Deckband für axialdurchströmte Turbine

Abstract

 Bei einer Vorrichtung zur Dichtung des Spaltes zwischen den Laufschaufeln und dem mit konischer Kontur (28) ausgebildeteten Gehäuse (2) einer Turbomaschine sind die Laufschaufeln (6) mit umlaufenden Deckplatten (11) versehen, welche mit Zacken (12, 13, 14, 15) unter Bildung von Radialspalten (16, 17, 18) gegen das Gehäuse dichten. Die am Schaufelende angeordnete Deckplatte (11) weist vier Drosselstellen gegen das Gehäuse auf, wobei die eintrittseitige Drosselstelle einen Diagonalspalt (19) begrenzt und die austrittseitige Drosselstelle einen Radialspalt (16) bildet.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dichtung des Spaltes zwischen den Laufschaufeln und dem mit konischer Kontur ausgebildeteten Gehäuse einer Turbomaschine, wobei die Laufschaufeln mit umlaufenden Deckplatten versehen sind, welche mit Zacken unter Bildung von Radialspalten gegen das Gehäuse dichten.

Stand der Technik

[0002] Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus Deckplatten mit in Umfangsrichtung verlaufenden Zacken, die gegen das Gehäuse oder gegen eine Honigwabenanordnung (honeycomb) dichten. Dabei bilden sie ein glattes oder ein gestuftes Labyrinth mit reinen Radialspalten. In der Regel erstrecken sich diese Deckplatten über die ganze Schaufelbreite. Eine derartige bekannte, zwei Dichtzacken aufweisende Dichtung ist in der später zu beschreibenden Fig. 1 anhand der Laufschaufel der ersten Stufe dargestellt.

[0003] Von Nachteil sind bei diesen Dichtungen die beiden vor und hinter den Zacken gebildeten grossen Wirbelräume, welche eine grosse Dissipation bewirken. Zudem erschweren die offenen Räume die Kühlung der Deckplatten.

Darstellung der Erfindung

[0004] Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Schaufeln der eingangs genannten Art eine saubere Führung der Hauptströmung zu gewährleisten und ein Deckband zu schaffen, welches neben guter Dichtwirkung auch einer guten Kühlung zugänglich ist.

[0005] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die am Schaufelende angeordnete Deckplatte vier Drosselstellen gegen das Gehäuse aufweist, wobei die eintrittseitige Drosselstelle im stationären Betriebszustand einen Diagonalspalt bildet. Vorzugsweise bildet die austrittseitige Drosselstelle einen Radialspalt.

[0006] Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass bei der neuen Dichtung nur kleine Spaltmengen auftreten. Hierdurch können hohe Wirkungsgrade erzielt werden. Zudem wird eine gute Einführung der Spaltströmung in die Hauptströmung erreicht.

[0007] Es ist besonders zweckmässig, wenn die Deckplatten rotationssymmetrisch ausgebildet sind und wenn die Trennfugen zwischen benachbarten Deckplatten in Richtung der Profilsehne verlaufen. Bei dieser Ausbildung wird die unvermeidliche Leckströmung zwischen den Deckplatten in Richtung der Hauptströmung umgelenkt.

[0008] Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Trennfuge mit vier Stufen versehen ist, wobei die Stufen in der Axialebene der drei Drosselstellen verlaufen. Anlässlich des Betriebes der Turbomaschine kommt es in diesen Stufen zwischen benachbarten Deckpatten bei der Entwindung der Schaufeln zur Anlage. Hierdurch entsteht die erforderliche dämpfende Wir kung.

[0009] Mit Vorteil weist das eintrittsseitige Schaufelende gegenüber der Gehäusekontur eine geringere Neigung auf. Dies Neigung soll so bemessen sein, dass ein positiver Versatz am Schaufelende entsteht, welcher seinen grössten Wert im Bereich der Schaufeleintrittskante aufweist und welcher zusammen mit dem zugehörigen Deckplattenteil in eine im Gehäuse angeordnete Spaltentlastungs-Kammer hineinragt. Mit dieser Spaltentlastung wird eine Reduktion des Leckagestromes über das Deckband erzielt, indem die Hauptströmung in Spaltnähe abgedrängt wird.

[0010] Ist darüberhinaus das Gehäuse an den vier Drosselstellen mit Honigwabenanordnungen versehen, so sind bei einem allfälligen Anstreifen keine Beschädigungen am hochempfindlichen Deckband zu erwarten; Diese Honigwabendichtungen bewirken auch, dass die Wärmeentwicklung beim Anstreifen möglichst gering bleibt. Damit bleiben auch die Festigkeitseigenschaften der beteiligten hochbelasteten Elemente intakt.

[0011] Schliesslich werden zur Gewichtsreduktion der Deckplatten vorzugsweise die die Drosselstellen bildenden Zacken der Deckplatten an den Deckplattenüberhängen in Umfangsrichtung verjüngt ausgebildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0012] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer axialdurchströmten Gasturbine dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

einen Teillängsschnitt der Gasturbine;

Fig. 2

einen Teilquerschnitt durch die Dichtvorrichtung der zweiten Laufreihe;

Fig. 3

die teilweise Abwicklung einer Draufsicht auf die Schaufelenden der zweiten Laufreihe.

[0013] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nur angedeutet sind beispielsweise die angrenzenden Anlageteile wie Brennkammer und Austrittsdiffusor sowie die Schaufelfüsse. Nicht dargestellt ist die bei dieser Art von Maschinen übliche Schaufelkühlung. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0014] Die dreistufige Gasturbine in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus dem beschaufelten Rotor 1 und dem mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträger 2. Der Schaufelträger, der eine stark konische Kanalkontur von 40° aufweist, ist in einem nichtgezeigten Turbinengehäuse eingehängt. Nachstehend ist der Begriff Schaufelträger gleichbedeutend mit dem Begriff Gehäuse. Vom Austritt der Brennkammer 3 gelangt das Arbeitsmittel in die Turbine. Deren durchströmter Kanal mündet in das Abgasgehäuse, von dem bloss die Innenwandungen 4 des Diffusors gezeigt sind. Die Beschaufelung besteht aus drei Leitreihen 5a, 5b und 5c sowie drei Laufreihen 6a, 6b und 6c. Die Schaufeln der Leitreihen dichten mittels Deckbändern 7 gegen den Rotor 1. Die Schaufeln der ersten Laufreihe 6a sind mit der eingangs erwähnten, an sich bekannten Deckplattendichtung 8 versehen. Die eigentliche Dichtung besteht aus in Umfangsrichtung verlaufenden Zacken, die gegen eine Honigwabenanordnung (honeycomb) 9 laufen. Die sich über die ganze Schaufelbreite erstreckenden Deckplatten bilden dabei eingestuftes Labyrinth mit reinen Radialspalten.

[0015] Die hoch belasteten Laufschaufeln 6 der Austrittslaufreihe 6c mit je einer mittig am Schaufelende angeordneten Deckplatte 30 versehen, welche drei Drosselstellen gegen den Schaufelträger 2 bildet.

[0016] Die Schaufeln der mittleren Laufreihe sind mit Deckplatten 11 versehen, welche gemäss Fig. 2 vier Drosselstellen gegen den Schaufelträger 2 bilden. Hierzu sind die Platten in vier verschiedenen Radialebenen mit umlaufenden Zacken 12, 13, 14 und 15 versehen. Der austrittseitige Zacken 15 bildet zusammen mit einer im Schaufelträger 2 eingesetzten Honigwabenanordnung 25 einen Radialspalt 16. Die mittleren Zacken 13 und 14 bilden mit den gegenüberliegenden Honigwabenanordnungen 27 und 28 ebenfalls Radialspalte 17 resp. 18. Der eintrittseitige Zacken 12 verläuft diagonal und bildet zusammen mit einer entsprechend konfigurierten Honigwabenanordnung 26 einen Diagonalspalt 19. Im vorliegenden Fall sei angenommen, dass während des Betriebes der Rotor und das Gehäuse anlässlich der grossen relativen Axialdehnungen auf einander zulaufen. In Fig. 2 ist somit die Betriebsposition gezeigt, jene Stellung also, bei welcher der Diagonalspalt 19 das Betriebsspiel darstellt. Die Axialdehnung wird also ausgenutzt, um einen Drosselspalt zu kreieren.

[0017] Die vier Zacken schliessen drei Wirbelkammern 20, 21, 22 ein, wobei durch die radiale Versetzung der Drosselstellen diese sich gegenseitig nicht beeinflussen.

[0018] Die neue Art der Dichtung am Austritt mittels Radialspalt bewirkt eine sauber geführte Abströmung in den durchströmten Kanal gegenüber der bisherigen freien Wirbelräume an dieser Stelle, wie sie die Deckplattendichtung 8 bei der ersten Laufreihe 5b beinhaltet. Die an die Honigwabenanordnung 25 angrenzende Wandung 29 des durchströmten Kanals ist zunächst leicht abgerundet, bevor sie in die Schräge der Kanalkontur übergeht. Mit dieser Massnahme wird auf den aus dem Radialspalt 16 austretenden Spaltstrom ein umlenkender Coanda-Effekt ausgeübt, so dass die Hauptströmung möglichst wenig beeinträchtigt wird.

[0019] Gemäss Fig. 2 ist das Schaufelende eintrittseitig mit einem positiven Versatz 10 versehen. Dieser Versatz wird dadurch gebildet, dass die Schaufelspitze gegenüber der Konizität 32 der Kanalkontur einen kleineren Wert aufweist. Der Versatz 10 ragt zusammen mit dem ihm zugehörigen Deckplattenteil in eine im Schaufelträger 2 angeordnete SpaltentlastungsKammer 31 hinein. Die Innenkontur der Spaltentlastungs-Kammer ist an die Konizität der Schaufelspitze angepasst. Hierdurch wird eine aerodynamische Entlastung des Schaufelspaltes bewirkt. Die Druckdifferenz über dem Schaufelspalt sinkt und die Umlenkung wird verbessert. Dadurch werden insgesamt die sogenannten Spaltverluste reduziert.

[0020] In Fig. 3 ist erkennbar, dass die Deckplatten 11 rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Die Trennfugen 23 zwischen benachbarten Deckplatten verlaufen in Richtung der Profilsehne. Die in Umfangsrichtung gelegenen Seiten der Deckplatten sind mit vier Stufen 24 versehen. Diese Stufen verlaufen in der Axialebene der vier Dichtzacken, um an den Dichtflächen eine durchgehende Dichtung zu gewährleisten. Darüberhinaus übernehmen diese Stufen die mechanische Kopplung der Deckplatten untereinander zwecks Erzielung der dämpfenden Wirkung. Die Zacken 12, 13, 14 und 15 sind an den beiden Überhängen jeder Deckplatte in Umfangsrichtung verjüngt. Diese Verjüngungen 12a, 13a, 14a und 15a tragen wesentlich zur Gewichtsersparnis der Deckplatten bei.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1

Rotor

2

Schaufelträger, Gehäuse

3

Brennkammer

4

Innenwandungen des Diffusors

6

Laufschaufel

5a,b,c

Leitreihe

6a,b,c

Laufreihe

7

Deckbänder

8

Deckplattendichtung für 6a

9

Honigwabenanordnung radial

10

positiver Versatz am Schaufelende von 6b

11

Deckplatte für 6b

12

Zacken

12a

Verjüngung

13

Zacken

13a

Verjüngung

14

Zacken

14a

Verjüngung

15

Zacken

15a

Verjüngung

16

Radialspalt

17

Radialspalt

18

Radialspalt

19

Diagonalspalt

20

Wirbelkammer

21

Wirbelkammer

22

Wirbelkammer

23

Trennfuge

24

Stufe

25

Honigwabenanordnung

26

Honigwabenanordnung

27

Honigwabenanordnung

28

Honigwabenanordnung

29

Wandung

30

Deckplatte für 6c

31

Spaltentlastungs-Kammer

32

Konizität

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Dichtung des Spaltes zwischen den Laufschaufeln und dem mit konischer Kontur (28) ausgebildeteten Gehäuse (2) einer Turbomaschine, wobei die Laufschaufeln (6) mit umlaufenden Deckplatten (11) versehen sind, welche mit Zacken (12, 13, 14, 15) unter Bildung von Radialspalten (16, 17, 18) gegen das Gehäuse dichten,
dadurch gekennzeichnet,
dass die am Schaufelende angeordnete Deckplatte (11) vier Drosselstellen gegen das Gehäuse aufweist, wobei die eintrittseitige Drosselstelle im stationären Betriebszustand einen Diagonalspalt (19) bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die austrittseitige Drosselstelle einen Radialspalt (16) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatten (11) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfugen (23) zwischen benachbarten Deckplatten (11) in Richtung der Profilsehne verlaufen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge (11) mit vier Stufen (24) versehen ist, wobei die Stufen in der Axialebene der Zacken (12, 13, 14) verlaufen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den vier Drosselstellen das Gehäuse mit Honigwabenanordnungen (25, 26, 27, 28) versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelende eintrittsseitig gegenüber der Gehäusekontur (32) eine geringere Neigung aufweist derart, dass der dadurch entstehende positive Versatz (10) am Schaufelende zusammen mit dem zugehörigen Deckplattenteil in eine im Gehäuse (2) geformte Spaltentlastungs-Kammer (31) hineinragt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Drosselstellen bildenden Zacken (12, 13, 14, 15) der Deckplatten (11) an den Deckplattenüberhängen in Umfangsrichtung verjüngt (12a, 13a, 14a, 15a) sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die austrittsseitige Honigwabenanordnung (25) angrenzende Wandung (29) des durchströmten Kanals leicht abgerundet ist, bevor sie in die Schräge der Kanalkontur übergeht.

Zeichnung