Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung zur Dichtspaltreduzierung innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, vorzugsweise einer axialen Turbomaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus
Gattungsgemäße Dichtungsanordnungen sind hinreichend bekannt und dienen einer weitgehend gasdichten Verbindung zwischen zwei fest, längs in einer Schaufelreihe nebeneinander angeordneten Lauf- bzw. Leitschaufeln, die in Turborotationsmaschinen zur Verdichtung bzw. Entspannung gasförmiger Medien eingesetzt werden, je nachdem ob es sich um eine Verdichter- oder eine Gasturbineneinheit handelt. Lauf- und Leitschaufeln grenzen über unmittelbar am Schaufelfussbereich angeordnete Plattformen aneinander, den Bereich des Arbeitsmediums von einem zu kühlenden Anlagenbereich, sei es die Rotoranordnung oder Gehäusebereiche der Turborotationsmaschine, abtrennen. Auch können Zwischenstücke als Distanzelemente zwischen zwei Schaufelfüssen längs ein Schaufelreihe eingebracht sein, die ebenfalls über entsprechende Seitenftanken mit den Plattformen der Schaufelfüsse aneinandergrenzen. Eben jene Stossflächen aneinandergrenzender Plattformen zweier benachbarter Schaufelfüsse bzw. Schaufelfüsse und Distanzelemente gilt es zur Vermeidung von Leckageströmungen gegeneinander möglichst wirkungsvoll abzudichten. Der Einfachheit halber ist im Weiteren vom Aneinandergrenzen der Schaufelfüsse und den damit verbundenen Dichtspalten die Rede, worunter jedoch die vorstehenden Zusammenhänge gemeint sind.
Aus der
Ferner geht aus der
In der
Laufschaufelplattformen abzudichten. Hierzu wird der Silikonkautschukstreifen an der Unterseite einer Laufschaufelplattform verklebt und überlappt dabei die Oberfläche der benachbarten Laufschaufel. Durch die Klebung, sowie durch die durch Rotation auf den Silikonkautschukstreifen einwirkende Fliehkraft kann der Zwischenspalt zwischen den benachbarten Laufschaufelplattformen weitgehend abgedichtet werden. Nachteilhaft bei der Verwendung von Silikondichtungen ist ihre nur begrenzte Temperaturbeständigkeit, durch die ihr Einsatz in Hochleistungsgasfiurbinen, in denen Temperaturen von bis zu 1200 °C vorherrschen, fragwürdig erscheint.
Die vorstehend zum Stand der Technik aufgezeigten Beispiele zur Reduzierung des Dichtspaltes zwischen zwei längs einer Laufschaufelreihe angeordneter Lauf- oder Leitschaufeln machen deutlich, dass trotz der Vielzahl bekannter Lösungskonzepte Unzulänglichkeiten bei der Umfangsspaltreduzierung in Schaufelreihen verbleiben. Die hierbei auftretenden Schwierigkeiten sind mit den überaus hohen Betriebstemperaturen, insbesondere beim Betrieb von Gasturbinenanlagen, verbunden, durch die bekannte Dichthilfen zur Reduzierung der einzelnen Dichtspalte erheblich in Mitleidenschaft gezogen werden können und schliesslich ihre anfängliche Dichtfunktion verlieren.
Weitere Schwierigkeiten entstehen zudem auch dadurch, dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungseigenschaften der einzelnen Anlagenkomponenten, insbesondere das der Lauf- und Leitschaufeln in ihren Schaufelfußbereichen, sehr stark von den dort verherrschenden Temperaturen abhängen. Werden beispielsweise zwei innerhalb einer Schaufelreihe benachbart angeordnete Schaufelfüße im "kalten" Zustand mit einem minimal kleinen Dichtspalt aneinander gepresst und in dieser Stellung fixiert, so treten im Nennlastbetrieb der Strömungsrotationsmaschine durch thermisch bedingte Materialausdehnungen derart hohe Druckkräfte in Umfangsrichtung der Schaufelreihe zwischen benachbarten Schaufelfüßen auf, die im Fügebereich zwischen jedem einzelnen Schaufelfuss und der jeweiligen Befestigungsnut zu Strukturüberlastungen führen können, die Ursache für eine vorzeitige Materialermüdung und letztlich für einen Totalverlust einer Schaufel sein können.
Wird der Zwischenspalt zwischen zwei benachbarten Schaufetfüßen im Kaltzustand hingegen zu groß gewählt, so sind trotz thermisch bedingten Materialausdehnungen im Nennbetriebszustand der Strömungsrotationsmaschine, bspw. einer Gasturbinenanlage, große Zwischenspalte vorhanden, durch die Leckageströme in beträchtlichen Mengen hindurchtreten und somit merkliche Leistungsverluste verursachen.
Die vorstehend geschilderten Zusammenhänge machen deutlich, dass für das Erreichen eines möglichst optimalen minimalen Dichtspaltes zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen längs einer Schaufelreihe Dichtspalte im kalten Zustand vorzusehen sind, deren Bemessungen höchst präzise mit sehr engen Toleranzgrenzen einzustellen sind, um im Warmzustand einen gewünschten minimalen Dichtspalt zu erhalten. Dies ist jedoch aufgrund der technischen Gegebenheiten und der nicht exakt vorausbestimmbaren thermischen Ausdehnungseigenschaften der einzelnen Komponenten in der gewünschten Weise nicht realisierbar. Überdies tragen Oxidationserscheinungen an den Flanken bzw. Kanten der Schaufelfüße während des Betriebes dazu bei, dass ursprünglich als optimal bemessene Dichtspaltabstände im kalten Zustand erhebliche Abweichungen erfahren. Dadurch kommt es zu unerwünschten Veränderungen innerhalb des Dichtspalts etc, die im Warmzustand zu sehr hohen Druckkräften zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen und somit zu Strukturüberlastungen, wie vorstehend erwähnt, führen können.
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zur Dichtspaltreduzierung innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, vorzugsweise einer axialen Turbomaschine, mit Lauf- und Leitschaufeln, die jeweils in wenigstens einer Lauf- und Leitschaufelreihe angeordnet sind und jeweils über Schaufelfüße verfügen, die in Befestigungskonturen innerhalb der Lauf- und Leitschaufelreihen hineinragen, derart weiterzubilden, dass sich während des heißen Betriebsverhaltens der Turbomaschine ein optimal minimaler Dichtspalt zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen ausbildet, der.einerseits einen möglicherweise bestehenden Leckagestrom effektiv und optimal reduziert und andererseits keine Druckkräfte zwischen den Schaufelfüssen hervorruft, durch die die in Umfangsrichtung einer Schaufelreihe befestigten Schaufelfüße in schadhafter Weise beansprucht werden. Die Dichtungsanordnung soll überdies hochtemperatur- und oxidationsbeständig sein und somit eine lange Lebensdauer aufweisen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, im Gegensatz zu den bisher bekannten Lösungsansätzen, bei denen zwei benachbarte Schaufelfüsse möglichst fest und innig miteinander verfügt sind, zwei benachbarte Schaufelfüße derart lose gegeneinander zu verfügen, so dass die Schaufelfüße auch im Warmzustand keinen Druckkräften ausgesetzt sind, die zu mechanischen Verspannungen in den Schaufelfüßen führen, aber dennoch einen möglichst minimalen Dichtspalt miteinander einschließen.
Dies ist erfindungsgemäß durch die Verwendung eines plastisch leicht verformbaren Materials realisierbar, das gezielt zwischen zwei benachbarte Schaufelfüße eingebracht ist und vorzugsweise eine Materialdicke aufweist, die derart bemessen ist, dass beide Schaufelfüße im Kaltzustand durch einen Kaltspalt in üblicher, fertigbarer Größenordnung von etwa 1/100 mm bis 5 mm voneinander beabstandet sind. Da die einzelnen Schaufelfüße innerhalb der Befestigungskontur längs der Schaufelreihe in Umfangsrichtung fixiert sind, reduziert sich jeweils der zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen eingeschlossene Dichtspalt während des Betriebes der Turbomaschine, vorzugsweise Gasturbinenmaschine, aufgrund der sich einstellenden hohen Betriebstemperaturen und den dadurch initiierten thermischen Materialausdehnungen innerhalb der Schaufelfüße. Bedingt durch die Materialausdehnung bewegen sich die Seitenflanken der Schaufelfüsse aufeinander zu, kommen in Kontakt und vermögen aufgrund weiterer Ausdehnung das zwischen beiden Schaufelfüssen eingebrachte Material plastisch zu verformen, sodass das Material zu einem gewissen Anteil regelrecht aus dem Dichtspalt "herausgequetscht" wird und/oder einer lokalen Materialverdichtung unterliegt, je nach plastischen Verformungsverhalten des Materials. Auf diese Weise werden die von beiden sich gegenüberliegenden Schaufelfüßen ausgehenden Druckkräfte von dem plastisch verformbaren Dichtelement selbst aufgenommen und nicht auf den jeweils gegenüberliegenden Schaufelfuß übertragen. Durch die plastische Verformung des Dichtelementes stellt sich automatisch ein geringst möglicher Warmspalt ein unabhängig von aktuellen Betriebsbedingungen sowie ursprünglich vorgesehener Toleranzen in der Bemessung von Kalt-Dichtspalten sowie entsprechender Dichtelemente.
Neben der Dichtspaltreduzierung zwischen benachbarten Schaufelfüssen ist das plastisch verformbare Material auch zwischen Komponenten der Strömungsrotationsmaschine wie Distanzzwischenstücken längs einer Leit- oder Laufschaufelreihe oder Wärmestausegmenten, den sogenannten Heartshields, vorzusehen.
Als plastisch verformbare Materialien sind bevorzugt Sintermetalle, Metallschäume sowie poröse metallische Beschichtungsmaterialen verwendbar.
Sintermetalle, die in ursprünglicher Form als pulverförmiges Nickelaluminit, Eisenaluminit oder Kobaltaluminit vorliegen und vorzugsweise im Wege eines Flammspritzverfahrens unter hohem Druck auf wenigstens eine zweier sich gegenüberliegenden Flanken eines Schaufelfußes aufbringbar sind, stellen bevorzugte oxidationsbeständige Dichtungsmaterialien dar.
Auch ist die Verwendung von Metallschäumen in Form von Nickel- oder Nickellegierungsschäumen, Kobalt oder Kobaltiegierungsschäumen, sowie auch Aluminium oder Aluminiumlegierungsschäume denkbar, die beispielsweise im Wege eines Löt- oder Schweissprozesses auf die jeweilige Seitenflanke eines Schaufelfußes aufgebracht und mit dieser fest verfügbar ist.
Auch die Verwendung metallisch poröser Beschichtungen, wie beispielsweise das Vorsehen von sogenannten MCrAIY-Schichten, wobei M für ein Element der Gruppe bestehend aus Eisen-Kobalt-Nickel gewählt ist, eignet sich besonders gut als Dichtungsmaterial im vorstehend geschilderten Sinne. Derartige Materialverbindungen können ebenfalls im Wege des Flammspritzens auf die Oberfläche einer Flanke eines Schaufelfußes aufgebracht werden. Je nach Wahl geeigneter Spritzparameter können unterschiedliche Porositäten gezielt eingestellt werden, wodurch der Grad der Plastizität nahezu beliebig einstellbar ist.
Grundsätzlich lassen sich jegliche oxidationsbeständige, plastisch verformbare Materialien zu dem vorstehend genannten Einsatzzweck verwenden, die mittels Flammspritzens, galvanischen Abscheiden, Vakkumbeschichten, Plattieren oder unter Verwendung von Löt- und Schweisstechniken mit den Schaufelfüßen in geeigneter Weise verfügbar sind.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
In Fig. 1a ist eine Teilquerschnittsdarstellung durch zwei, längs einer Laufschaufelreihe, die sich in Umfangsrichtung (siehe Pfeil) auf einer Rotoranordnung 1 erstreckt, unmittelbar benachbart gegenüberliegende Plattformen 21, 31 zweier Schaufelfüße 2, 3, die zur Befestigung in die Rotoranordnung 1 hineinragen, dargestellt.
Die Fig. 1a zeigt den Kaltzustand, d.h. den Zustand der Schaufelfüße 2, 3 vor Inbetriebnahme der Strömungsrotationsmaschine, die beispielsweise eine Verdichtereinheit oder eine Gasturbinenstufe darstellt. An den sich beiden, unmittelbar gegenüberliegenden Flanken 22, 32 der Plattformen 21, 31 ist jeweils ein schichtförmiges, aus plastisch verformbaren Material bestehendes Dichtelement 4 vorgesehen, die gemeinsam einen Kaltspalt 5 mit einer Kaltspaltweite sc miteinander einschließen. Die Kaltspaltweite sc weist typischerweise einen Abstand zwischen 0,01 und 5 mm auf.
In Fig. 1 b ist die gleiche Anordnung im Warmzustand dargestellt, d.h. nach bereits erfolgter thermischer Ausdehnung der sich beiden gegenüberliegenden Schaufelfüße 2, 3 mit den Plattformen 21, 31. Beide Dichtelemente 4 sind kraftbeaufschlagt gegeneinander verfügt und aufgrund der herrschenden Fügekräfte zumindest teilweise plastisch verformt, wodurch sich ihre effektive Materialdicke reduziert hat. An den Randbereichen beider plastisch verformter Schichten 4 gemäß Fig. 1 haben sich seitliche Überquetschungsbereiche 41 gebildet, die auch in einer Wiederrückführung in den Kaltzustand aufgrund der plastischen Verformung verbleiben.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen plastisch verformbaren Materials zwischen zwei sich unmittelbar aneinander grenzenden Schaufelfüßen, vorzugsweise zwischen den benachbarten Plattformen 21, 31 der beiden Schaufelfüße 2, 3 bildet sich im Warmzustand ein optimaler minimaler Warmspalt 6 aus, der eine Spaltweite sw aufweist, die im besten Fall nahe Null ist und auf alle Fälle wesentlich kleiner als der Kaltspalt sc.
In Fig. 2 sind zwei konturierte Flanken zweier Plattformen 7, 8 von Leitschaufeln dargestellt, die einen Heißgaskanal 9 innerhalb einer Gasturbinenanlage gegenüber einem nicht dargestellten Statorgehäuse abgrenzen. Auch in diesem Fall weist ein Teil der Plattformflanke 81 ein Dichtelement 4 bestehend aus plastisch verformbarem Material auf, gegen das ein entsprechender Absatz der Plattform 7 gepresst wird und zugleich über einen Kühlkanal 72 gekühlt wird.
Eine entsprechende Anordnung sieht Fig. 3 vor, bei der sich beide Plattformen 7, 8 über ein keilförmig ausgebildetes Dichtelement 4 aneinander fügen. Das größere Keilende 42 des keilförmig ausgebildeten Dichtelementes 4 ist zu Seiten des Heissgaskanals 9 orientiert.
Schließlich ist in der Fig. 4 eine weitere alternative Ausführungsform zweier sich gegenüber befindlicher Plattformen 7, 8 dargestellt, bei denen sich zwei gegenüberliegende Flanken 71, 81 mit entsprechenden Dichtelementen 4 verfügt sind. Zusätzliche Kühlkanäle 72, 82 sorgen für eine entsprechende lokale Kühlung. Schließlich geht aus Fig. 5 die Draufsicht auf zwei längs einer Leitschaufelreihe angeordneter Leitschaufeln mit zugehörigen Plattformen 7, 8 die längs der beiden Seitenkanten 73, 83 nebeneinander angeordnet sind. Die an beiden Seitenflanken 73 und 83 vorgesehenen Dichtelemente 4 sind dabei derart bemessen, dass sich ein möglichst gleichmäßiger minimaler Warmspalt einstellt. Erschwert wird dies durch die auftretende Verkippung beider Plattformen 7, 8 relativ zueinander. Dies kann jedoch durch geeignete Schichtdickenwahl bei den Dichtelemente berücksichtigt werden
In Figur 6 ist eine weitere alternative Ausführungsform vergleichbar zu den Figuren 2 bis 4 dargestellt. Die Plattformflanke der Leitschaufel weist eine erhabene-Dichtnase 74 auf, die lokal in das ihr gegenüberliegende Dichtelement 4 gepresst wird, wodurch sich eine lokale, einfache plastische Deformation innerhalb des Dichtelementes 4 ergibt, durch die der Leckagestrom wirkam unterdrückt werden kann.
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