a gas-permeable sealing element 2 is arranged on a carrier 1 in the stator, the sealing tip 8a and the sealing element together should minimize the leakage flow 10.
  • the foot 13 of the guide vane is impingement-cooled.
  • an impact cooling insert 14 is arranged, which is perforated and conducts coolant with a high impulse to the cooling side of the blade root, where the coolant absorbs heat from the material of the guide blade root 13.
  • the perforation of the impingement cooling insert or impingement cooling plate 14 also serves here as feed 3 for metering in the coolant 11.
  • Impingement cooling insert and cooling of the guide vane root the coolant is located in a chamber 5 essentially surrounded by the blade root 13, the impingement cooling insert 14, the carrier 1, and the sealing element 2.
  • the arrangement of the assembly is again circumferentially symmetrical.
  • the chamber, together with the impingement cooling insert, can advantageously also be segmented analogously to the example shown in FIG. 2, particularly in the circumferential direction.
  • the coolant flows from the chamber to the sealing element 2.
  • a part 11a of the coolant flows through the sealing element to the hot gas side, and a second part 11b flows through the redundant coolant channel 3b as film cooling air over the side of the sealing element facing the hot gas.
  • the cross section of the redundant coolant channel is advantageously dimensioned, for example by a throttle point, in such a way that the coolant 11 flows out of the chamber 5 essentially through the sealing element 2 during normal operation.
  • the pressure loss across the feeds 3 is quite large, and the substantial pressure loss in the case shown Coolant guidance essentially occurs via the impingement cooling insert 14, in such a way that essentially the impingement cooling insert measures the total mass flow of the coolant 11 independently of the downstream components.
  • the redundant coolant channel arranged according to the invention thus ensures on the one hand a minimum cooling of the sealing element, and on the other hand maintains the flow through the impact cooling insert 14 and thus the impact cooling of the blade root 13.

Landscapes

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

Abstract

Eine Dichtungsbaugruppe zur berührungslosen Abdichtung zwischen statischen (1, 13, 12) und bewegten (7, 8) Komponenten, insbesondere einer Gasturbine, umfasst ein gasdurchlässiges abriebtolerantes Dichtungselement (2), welches einer Dichtspitze (8a) gegenüberliegend angeordnet und in einem Träger (1) befestigt ist. Das Dichtungselement (2), beispielsweise ein Wabenelement, 'Honeycomb', ist aufgrund seiner Gasdurchlässigkeit im Betrieb von einem Kühlmittel durchströmbar, wodurch die Kühlung des Dichtungselementes bewirkt wird. Weiterhin ist ein redundanter Kühlmittelkanal (3b) angeordnet, welcher stromauf des Dichtungselementes (2) auf der Heissgasseite der Baugruppe derart mündet, dass dort ausströmendes Kühlmittel (11b) das Dichtungselement auf dessen Heissgasseite überströmt. Bei einem Zusammenbruch der Kühlmitteldurchströmung des Dichtungselementes durch Verstopfen von dessen Durchströmungsquerschnitten wird die Kühlung des Dichtungselementes auf diese Weise von aus dem redundanten Kühlkanal ausströmender Filmkühlmittel übernommen. Die Zumessung des Kühlmittelmassenstroms erfolgt über Anspeisungen (3), welche den massgeblichen Druckverlust der Vorrichtung bewirken. Die Anspeisungen sind in einer Ausführungsform als Durchtrittsöffnungen eines Prallkühlelementes (14) ausgeführt.

Description

DICHTUNGSBAUGRUPPE FÜR KOMPONENTEN EINER STROMUNGSMASCHINE
Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsbaugruppe, insbesondere für eine Strömungsmaschine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die vorliegende Dichtungsbaugruppe lässt sich insbesondere zur berührungslosen Abdichtung zwischen gegeneinander bewegten Komponenten in Bereichen einsetzen, in denen die Dichtung einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt ist. Ein besonderes Anwendungsgebiet stellt hierbei der Einsatz in Strömungsmaschinen, insbesondere in Gasturbinen, zur Reduzierung von Leckströmen dar, die beispielsweise zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse oder zwischen Laufschaufeln und dem Rotor zwangsläufig auftreten auftreten. Selbstverständlich bestehen jedoch auch andere Einsatzmöglichkeiten in Bereichen, in denen eine gekühlte Dichtungsbaugruppe von Vorteil ist.
Stand der Technik Der Wirkungsgrad einer Gasturbine wird unter anderem durch Leckströme des komprimierten Gases beeinflusst, die zwischen rotierenden und nicht rotierenden Komponenten der Turbine auftreten. Der zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und der die Laufschaufeln umgebenden Gehäusewand notwendigerweise vorhandene Spalt spielt hierbei eine wesentliche Rolle. Eine Verkleinerung dieser Spalte birgt das latente Risiko eines Anstreifereignisses . Es werden daher häufig als Dichtungselemente Anstreifelemente oder Anstreifbeläge verwendet, welche mechanisch weich sind, und damit ein mögliches Anstreifen der Laufschaufelspitzen durch eigene Deformation aufzunehmen vermögen. Dadurch wird eine Beschädigung der rotierenden Teile vermieden, und die Toleranz der Maschine gegen mögliche Anstreifereignisse wird gewährleistet. Häufig werden Waben- ("honeycomb-") - Dichtungen oder Dichtungslemente aus abriebtoleranten Werkstoffen, beispielsweise poröse Schäume oder Filze, verwendet. Sowohl die Spitzen der Lauf- oder Leitschaufeln als auch die eingesetzten Wabendichtungen sind im Heißgasbetrieb der Gasturbine sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Es ist daher wünschenswert und oft sogar notwendig, dass die Schaufelspitzen und die Dichtungselemente gekühlt werden.
So ist aus der US 3,365,172 bekannt, die Dichtspitzen der Laufschaufeln durch die Wabendichtungen am Schaufelband hindurch mit Kühlluft zu beaufschlagen. Hierzu ist der Träger für die Waben- dichtungen mit kleinen Kühlluftbohrungen durchsetzt, die über eine umlaufende Ringkammer mit Kühlluft versorgt werden.
Die JP 61149506 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung, bei der die Wabendichtungen von einer Schicht aus porösem Metall getragen werden, die an eine Zufuhrkammer für Kühlluft angrenzt. Auch bei dieser Ausgestaltung wird die Kühlluft durch die Wabendichtungen hindurch an die Schaufelspitzen herangebracht. Aus der EP 0 957 237 oder US 6,171,052 ist die Kühlung einer Wabendichtung, "Honeycomb Sealing", zur Abdichtung zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse einer Gasturbine bekanntgeworden. Gemäss der dort offenbarten Lehre weisst die Dichtungsbaugruppe zwei wabenförmige gleichzeitig als Anstreifbeläge dienende Dichtungselemente auf, von denen eines zur Abdichtung eines axialen Leckagespaltes und eines zur Abdichtung eines radialen Leckagespaltes angeordnet ist. Die wabenförmigen Dichtungselemente sind auf einem Trägerring angeordnet, in dem ein Ringraum ausgebildet ist, der eine Fluidverbindung mit Dichtungselementen aufweist. Der Ringraum wird über Zufuhrkanäle mit Kühlmedium beaufschlagt, welches durch die Hohlräume der Wabendichtungen ausströmt . Durch diese Ausgestaltung wird einerseits eine homogene Verteilung des Kühlmediums über den gesamten Dichtring erzielt. Andererseits wird durch das die Waben durchströmende Kühlmittel eine Kühlung sowohl der Waben als auch der Dichtspitzen der Laufschaufeln und/oder Schaufeldeckbänder erreicht .
Bei einer derartigen Ausbildung der Dichtungs- anordnung tritt das Problem auf, dass die Wabendichtungen über große Teile des Umfangs, beispielsweise durch Verschmutzung, Fremdkörper oder auch ein Anstreifereignis, zugeschmiert werden können, so dass dadurch der austretende Kühlluftmassenstrom erheblich reduziert wird. Dies führt zu einem Versagen durch
Überhitzung und beschleunigte Oxidation bzw. Korrosion des Wabenmaterials. Dienen die Wabendichtungen gleichzeitig als Austritt für ein vorgeschaltetes Kühlsystem, so kann es durch die Verstopfung dieser Austrittsbereiche zu einem Zusammenbruch der vorgeschalteten Bauteilkühlung mit den entsprechenden negativen Folgen kommen.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Dichtungsbaugruppe der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, dass bei einer Verstopfung der für Kühlmedium durchlässigen und vergleichsweise weichen, da anstreif oleranten, Strukturen der
Dichtungsbaugruppe dennoch eine ausreichende Kühlung gewährleistet ist. Die erfindungsgemässe Dichtungsbaugruppe erweist sich ganz besonders für den Einsatz in Strömungsmaschinen, wie Gasturbinen, zur berührungslosen Abdichtung zwischen rotierenden und stationären Komponenten im Heißgasbereich als geeignet.
Die Aufgabe wird mit der Dichtungsbaugruppe gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Dichtungsbaugruppe sind Gegenstand der Unteransprüche .
Kern der Erfindung ist es, die Dichtungsbaugruppe so auszulegen, dass ein redundanter Kühlmittelpfad entsteht. Von der Kühlmittelanspeisung der gasdurchlässigen Dichtungsbaugruppe zweigt erfindungsgemäss wenigstens ein redundanter Kühlmittelkanal ab, dergestalt, dass ein erster Kühlmittel-Strömungsweg, welcher zu den Dichtungselementen und durch die Dichtungselemente hindurch führt, wodurch im Grunde eine Transpirationskühlung der gasdurchlässigen Dichtungselemente realisiert wird, und ein redundanter Kühlmittel-Strömungsweg gebildet werden, wobei der redundante Kühlmittelkanal in Richtung der abzudichtenden Heissgasströmung gesehen bevorzugt stromauf des gasdurchlässigen Elementes auf der Heissgasseite der Dichtungsbaugruppe in der
Heissgasströmung mündet. Der erste Kühlmittelpfad oder Transpirationskühlphad führt dabei also durch gasdurchlässige weiche Dichtelement hindurch, während der redundante Kühlmittelkanal in einer nicht gasdurchlässigen und im Allgemeinen mechanisch steifen Tragestruktur geführt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der redundante Kühlmittelkanal so ausgeführt, dass das dort durch redundante Kühlmittelöffnungen austretende Kühlmittel, insbesondere Kühlluft, wenigstens näherungsweise parallel zu der Wand der Heissgasseite mündet, derart, dass das dort austretende Kühlmittel als Kühlfilm über das gasdurchlässige Dichtungselement, insbesondere eine Wabendichtung, "Honeycomb", oder ein poröses Metall- oder Keramikelement, geleitet wird. Es wird also eine auslegungsgemässe Transpirationskühlung der gasdurchlässigen Dichtungselemente mit einer redundanten Filmkühlung der gasdurchlässigen Dichtungselemente kombiniert. Dies wird auch dann besonders gut erreicht, wenn der redundante
Kühlmittelkanal in Richtung der Heissgasströmung geneigt ist, insbesondere derart, dass der durchtretende Kühlmittelteilstrom unter einem Winkel von vorzugsweise weniger als 30° gegenüber der überströmenden Leckageströmung aus den redundanten Kühlmittelöffnungen austritt. Im Normalbetrieb wird bei erfindungsgemässer Ausführung ein Teil des Kühlmittels auf an sich höchst effiziente Weise zur
Transpirationskühlung unmittelbar durch das gasdurchlässige Dichtungselement geleitet, während ein zweiter Kühlmittelstrom durch die redundanten Kühlmittelöffnungen austritt. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Durchtrittsquerschnitte der Dichtungselemente und der redundanten Kühlmittelöffnungen und/oder -kanäle derart bemessen sein, dass im Normalbetrieb nur ein verhältnismässig kleiner Teil des Gesamtmassenstromes des durch die Dichtungsbaugruppe durchtretenden Kühlmittels von weniger als 50%, insbesondere weniger als 30%, durch die redundanten Kühlmittelöffnungen durchtritt. Wenn es nunmehr zu einer Verstopfung von Durchtrittsöffnungen in dem gasdurchlässigen Dichtungselement kommt, steigt der Druckverlust über den ersten Kühlmittelpfad, und die Effizienz der Transpirationskühlung wird vermindert. Es verlagert sich dann die Kühlmittelströmung von dem gasdurchlässigen Element in den redundanten Kühlmittelkanal, und der Teil des Kühlmittels, welcher aufgrund des erhöhten Strömungswiderstandes nicht mehr durch das gasdurchlässige Dichtungselement durchtreten kann, strömt durch die redundante Kühlmittel-Austrittsöffnung auf die Heissgasseite aus, und bildet bei vorzugsweiser Orientierung des redundanten Kühlmittelkanals derart, dass durch die redundante Kühlmittelöffnung austretendes Kühlmittel wenigstens teilweise über das Dichtungselement strömt, einen Kühlfilm über dem Dichtungselement. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das durch die redundanten Kühlmittelöffnungen austretende Kühlmittel im Wesentlichen parallel zur Frontseite des gasdurchlässigen Dichtungselementes austritt. Auf diese Weise wird eine wenigstens ausreichende Kühlung der Dichtelemente auch bei einer Verhinderung der auslegungsgemässen Kühlmitteldurchströmung durch eine redundante Kühlmittelüberströmung gewährleistet .
Daneben sei noch anzumerken, dass die
Kühlmittelausströmung in den Dichtspalt, das heisst in die Leckageströmung, in jedem Falle auch die Dichtwirkung verbessert, da wenigstens ein Teil des Dichtspaltquerschnittes vom Kühlmittel beaufschlagt wird, und somit die Heissgasströmung aus dem Dichtspalt verdrängt wird. Daher ist das gasdurchlässige Element mit Vorzug so ausgeführt und angeordnet, dass der durchtretende Kühlmittelstrom in der Leckageströmung mündet, und mit dieser einen Winkel von mehr als 45° einschliesst, und bevorzugt normal zur Leckageströmung orientiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Dichtungselement als Wabendichtung, "Honeycomb" ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Dichtungselement aus einem porösen Material. Hier wäre beispielsweise an einen porösen Metallschaum oder Metallfilz, oder an eine poröse Keramik, insbesondre einen keramischen Schaum oder einen Keramikfaserfilz, zu denken.
Bei der Verwendung in einer Strömungsmaschine wird die erfindungsge ässe Dichtungsbaugruppe derart ausgeführt, dass die Auslassöffnung des redundanten Kühlmittelkanals hinsichtlich des strömenden Heißgases beziehungsweise der Leckageströmung stromauf des Dichtungselementes liegt, so, dass das Kühlmittel über das Dichtungselement geführt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Baugruppe wenigstens eine Kammer auf, welche sowohl mit der Kühlmittelanspeisung als such mit einem gasdurchlässigen Dichtungselement in Fluidverbindung steht. Aufgabe der Kammer ist es insbesondere, das Kühlmittel über das gesamte Dichtungselement zu verteilen.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemässen
Dichtungsbaugruppe weist der Träger mehrere Kammern und mehrere Anspeisungen auf, wobei in jede Kammer wenigstens eine Anspeisung mündet, und jede Kammer mit wenigstens einem Dichtungselement in Verbindung steh . Jede Kammer ist dabei einem Segment zugeordnet, wobei jedes Segment hinsichtlich der Kühlmitteldurchströmung von den anderen Segmenten vollständig getrennt ist. Durch die Segmentierung wird zusätzlich erreicht, dass bei Ausfall eines Segmentes durch Verstopfung oder mechanische Beschädigung die weiteren Dichtungselement- Segmente der Dichtungsbaugruppe nicht in der Kühlwirkung beeinträchtigt werden.
Auch wenn im nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie in der vorangegangenen Erläuterung jeweils auf Strömungsmaschinen Bezug genommen wurde, so ist dem Fachmann klar, dass die erfindungsgemässe Dichtungsbaugruppe auch in anderen Bereichen eingesetzt werden kann, in den die entsprechenden Voraussetzungen für eine Durchströmung bzw. Anströmung der Dichtungsbaugruppe mit einem geeigneten Kühlmittel gegeben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die erfindungsgemässe Dichtungsbaugruppe wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für die Verwendung einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Dichtungsbaugruppe in einer Dichtungsvorrichtung zur Abdichtung von Leckströmen zwischen der Laufschaufel und dem Gehäuse einer Strömungsmaschine;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Anordnung; und
Fig. 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Beispiel für die Verwendung einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Dichtungsbaugruppe zur Abdichtung von Leckageströmen zwischen der Spitze einer Laufschaufei 7, beziehungsweise einem Schaufeldeckband, und dem nicht detailliert dargestellten Gehäuse einer Strömungsmaschine. Die Laufschaufei wird von einer Heissgasströmung 9 angeströmt . Die Strömungsrichtung des Heißgases verläuft in diesem Beispiel von links nach rechts. Zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse der Gasturbine beziehungsweise der Dichtungsbaugruppe ist ein Dichtspalt ausgebildet, durch den eine abzudichtende Leckageströmung 10 strömt. Die erfindungsgemässe Dichtungsbaugruppe bildet zusammen mit einem einer Dichtfläche gegenüberliegenden relativ bewegten Bauteil, vorliegend den Dichtspitzen 8a des Schaufeldeckbandes 8, eine berührungslose Dichtungsvorrichtung aus, welche den Leckmassenstrom verringert . Ein Träger 1 trägt an der heissgasüberströmten Seite unmittelbar den Dichtspitzen 8a gegenüberliegend Dichtungselemente 2. Die Dichtungselemente bilden mit den Dichtspitzen 8a engste Querschnitte des Leckagespaltes. Je enger diese bemessen sind, umso geringer ist der Leckagestrom. Aufgrund des engen Spaltmasses besteht bei Abweichungen vom Auslegungspunkt eine Gefahr eines Anstreifens der rotierenden Dichtspitzen an die stationären Dichtungselemente. Die Dichtungselemente sind daher anstreiftolerant ausgeführt, so, dass sie ein Anstreifen durch Verformung aufnehmen können, ohne eine schwere Maschinenhavarie zu verursachen. Diese Dichtelemente sind bevorzugt Waben, sogenannte "Honeycombs" , oder poröse Metall- oder
Keramikstrukturen. Die Dichtungselemente werden im Betrieb von Heissgas überströmt, und sind aufgrund der Porosität unter anderem empfindlich gegen Überhitzung und Korrosion. Gemäss einem Stand der Technik werden die porösen und/oder gasdurchlässigen Dichtungselemente daher von Kühlmittel, beispielsweise Kühlluft, durchströmt. Die Kühlluft 11 strömt über eine Anspeisung 3 zu, und in Ausführungsbeispiel wird ein Teilstrom 11a der Kühlluft in eine Kammer 5 geführt, und strömt von dort durch Hohlräume des Dichtelementes 2 aus, wobei das Dichtelement gekühlt wird. Die Kammer verteilt dabei das Kühlmittel möglichst gleichmässig über des Dichtelement. Kommt es nunmehr zu einem
Verschluss der Durchströmquerschnitte, so wird das Dichtungselement nicht mehr auslegungsgemäss gekühlt . Gemäss der Erfindung zweigt daher von dem Kühlmittel- Strömungsweg 3a und 5, welcher zu der Rückseite des Dichtungselementes führt, ein redundanter
Kühlmittelkanal ab, welcher in einer redundanten Kühlmittelöffnung 4 auf der Heissgasseite des massiven, an sich gasundurchlässigen Trägers mündet . Diese Mündung ist in Richtung der abzudichtenden Strömung gesehen stromauf des Dichtungselementes 2 angeordnet, und die Mündung erfolgt so, dass der redundante Kühlmittel-Teilstrom 11b im wesentlichen parallel zum Dichtungselement und zur Leckageströmung aus dem zweiten Teilkanal austritt. Die redundante Kühlluftströmung bildet damit einen Kühlfilm aus, der sich über das Dichtungselement legt . Durch eine geeignete Ausgestaltung der Strömungsquerschnitte der verschieden Kühlmittelpfade kann die Aufteilung der Auslegungs-Kühlmittelmassenströme gezielt eingestellt werden, so, dass beispielsweise im ungestörten
Normalbetrieb ein Vergleichweise geringer Teilstrom, beispielsweise weniger als die Hälfte des gesamten Kühlmassenstroms der Dichtungsbaugruppe, über den redundanten Kanal und durch die redundanten Kühlmittelöffnungen 4, strömt. Wird nunmehr der Kühlmitteldurchfluss durch das Dichtungselement 2 behindert, steigt - insbesondere unter der Voraussetzung, dass das Kühlsystem so ausgelegt ist, dass ein wesentlicher Druckabfall stromauf der Verzweigung des Strömungsweges, insbesondere im Bereich der Anspeisung 3, auftritt - der Kühlmitteldurchfluss durch den redundanten Strömungspfad 3b an, und die zunehmende Filmkühlung des Dichtungselementes 2 kompensiert die Kühlungsabnahme durch die Durchströmung wenigstens soweit, dass eine ausreichende Kühlung des Dichtungselementes und dessen Funktionsfähigkeit langfristig sichergestellt werden.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt der beispielhaft dargestellten Vorrichtung. Die Anordnung der Dichtungselemente ist in Umfangsrichtung in Segmente 6 unterteilt. Jedes der Dichtungselemente 2 in einem Segment wird von einer einzelnen Kammer 5 mit einer jeweils getrennten Anspeisung 3, 3a mit Kühlluft angespiessen. Die Kammern 5 sind in Umfangsrichtung durch Stege des Trägers 1 voneinander abgetrenn . Von jeder Anspeisung 3 zweigt ein in dieser Ansicht nicht sichtbarer redundanter Kühlkanal 3b mit einer redundanten Kühlmittelaustrittsöffnung 4 ab. Wie zu erkennen ist, sind die redundanten Kühlmittelöffnungen 4 in der Art von Langlöchern ausgeführt, damit jeweils ein Umfangssegment der Dichtungselemente 2 möglichst vollständig von der Filmkühlluftströmung überdeckt ist. Die Kühlluftversorgung der Dichtungselemente 2 ist also in Umfangsrichtung in eine Anzahl vollkommen voneinander unabhängiger Subsysteme unterteilt. Durch diese Anordnung mehrerer voneinander getrennter Kammern 5 für das Kühlmedium, die in direktem Kontakt mit einzelnen Dichtungselement-Segmenten 2 stehen, wird ein Schaden der Dichtung, beispielsweise durch Herausreissen einzelner Segmente, auf die tatsächlich betroffenen Bereiche begrenzt und eine weitere temperaturbedingte Schädigung der verbleibenden Dichtabschnitte durch Zusammenbruch des Kühlluftvordruckes verhindert. Bei einem derartigen Zwischenfall bricht lediglich der Druck des Kühlmediums in der entsprechend betroffenen Kammer zusammen. Benachbarte Kammern sind hierdurch nicht betroffen. Dabei weisen die Anspeisungen 3, 3a einen deutlich geringeren Querschnitt als die Kammern selbst auf, so, dass die Anspeisungen als Drosselstellen zur Zumessung des Kühlluftmassenstroms wirken. Die Kühlwirkung in den restlichen Segmenten wird dabei aufgrund dieser Ausgestaltung bei einer Schädigung eines Segmentes nicht wesentlich beeinflusst, so dass die verbleibenden Segmente des Dichtungselementes 2 weiterhin auslegungsgemäss gekühlt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Die erfindungsgemässe Baugruppe ist zur Abdichtung der Heissgasströmung zwischen bewegten Teilen einer Gasturbine dargestellt. Ausser der Laufschaufei 7 ist die dieser in Strömungsrichtung vorangehende Leitschaufel 12 dargestellt. Die Heissgasströmung 9 ist von rechts nach links orientiert. Der Dichtspitze 8a des Laufschaufeldeckbandes 8 gegenüberliegend ist im Stator ein gasdurchlässiges Dichtungselement 2 auf einem Träger 1 angeordnet, wobei die Dichtspitze 8a und das Dichtungselement zusammen den Leckagestrom 10 minimieren sollen. Der Fuss 13 der Leitschaufel ist prallgekühlt ausgeführt. Dazu ist ein Prallkühleinsatz 14 angeordnet, der perforiert ist und Kühlmittel mit einem hohen Impuls auf die Kühlseite des Schaufelfusses leitet, wo das Kühlmittel Wärme aus dem Material des Leitschaufelfusses 13 aufnimmt. Die Perforation des Prallkühleinsatzes oder Prallkühlbleches 14 dient hier gleichzeitig als Anspeisung 3 zur Zumessung des Kühlmittels 11. Nach Durchströmen des
Prallkühleinsatzes und erfolgter Kühlung des Leitschaufelfusses befindet sich das Kühlmittel in einer im Wesentlichen von dem Schaufelfuss 13, dem Prallkühleinsatz 14, dem Träger 1, und dem Dichtungselement 2 umschlossenen Kammer 5. Die Anordnung der Baugruppe ist wiederum umfangssymmetrisch. Dabei kann die Kammer vorteilhaft mitsamt dem Prallkühleinsatz ebenfalls analog zu dem in Figur 2 dargestellten Beispiel insbesondere in Umfangsrichtung segmentiert sein. Von der Kammer strömt das Kühlmittel dem Dichtungselement 2 zu. Dabei strömt ein Teil 11a des Kühlmittels durch das Dichtungselement hindurch zur Heissgasseite, und ein zweiter Teil 11b strömt durch den redundanten Kühlmittelkanal 3b als Filmkühlluft über die dem Heissgas zugewandte Seite des Dichtungselementes. Mit Vorteil ist der Querschnitt des redundanten Kühlmittelkanals beispielsweise durch eine Drosselstelle so bemessen, dass das Kühlmittel 11 im Normalbetrieb im Wesentlichen durch das Dichtungselement 2 hindurch aus der Kammer 5 abströmt. Bei einer Prallkühlung ist der Druckverlust über die Anspeisungen 3 recht gross, und der wesentliche Druckverlust wird bei der dargestellten Kühlmittelführung im Wesentlichen über den Prallkühleinsatz 14 anfallen, dergestalt, dass im Wesentlichen der Prallkühleinsatz unabhängig von den stromab angeordneten Komponenten den Gesamtmassenstrom des Kühlmittels 11 zumisst. Wenn die Öffnungen des gasdurchlässigen Dichtungselementes aus welchen Gründen auch immer verstopfen, bleibt der Gesamtmassenstrom bei geeigneter Auslegung der Strömungsquerschnitte dementsprechend in erster Näherung konstant, und der Kühlmittelmassenstrom des Dichtungselementes 2 wird als Filmkühlluft in den redundanten Kühlmittelkanal 3b verschoben. Die erfindungsgemäss angeordnete redundante Kühlmittelkanal gewährleistet somit einerseits eine mindeste Kühlung des Dichtungselementes, und andererseits eine Aufrechterhaltung der Strömung durch den Prallkühleinsatz 14 und damit der Prallkühlung des Schaufelfusses 13.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt; im Gegenteil eröffnen sich dem Fachmann im Lichte der voranstehenden Ausführungen eine Vielzahl möglicher Ausführungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung.
Bezugszeichenliste
1 Träger 2 Dichtungselement
3 Anspeisung
3a Kühlmittelkanal
3b redundanter Kühlmittelkanal Auslassöffnung des redundanten Kühlmittelkanals, redundante Kühlmittelöffnung, redundante Kühlmediumsöffnung Kammer Segment, Umfangssegment Laufschaufel Laufschaufei-Deckband a Dichtspitzen Heissgasströmung 0 Leckageströmung 1 Kühlmittelströmung, KühlluftStrömung,
Kühlmedium 1a Kühlmittelteilstrom 1b Kühlmittelteilstrom, Filmkühlluft 2 Leitschaufel 3 Leitschaufelfuss 4 Prallkühleinsatz, Prallkühlblech

Claims

Patentansprüche
1. Dichtungsbaugruppe, insbesondere für Komponenten einer Strömungsmaschine, welche Dichtungsbaugruppe eine Kühlungsseite und eine im Betrieb von Heissgas (9,10) überströmte Heissgas- und
Dichtungsseite weist, umfassend wenigstens ein gasdurchlässiges Dichtungselement (2) welches auf der Dichtungsseite der Baugruppe angeordnet ist, dergestalt, dass das Dichtungselement eine die Dichtfläche bildende und zur Heissgasseite weisende Frontseite und eine zu der Kühlungsseite weisende Rückseite aufweist, wobei das Dichtungselement im Betrieb mit einem Kühlmittelmassenstrom (lla) durchströmbar ist, und die Baugruppe wenigstens eine Anspeisung (3) für ein Kühlmittel aufweist, welche mit der Rückseite des gasdurchlässigen Dichtungselementes in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittel-Strömungsweg (3a, 5) zwischen der Anspeisung (3) und der Rückseite des gasdurchlässigen Elementes (2) wenigstens ein redundanter Kühlmittelkanal (3b) abzweigt, welcher neben dem gasdurchlässigen Dichtungselement (2) mit einer redundanten Kühlmittelδffnung (4) auf der Heissgasseite einer gasundurchlässigen Komponente der Baugruppe münde .
2. Dichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die redundante Kühlmittelöffnung (4) in Richtung einer Heissgasströmung (9,10) stromauf des Dichtungselementes (2) auf der Heissgasseite angeordnet ist .
3. Dichtungsbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der das gasdurchlässige Element durchströmende Kühlmittelstrom (lla) in einer Leckageströmung (10) mündet, und dabei einen Winkel von mehr als 45° mit der Leckageströmung einschliesst.
4. Dichtungsbaugruppe nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der das gasdurchlässige Element durchströmende Kühlmittelstrom im Wesentlichen normal zu der LeckageStrömung münde .
5. Dichtungsbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der redundante Kühlmittelkanal (3b) in Richtung einer LeckageStrömung (10) geneigt ist.
6. Dichtungsbaugruppe nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der redundante Kühlmittelkanal derart angeordnet ist, dass durch die redundante Kühlmittelöffnung (4) austretendes Kühlmedium (11b) einen Winkel von weniger als 30° mit der Leckageströmung einschliesst.
7. Dichtungsbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der redundante Kühlmittelkanal (3b) derart orientiert ist, dass durch die redundante Kühlmittelöffnung (4) austretendes Kühlmittel (11b) wenigstens teilweise über das Dichtungselement (2) strömt.
Dichtungsbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der redundante Kühlmittelkanal wenigstens näherungsweise parallel zur Frontseite des Dichtungselementes der Dichtungsbaugruppe auf der Heissgasseite mündet.
9. Dichtungsbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe wenigstens eine Kammer (5)umfasst, die sowohl mit der Anspeisung (3) als auch mit dem gasdurchlässigen Dichtungselement (2) in Fluidverbindung steht .
10. Dichtungsbaugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe mehrere voneinander getrennte Kammern (5) und mehrere Anspeisungen (3)umfasst, wobei in jede Kammer wenigstens eine Anspeisung mündet und jede Kammer mit der Rückseite eines Dichtungselementes in Fluidverbindung steht, und wobei jede Kammer einem Segment (6) zugeordnet ist.
11. Dichtungsbaugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Segment (6) wenigstens ein redundanter Kühlmittelkanal (3b) mit einer redundanten Kühlmittelöffnung (4) angeordnet ist.
12. Dichtungsbaugruppe nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Segment ein einzelnes Dichtelement $angeordnet ist .
13. Dichtungsbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anspeisung (3) in einem Prallkühleinsatz (14) integriert ist .
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