Deckblatt 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 die Laufschaufeln (6) mit umlaufenden Deckplatten (11) versehen, welche mit Zacken (12, 13, 14) unter Bildung von Radialspalten (16, 17) gegen das Gehäuse dichten. Das konische Ende der Schaufeln (6) dichtet eintrittseitig und austrittseitig mit der Spitze (24, 29) gegen das Gehäuse (2) und die mittig am Schaufelende angeordnete Deckplatte (11) weist drei Drosselstellen gegen das Gehäuse auf, wobei die eintrittseitige Drosselstelle einen Diagonalspalt (19) begrenzt. Das Schaufelende ist gegenüber der Kanalkontur mit einem positiven Versatz (31) versehen, welcher in eine im Schaufelträger (2) angeordnete Spaltentlastungs-Kammer (25) hineinragt.

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 Dichtung ist in der später zu beschreibenden Fig. 1 anhand der Laufschaufel der zweiten Stufe dargestellt. Bei den mechanisch und/oder thermisch hochbelasteten Laufschaufeln der letzten Stufe beispielsweise einer Gasturbine ist eine derartige Lösung mit herkömmlichen Werkstoffen nicht mehr möglich.

[0003] Abhilfe schafft hier die klassische Spitzendichtung mit Dämpfervorrichtung in der Hauptströmung. Eine solche Dämpfervorrichtung, welche beispielsweise ein Dämpferdraht sein kann, ist unbedingt erforderlich bei freistehenden langen Schaufeln mit tiefer Eigenfrequenz. Schaufeln mit Spitzendichtung und Mitteln zur Schwingungsverhütung weisen indes den Nachteil von grosser Dissipation am Dämpferdraht und in der Spitzendichtung auf.

Darstellung der Erfindung

[0004] Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Desweiteren liegt ihr noch die zusätzliche Aufgabe zugrunde, bei Schaufeln der eingangs genannten Art die Führung der Hauptströmung zu gewährleisten.

[0005] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das konische Ende der Schaufeln eintrittseitig und austrittseitig mit der Spitze gegen das Gehäuse dichtet und dass die mittig am Schaufelende angeordnete Deckplatte drei Drosselstellen gegen das Gehäuse aufweist, wobei die eintrittseitige Drosselstelle einen Diagonalspalt bildet.

[0006] Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass bei der neuen Dichtung nur kleine Spaltmengen auftreten, was insbesondere wichtig ist bei Endstufen. Hierdurch können hohe Wirkungsgrade der Kombination Endstufe/ Diffusor erzielt werden. Darüberhinaus sind durch das schmale Deckband bei den hohen Umfangsgeschwindigkeiten geringe Reibungsverluste zu erwarten.

[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 drei 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 Wirkung.

[0009] Mit Vorteil weist das 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 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] Sofern sich der Deckplatten-Zacken, welcher die mittlere Drosselstelle bildet, in der Axialebene der Schaufelschwerlinie befindet, werden zusätzliche Biegemomente auf das Schaufelblatt vermieden.

[0011] Ist darüberhinaus das Gehäuse an den drei 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.

[0012] 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

[0013] 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 letzten Laufreihe;

Fig. 3

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

[0014] 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

[0015] 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 freistehend; d.h. sie dichten mit der Schaufelspitze gegen den Schaufelträger 2. Die Schaufeln der mittleren Laufreihe 6b 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 ein gestuftes Labyrinth mit reinen Radialspalten. Im vorliegenden Fall sei angenommen, dass während des Betriebes der Rotor und das Gehäuse anlässlich der grossen relativen Axialdehnungen aufeinander zulaufen. Deshalb ist gegen axiales Anstreifen eine weitere Honigwabenanordnung 10 am Schaufelträger gegenüber der eintrittsseitigen Partie der Deckplatten vorgesehen.

[0016] Die hoch belasteten Laufschaufeln 6 der Austrittslaufreihe 6c weisen im radial äusseren Bereich ein Verhältnis Teilung/Sehne von ca. 1 auf. Sie arbeiten mit grossen Spitzenumfangsgeschwindigkeiten von bis zu 650 m/sec in einem Temperaturbereich von bis zu 650°C. Sie sind gemäss Fig. 2 mit je einer mittig am Schaufelende angeordneten Deckplatte 11 versehen, welche drei Drosselstellen gegen den Schaufelträger 2 bildet. Hierzu sind die Platten in drei verschiedenen Radialebenen mit umlaufenden Zacken 12, 13, 14 versehen. Der austrittseitige Zacken 14 bildet zusammen mit einer im Schaufelträger 2 eingesetzten Honigwabenanordnung 15 einen Radialspalt 16. Der mittlere Zacken 13, welcher sich in der Axialebene der Schaufelschwerlinie 30 befindet, bildet zusammen mit der gleichen, an entsprechender Stelle abgestuften Honigwabenanordnung 15 ebenfalls einen Radialspalt 17. Der eintrittseitige Zacken 12 verläuft diagonal und bildet zusammen mit einer entsprechend konfigurierten Honigwabenanordnung 18 einen Diagonalspalt 19. In Fig. 2 ist 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 drei Zacken schliessen zwei Wirbelkammern 20, 21 ein, wobei durch die radiale Versetzung der Drosselstellen diese sich gegenseitig nicht beeinflussen. Das konische Ende der Schaufeln dichtet eintrittseitig und austrittseitig mit der Spitze 24 resp. 29 gegen das Gehäuse. Am Schaufeleintritt wird somit über diese Spitzendichtung eine zusätzliche Drosselstelle 22 gebildet. Die Spitzendichtung am Austritt bildet ebenfalls eine zusätzliche Drosselstelle 23 anstelle der bisherigen freien Wirbelräume an dieser Stelle, wie sie die Deckplattendichtung 8 bei der mittleren Laufreihe 6b beinhaltet. Diese neue Art der Spitzendichtung am Austritt bewirkt eine sauber geführte Abströmung in den Diffusor.

[0018] Gemäss Fig. 2 ist das Schaufelende eintrittseitig mit einem positiven Versatz 31 versehen. Dieser Versatz wird dadurch gebildet, dass die Schaufelspitze gegenüber der Konizität 28 der Kanalkontur einen kleineren Wert aufweist. Der Versatz 31 ragt in eine im Schaufelträger 2 angeordnete Spaltentlastungs-Kammer 25 hinein. Zur Bildung der dortigen Spitzendichtung ist die Innenkontur der Spaltentlastungs-Kammer 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.

[0019] In Fig. 3 ist erkennbar, dass die Deckplatten 11 rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Die Trennfugen 26 zwischen benachbarten Deckplatten verlaufen in Richtung der Profilsehne. Die in Umfangsrichtung gelegenen Seiten der Deckplatten sind mit drei Stufen 27 versehen. Diese Stufen verlaufen in der Axialebene der drei 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 und 14 sind an den beiden Überhängen jeder Deckplatte in Umfangsrichtung verjüngt. Diese Verjüngungen 12a, 13a und 14a tragen wesentlich zur Gewichtsersparnis der Deckplatten bei.

[0020] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In Abweichung zur in Fig. 2 gezeigten Ausbildung könnte es zweckmässig sein, die Deckplatte mitsamt der Diagonaldichtung näher zur Schaufeleintrittskante heranzuziehen, ggfs sogar bündig mit der Eintrittskante zu gestalten, sofern dies die Festigkeitserfordernisse zulassen.

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

9

Honigwabenanordnung radial

10

Honigwabenanordnung axial

11

Deckplatte

12

Zacken

12a

Verjüngung

13

Zacken

13a

Verjüngung

14

Zacken

14a

Verjüngung

15

Honigwabenanordnung

16

Radialspalt

17

Radialspalt

18

Honigwabenanordnung

19

Diagonalspalt

20

Wirbelkammer

21

Wirbelkammer

22

Drosselstelle

23

Drosselstelle

24

Schaufelspitze eintrittseitig

25

Spaltentlastungs-Kammer

26

Trennfuge

27

Stufe

28

Konizität

29

Schaufelspitze austrittseitig

30

Schaufelschwerlinie

31

positiver Versatz am Schaufelende

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) unter Bildung von Radialspalten (16, 17) gegen das Gehäuse dichten,
dadurch gekennzeichnet,
dass das konische Ende der Schaufeln (6) eintrittseitig und austrittseitig mit der Spitze (24, 29) gegen das Gehäuse (2) dichtet und dass die mittig am Schaufelende angeordnete Deckplatte (11) drei Drosselstellen gegen das Gehäuse aufweist, wobei die eintrittseitige Drosselstelle einen Diagonalspalt (19) bildet.

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

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfugen (26) zwischen benachbarten Deckplatten (11) in Richtung der Profilsehne verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge (11) mit drei Stufen (27) versehen ist, wobei die Stufen in der Axialebene der Zacken (12, 13, 14) verlaufen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelende gegenüber der Gehäusekontur (28) eine geringere Neigung aufweist derart, dass der dadurch entstehende positive Versatz (31) am Schaufelende in eine im Gehäuse (2) angeordnete Spaltentlastungs-Kammer (25) hineinragt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckplatten-Zacken (13), welcher die mittlere Drosselstelle bildet, sich zumindest annähernd in der Axialebene der Schaufelschwerlinie (16) befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den drei Drosselstellen das Gehäuse mit Honigwabenanordnungen (15, 18) versehen ist.

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

Zeichnung