Spaltdichtung für Schaufeln einer Turbomaschine

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spaltdichtung zur radialen Abdichtung eines sich axial und radial zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln einer Turbomaschine erstreckenden Spalts.

Stand der Technik

[0002] Bei Turbomaschinen, also bei Kompressoren, Turbinen und dgl., sind Schaufeln in Umfangsrichtung zueinander benachbart angeordnet. Dabei entstehen insbesondere bei rotorseitig angeordneten Laufschaufeln im Bereich der Schaufelfüße Spalte, die sich jeweils axial und radial zwischen den Schaufelfüßen benachbarter Schaufeln erstrecken. Um den Eintritt von Heißgasen in den Spalt oder um das Austreten von Kühlgas aus dem Spalt zu vermeiden, ist es erforderlich, diesen Spalt in radialer Richtung abzudichten. Hierzu ist es grundsätzlich möglich, bei jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln an ihrem jeweiligen Schaufelfuß jeweils eine sich axial erstreckende, zum Spalt hin offene Längsnut anzubringen. In diese Längsnuten, die sich im Spalt fluchtend gegenüberliegen, kann dann ein bandförmiges oder streifenförmiges Dichtelement eingeführt werden, derart, dass es mit seinen Längsseiten in die beiden Längsnuten eingreift und so den Spalt überbrückt. Eine solche Spaltdichtung ist aus EP-A2-1 221 539 bekannt, welches den nächstliegenden Stand der Technik darstellt.

[0003] Bei derartigen Spaltdichtungen kann jedoch am stirnseitigen Ende des Dichtelements nach wie vor ein Restspalt vorhanden sein. Dies kann auf Herstellungstoleranzen zurückgeführt werden. Des Weiteren kann sich dieser Restspalt im Betrieb der Turbomaschine aufgrund thermischer Ausdehnungseffekte ausbilden bzw. vergrößern. Aus US 2005/0135925 A1 ist bekannt, Restspalte mittels Abdeckelementen, beispielweise rechteckigen Platten, abzudichten.

Darstellung der Erfindung

[0004] Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Spaltdichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Dichtungswirkung auszeichnet.

[0005] Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0006] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Dichtelement auch in seinem stirnseitigen Ende in eine entsprechende Nut eingreifen zu lassen, so dass kein Restspalt übrig bleibt. Zu diesem Zweck ist an einer der beiden Schaufeln, zwischen deren Füßen der Spalt besteht, ein Vorsprung ausgebildet, der in der Umfangsrichtung vom Schaufelfuß der einen Schaufel absteht und sich dabei zumindest im Bereich der Längsnut dieser Schaufel in Umfangsrichtung und in radialer Richtung erstreckt. Komplementär dazu weist die andere Schaufel an ihrem Schaufelfuß eine passende Ausnehmung auf, in die der Vorsprung eingreift. Auf diese Weise kann der Vorsprung den Spalt in Umfangsrichtung überlappen. In diesen Vorsprung kann nun eine Quernut eingearbeitet werden, in welche die Stirnseite des Dichtelements einführbar ist. Durch die beschriebene Bauweise kann der Spalt nun auch im Bereich des stirnseitigen Endes des Dichtelements abgedichtet werden. Die Effektivität der so gebildeten Spaltdichtung ist somit verbessert.

[0007] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Vorsprung so dimensioniert sein, dass er einerseits die axial offen endende Längsnut der anderen Schaufel überlappt und dass er andererseits groß genug ist, um die darin eingearbeitete Quernut an ihren stirnseitigen Enden geschlossen auszugestalten. Durch diese Ausführungsform kann die Dichtungswirkung der Spaltdichtung zusätzlich verbessert werden.

[0008] Darüber hinaus können der Vorsprung und die Ausnehmung optional so aufeinander abgestimmt sein, dass der Vorsprung in der Ausnehmung axial am Schaufelfuß der anderen Schaufel anliegt. Bei dieser Bauweise geht die Quernut im Vorsprung der einen Schaufel quasi nahtlos in die Längsnut der anderen Schaufel über. Auch hierdurch kann die Dichtungswirkung der Spaltdichtung verbessert werden.

[0009] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Spaltdichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1

eine Draufsicht in radialer Richtung auf zwei in Umfangsrichtung benachbarte Schaufeln im Bereich einer Spaltdichtung,

Fig. 2

eine Schnittansicht im Bereich der Spaltdichtung entsprechend Schnittlinien II in Fig. 1,

Fig. 3

eine Schnittansicht im Bereich der Spaltdichtung entsprechend Schnittlinien III in Fig. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0011] In Fig. 1 sind zwei Schaufeln, nämlich eine erste Schaufel 1 und eine zweite Schaufel 2 teilweise dargestellt, die jeweils einen Bestandteil einer im übrigen nicht dargestellten Turbomaschine bilden. Diese Turbomaschine ist beispielsweise eine Turbine oder ein Verdichter. Die Turbomaschine weist einen Stator und einen Rotor auf, der im Stator um eine Rotationsachse drehbar angeordnet ist. Die vorstehend und im Folgenden gemachten Richtungsangaben wie axiale Richtung, radiale Richtung und Umfangsrichtung, beziehen sich dabei jeweils auf die Rotationsachse, welche die Axialrichtung definiert. In den Fig. 1 bis 3 sind die auf die Rotationsachse des Rotors bezogenen Richtungen durch Doppelpfeile angedeutet. Mit 3 ist dabei die Umfangsrichtung bezeichnet, mit 4 ist die axiale Richtung bezeichnet und 5 bezeichnet die radiale Richtung. Bei den Schaufeln 1, 2 kann es sich um Leitschaufeln des Stators handeln. Bevorzugt handelt es sich jedoch bei den Schaufeln 1, 2 um Laufschaufeln des Rotors.

[0012] Die beiden hier gezeigten Schaufeln 1, 2 sind in der Umfangsrichtung 3 zueinander benachbart angeordnet. Jede Schaufel 1, 2 weist einen Schaufelfuß 6 bzw. 7 auf. Der Schaufelfuß 6 der ersten Schaufel 1 wird im folgenden auch als erster Schaufelfuß 6 bezeichnet. Der Schaufelfuß 7 der zweiten Schaufel 2 wird im folgenden auch als zweiter Schaufelfuß 7 bezeichnet. Aufgrund der Bauweise der Turbomaschine bildet sich in Umfangsrichtung 3 zwischen benachbarten Schaufeln 1, 2 im Bereich der Schaufelfüße 6, 7 ein Spalt 8 aus, der sich in axialer Richtung 4 und in radialer Richtung 5 erstreckt. Zur Abdichtung dieses Spalts 8 ist im Bereich des Spalts 8 eine Spaltdichtung 9 ausgebildet, die im folgenden näher erläutert wird.

[0013] Zur Realisierung der Spaltdichtung 9 ist in die eine Schaufel 1, also z.B. in die erste Schaufel 1, an ihrem Schaufelfuß 6 eine Längsnut 10 eingearbeitet, die im folgenden auch als erste Längsnut 10 bezeichnet wird. Die erste Längsnut 10 erstreckt sich axial und ist zum Spalt 8 hin offen. Analog dazu ist in die andere Schaufel 2, also hier in die zweite Schaufel 2, bzw. in deren Schaufelfuß 7 ebenfalls eine Längsnut 11 eingearbeitet, die im folgenden als zweite Längsnut 11 bezeichnet wird. Die zweite Längsnut 11 ist ebenfalls zum Spalt 8 hin offen und erstreckt sich axial. Die beiden Längsnuten 10, 11 sind dabei am jeweiligen Schaufelfuß 6, 7 so angeordnet, dass sie sich im Spalt 8 einander gegenüberliegen und dabei zueinander fluchten.

[0014] Die Spaltdichtung 9 umfasst ein bandförmiges oder streifenförmiges Dichtelement 12, das beispielsweise durch ein flaches Metallbauteil gebildet sein kann. Der Begriff "flach" definiert hierbei, dass das Dichtelement 12 in seiner axialen Längsrichtung und in seiner parallel zur Umfangsrichtung 3 verlaufenden Querrichtung größere Abmessungen aufweist als in seiner radialen Dickenrichtung. Das Dichtelement 12 ist so dimensioniert, dass es mit seinen Längsseiten 13, 14 in die beiden Längsnuten 10, 11 in der Umfangsrichtung 3 eingreift. Hierdurch überbrückt das Dichtelement 12 den Spalt 8 im Bereich eines axialen Längsendes.

[0015] Die eine oder erste Schaufel 1 weist an ihrem Schaufelfuß 6 einen Vorsprung 15 auf, der in der Umfangsrichtung 3 vom ersten Schaufelfuß 6 absteht. Dieser Vorsprung 15 erstreckt sich dabei zumindest im Bereich der zugehörigen Längsnut 10 in Umfangsrichtung 3 sowie radial. Vorzugsweise erstreckt sich der Vorsprung 15 über die gesamte radiale Höhe des ersten Schaufelfußes 6. Komplementär zum Vorsprung 15 weist die andere oder zweite Schaufel 2 an ihrem Schaufelfuß 7 eine stufenförmige Ausnehmung 16 auf, in die der Vorsprung 15 im gezeigten montierten Zustand eingreift. Dabei ragt der Vorsprung 16 in Umfangsrichtung 3 in die Ausnehmung 16 hinein.

[0016] Die Spaltdichtung 9 umfasst nun außerdem eine Quernut 17, die in den Vorsprung 15 eingearbeitet ist, und zwar so, dass sie sich in der Umfangsrichtung 3 erstreckt und zum Spalt 8 hin offen ist. Dabei ist die Quernut 17 auf Höhe der Längsnuten 10, 11 positioniert. Dementsprechend kann das Dichtelement 12 mit einer dem Vorsprung 15 zugewandten Stirnseite 18 axial in die Quernut 17 eingreifen. Die so gebildete Spaltdichtung 9 zeichnet sich durch eine erhöhte Dichtungswirkung aus.

[0017] Die Quernut 17 ist zweckmäßig so ausgestaltet, dass sie unmittelbar in die erste Längsnut 10 übergeht. Die zweite Längsnut 11 ist im Bereich der Ausnehmung 16 stirnseitig offen, also axial offen. Der Vorsprung 15 ist zweckmäßig in der Umfangsrichtung 3 so dimensioniert, dass er das stirnseitig offene Ende der zweiten Längsnut 11 in der Aussparung 16 überlappt. Bevorzugt ist dabei die Dimensionierung des Vorsprungs 15 so auf die zweite Längsnut 11 abgestimmt, dass der Vorsprung 15 die Ausnehmung 16 so weit überlappt, dass die Quernut 17 an beiden stirnseitigen Enden geschlossen ausgestaltet sein kann. Im gezeigten Beispiel bildet der Vorsprung 15 in einem der zweiten Schaufel 2 zugewandten stirnseitigen Endbereich der Quernut 17 einen Verschluss dieses stirnseitigen Endes der Quernut 17. Somit kann eine Leckage durch die Quernut 17 vermieden werden.

[0018] Bevorzugt ist die hier gezeigte Ausführungsform, bei welcher die Ausnehmung 16 und der Vorsprung 15 so aufeinander abgestimmt sind, dass der Vorsprung 15 im gezeigten montierten Zustand innerhalb der Ausnehmung 16 am zweiten Schaufelfuß 7 axial anliegt. Bevorzugt wird hierbei eine großflächige und dadurch dichte Anlage zwischen Vorsprung 15 und zweitem Schaufelfuß 7. Somit können auch Leckagen durch eine Umströmung des Vorsprungs 15 innerhalb der Ausnehmung 16 reduziert werden. Des Weiteren kann die Quernut 17 somit auch nahtlos in die zweite Längsnut 11 übergehen.

[0019] Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Quernut 17 hinsichtlich ihrer Nuttiefe und das Dichtelement 12 hinsichtlich seiner axialen Erstreckung so aufeinander abgestimmt sind, dass das Dichtelement 12 auch dann noch mit seiner Stirnseite 18 hinreichend tief in die Quernut 17 eingreifen kann, um eine gewünschte Dichtungswirkung gewährleisten zu können, wenn die im Rahmen der Herstellung zu erwartenden üblichen Herstellungstoleranzen sowie die im Betrieb der Turbomaschine zu erwartenden üblichen thermischen Ausdehnungsvorgänge Extremwerte aufweisen und sich ungünstig aufaddieren.

[0020] Die hier vorgeschlagene Spaltdichtung 9 kann somit für übliche Herstellungstoleranzen und thermische Ausdehnungsvorgänge auch im Bereich der Stirnseite 18 eine hinreichende Abdichtung des Spalts 9 bewirken.

[0021] Es ist klar, dass die beiden Schaufeln 1, 2 grundsätzlich identisch sein können, so dass auch die zweite Schaufel 2 an ihrer von der ersten Schaufel 1 abgewandten Seite ebenfalls einen derartigen Vorsprung 15 aufweist, der dann wiederum in eine Ausnehmung 16 eingreift, die an der in Umfangsrichtung 3 auf die zweite Schaufel 2 nachfolgenden weiteren Schaufel ausgebildet ist. Ebenso besitzt die erste Schaufel 1 an ihrem Schaufelfuß 6 an ihrer von der zweiten Schaufel 2 abgewandten Seite eine solche Ausnehmung 6, in die ein Vorsprung 15 eingreift, der an einer in dieser Richtung zur ersten Schaufel 1 benachbarten weiteren Schaufel ausgebildet ist.

Bezugszeichenliste

[0022] 

1

erste Schaufel

2

zweite Schaufel

3

Umfangsrichtung

4

axiale Richtung

5

radiale Richtung

6

Schaufelfuß von 1

7

Schaufelfuß von 2

8

Spalt

9

Spaltdichtung

10

Längsnut von 6

11

Längsnut von 7

12

Dichtelement

13

Längsseite von 12

14

Längsseite von 12

15

Vorsprung

16

Ausnehmung

17

Quernut

18

Stirnseite von 12

Ansprüche

1. Spaltdichtung zur radialen Abdichtung eines sich axial und radial zwischen zwei in Umfangsrichtung (3) benachbarten Schaufeln (1, 2) einer Turbomaschine erstreckenden Spalts (8),

- wobei die beiden Schaufeln (1, 2) an ihrem jeweiligen Schaufelfuß (6, 7) jeweils eine sich axial erstreckende, zum Spalt (8) hin offene Längsnut (10, 11) aufweisen,

- wobei ein bandförmiges oder streifenförmiges Dichtelement (12) mit seinen Längsseiten (13, 14) in die beiden Längsnuten (10, 11) eingreift und den Spalt (8) überbrückt,

- wobei die eine Schaufel (1) an ihrem Schaufelfuß (6) einen vom Schaufelfuß (6) in Umfangsrichtung (3) abstehenden Vorsprung (15) aufweist, der sich zumindest im Bereich der jeweiligen Längsnut (10) in Umfangsrichtung (3) und radial erstreckt und dabei ein axiales Längsende des Spalts (8) überbrückt,

- wobei die andere Schaufel (2) an ihrem Schaufelfuß (7) komplementär zum Vorsprung (15) der einen Schaufel (1) eine stufenförmige Ausnehmung (16) aufweist, in die der Vorsprung (15) eingreift,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Vorsprung (15) eine sich in Umfangsrichtung (3) erstreckende, zum Spalt (8) hin offene Quernut (17) aufweist,

- wobei das Dichtelement (12) mit einer Stirnseite (18) in die Quernut (17) eingreift.

2. Spaltdichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Längsnut (11) der anderen Schaufel (2) in der Ausnehmung (16) stirnseitig offen endet,

- dass der Vorsprung (15) in Umfangsrichtung (3) so dimensioniert ist, dass er das stirnseitige offene Ende der Längsnut (11) der anderen Schaufel (2) in der Ausnehmung (16) überlappt.

3. Spaltdichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Quernut (17) an ihren stirnseitigen Enden geschlossen ist.

4. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Vorsprung (15) und die Ausnehmung (16) so aufeinander abgestimmt sind, dass der Vorsprung (15) in der Ausnehmung (16) axial am Schaufelfuß (7) der anderen Schaufel (2) anliegt.

5. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schaufeln (1, 2) Laufschaufeln eines Rotors der Turbomaschine sind, oder

- dass die Schaufeln (1, 2) Leitschaufeln eines Stators der Turbomaschine sind.

6. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Quernut (17) und das Dichtelement (12) so dimensioniert und aufeinander abgestimmt sind, dass das Dichtelement (12) mit seiner Stirnseite (18) bei allen zu erwartenden üblichen Herstellungstoleranzen und thermischen Ausdehnungsvorgängen hinreichend tief in die Quernut (17) eingreifen kann, um die gewünschte Dichtungswirkung zu erzielen.

Claims

1. Gap seal for radial sealing of a gap (8) which extends axially and radially between two blades (1, 2) of a turbomachine which are adjacent in the circumferential direction (3),

- wherein the two blades (1, 2) have in each case an axially extending longitudinal slot (10, 11), which is open towards the gap (8), on its respective blade root (6, 7),

- wherein a band-form or strip-form sealing element (12) engages with its longitudinal sides (13, 14) in the two longitudinal slots (10, 11) and bridges the gap (8),

- wherein the one blade (1) has a projection (15) on its blade root (6), which projects from the blade root (6) in the circumferential direction (3) and extends in the circumferential direction (3) and radially, at least in the region of the respective longitudinal slot (10), and bridges an axial longitudinal end of the gap (8) in the process,

- wherein the other blade (2) has a step-shaped recess (16) on its blade root (7), complementary to the projection (15) of the one blade (1), and in which the projection (15) engages,

characterized in that

- the projection (15) has a transverse slot (17) which extends in the circumferential direction (3) and is open towards the gap (8),

- the sealing element (12) engages with an end face (18) in the transverse slot (17).

2. Gap seal according to Claim 1,
characterized in that

- the longitudinal slot (11) of the other blade (2) terminates in the recess (16) open on the end face,

- the projection (15) is dimensioned in the circumferential direction (3) so that it overlaps the end-face open end of the longitudinal slot (11) of the other blade (2) in the recess (16).

3. Gap seal according to Claim 1 or 2,
characterized in that
the transverse slot (17) is closed on its end-face ends.

4. Gap seal according to one of Claims 1 to 3,
characterized in that
the projection (15) and the recess (16) are matched to each other so that the projection (15) in the recess (16) lies axially on the blade root (7) of the other blade (2).

5. Gap seal according to one of Claims 1 to 4,
characterized in that

- the blades (1, 2) are rotor blades of a rotor of the turbomachine, or

- the blades (1, 2) are stator blades of a stator of the turbomachine.

6. Gap seal according to one of Claims 1 to 5,
characterized in that
the transverse slot (17) and the sealing element (12) are dimensioned and matched to each other so that with all customary manufacturing tolerances and thermal expansion processes which are to be expected, the sealing element (12) can engage with its end face (18) deeply enough in the transverse slot (17) in order to achieve the desired sealing effect.

Revendications

1. Joint d'étanchéité pour l'étanchéité radiale d'une fente (8) s'étendant axialement et radialement entre deux aubes (1, 2) d'une turbomachine voisines en direction périphérique (3),

- dans lequel les deux aubes (1, 2) présentent, à leur pied d'aube respectif (6, 7), une rainure longitudinale (10, 11) ouverte vers la fente (8) et s'étendant en direction axiale,

- dans lequel un élément d'étanchéité (12) en forme de bande ou en forme de ruban s'engage par ses côtés longitudinaux (13, 14) dans les deux rainures longitudinales (10, 11) et enjambe la fente (8),

- dans lequel une première aube (1) présente, à son pied d'aube (6), une saillie (15) partant du pied d'aube (6) dans la direction périphérique (3), qui s'étend radialement et en direction périphérique (3) au moins dans la région de la rainure longitudinale respective (10) et enjambe ainsi une extrémité longitudinale axiale de la fente (8),

- dans lequel l'autre aube (2) présente, à son pied d'aube (7) et en complément à la saillie (15) de la première aube (1), un évidement étagé (16), dans lequel la saillie (15) s'engage,
caractérisé en ce que

- la saillie (15) présente une rainure transversale (17) ouverte vers la fente (8) et s'étendant dans la direction périphérique (3),

- dans lequel l'élément d'étanchéité (12) s'engage par un côté frontal (18) dans la rainure transversale (17).

2. Joint d'étanchéité selon la revendication 1,
caractérisé en ce que

- la rainure longitudinale (11) de l'autre aube (2) se termine par une ouverture frontale dans l'évidement (16), et

- la saillie (15) est dimensionnée dans la direction périphérique (3) de telle manière qu'elle recouvre l'extrémité ouverte frontale de la rainure longitudinale (11) de l'autre aube (2) dans l'évidement (16).

3. Joint d'étanchéité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la rainure transversale (17) est fermée à ses extrémités frontales.

4. Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la saillie (15) et l'évidement (16) sont adaptés l'un à l'autre de telle manière que la saillie (15) s'applique dans l'évidement (16) axialement sur le pied d'aube (7) de l'autre aube (2).

5. Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que

- les aubes (1, 2) sont des aubes directrices d'un rotor de la turbomachine, ou

- les aubes (1, 2) sont des aubes directrices d'un stator de la turbomachine.

6. Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la rainure transversale (17) et l'élément d'étanchéité (12) sont dimensionnés et adaptés l'un à l'autre de telle manière que l'élément d'étanchéité (12) puisse, pour toutes les tolérances de fabrication usuelles et tous les processus de dilatation thermique possibles, s'engager avec son côté frontal (18) à une profondeur suffisante dans la rainure transversale (17), pour obtenir l'effet d'étanchéité désiré.

Zeichnung