DICHTUNGSBAUGRUPPE FÜR KOMPONENTEN EINER STRÖMUNGSMASCHINE

Beschreibung

Technisches Anwendungsgebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsbaugruppe, insbesondere für eine Strömungsmaschine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] 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

[0003] 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.

[0004] 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 Wabendichtungen mit kleinen Kühlluftbohrungen durchsetzt, die über eine umlaufende Ringkammer mit Kühlluft versorgt werden.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] Bei einer derartigen Ausbildung der Dichtungsanordnung 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.

[0008] Aus der US-A-4,311,431 ist eine Gasturbine mit einer Kühlvorrichtung für das Deckband eines Laufschaufelkranzes bekannt, bei der einerseits durch erste, radial orientierte Kanäle von aussen Kühlluft in den mit einer Labyrinthdichtung abgedichteten Spalt zwischen Deckband und der äusseren Wand des Heissgaskanals eingeblasen wird, und andererseits durch stromaufwärts des Spaltes mehr axial orientierte zweite Kanäle Kühlluft unter und über das Deckband geblasen wird, um das Deckband zu kühlen.

Darstellung der Erfindung

[0009] 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 anstreiftoleranten, 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.

[0010] Die Aufgabe wird mit der Dichtungsbaugruppe gemäss Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Dichtungsbaugruppe sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] Das Dichtungselement ist als Wabendichtung, "Honeycomb" ausgeführt oder 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.

[0014] Bei der Verwendung in einer Strömungsmaschine wird die erfindungsgemässe 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.

[0015] 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.

[0016] 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 steht. 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.

[0017] 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

[0018] 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

[0019] Figur 1 zeigt ein Beispiel für die Verwendung einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Dichtungsbaugruppe zur Abdichtung von Leckageströmen zwischen der Spitze einer Laufschaufel 7, beziehungsweise einem Schaufeldeckband, und dem nicht detailliert dargestellten Gehäuse einer Strömungsmaschine. Die Laufschaufel 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.

[0020] 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 abgetrennt. 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.

[0021] 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 Laufschaufel 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.

[0022] 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

[0023] 

1

Träger

2

Dichtungselement

3

Anspeisung

3a

Kühlmittelkanal

3b

redundanter Kühlmittelkanal

4

Auslassöffnung des redundanten Kühlmittelkanals, redundante Kühlmittelöffnung, redundante Kühlmediumsöffnung

5

Kammer

6

Segment, Umfangssegment

7

Laufschaufel

8

Laufschaufel-Deckband

8a

Dichtspitzen

9

Heissgasströmung

10

Leckageströmung

11

Kühlmittelströmung, Kühlluftströmung, Kühlmedium

11a

Kühlmittelteilstrom

11b

Kühlmittelteilstrom, Filmkühlluft

12

Leitschaufel

13

Leitschaufelfuss

14

Prallkühleinsatz, Prallkühlblech

Ansprüche

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, anstreiftolerantes Dichtungselement (2) in Form einer Wabendichtung oder eines porösen Metall- oder Keramikelements, 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 im Betrieb mit einem Kühlmittelmassenstrom (11a) nach Art einer Transpirationskühlung 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 zur redundanten Filmkühlung des gasdurchlässigen Dichtungselements (2) neben dem gasdurchlässigen (2) mit einer redundanten Kühlmittelöffnung (4) auf der Heissgasseite einer gasundurchlässigen Komponente der Baugruppe mündet.

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 (11a) 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 mündet.

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.

8. 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.

Claims

1. Sealing assembly, in particular for components of a turbomachine, which sealing assembly has a cooling side and a hot-gas and sealing side, over which hot gas (9, 10) flows in operation, comprising at least one gas-permeable stripping-tolerant sealing element (2) in the form of a honeycomb seal or a porous metal or ceramic element, which is arranged on the sealing side of the assembly, in such a manner that the sealing element has a front side, which forms the sealing surface and faces toward the hot-gas side, and a rear side, which faces toward the cooling side, it being possible for a coolant mass flow (11a) to flow through the sealing element in operation in the manner of a transpiration cooling, and the assembly having at least one feed (3) for a coolant, which is in fluid communication with the rear side of the gas-permeable sealing element, characterized in that at least one redundant coolant passage (3b) branches off in the coolant flow path (3a, 5) between the feed (3) and the rear side of the gas-permeable element (2), which coolant passage, for the redundant film cooling of the gas-permeable sealing element (2), opens out by means of a redundant coolant opening (4) next to the gas-permeable sealing element (2) on the hot-gas side of a gas-impermeable component of the assembly.

2. Sealing assembly according to Claim 1, characterized in that the redundant coolant opening (4) is arranged upstream of the sealing element (2), in the direction of a hot-gas flow (9, 10), on the hot-gas side.

3. Sealing assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant stream (11a) flowing through the gas-permeable element opens out in a leakage flow (10), and in so doing includes an angle of more than 45° with the leakage flow.

4. Sealing assembly according to Claim 3, characterized in that the coolant stream flowing through the gas-permeable element opens out substantially normally with respect to the leakage flow.

5. Sealing assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the redundant coolant passage (3b) is inclined in the direction of a leakage flow (10).

6. Sealing assembly according to Claim 5, characterized in that the redundant coolant passage is arranged in such a manner that cooling medium (11b) which emerges through the redundant coolant opening (4) includes an angle of less than 30° with the leakage flow.

7. Sealing assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the redundant coolant passage (3b) is arranged in such a manner that coolant (11b) which emerges through the redundant coolant opening (4) at least partially flows over the sealing element (2).

8. Sealing assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the redundant coolant passage opens out at least approximately parallel to the front side of the sealing element of the sealing assembly on the hot-gas side.

9. Sealing assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the assembly comprises at least one chamber (5) which is in fluid communication both with the feed (3) and with the gas-permeable sealing element (2).

10. Sealing assembly according to Claim 9, characterized in that the assembly comprises a plurality of separate chambers (5) and a plurality of feeds (3), with at least one feed opening out into each chamber and each chamber being in fluid communication with the rear side of a sealing element, and each chamber being assigned to a segment (6).

11. Sealing assembly according to Claim 10, characterized in that at least one redundant coolant passage (3b) with a redundant coolant opening (4) is arranged in each segment (6).

12. Sealing assembly according to one of Claims 10 or 11, characterized in that an individual sealing element is arranged in each segment.

13. Sealing assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the feed (3) is integrated in an impingement cooling insert (14).

Revendications

1. Agencement d'étanchéité, en particulier pour des composants d'une turbomachine, lequel agencement d'étanchéité présente un côté de refroidissement et un côté de gaz chauds et d'étanchéité balayé en fonctionnement par des gaz chauds (9, 10), comprenant au moins un élément d'étanchéité (2), perméable au gaz et supportant le frottement, sous la forme d'un joint à nid d'abeilles ou d'un élément métallique ou céramique poreux, qui est disposé sur le côté d'étanchéité de l'agencement, de telle manière que l'élément d'étanchéité présente un côté avant formant la face d'étanchéité et orienté vers le côté des gaz chauds et un côté arrière orienté vers le côté de refroidissement, dans lequel l'élément d'étanchéité peut en fonctionnement être traversé avec un courant massique d'agent de refroidissement (11a) à la manière d'un refroidissement par transpiration, et l'agencement présente au moins une alimentation (3) pour un agent de refroidissement, qui est en communication de fluide avec le côté arrière de l'élément d'étanchéité perméable au gaz, caractérisé en ce qu'au moins un canal d'agent de refroidissement redondant (3b) est branché dans le chemin d'écoulement (3a, 5) de l'agent de refroidissement entre l'alimentation (3) et le côté arrière de l'élément perméable au gaz (2), canal qui débouche avec un orifice d'agent de refroidissement redondant (4) sur le côté des gaz chauds d'un composant imperméable au gaz de l'agencement, à côté de l'élément d'étanchéité perméable au gaz (2), en vue du refroidissement par film redondant de l'élément perméable au gaz (2).

2. Agencement d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice d'agent de refroidissement redondant (4) est disposé sur le côté des gaz chauds, en amont de l'élément d'étanchéité (2) dans la direction d'écoulement des gaz chauds (9, 10).

3. Agencement d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant d'agent de refroidissement (11a) traversant l'élément perméable au gaz débouche dans un écoulement de fuite (10), et forme en l'occurrence avec l'écoulement de fuite un angle de plus de 45°.

4. Agencement d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que le courant d'agent de refroidissement traversant l'élément perméable au gaz débouche essentiellement perpendiculairement à l'écoulement de fuite.

5. Agencement d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal d'agent de refroidissement redondant (3b) est incliné dans la direction d'un écoulement de fuite (10).

6. Agencement d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que le canal d'agent de refroidissement redondant est disposé de telle manière qu'un fluide de refroidissement (11b) sortant à travers l'orifice d'agent de refroidissement redondant (4) forme un angle de moins de 30° avec l'écoulement de fuite.

7. Agencement d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal d'agent de refroidissement redondant (3b) est orienté de telle manière qu'un agent de refroidissement (11b) sortant à travers l'orifice d'agent de refroidissement redondant (4) s'écoule au moins en partie sur l'élément d'étanchéité (2).

8. Agencement d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal d'agent de refroidissement redondant débouche sur le côté des gaz chauds au moins à peu près parallèlement au côté avant de l'élément d'étanchéité de l'agencement d'étanchéité.

9. Agencement d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agencement comprend au moins une chambre (5), qui est en communication de fluide aussi bien avec l'alimentation (3) qu'avec l'élément d'étanchéité perméable au gaz (2).

10. Agencement d'étanchéité selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'agencement comprend plusieurs chambres (5) et plusieurs alimentations (3) séparées les unes des autres, dans lequel au moins une alimentation débouche dans chaque chambre et chaque chambre est en communication de fluide avec le côté arrière d'un élément d'étanchéité, et dans lequel chaque chambre est associée à un segment (6).

11. Agencement d'étanchéité selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un canal d'agent de refroidissement redondant (3b) avec un orifice d'agent de refroidissement redondant (4) est disposé dans chaque segment (6).

12. Agencement d'étanchéité selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'un élément d'étanchéité unique est disposé dans chaque segment.

13. Agencement d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alimentation (3) est intégrée dans un insert de refroidissement par impact (14).

Zeichnung