EP2132414B1

EP2132414B1 - Shiplap-anordnung

Info

Publication number: EP2132414B1
Application number: EP08718171.5A
Authority: EP
Inventors: Thomas Heinz-Schwarzmaier; Ulrich Rathmann; Carlos Simon-Delgado
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: WO2008122507A1; US20100119371A1; EP2132414A1; US8303257B2; ES2548441T3

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zwischen Schaufelelementen in einer Schaufelreihe in einer Gasturbine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Herkömmliche Abdichtungsmittel zur Abdichtung von Zwischenräumen, wie beispielsweise Gummidichtungen, Polymerdichtungen, Klebemittel, oder ein Eingreifen eines Vorsprungs in eine Nut, wie sie insbesondere bei der Abdichtung zwischen zwei statischen Elementen anzutreffen sind, sind allgemein bekannt. In Gasturbinen werden zur Vermeidung von Hitzeschäden verschiedenste Elemente durch einen Kühlluftstrom gekühlt. Dieser Kühlluftstrom soll möglichst verlustarm erfolgen, um das Kühlpotential zu maximieren. Es sind aus dem Gebiet der vorliegenden Erfindung mehrere Dichtungsarten zur Abdichtung von Zwischenräumen in Gasturbinen bekannt (z.B. GB 2 420 162 , US 5 797 723 ). Solche Dichtungsarten sind jedoch in Gasturbinen zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, wie zum Beispiel zwischen einem Rotor- und einem Statorelement, oder zwischen zwei Teilen, die ein gewisses Spiel haben müssen, schlecht anwendbar.
Um eine wirkungsvolle Abdichtung zwischen zwei Schaufelelementen in einer Gasturbine zu erreichen, z.B. um den Verlust von Kühlluft durch einen Leckagestrom zu verhindern, ist eine exakte Anpassung der Schaufelelemente aneinander erforderlich. Will man den aneinanderliegenden Teilen aber ein gewisses "Spiel" ermöglichen, was z.B. zwischen zwei Laufschaufeln in einem Rotor einer Gasturbine wegen der starken Umströmung der Schaufelelemente mit heissem Arbeitsmedium während des Betriebs unabdingbar ist, ist eine exakte, spielfreie Anpassung von zwei benachbarten Deckbändern von Schaufelelementen beinahe unmöglich, da eine derart dichte Bauweise, wie sie zur vollständigen Abdichtung des radialen Spaltes nötig wäre, zu Problemen, z.B. wegen der Wärmeausdehnung, führen kann. Auch die Wirkung von Fliehkräften zwischen den Teilen nach der Montage kann erheblich sein, was zu einem starken Verschleiss herkömmlicher Abdichtungsmittel führen kann (wie z.B. in der DE 199 31 765 A1 geschildert). Aus diesen Gründen werden zwischen Schaufeln in einem Gasturbinenrotor gemäss konventionellem Design sogenannte "Shiplaps" zur Dichtung des Leckagestroms in axialer Richtung angewandt. Shiplaps stellen ein thermisch resistentes Abdichtungmittel dar, da sie im Wesentlichen aus dem Material der Schaufelelemente selbst ausgestaltet sind, einen integralen Bestandteil der Schaufelelemente bilden und somit eine Dichtungswirkung ohne zusätzliches Material, das womöglich wärmeempfindlich ist oder einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizient besitzt, ermöglichen.
Turbinenschaufeln, insbesondere Niederdruckturbinenschaufeln, weisen meist radial innen und/oder aussen wenigstens ein Deckbandelement auf, welches bei montierter Schaufelreihe mit den beiden in Umfangsrichtung zeigenden Seiten an das jeweils benachbarte Deckbandelement des jeweils benachbarten Schaufelelementes unter Ausbildung jeweils eines im Wesentlichen radialen Spaltes grenzt. Ein solches Turbinenschaufelelement kann an mindestens einer axialen Kante, insbesondere der Abströmkante, einen auf einer ersten in Umfangsrichtung zeigenden Seite in das Deckbandelement des angrenzenden Schaufelelementes hineinragenden in Umfangsrichtung verlaufenden Vorsprung und auf einer zweiten in Umfangsrichtung zeigenden Seite eine diesen Vorsprung aufnehmende Ausnehmung aufweisen.
Die sequenzielle Montage solcher Schaufelelemente führt jeweils zwischen zwei Schaufelelementen zu der Bildung von einem sogenannten "Shiplap". Ein solcher Shiplap ist ein in Strömungsrichtung des Arbeitsgases gestufter Überlappungs- bzw. Eingriffsbereich zwischen dem Deckbandelement an einer axialen Kante eines Schaufelelements und dem Deckbandelement an derselben axialen Kante des benachbarten Schaufelelements. Dieser Shiplap dichtet-den radial verlaufenden Spalt zwischen den aneinander liegenden Umfangsseiten von zwei Turbinenschaufeln gegen den Austritt von Kühlluft aus dem sekundären Luftkreislauf, d.h. gegen den Leckagestrom in axialer Richtung ab. Ein solcher Shiplap kommt durch die Abdeckung einer Ausnehmung auf einer ersten in Umfangsrichtung zeigenden Seite eines benachbarten Schaufelelements durch einen Vorsprung auf der zweiten in Umfangsrichtung zeigenden Seite eines Schaufelelements bzw. durch den Eingriff des Vorsprungs in die Ausnehmung zustande. In der US 6 966 750 sind in Figur 13 ein solcher Vorsprung, sowie eine Ausnehmung und der bei der Montage resultierende gestufte Überlagerungs- bzw. Eingriffsbereich dargestellt. Der bekannte reguläre Shiplap vermag aber den radialen Spalt nicht vollständig abzudichten, weshalb durch den gestuften Überlappungsbereich eine signifikante Kühlluftmenge entweichen kann. Dieser Verlust resultiert in einer verminderten Effizienz und Leistung der Turbine.
Aus EP 1 408 199 A1 ist eine Anordnung zwischen Schaufelelementen in einer Schaufelreihe in einer Gasturbine bekanntgeworden, wobei jedes Schaufelelement wenigstens ein Deckbandelement aufweist, sowie ein an dieses Deckbandelement angrenzendes und mit diesem verbundenes, im Wesentlichen in radialer Richtung bezüglich einer Hauptachse der Schaufelreihe verlaufendes Schaufelblatt. Das Deckbandelement grenzt bei montierter Schaufelreihe mit den beiden in Umfangsrichtung zeigenden Seiten an das jeweils benachbarte Deckbandelement des jeweils benachbarten Schaufelelementes unter Ausbildung jeweils eines im Wesentlichen radialen Spaltes. Wenigstens ein Schaufelelement auf einer ersten in Umfangsrichtung zeigenden Seite weist einen in das Deckbandelement des angrenzenden Schaufelelementes hineinragenden in Umfangsrichtung verlaufenden Vorsprung und wenigstens ein Schaufelelement auf einer zweiten in Umfangsrichtung zeigenden Seite eine einen solchen Vorsprung aufnehmende Ausnehmung auf. Im Bereich des Vorsprungs respektive der Ausnehmung liegt ein gestufter Abschnitt des radialen Spaltes vor, wobei die Führung des radialen Spaltes im gestuften Abschnitt als Labyrinthdichtung ausgestaltet ist.
Aus EP 1 221 539 A2 geht eine unterteilte Wandstruktur in einer Gasturbine mit mehreren Teilwandabschnitten hervor die in der Umfangsrichtung eines Rotors der Gasturbine so verbunden sind, dass sie die Wandstruktur mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt bilden. Die Wandabschnitte sind an einem äusseren Ende oder einem inneren Ende einer jeweiligen Schaufel der Gasturbine befestigt oder mit einem vorbestimmten Zwischenraum zwischen dem äusseren Ende der jeweiligen Schaufel angeordnet, um eine Durchgangswand für Hochtemperaturgas zusammen mit einer Schaufeloberfläche der jeweiligen Schaufel zu bilden, wobei Spalte bzw. Zwischenräume zwischen benachbarten verbundenen Wandabschnitten vorgesehen sind.
Aus US 6 425 738 B1 gehen Triebwerkdüsen einer Gasturbine hervor, welche äussere und innere Bänder umfasst. Jedes der Bänder umfasst in Umfangsrichtung Segmente, welche angrenzend entsprechender Splits (Spalten) angeordnet sind. Die Splits des inneren Bandes sind in Umfangsrichtung von den Splits des äusseren Bandes angeordnet ist. Eine Mehrzahl der Schaufeln ist fest mit den äusseren und inneren Segmenten verbunden, dergestalt, dass sie einen akkordeonartigen Lastweg untereinander definieren.
Aus EP 1 033 477 A2 geht Gasturbinen-Mantelring mit einer Vielzahl von Mantelsegmenten und Dichtlamellen hervor, wobei die Mantelsegmente derart gekoppelt sind, dass sie eine zylindrische Form ergeben, indem ein Endabschnitt einer Dichtlamelle in einen Verbindungsabschnitt von zwei benachbarten Mantelsegmenten eingesetzt ist. Der Verbindungsabschnitt eine solche Form weist auf, dass der innenseitige Endabschnitt eines Mantelsegments, verglichen mit dem aussenseitigen Endabschnitt in Umfangsrichtung, vorsteht. Ein erstes Mantelsegment, welches einem zweiten Mantelsegment benachbart ist, weist einen Verbindungsabschnitt auf, dessen Form zu der Form des Verbindungsabschnitts dieses Mantelsegments komplementär ist und die benachbarten Mantelsegmente derart gekoppelt sind, dass ein spezifischer Spalt dazwischen besteht, wobei ein Loch (2) zum Durchlassen einer Kühlluftmenge in dem Verbindungsabschnitt des Mantelsegments vorgesehen ist.
Aus GB 2 166 805 A geht eine Gasturbine hervor, welche einen ringförmigen Strömungsweg für Arbeitsgase, einen Strömungspfad für Kühlfluid aufweist, der radial gegenüber dem Strömungsweg der Arbeitsgase angeordnet ist. Eine Vielzahl von bogenförmigen Dichtungssegmenten erstrecken sich in Umfangsrichtung über die Achse, wobei mindestens ein Paar Dichtungssegmente einen ersten Dichtungsabschnitt und einen zweiten Dichtungsabschnitt bilden, der in Umfangsrichtung vom ersten Dichtungssegment beabstandet ist, wobei durch diese Konfiguration eine Nut entsteht, welche im Lichte der Betriebsbedingungen variabel gestaltet wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zur Verfügung zu stellen, welche gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Shiplaps eine verbesserte Dichtwirkung hat und somit die Leckageströmung aus dem sekundären Luftkreislauf vermindert.
Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass in den Shiplap mindestens eine Labyrinthstufe eingeführt wird. Somit wird eine Anordnung mit einer Labyrinthdichtung zwischen Turbinenschaufeln bzw. Laufschaufeln oder Leitschaufeln in einem Rotor zur Verfügung gestellt, die an der Abströmkante den Austritt der aus dem Kühlluftbereich in den radialen Spalt einer Niederdruckgasturbine eingeflossenen Kühlluft verringert.
Der Kern der Erfindung besteht somit darin, zwischen zwei benachbarten Deckbändern eines Schaufelelements eine Labyrinthdichtung vorzusehen. Im Stand der Technik ist das Prinzip, eine solche Labyrinthdichtung zwischen zwei zueinander im Prinzip statischen Bauteilen einzuführen, nicht bekannt. Unter einer Labyrinthdichtung soll im Zusammenhang mit dieser Erfindung entweder ein im Wesentlichen in Zickzack-Form ausgebildeter Überlagerungs- bzw. Eingriffsbereich von zwei benachbarten Deckbandelementen an Turbinenschaufeln mit mehr als zwei Richtungsänderungen des radialen Spaltes, oder ein Überlagerungs- respektive Eingriffsbereich verstanden werden, der die synergistische Wirkung von Verjüngung und Erweiterung des Spaltes auf die Wirbelbildung der sich im Spalt befindenden Luft ausnützt, oder ein Überlagerungs- respektive Eingriffsbereich von zwei benachbarten Deckbandelementen an Turbinenschaufeln, der eine Bauform aufweist, welche eine Kombination der beiden Prinzipien beinhaltet.
Wohl ist das Prinzip der Labyrinthdichtung aus Situationen bekannt, wo Teile dynamisch zueinander beweglich montiert sind. Mehrere Dokumente, wie z.B. die US 5 279 109 und US 5 222 742 , weisen darauf hin, dass insbesondere Labyrinthdichtungen den Leckagestrom von Kühlluft in Gasturbinen reduzieren und somit zur verbesserten Kühlungswirkung beitragen könnten. Zudem sind Ansätze zur Verbesserung des Designs von Labyrinthdichtungen bekannt. So offenbart z.B. die US 5 639 095 mehrere hintereinander geschaltete Labyrinthstufen. Diese verbesserten Labyrinthdichtungen wurden entwickelt, um die Flussablenkung zu optimieren, die Reibung aufgrund der in einfachen Labyrinthdichtungen auftretenden ,Zickzack-Geometrie' zu vermindern und eine maximale Wirbelbewegung sowie die Verbesserung der Dichtungswirkung zu erreichen. Bestimmungsort der Anwendung solcher verbesserter Labyrinthdichtungen ist aber in den genannten Schriften immer der Strömungskanal zwischen Rotor- und Statorelement einer Gasturbine. Alle bevorzugten Ausführungsformen (Fig. 3-18) sind auf spezifische Labyrinthdichtungs-Systeme mit einer den Dichtungsoberflächen zwischen Rotor und Stator entsprechenden Geometrie ausgerichtet, und somit auf Elemente, die relativ zueinander dynamisch im Betrieb beweglich sind. Die vorliegende Erfindung betrifft aber im Gegensatz dazu die Abdichtung zwischen zwei Schaufelelementen, bzw. zwischen zwei benachbarten Elementen, z.B. in einem Rotor, die gegeneinander nicht dynamisch beweglich sind, aber zwischen denen während des Betriebs der Gasturbine ein gewisses "Spiel" erforderlich ist. Diese Lösung ist somit für den Fachmann nicht nahe liegend.
Labyrinthdichtungen wurden bisher nur zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, wie z.B. einem Statorelement und einem Rotorelement verwendet. Die DE 39 40 607 und die US 5 222 742 offenbaren Labyrinth-Dichtungssysteme zwischen rotierenden und stationären Teilen einer Gasturbine. In der DE 39 40 607 ergibt sich ein Labyrinthsystem durch das Eingreifen von gestaffelten langen Zähnen in einem Stator-Dichtungselement und gestaffelten Ausnehmungen im Rotor-Dichtungselement, sowie gestaffelten kurzen Zähnen des Rotor-Dichtungselements mit gestaffelten Ausnehmungen des Stator-Dichtungselements. Hier wird die Geometrie und Neigung der Zähne variiert, was zu Spalten führt, welche die kinetische Energie des durchfliessenden Gases oder Dampfs unterschiedlich stark drosseln. Die WO 2005/028812 A1 offenbart eine Anordnung von gestapelten Labyrinthdichtungen zur Verringerung des Leckagestroms zwischen feststehenden und rotierenden Komponenten und zwar einen segmentierten Innenring zum Halten von Leitschaufeln in einer stationären Gasturbine.
Die vorliegende Erfindung überträgt in nicht nahe liegender Weise das Prinzip der gestuften Labyrinthdichtung auf die Problematik der Abdichtung eines Spaltes zwischen Deckbändern benachbarter Schaufelelemente gegen Leckagestrom, insbesondere im Zusammenhang mit einem Shiplap.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der radiale Spalt im gestuften Bereich mindestens einen Abschnitt aufweist, in welchem die Spaltstromrichtung (S) entgegen der Anströmrichtung (A) verläuft, gemäss dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
Eine erste Ausführungsform der Labyrinthdichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung zwischen Schaufelelementen in einer Schaufelreihe in einer Gasturbine zur Verfügung gestellt wird, wobei jedes Schaufelelement wenigstens ein Deckbandelement aufweist, sowie ein an dieses Deckbandelement angrenzendes und mit diesem verbundenes, im Wesentlichen in radialer Richtung bezüglich einer Hauptachse der Schaufelreihe verlaufendes Schaufelblatt. Das Deckbandelement grenzt bei montierter Schaufelreihe mit den beiden in Umfangsrichtung zeigenden Seiten an das jeweils benachbarte Deckbandelement des jeweils benachbarten Schaufelelementes unter Ausbildung jeweils eines im Wesentlichen radialen Spaltes. Dabei weist wenigstens ein Schaufelelement auf einer ersten in Umfangsrichtung zeigenden Seite einen in das Deckbandelement des angrenzenden Schaufelelementes hineinragenden in Umfangsrichtung verlaufenden Vorsprung und wenigstens ein Schaufelelement auf einer zweiten in Umfangsrichtung zeigenden Seite eine einen solchen Vorsprung aufnehmende Ausnehmung auf. Im Bereich des Vorsprungs respektive der Ausnehmung liegt ein gestufter Abschnitt des radialen Spaltes vor, wobei die Führung des radialen Spaltes im gestuften Abschnitt, d.h. dem Shiplap-Bereich, als Labyrinthdichtung ausgestaltet ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der radiale Spalt im gestuften Bereich mehr als zwei Richtungsänderungen, insbesondere vier, sechs, oder acht Richtungsänderungen auf. Es sind aber durchaus auch Anordnungen mit einer ungeraden Anzahl von Richtungsänderungen, z.B. 3, 5, 7 oder mehr denkbar.
Als Richtungsänderung wird im Wesentlichen eine Änderung der Spaltstromrichtung um 40 bis 130 Grad, bevorzugterweise um 60 bis 110 Grad, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen um 80 bis 100 Grad, im Wesentlichen aber insbesondere im Falle eckiger Randflächen des radialen Spaltes von etwa 90 Grad verstanden. Die Spaltstromrichtung ist definiert als im Wesentlichen stets parallel zur Deckbandoberfläche verlaufende Richtung des Luftstroms im radialen Spalt, wobei die Luft von der Anströmkante her kommend vorerst in axialer Richtung zur Abströmkante hin strömt, nach einer Richtungsänderung aber durchaus auch abgeschrägt oder quer zur Anströmrichtung strömen kann. Im Falle abgerundeter Randflächen kann es aber durchaus auch bevorzugt sein, Richtungsänderungen von 40-80 Grad, oder von 110-130 Grad vorzusehen. Eine Richtungsänderung hat erfindungsgemäss den Zweck, den Spaltstrom der Luft, welche unbeabsichtigterweise aus dem Kühlluftbereich in den radialen Spalt gelangt ist, derart umzulenken, dass eine Druckverminderung innerhalb der Stufung stattfindet, wobei ein zusätzlicher Strömungswiderstand innerhalb der Stufung zustande kommt. Durch die Richtungsänderung bilden sich Wirbel in der Kühlluft, insbesondere beim Durchtritt durch verjüngte Spaltabschnitte. Diese Wirbel werden bei einer nächsten Richtungsänderung abgelenkt und wandern ab, da sie nicht in den nächsten Spaltabschnitt eintreten können. Wirbel, welche nicht in eine entgegen dem Spaltstrom gerichtete Richtung abwandern, lösen sich mindestens teilweise wieder auf, wenn sie in einen erweiterten Bereich des Spaltes eintreten. Durch solche Ablenkung des Spaltstroms und die damit verbundene Wirbelbildung durch in verschiedene Richtungen strömende Luft und die Auflösung solcher Wirbel, hindert sich die Kühlluft durch ihre Bewegung selber an einer gleichmässigen Strömung mit hohem Massenfluss. Durch die Verhinderung eines hohen Massenflusses tritt weniger Kühlluft an der axialen Kante aus dem radialen Spalt aus.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der radiale Spalt im Shiplap-Bereich eckige und/oder abgerundete Randflächen auf. Das heisst, dass die einzelnen Abschnitte bei einer Richtungsänderung eckig oder rund unter einem bestimmten Winkel ineinander übergehen können. Die Randflächen können konkav und/oder konvex, und/oder gerade ausgebildet sein.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfährt der radiale Spalt während seines Verlaufs im gestuften Bereich jeweils zwei gleichsinnige Richtungswechsel nacheinander. Das heisst, es könnten z.B. zwei Richtungswechsel im Gegenuhr-zeigersinn auf zwei Richtungswechsel im Uhrzeigersinn folgen und/oder umgekehrt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der radiale Spalt im gestuften Überlappungs- bzw. Eingriffsbereich eine Zickzack-Form aufweist. Eine Anordnung mit einer solchen Zickzack-Geometrie des radialen Spaltes kann im gestuften Bereich mindestens einen Abschnitt aufweisen, in welchem die Spaltströmrichtung entgegen der Anströmrichtung verläuft.
Alternativ zu den obigen Ausführungsformen oder zusätzlich dazu bzw. in Kombination damit, ist es möglich und bevorzugt, dass der radiale Spalt im gestuften Bereich mindestens eine Verjüngung und/oder mindestens eine Erweiterung aufweist. Ein Abschnitt des radialen Spaltes mit einer solchen Erweiterung kann mindestens 30% mehr, bevorzugterweise mindestens 50% mehr betragen als die Breite des radialen Spaltes, bzw. als der Durchflussquerschnitt beim Eintritt in den gestuften Bereich und kann unter Umständen sogar doppelt so gross sein wie der Durchflussquerschnitt beim Eintritt in den gestuften Bereich. Im Abschnitt einer Verjüngung beträgt die Breite des radialen Spaltes, bzw. der Durchflussquerschnitt 75%-50%, bevorzugterweise 50%-25% der Spaltbreite beim Eintritt in den gestuften Bereich.
In Richtung von der ersten axialen Kante zur zweiten axialen Kante gesehen, kann eine Erweiterung und/oder eine Verjüngung vor und/oder nach einer Richtungsänderung angeordnet sein. Zur Wirbelbildung ist es optimal, wenn eine Erweiterung in der Spaltstromrichtung der Luft im radialen Spalt nach einer Verjüngung angeordnet ist. Es kann aber auch eine Verjüngung wieder auf eine Erweiterung folgen, um den Verwirbelungseffekt zu erhöhen. Auch der Bereich der Richtungsänderung, d.h. der Bereich, wo die Randflächen des radialen Spaltes unter einem bestimmten Winkel rund oder eckig aneinandergrenzen bzw. ineinander übergehen, kann als Erweiterung oder Verjüngung im Vergleich zum Eintrittsbereich der Luft in den gestuften Bereich ausgestaltet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen solche Bereiche der Richtungsänderung abgerundete Dreiecksbereiche (von oben mit Blick auf die Ebene der Deckbandoberfläche gesehen) auf.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung ist eine Schaufelreihe einer Gasturbine mit einer Anordnung nach einer der vorgängig beschriebenen Ausführungsformen. Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer solchen Schaufelreihe wird der radiale Spalt zwischen zwei benachbarten Deckbandelementen an der Deckbandunterseite von einem Dichtungsblech abgedeckt. Dieses Dichtungsblech erschwert den Eintritt von Luft aus dem Kühlluftbereich in den radialen Spalt und minimiert somit anfänglich überhaupt die Luftmenge, welche von der erfindungsgemässen Shiplap-Anordnung am Austritt aus dem Spalt gehindert werden soll, da sie vom Dichtungsblech möglichst schon am Eintritt in den Spalt gehindert werden sollte. Andere Dichtungsvarianten als Alternative zum Dichtungsblech sind hier nicht ausgeschlossen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1:: den Stand der Technik; wobei Fig. 1a eine schematische Darstellung einer Anordnung von Turbinenschaufeln ist und Fig. 1b eine Detailansicht eines Shiplaps zeigt;
Fig. 2:: eine schematische Darstellung eines Schnittes entlang der Linie C-C des Ausschnittes 10 des Bereiches zwischen zwei benachbarten Schaufelelementen 1, von der Anströmrichtung A her betrachtet.
Fig. 3:: fünf verschiedene Varianten (3a-f) möglicher Geometrien von Labyrinthdichtungen in einer Detailansicht 20 des gestuften Bereichs 2 von Figur 1;
Fig. 4:: ein 2D CFD (ebene numerische Strömungssimulation) Berechnungsergebnis als Vergleich zwischen einer einfachen Labyrinthdichtung (Fig. 4a) und einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (Fig. 4b) zur Darstellung der Absolutwerte der Strömungsgeschwindigkeiten.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Figur 1a zeigt eine Anordnung von Turbinenschaufeln als abgerollter Abschnitt einer Schaufelreihe in Aufsicht auf die Deckbandoberfläche 23, wobei drei aneinander gereihte Schaufelelemente dargestellt sind. Ein Schaufelelement 1 weist ein Deckbandelement 13 auf, sowie ein an dieses Deckbandelement 13 angrenzendes und mit diesem verbundenes, im Wesentlichen in radialer Richtung bezüglich einer Hauptachse der Schaufelreihe verlaufendes Schaufelblatt 9. Die Hauptachse der Schaufelreihe ist diejenige Achse, um welche der durch eine montierte Schaufelreihe definierte Kreiszylinder gebildet wird. Die Hauptachse der Schaufelreihe stellt beispielsweise im Falle von montierten Laufschaufeln in einem Rotor einer Gasturbine, die Achse dar, um die sich die kreiszylindrisch angeordneten Laufschaufeln drehen.
Das Schaufelblatt 9 weist eine axial vordere Schaufelvorderkante 14 und eine axial hintere Schaufelhinterkante 15 auf. Die Schaufelvorderkante 14 wird in Anströmrichtung A von der ersten axialen Kante bzw. der Anströmkante 11 her vom Luftstrom des im Arbeitsmediumsbereich R strömenden Arbeitsmediums zuerst umströmt. Das Arbeitsmedium umströmt dann das Schaufelblatt 9 und verlässt es an der Schaufelhinterkante 15 in Richtung der zweiten axialen Kante, bzw. Abströmkante 12.
Das Deckbandelement 13 grenzt bei montierter Schaufelreihe mit den beiden in Umfangsrichtung U zeigenden Seiten 4, 5 an das jeweils benachbarte Deckbandelement 13 des jeweils benachbarten Schaufelelementes 1 unter Ausbildung jeweils eines im Wesentlichen radialen Spaltes 3. In Figur 1a sind die Schaufelelemente 1 mit je nur einem Deckbandelement 13 dargestellt. Es ist aber denkbar, dass die Schaufelelemente 1 sowohl ein radial inneres als auch ein radial äusseres Deckbandelement 13 aufweisen.
Jedes Schaufelelement 1 weist in Umfangsrichtung U eine erste, in Montagerichtung M weisende Seite 4 und eine zweite, entgegen der Montagerichtung M weisende Seite 5 auf. Die erste, in Montagerichtung M weisende Umfangsseite 4 eines montierten Schaufelelements 1 kommt durch die Montage eines nächsten Schaufelelementes 1 an die zweite, entgegen der Montagerichtung M weisende Umfangsseite 5 des nächstmontierten Schaufelelementes 1 zu liegen.
Das mit, l' bezeichnete erste montierte Schaufelelement 1 sowie alle folgenden Schaufelelemente 1 weist einen, an einer axialen Kante 12 auf einer ersten in Umfangsrichtung U zeigenden Seite 4 in Montagerichtung M nach vorne weisenden Vorsprung 6 auf, der in Umfangsrichtung U verläuft und in das Deckbandelement 13 des angrenzenden Schaufelelementes 1 hineinragt. Ebenso weisen die abgebildeten Schaufelelemente 1 auf einer zweiten in Umfangsrichtung U zeigenden Seite 5 eine korrespondierende, diesen Vorsprung 6 aufnehmende Ausnehmung 7 auf. Die Breite B des Vorsprungs 6, gemessen in radialer Richtung, beträgt maximal 40%, bevorzugterweise maximal 20%, insbesondere bevorzugt 5-15%, der Bautiefe T eines Schaufelelements 1. Die Bautiefe T ist definiert durch den axialen Abstand zwischen der Anströmkante 11 und der Abströmkante 12 des Schaufelelements 1.
Der Vorsprung 6 ist als Versatz in Umfangsrichtung U über einen Teil des axialen Verlaufs einer Umfangsseite 4 eines Schaufelelements 1 zu verstehen. Insbesondere definiert der Vorsprung 6 in Bezug auf die Längsachse L eines Schaufelblattes 9 zwischen zwei benachbarten montierten Schaufelelementen 1 einen in einer durch die Deckbandoberfläche 23 definierten Ebene gestuften radialen Spalt 3, der sich in einer radialen Ebene E zwischen den benachbarten Seiten 4, 5 der einzelnen Schaufelelemente von der axialen Anströmkante 11 eines Schaufelelements 1 zur axialen Abströmkante 12 erstreckt. In montiertem Zustand resultiert die Aneinanderlagerung der Schaufelelemente 1 in einem gestuften Überlappungs- bzw. Eingriffsbereich 2 zwischen den Deckbändern benachbarter Schaufelelemente, wodurch der radiale Spalt 3 gegen den Austritt von Kühlluft abgedichtet wird. Ohne eine solche gestufte Anordnung 2 würde die in den radialen Spalt 3 geratene Luft ungehindert aus der Öffnung 8 an der axialen Abströmkante 12 austreten und somit dem System verloren gehen.
Figur 1b zeigt eine schematische Detailansicht eines gestuften Überlappungsbereichs nach dem Stand der Technik. Hier ist die durch die Überlagerung der Deckbänder der beiden benachbarten Schaufelelemente resultierende Zickzack-Form des radialen Spalts 3 erkennbar. Eine solche Anordnung mit zwei Richtungsänderungen lenkt die aus dem Kühlluftbereich in den radialen Spalt 3 geratene Kühlluft ab und trägt zur Verminderung des Leckagestroms an der Abströmkante der Schaufelelemente bei. Der darstellungsgemässe konventionelle Shiplap weist also zwei Richtungsänderungen im Bereich eines Winkels α von im Wesentlichen 90 Grad auf, in Bezug auf den Verlauf des radialen Spaltes 3. Ein solcher gestufter Überlappungsbereich nach dem Stand der Technik weist im gesamten Verlauf des radialen Spaltes im gestuften Bereich eine im Wesentlichen konstante Spaltbreite auf.
In Figur 2 ist der in Figur 1a bezeichnete Bereich 10 zwischen zwei benachbarten Schaufelelementen 1 an einer ersten axialen Kante bzw. Anströmkante 11 in einem Schnitt senkrecht zur Hauptachse der Schaufelreihe entlang der in Figur 1a bezeichneten Linie C-C schematisch dargestellt. Dargestellt ist ein Ausschnitt von zwei benachbarten Deckbandelementen 13 mit ihren zugehörigen Schaufelblättern 9. In der Figur ist unterhalb der Deckbandelemente 13 der Kühlluftbereich K dargestellt, und zwischen den beiden Schaufelblättern 9 der Bereich R des Arbeitsmediums, gekennzeichnet durch die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums A. Der Eintritt von Kühlluft in den zwischen den beiden Deckblättern 13 verlaufenden radialen Spalt 3 und die axiale Verbreitung der Luft im radialen Spalt 3 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Dichtungsblech 17 erschwert. Das Dichtungsblech 17 zur Abdichtung des radialen Spaltes 3 liegt spaltübergreifend in je einer Vertiefung 24 oder Stufe von zwei benachbarten Deckbändern in Umfangsrichtung U der Deckbandunterseite auf, bzw. greift in diese Stufen bzw. Vertiefungen 24 ein und erstreckt sich in seiner Länge entlang des radialen Spaltes 3 parallel zu einer durch die Deckbandoberfläche definierten Ebene bis zum gestuften Bereich 2 an der Abströmkante 12 des Deckbandelementes 13. Durch die Zentrifugalkraft wird der in die beiden Vertiefungen 24 der benachbarten Deckbandelemente 13 eingreifende Dichtungsblechstreifen 17 in seiner Position gehalten. Während die Shiplap-Anordnung, bzw. der gestufte Bereich 2 die Aufgabe hat, die axiale Komponente der Leckageströmung am Austritt aus dem radialen Spalt 3 an der Abströmkante 12 zu reduzieren, hat dieses Dichtungsblech 17 die Funktion, die radiale Komponente der Leckageströmung abzufangen, d.h. den radialen Eintritt von Kühlluft aus dem Kühlluftbereich K in den radialen Spalt 3 und dadurch auch den ersten Schritt zur Ausbreitung des Spaltstroms in axialer Richtung zu verhindern. Dieses Dichtungsblech 17 bedeckt aber im gestuften Bereich des Shiplaps den radialen Spalt in radialer Richtung nicht mehr vollständig, weshalb im Shiplap-Bereich 20 immer noch relativ viel Kühlluft vom Kühlluftbereich K her in den radialen Spalt 3 eintreten kann. In der vorliegenden Erfindung geht es somit u.a. darum, den Austritt der trotz Dichtungsmittel, wie hier z.B. dem Dichtungsblech 17, in den radialen Spalt 3 geratenen Luft aus dem radialen Spalt 3 hinaus zu minimieren.
Figur 3 zeigt verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele von als Labyrinthdichtungen ausgestalteten Shiplap-Anordnungen, als schematische Darstellung des in Figur 1a bezeichneten Ausschnittes 20. Hier sind mit Ausnahme des in Figur 3d dargestellten Shiplaps mit nur einer einfachen Stufung jeweils Shiplaps mit einer mehrstufigen Labyrinthdichtung im Sinne der Erfindung dargestellt, z.B. mit 4 Richtungsänderungen, was aber das Vorhandensein von weiteren Labyrinthstufen, d.h. von 2 und mehr zusätzlichen Richtungsänderungen nicht ausschliessen soll. Im Wesentlichen wechseln sich in allen dargestellten Ausführungsbeispielen der Labyrinthdichtung Abschnitte des radialen Spaltes 3, die parallel oder abgeschrägt zur Strömungsrichtung A verlaufen mit solchen Abschnitten ab, die quer zur Anströmrichtung A angeordnet sind. Es ist aber auch denkbar, dass im gestuften Bereich des Spaltes 3 nur zur Strömungsrichtung A abgeschrägte oder nur die Kombination von zur Strömungsrichtung A paralleler und solcher Abschnitte senkrecht dazu vorhanden sind.
Figur 3a zeigt eine Zickzackform des radialen Spaltes 3 im gestuften Bereich 2. Die Zickzackform des Spaltes 3 wird dadurch erreicht, dass zwei Richtungsänderungen im Uhrzeigersinn auf zwei Richtungsänderungen im Gegenuhrzeigersinn folgen. Dies könnte alternativ dazu aber auch umgekehrt der Fall sein. Der Spaltstrom im Spalt 3 verläuft, von der Anströmkante 11 her gesehen in einem Abschnitt nach den beiden Richtungsänderungen im Gegenuhrzeigersinn entgegen der Anströmrichtung A. Obwohl hier nur eine solche Phase dargestellt ist, sind bei einer höheren Anzahl von Richtungsänderungen im gestuften Bereich 2 mehrere solche entgegen der Anströmrichtung A verlaufende Abschnitte denkbar. Das vorliegende Ausführungsbeispiel weist vier Richtungsänderungen des radialen Spaltes 3 auf, wovon die von der Anströmkante 11 zur Abströmkante 12 hin gesehen ersten beiden Richtungsänderungen im Gegenuhrzeigersinn, und die nächsten beiden im Uhrzeigersinn angeordnet sind. Nach diesem Ausführungsbeispiel strömt die Luft im radialen Spalt zuerst parallel zur Strömungsrichtung A, worauf sie für einen Abschnitt quer zur Strömungsrichtung A, anschliessend entgegengesetzt zur Strömungsrichtung A strömt, und dann wieder quer dazu strömt, bevor es ihr die Geometrie des radialen Spaltes 3 wieder erlaubt, in Strömungsrichtung A zu strömen. In Figur 3a tritt also der Spaltstrom S der Kühlluft von der Anströmkante 11 her kommend und zur Abströmkante 12 hin gerichtet im Wesentlichen parallel zur Anströmrichtung A in den gestuften Bereich 2 ein. Anschliessend wird die Kühlluft gemäss der Darstellung zweimal um etwa 90 Grad im Gegenuhrzeigersinn abgelenkt, um dann zweimal eine Richtungsänderung von ca. 90 Grad im Uhrzeigersinn zu erfahren, bevor jene Kühlluft, welche trotz der gestuften Anordnung als Labyrinthdichtung nicht am Strömen bis zur Abströmkante 12 gehindert wurde, an der Abströmkante 12 aus dem radialen Spalt 3 austritt. Die in Figur 3a dargestellte bevorzugte Ausführungsform weist gerade Randflächen 21 auf, die eckig unter bestimmten Winkeln α aneinandergrenzen. In einer solchen Anordnung könnten die Randflächen 21 aber durchaus auch durch konkave oder konvexe Randflächenformen, sozusagen unter "runden Ecken" aneinander grenzen. Es ist auch denkbar, dass der radiale Spalt 3 in dieser Anordnung Richtungsänderungen anderer Winkelgrössen α aufweisen könnte.
Das in Figur 3b dargestellte Ausführungsbeispiel einer Labyrinthdichtung zeigt ebenfalls einen im gestuften Bereich 2 ausschliesslich aus geraden Randflächen 21 bestehenden radialen Spalt 3. Die Bereiche der Richtungsänderungen sind in diesem Ausführungsbeispiel alle eckig ausgebildet. Der Spaltstrom S der Kühlluft tritt nach dem Eintritt in den gestuften Bereich 2 parallel zur Anströmrichtung A bei der ersten Richtungsänderung, welche ca. 90 Grad Gegenuhrzeigersinn beträgt, in einen verjüngten Spaltbereich 18 ein, worauf der Spaltstrom um ca. 90 Grad im Uhrzeigersinn in einen erweiterten Bereich 19 umgelenkt wird und dann wiederum um ca. 90 Grad im Gegenuhrzeigersinn in einen Verengungsbereich 18 umgelenkt wird, um anschliessend noch eine Ablenkung um ca. 90 Grad im Gegenuhrzeigersinn zu erfahren, bevor die Luft nach zwei weiteren, im Wesentlichen ca. 90-grädigen Richtungsänderungen im Uhrzeigersinn zur Austrittsöffnung 8 an der Abströmkante 12 des Schaufelelements 1 gelangt.
In Figur 3c ist, wie bereits in Figur 3b, eine Labyrinthdichtung dargestellt, in welcher der radiale Spalt 3 in den quer zur Strömungsrichtung A angeordneten geraden Randflächen 21 schmaler ist als in den parallel zur Strömungsrichtung A angeordneten -Randflächen 21. Hier weist der gestufte Bereich acht Richtungsänderungen auf, wobei in der Spaltstromrichtung S zuerst zwei Richtungsänderungen im Gegenuhrzeigersinn angeordnet sind, gefolgt von zwei Richtungsänderungen im Uhrzeigersinn, dann wieder zwei Richtungsänderungen im Gegenuhrzeigersinn und schliesslich zwei Richtungsänderungen im Uhrzeigersinn. Die erste Richtungsänderung im Gegenuhrzeigersinn beträgt im Wesentlichen 60-70 Grad. Die zweite Richtungsänderung im Gegenuhrzeigersinn beträgt ca. 100-110 Grad, wie auch die nächstfolgende, im Uhrzeigersinn angeordnete Richtungsänderung des radialen Spaltes 3. Die darauf folgende Richtungsänderung im Uhrzeigersinn beträgt wiederum ca. 60-70 Grad, wie auch die anschliessende Richtungsänderung im Gegenuhrzeigersinn. Darauf folgen eine Richtungsänderung im Gegenuhrzeigersinn um ca. 100-110 Grad und dann zwei Richtungsänderungen im Uhrzeigersinn, wovon die erste ebenfalls ca. 100-110 Grad beträgt, und die zweite ca. 60-70 Grad beträgt. Der radiale Spalt 3 weist hier darstellungsgemäss zwei aufeinanderfolgende nach oben (in Strömungsrichtung) und zwei nach unten geöffnete eckige U-förmige Abschnitte auf.
Die Zickzackform der Labyrinthdichtungen mit mehr als zwei Richtungsänderungen, wie in Figuren 3a-c dargestellt, zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass der Spaltstrom S der Kühlluft entsprechend der Geometrie der Labyrinthdichtung innerhalb des radialen Spaltes 3 abschnittweise auch in eine der Gesamtströmungsrichtung A entgegengesetzte Richtung gezwungen wird und dass der Spaltstrom S im Laufe des gestuften Bereichs 2 starke Verwirbelungen erfährt, wobei der Quotient zwischen dem Durchflussquerschnitt bzw. der Breite des radialen Spaltes in einer Verjüngung und dem Durchflussquerschnitt in dem auf die Verjüngung folgenden Bereich den Grad der Verwirbelung beeinflusst.
Allgemein ist zu erwähnen, dass die Randflächen 21, unabhängig davon, wie sie in den Figuren dargestellt sind, parallel zur Anströmrichtung A, quer dazu oder schräg dazu, d.h. abgewinkelt zur Strömungsrichtung verlaufen können. Diese Randflächen 21 können eben respektive gerade, oder abgerundet, entweder konvex, d.h. als Ausbuchtungen in den radialen Spalt hinein oder konkav, d.h. als Verbreiterungen aus dem radialen Spalt 3 in das Deckbandelement 13 hinein ausgebildet sein. Ebenso können die Randflächen 21 bei einem Richtungswechsel des radialen Spaltes 3 unter bestimmten Winkeln eckig und/oder entlang abgerundeter Randflächen 21 aneinandergrenzen.
Figur 3d zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Labyrinthdichtung, welche zwar nur zwei Richtungsänderungen aufweist, aber gegenüber einem einfachen Shiplap zusätzlich zu den zwei Richtungsänderungen des radialen Spaltes 3 je einen Bereich mit einer Erweiterung 19 und einer Verjüngung 18 im radialen Spalt 3 aufweist. Eine solche Abfolge einer Erweiterung 19 im Bereich der Richtungsänderung, gefolgt von einem verjüngten Spaltabschnitt 18 oder umgekehrt wirkt auf den Spaltstrom ebenfalls geschwindigkeitsdrosselnd, was ja zum Zweck der Minimierung des Leckagestroms wünschenswert ist. Die beiden Richtungsänderungen, wovon eine im Gegenuhrzeigersinn und die zweite im Uhrzeigersinn ausgebildet ist, betragen beide im Wesentlichen ca. 90 Grad. Der Bereich der ersten Richtungsänderung im gestuften Bereich 2 ist darstellungsgemäss als "abgerundete Ecke", bzw. abgerundeter erweiteter Dreiecksbereich ausgebildet, während der zweite Richtungsänderungsbereich als eine herkömmliche Ecke ausgestaltet ist. Eine Erweiterung 19 sei definiert als Abschnitt des radialen Spaltes 3 im gestuften Bereich 2, in dem die Breite des radialen Spaltes 3, d.h. des Durchflussquerschnittes, mindestens 30% mehr, bevorzugterweise mindestens 50% mehr beträgt als die Spaltbreite D, oder sogar doppelt so gross ist. Eine Verjüngung 18 sei als Abschnitt des radialen Spaltes 3 im gestuften Bereich 2 definiert, in dem die Breite des radialen Spaltes 3, respektive der Durchflussquerschnitt, 50%, bevorzugterweise 25-50% der Spaltbreite D beträgt. Das heisst, dass das Verhältnis zwischen der Spaltbreite D und der Breite des Spaltes, d.h. dem Quotient zwischen der Breite des Spaltes in der Verjüngung 18 und der Spaltbreite D beim Eintritt des radialen Spaltes 3 in den gestuften Bereich 2 im Wesentlichen zwischen 1:2 und 1:4, möglicherweise aber auch bis zu 1:8 beträgt.
Die Labyrinthdichtung nach dem in Figur 3e dargestellten Ausführungsbeispiel weist mehrheitlich abgerundete Randflächen 21 auf. Nachdem Luft im Spaltstrom S von der Anströmkante 11 aus in Richtung der Abströmkante 12 gesehen über eine in gemäss diesem Ausführungsbeispiel dargestellte konische Verjüngung 26 in den gestuften Bereich 2 einströmt, gelangt sie in einen erweiterten Dreiecksbereich 25 mit abgerundeten Randflächen 21, an dessen den radialen Spalt 3 begrenzenden Randflächen 21 der Luftstrom erheblich abgelenkt und verwirbelt wird, hier um ca. 130 Grad im Gegenuhrzeigersinn, bevor er mit einer Richtungsänderung im Uhrzeigersinn um ca. 50-60 Grad in einen quer zur Anströmrichtung A der Schaufelelemente 1 angeordneten verjüngten Abschnitt 18 des radialen Spaltes 3 gedrängt wird. Anschliessend erfährt der im radialen Spalt 3 strömende Kühlluftstrom eine Ablenkung von ca. 40-50 Grad im Uhrzeigersinn in eine zweite Erweiterung 19 hinein, um dann wieder eine Ablenkung im Gegenuhrzeigersinn um ca. 50-60 Grad in einen wiederum verjüngten Spaltbereich 18 hinein zu erfahren, bevor er nach einer weiteren Umlenkung um ca. 70-85 Grad im Uhrzeigersinn an der Abströmkante 12 aus dem radialen Spalt 3 austreten kann.
In der Labyrinthdichtung nach dem Ausführungsbeispiel von Figur 3f grenzen in dem vom Spaltstrom S der Kühlluft nach dem Eintritt in den gestuften Bereich 2 die den radialen Spalt 3 begrenzenden Randflächen 21 zunächst über zwei Richtungsänderungen eckig aneinander, während der radiale Spalt 3 im daran anschliessenden Bereich des gestuften Bereichs 2 bei einem Richtungswechsel auch abgerundete Aneinandergrenzungen der Randflächen 21 aufweist. Der radiale Spalt 3 in der in Figur 3f dargestellten Labyrinthdichtung weist in einer bezüglich der Richtung des Spaltstroms S ersten Hälfte eine im Wesentlichen einheitliche Breite D auf, während die zweite Hälfte zuerst entlang einer ebenen Fläche einen im Vergleich zur ersten Labyrinthstufe verengten Bereich 18 und anschliessend eine Erweiterung 19 aufweist. Der in den gestuften Bereich 2 gemäss dieses Ausführungsbeispiels eintretende Spaltstrom S wird zunächst nur gering, in einem Winkel α von ca. 30 Grad im Gegenuhrzeigersinn abgelenkt, bevor er zwecks Wirbelbildung und Geschwindigkeitsdrosselung eine erhebliche Umlenkung von im Wesentlichen 90 Grad im Gegenuhrzeigersinn erfährt, um dann um erhebliche 130-140 Grad im Uhrzeigersinn in einen nächsten Abschnitt des radialen Spalts 3 gelenkt wird, und dann um wiederum ca. 130-140 Grad, diesmal aber im Gegenuhrzeigersinn, in einen verjüngten Spaltbereich 18, der im Wesentlichen quer zur Anströmrichtung A verläuft, gezwängt wird , um dann in einer konischen Erweiterung 27 um einen Winkel α von ca. 50-70 Grad wieder in einen abgerundeten Dreiecksbereich 25 hinein auszudehnen, an dessen abgerundeten Randflächen 21 der Luftstrom um ca. 50-70 Grad zum Austritt an der zweiten axialen Kante bzw. der Abströmkante 12, geführt wird.
In Figur 4 sind zwei Konturdarstellungen der Absolutwerte der Strömungsgeschwindigkeiten der Kühlluft im radialen Spalt 3 im gestuften Bereich 2 dargestellt. Die Figur zeigt in einer 2D CFD Darstellung Berechnungsergebnisse von Untersuchungen einer ersten Labyrinthdichtung (Fig. 4a) im Sinne des in Figur 3d dargestellten Ausführungsbeispiels, im Vergleich zu einer noch weiter verbesserten Labyrinthdichtung (Fig. 4b). Die markierten Bereiche 22, 28 sind durch ihre Strömungsgeschwindigkeit definiert. Der Bereich 22 ist als Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit definiert, da die Strömungsgeschwindigkeit höher ist als die des Luftstroms während des Eintritts in den gestuften Bereich 2. Der Eintrittsbereich in den gestuften Bereich 2 gehört wie auch der Bereich des Austritts aus dem gestuften Bereich 2 zum Bereich 28, der somit eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit aufweist, als der Bereich 22. In Fig. 4a weisen die Bereiche 28 eine Strömungsgeschwindigkeit auf, die im Wesentlichen etwa doppelt so hoch ist wie die Strömungsgeschwindigkeit in den genannten Bereichen 28 des in Fig. 4b dargestellten Ausführungsbeispiels. Fig. 4a weist nur einen Bereich 22 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit auf. Die in Fig. 4b dargestellte Anordnung hingegen weist aufgrund ihrer zusätzlichen Stufung drei solche Bereiche 22 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit auf, in denen die Kühlluft eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als die Eingangsgeschwindigkeit im radialen Spalt aufweist. Die in diesen Bereichen erreichte Strömungsgeschwindigkeit weist aber im Vergleich zu dem in Figur 4a bezeichneten Bereich 22 etwa halb so grosse Strömungsgeschwindigkeiten auf. Sowohl die Untergrenze als auch die Obergrenze der Strömungsgeschwindigkeit im bezeichneten Bereich 22 von Fig. 4a beträgt im Wesentlichen etwa das Doppelte der entsprechenden Untergrenze bzw. Obergrenze der besagten Bereiche 22 von Fig. 4b. Solche Bereiche 22 sind bevorzugt, da durch eine herabgesetzte Strömungsgeschwindigkeit der Massenfluss verringert wird. Der Eingangsdruck p1 der Kühlluft im radialen Spalt 3 von der Anströmkante 11 her in den gestuften Bereich 2 kommend ist bei der Shiplap-Anordnung nach Fig. 4a höher als der Druck p2 beim Austritt aus dem gestuften Bereich 2. Bei im Wesentlichen gleichen Bedingungen wird aber in dem in Figur 4b dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel mit sechs Richtungsänderungen im radialen Spalt 3 in einem Winkel α von je im Wesentlichen ca. 90 Grad der Massenfluss im Wesentlichen halbiert.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Schaufelelement
2: Shiplap, gestufter Bereich
3: radialer Spalt
4: erste Umfangsseite
5: zweite Umfangsseite
6: Vorsprung
7: Ausnehmung
8: Oeffnung
9: Schaufelblatt
10: Ausschnitt des Bereichs zwischen zwei Schaufelelementen an der Anströmkante
11: erste axiale Kante, Anströmkante
12: zweite axiale Kante, Abströmkante
13: Deckbandelement
14: Schaufelvorderkante
15: Schaufelhinterkante
17: Dichtungsblech
18: Verjüngung
19: Erweiterung
20: Detail-Ausschnitt entlang Schnitt C-C
21: Randfläche von 3
22: Bereich von 3 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 2
23: Oberfläche von 13
24: Vertiefung
25: abgerundeter Dreiecksbereich
26: konische Verjüngung
27: konische Erweiterung
28: Bereich von 3 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 2
α: Winkel der Richtungsänderung
A: Anströmrichtung (Strömungsrichtung des Arbeitsmediums)
B: Breite von 6
C-C: Schnittlinie
D: Spaltbreite, Durchflussquerschnitt
E: radiale Ebene
K: Kühlluftbereich
L: Längsachse von 9
M: Montagereihenfolge bzw. Montagerichtung
p1: Eingangsdruck des Kühlluftstroms
p2: Ausgangsdruck des Kühlluftstroms
R: Arbeitsmediumsbereich
S: Spaltstromrichtung
T: Bautiefe
U: Umfangsrichtung

Claims

Anordnung zwischen Schaufelelementen (1) in einer Schaufelreihe in einer Gasturbine,
wobei jedes Schaufelelement (1) wenigstens ein Deckbandelement (13) aufweist, sowie ein an dieses Deckbandelement (13) angrenzendes und mit diesem verbundenes, im Wesentlichen in radialer Richtung bezüglich einer Hauptachse der Schaufelreihe verlaufendes Schaufelblatt (9),
wobei das Deckbandelement (13) bei montierter Schaufelreihe mit den beiden in Umfangsrichtung (U) zeigenden Seiten (4, 5) an das jeweils benachbarte Deckbandelement (13) des jeweils benachbarten Schaufelelementes unter Ausbildung jeweils eines im Wesentlichen radialen Spaltes (3) grenzt,
und wobei wenigstens ein Schaufelelement (1) auf einer ersten in Umfangsrichtung (U) zeigenden Seite (4) einen in das Deckbandelement (13) des angrenzenden Schaufelelementes (1) hineinragenden in Umfangsrichtung (U) verlaufenden Vorsprung (6) und wenigstens ein Schaufelelement (1) auf einer zweiten in Umfangsrichtung (U) zeigenden Seite (5) eine einen solchen Vorsprung (6) aufnehmende Ausnehmung (7) aufweist,
wobei im Bereich des Vorsprungs (6) respektive der Ausnehmung (7) ein gestufter Abschnitt (2) des radialen Spaltes vorliegt,
wobei die Führung des radialen Spaltes (3) im gestuften Abschnitt (2) als Labyrinthdichtung ausgestaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) im gestuften Bereich (2) mindestens einen Abschnitt aufweist, in welchem die Spaltstromrichtung (S) entgegen der Anströmrichtung (A) verläuft.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) im gestuften Bereich (2) mehr als zwei Richtungsänderungen aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) im gestuften Bereich (2) vier, sechs oder acht Richtungsänderungen aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) im gestuften Bereich (2) Richtungsänderungen in einem Winkel (α) im Bereich von 40 bis 130 Grad, insbesondere im Bereich von 60 bis 110 Grad, im Wesentlichen im Bereich von 80-100 Grad aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) eckige und/oder abgerundete Randflächen (21) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) konkave und/oder konvexe, und/oder gerade Randflächen (21) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) während seines Verlaufs im gestuften Bereich (2) jeweils zwei gleichsinnige Richtungsänderungen nacheinander erfährt.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) im gestuften Bereich (2) mindestens eine Verjüngung (18) und/oder mindestens eine Erweiterung (19) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite oder der Durchflussquerschnitt des radialen Spaltes (3) im Abschnitt einer Erweiterung (19) mindestens 30% mehr, bevorzugterweise mindestens 50% mehr beträgt als die Breite (D) respektive der Durchschnittsquerschnitt des radialen Spaltes (3) beim Eintritt in den gestuften Bereich (2), oder sogar doppelt so gross ist, und dass im Abschnitt einer Verjüngung (18) die Breite respektive der Durchflussquerschnitt des radialen Spaltes (3) 75%-50%, bevorzugterweise 50%-25% der Spaltbreite (D) respektive des Durchschnittsquerschnitts beim Eintritt in den gestuften Bereich (2) beträgt.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im gestuften Bereich (2) des radialen Spaltes (3) in Richtung von der ersten axialen Kante (11) zur zweiten axialen Kante (12) eine Erweiterung (19) und/oder eine Verjüngung (18) vor und/oder nach einer Richtungsänderung angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im gestuften Bereich (2) des radialen Spaltes (3) in Richtung von der ersten axialen Kante (11) zur zweiten axialen Kante (12) eine Erweiterung (19) nach einer Verjüngung (18) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im gestuften Bereich (2) des radialen Spaltes (3) der Bereich der Richtungsänderung als Erweiterung (19) oder Verjüngung (18) ausgestaltet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im gestuften Bereich (2) des radialen Spaltes (3) der Bereich der Richtungsänderung abgerundete Dreiecksbereiche (25) aufweist.
Schaufelreihe einer Gasturbine mit einer Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Schaufelreihe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt (3) zwischen zwei benachbarten Deckbandelementen (13) an der Deckbandunterseite von einem Dichtungsblech (17) abgedeckt wird.