[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1, ein Dichtsegment und ein Leitschaufelsegment für eine derartige Strömungsmaschine.
[0002] Zur Abdichtung eines Radialspaltes zwischen Schaufelspitzen einer Laufschaufelreihe
und einem die Laufschaufelreihe umgebenden Gehäuseabschnittes einer Strömungsmaschine
wie eine Gasturbine ist gewöhnlich ein Dichtsegmentenring vorgesehen, der sich gehäuseseitig
zwischen einer vorderen Laufschaufelreihe und einer hinteren Laufschaufelreihe erstreckt.
Bei einer bekannten Abdichtung besteht der Dichtsegmentenring aus einer Vielzahl von
gleichen Dichtsegmenten, die zur Umfangssicherung an ihrem vorderen Randabschnitt
jeweils eine Vielzahl von Schlitzen zum formschlüssigen Zusammenwirken mit einer gleichen
Anzahl von Vorsprüngen der vorderen Leitschaufelreihe aufweist. Die Leitschaufelreihen
bestehen aus einer Vielzahl von gleichen Leitschaufelsegmenten, wobei bei dieser Art
der Umfangssicherung die Anzahl der Dichtsegmente gleich der Anzahl der vorderen Leitschaufelsegmente
ist bzw. die vorderen Leitschaufelsegmente ein ganzzahliges Vielfaches der Dichtsegmente
sind. Bei 15 Leitschaufelsegmenten liegen also gewöhnlich 15, 5 oder 3 Dichtsegmente
vor. In der
US 2005002779 A1 ist eine derartige Umfangssicherung im Bereich eines hinteren Randabschnitts der
Dichtsegmente und einer hinteren Leitschaufelreihe gezeigt.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine mit einer Umfangssicherung eines
Dichtsegmentenrings mit einer alternativen Dichtsegmentenanzahl zum Abdichten eines
Radialspaltes zwischen einem Gehäuseabschnitt und einer Laufschaufelreihe zu schaffen.
Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Dichtsegment für einen derartigen Dichtsegmentenring
sowie ein Leitschaufelsegment für eine derartige Leitschaufelreihe zu schaffen.
[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1, durch ein Dichtsegment mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und durch ein Leitschaufelsegment
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
[0005] Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine hat einen Dichtsegmentenring zwischen einer
vorderen Leitschaufelreihe und einer hinteren Leitschaufelreihe zum Abdichten eines
Radialspaltes zwischen einem Gehäuseabschnitt und einer zwischen den Leitschaufelreihen
umlaufenden Laufschaufelreihe. Der Dichtsegmentenring weist eine Vielzahl von gleichen
Dichtsegmenten auf und zumindest eine der Leitschaufelreihen hat eine Vielzahl von
gleichen Leitschaufelsegmenten. Erfindungsgemäß haben die Dichtsegmente jeweils mehrere
in Umfangsrichtung nebeneinanderliegende Aufnahmen zum Zusammenwirken mit Sicherungselementen
dieser Leitschaufelreihe, wobei die Aufnahmen und Sicherungselemente gleichmäßig über
den Umfang verteilt sind und die Aufnahmen ein Vielfaches der Sicherungselemente sind.
[0006] Die Erfindung ermöglicht die Umfangssicherung und die Bildung eines Dichtsegmentenringes,
dessen Dichtsegmentenanzahl keine ganzzahlige Teilmenge einer Leitschaufelsegmentenanzahl
ist. Bei 15 Leitschaufelsegmenten können dank der Erfindung beispielsweise 10 Dichtsegmente
realisiert werden. Die Anzahl der Dichtsegmente kann somit optimal nach strukturmechanischen,
fertigungstechnischen und/oder kostenbezogenen Aspekten bestimmt werden. Dadurch,
dass die Aufnahmen ein Vielfaches der Sicherungselemente sind, befinden sich im montierten
Zustand nicht alle Aufnahmen im Eingriff mit den Sicherungselementen und können so
zur Vergleichmäßigung von unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten der Dichtsegmente
und der Leitschaufelsegmente dienen.
[0007] Bevorzugterweise haben die Leitschaufelsegmente der relevanten Leitschaufelreihe
nur ein Sicherungselement. Hierdurch ist jedes Dichtsegment lediglich mittels eines
Aufnahme-Sicherungselementen-Eingriffs mit einem Leitschaufelsegment dieser Leitschaufelreihe
verbunden. Durch lediglich eine Formschlussverbindung pro Dichtsegment und Leitschaufelsegment
wird ein Verklemmen der Bauteile bei der Montage verhindert. Ebenso können durch die
Einfachverbindung pro Dichtsegment und Leitschaufelsegment unterschiedliche Wärmeausdehnungen
der Bauteile noch besser berücksichtigt.
[0008] Um die Leitschaufelsegmente dieser Leitschaufelreihe und die Dichtsegmente an einer
beliebigen Umfangsposition montieren zu können ist es vorteilhaft, wenn jedes Dichtsegment
eine gleiche Vielzahl von Aufnahmen aufweist und diese sowie die Sicherungselemente
an identischen Positionen der Dichtsegmente bzw. der Leitschaufelsegmente angeordnet
sind. Gleichzeitig wird durch die jeweilige gleiche Anordnung der Aufnahmen und Sicherungselemente
die Herstellung der Dichtsegmente und die der Leitschaufelsegmente vereinfacht.
[0009] Bei einem Ausführungsbeispiel sind das Sicherungselement des jeweiligen Leitschaufelsegmentes
und die Aufnahmen des jeweiligen Dichtsegmentes symmetrisch zur jeweiligen Segmentenlängsachse
angeordnet.
[0010] Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind 1,5mal so viele Leitschaufelsegmente
der Leitschaufelreihe wie Dichtsegmente und pro Dichtsegment dreimal so viele Aufnahmen
wie Sicherungselemente pro Leitschaufelsegment vorgesehen. Hierdurch befindet sich
jede zweite Aufnahme im Eingriff mit einem Sicherungselement bzw. die Aufnahmen sind
abwechselnd mit jeweils einem Sicherungselement belegt. Über den Umfang betrachtet
befinden sich die Aufnahmen in alternierendem Eingriff mit einem Sicherungselement.
Der hier doppelte Eingriff ist bei der Auslegung von Toleranzen und Wärmedehngen zu
berücksichtigen.
[0011] Ein erfindungsgemäßes Dichtsegment für eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine hat
eine Vielzahl von in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandeten Aufnahmen
zum Zusammenwirken mit einer korrespondierenden Sicherungselement.
[0012] Ein erfindungsgemäßes Leitschaufelsegment für eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine
hat nur ein Sicherungselement zum Zusammenwirken mit einer korrespondierenden Aufnahme
eines Dichtsegmentes.
[0013] Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
[0014] Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer
Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
- Figur 1
- einen Längsschnitt durch einen radial äußeren Bereich einer Strömungsmaschine, und
- Figur 2
- ein formschlüssiges Zusammenwirken von Leitschaufelsegmenten und Dichtsegmenten basierend
auf Figur 1.
[0015] Wie in Figur 1 gezeigt, hat eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine 1 in Richtung
eines einen Heißgaskanal 2 durchströmenden Heißgases betrachtet eine vordere statorseitige
Leitschaufelreihe 4 und eine hintere statorseitige Leitschaufelreihe 6, zwischen denen
eine rotorseitige Laufschaufelreihe 8 um eine nicht gezeigte Rotorachse umläuft. Die
Laufschaufelreihe 8 ist von einem Gehäuseabschnitt 10 der Strömungsmaschine 1 umgriffen,
wobei zum Abdichten eines Radialspaltes zwischen der Laufschaufelreihe 8 und dem Gehäuseabschnitt
10 zwischen den Leitschaufelreihen 4, 6 ein Dichtsegmentenring 12 angeordnet ist.
Die Strömungsmaschine ist insbesondere eine Gasturbine und bevorzugterweise ein Flugtriebwerk.
Die Schaufelreihen 4, 6, 8 sowie der Dichtsegmentenring 12 befinden sich bevorzugterweise
in der Niederdruckturbine der Strömungsmaschine 1.
[0016] Die vordere Leitschaufelreihe 4 weist eine Vielzahl von gleichen Leitschaufelsegmenten
14 auf, die jeweils mehrere Schaufelblätter haben und mittels eines vorderen Halteabschnittes
16 und eines hinteren Halteabschnittes 18 formschlüssig in Gehäusenuten 20 und dergleichen
der Strömungsmaschine 1 eingreifen. Ebenso weist die hintere Leitschaufelreihe 6 eine
Vielzahl von gleichen Leitschaufelsegmenten 22 auf, die entsprechend über vorderen
Halterabschnitte 24 und nicht gezeigte hintere Halteabschnitte mit Gehäusenuten 26
und dergleichen der Strömungsmaschine 1 formschlüssig zusammenwirken.
[0017] Der Dichtsegmentenring 12 hat eine Vielzahl von gleichen Dichtsegmenten 28, die jeweils
einen mehrwinkeligen Grundkörper 30 aufweisen, an dessen dem Heißgaskanal 2 zugewandten
Innenfläche Dichtwaben 32 zum Einlaufen von gegenüberliegenden Dichtstegen 34, 36
der Laufschaufelreihe 8 angeordnet sind. Der Dichtsegmentenring 12 und die Dichtstege
34, 36 bilden die sogenannte Outer Air Seal (OAS). Mit seinem vorderen Randabschnitt
38 und seinem hinteren Randabschnitt 40 befindet sich jeder Grundkörper 30 in axialer
Überlappung mit Plattformüberhängen 42, 44 der Leitschaufelsegmente 14, 22. Die Plattformüberhänge
40, 42 sind über den jeweiligen Randabschnitt 38, 40 geführt bzw. die Randabschnitte
38, 40 sind unter den jeweiligen Plattformüberhang 42, 44 geführt. Die Randabschnitte
38, 40 sind somit radial außen zu den Plattformüberhängen 40, 42 angeordnet.
[0018] Zur Sicherung des Dichtsegmentenrings 12 in Umfangsrichtung zwischen den Leitschaufelreihen
4, 6 weisen die vorderen Leitschaufelsegmente 14 jeweils ein Sicherungselement auf,
das in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Sicherungssteg 46 ist, mit denen
die Dichtsegmente 28 formschlüssig zusammenwirken. Die Sicherungsstege 46 erstrecken
sich jeweils in einem Abstand zur Plattform entlang einer Rückseite 48 des hinteren
Halterabschnittes 18 des jeweiligen Leitschaufelsegments 14 radial nach außen. Zum
formschlüssigen Zusammenwirken mit den Sicherungsstegen 46 weisen die Dichtsegmente
28 jeweils mehrere Aufnahmen auf, die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als
Schlitze 50 ausgebildet sind. Die Schlitze 50 sind stromaufwärts geöffnet und durchsetzen
jeweils den vorderen Randabschnitt 38 der Grundkörper 30. Eine detaillierte Erläuterung
der Umfangssicherung erfolgt in Figur 2 anhand von vier Leitschaufelsegmenten 14a,
14b, 14c, 14d und drei Dichtsegmenten 28a, 28b, 28c im Bereich der hinteren Halteabschnitte
18 und der vorderen Randabschnitte 38.
[0019] Jedes Leitschaufelsegment 14a, 14b, 14c, 14d weist einen einzigen Sicherungssteg
46a, 46b, 46c, 46d auf, der in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung
mittig auf der Rückseite 48 der hinteren Halteabschnitte 18 positioniert ist. Die
Position des Sicherungsstegs 46a, 46b ist natürlich nicht auf eine Mittenlage beschränkt.
Die Sicherungsstege 46a, 46b, 46c, 46d liegen an identischen Positionen der Leitschaufelsegmente
14a, 14b, 14c, 14d. Ein Umfangabstand zu beiden Seitenkanten 52, 54 des Halteabschnittes
18 ist somit gleich. Der jeweils einzige Sicherungssteg 46a, 46b, 46c, 46d pro Leitschaufelsegment
14a, 14b, 14c, 14d liegt auf einer sich in etwa in Strömungsrichtung des Heißgases
erstreckenden Längsachse des jeweiligen Leitschaufelsegmentes 14a, 14b, 14c, 14d und
ist somit in Umfangsrichtung symmetrisch zur Längsachse orientiert. Über den Umfang
der Leitschaufelreihe 4 betrachtet sind die Sicherungsstege 46a, 46b, 46c, 46d gleichmäßig
voneinander beabstandet.
[0020] Die Dichtsegmente 28a, 28b, 28c haben jeweils drei Schlitze 50a, 56a, 58a bzw. 50b,
56b, 58b bzw. 50c, die in Figur 2 zur Unterscheidung von Trennfugen 60, 62, 64, 66
zwischen benachbarten Dichtsegmenten 28a, 28b, 28c und benachbarten Leitschaufelsegmenten
14a, 14b, 14c, 14d als Punkte dargestellt sind. Aufgrund des Ausschnitts in Figur
2 ist von den drei Schlitzen des Dichtsegments 28c lediglich der Schlitz 50c sichtbar.
Die Schlitze 50a, 56a, 58a bzw. 50b, 56b, 58b bzw. 50c liegen an identischen Positionen
der Dichtsegmente 28a, 28b, 28c. Die Anzahl der Schlitze 50a, 56a, 58a bzw. 50b, 56b,
58b bzw. 50c pro Dichtsegment 28a, 28b, 28c (hier drei Schlitze 50, 56, 58 pro Dichtsegment
28) beträgt somit ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Sicherungsstege 46a,
46b, 46c, 46d pro Leitschaufelsegment 14a, 14b, 14c, 14d (hier ein Sicherungssteg
46 pro Leitschaufelsegment 14).
[0021] Die Schlitze 50a, 56a, 58a bzw. 50b, 56b, 58b bzw. 50c liegen in Umfangsrichtung
symmetrisch zur sich in etwa in Strömungsrichtung des Heißgases erstreckenden Längsachse
der Dichtsegmente 28a, 28b, 28c. Ein Schlitz 56a, 56b liegt unmittelbar auf der Längsachse
und befindet sich im gleichen Umfangsabstand zu Seitenkanten 68, 70 des jeweiligen
Dichtsegmentes 28a, 28b, 28c. Die beiden anderen Schlitze 50a, 58a bzw. 50b, 58b bzw.
50c befindet sich beidseits des jeweils mittleren Schlitzes 56a, 56b. Diese seitlichen
Schlitze 50a, 58a bzw. 50b, 58b bzw. 50c befinden sich in einem gleichen Umfangsabstand
zum mittleren Schlitz 56a, 56b und somit in einem gleichen Umfangsabstand zur jeweils
naheliegenden Seitenkante 68, 70. Selbstverständlich liegen die seitlichen Schlitze
50a, 58a bzw. 50b, 58b bzw. 50c auch in einem gleichen Umfangsabstand zur jeweils
entfernten Seitenkante 70, 68. Über den Umfang des Dichtsegmentenrings 12 betrachtet
sind die Schlitze 50a, 56a, 58a bzw. 50b, 56b, 58b bzw. 50c gleichmäßig voneinander
beabstandet. Der Umfangsabstand der seitlichen Schlitze 50a, 58a bzw. 50b, 58b bzw.
50c zum mittleren Schlitz 56a, 56b ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel doppelt
so groß wie der Umfangsabstand zur jeweils naheliegenden Seitenkante 68, 70.
[0022] Die Dichtsegmente 28a, 28b, 28c haben eine größere Erstreckung in Umfangsrichtung
als die Leitschaufelsegmente 14a, 14b, 14c, 14d, sodass die Trennfugen 60, 62 zwischen
den Dichtsegmenten 28a, 28b, 28c in Umfangsrichtung versetzt zu den Trennfugen 64,
66 der Leitschaufelsegmente 14a, 14b, 14c, 14d angeordnet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
hat ein Dichtsegment 28a, 28b, 28c die 1,5fache Umfangserstreckung wie eine Leitschaufelsegment14a,
14b, 14c, 14d. Hierdurch sind bei beispielsweise 15 Leitschaufelsegmenten 14a, 14b,
14c, 14d zur Bildung der Leitschaufelreihe 4 und lediglich 10 Dichtsegmente 28a, 28b,
28c zur Bildung des Dichtsegmentenrings 12 erforderlich. Beziehungsweise es liegen
in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel 1,5mal so viele Leitschaufelsegmente 14a,
14b, 14c, 14d wie Dichtsegmente 28a, 28b, 28c vor.
[0023] In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich jeweils jeder zweite Schlitz 50a,
58a, 56b, 50c des Dichtsegmentenrings 12 im Eingriff mit einem Sicherungssteg 46a,
46b, 46c, 46d. Mit anderen Worten, jeder zweite Schlitz 56a, 50b, 58b ist frei. In
dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel greift der Sicherungssteg 46a in den Schlitz
50a, der Sicherungssteg 46b in den Schlitz 58a, der Sicherungssteg 46c in den Schlitz
56b und der Sicherungssteg 46d in den Schlitz 50c ein. Die Schlitze 56a, 50b und 58b
sind nicht belegt. In Umfangsrichtung betrachtet "wandern" die Sicherungsstege 46a,
46b, 46c, 46d quasi immer einen Schlitz 50a, 56a, 58a bzw. 50b, 56b, 58b bzw. 50c
weiter. Da jedes Leitschaufelsegment 14a, 14b, 14c, 14d über lediglich einen Sicherungssteg
46a, 46b, 46c, 46d verfügt, bildet dabei jedes Leitschaufelsegment 14a, 14b, 14c,
14d nur eine Formschlussverbindung mit einem Dichtsegment 28a, 28b, 28c bzw. nur eine
Umfangssicherung für ein Dichtsegment 28a, 28b, 28c. Aufgrund des in Umfangsrichtung
"wandernden Eingriffs" befinden sich jedoch einige Dichtsegmente 28a mit mehreren
Leitschaufelsegmenten 14a, 14b gleichzeitig im Formschluss. So greifen hier die Sicherungsstege
46a, 46b der Leitschaufelsegmenten 14a, 14b formschlüssig in die Schlitze 50a, 58a
des Dichtsegmentes 28a ein.
[0024] Offenbart sind eine Strömungsmaschine mit einem Dichtsegmentenring zwischen einer
vorderen Leitschaufelreihe und einer hinteren Leitschaufelreihe zum Abdichten eines
Radialspaltes zwischen einem Gehäuseabschnitt und einer zwischen den Leitschaufelreihen
umlaufenden Laufschaufelreihe, wobei der Dichtsegmentenring eine Vielzahl von gleichen
Dichtsegmenten und zumindest eine der Leitschaufelreihe eine Vielzahl von gleichen
Leitschaufelsegmenten hat, wobei die Dichtsegmente jeweils mehrere in Umfangsrichtung
nebeneinanderliegende Aufnahmen zum Zusammenwirken mit Sicherungselementen dieser
Leitschaufelreihe haben, wobei die Aufnahmen und Sicherungselemente gleichmäßig über
den Umfang verteilt sind und die Aufnahmen ein Vielfaches der Sicherungselemente sind,
ein Dichtsegment sowie ein Leitschaufelsegment.
Bezugszeichenliste
[0025]
- 1
- Strömungsmaschine
- 2
- Heißgaskanal
- 4
- vordere Leitschaufelreihe
- 6
- hinterer Leitschaufelreihe
- 8
- Laufschaufelreihe
- 10
- Gehäuseabschnitt
- 12
- Dichtsegmentenring
- 14, a, b, c, d
- Leitschaufelsegment
- 16
- vorderer Halteabschnitt
- 18
- hinterer Halteabschnitt
- 20
- Gehäusenut
- 22
- Leitschaufelsegment
- 24
- vorderer Halteabschnitt
- 26
- Gehäusenut
- 28, a, b, c
- Dichtsegment
- 30
- Grundkörper
- 32
- Dichtwaben
- 34
- Dichtsteg
- 36
- Dichtsteg
- 38
- vorderer Randabschnitt
- 40
- hinterer Randabschnitt
- 42
- Plattformüberhang
- 44
- Plattformüberhang
- 46, a, b, c, d
- Sicherungssteg
- 48
- Rückseite
- 50, a, b, c
- Schlitz
- 52
- Seitenkante
- 54
- Seitenkante
- 56, a, b, c
- Schlitz
- 58, a, b, c
- Schlitz
- 60
- Trennfuge Dichtsegment
- 62
- Trennfuge Dichtsegment
- 64
- Trennfuge Leitschaufelsegment
- 66
- Trennfuge Leitschaufelsegment
- 68
- Seitenkante
- 70
- Seitenkante
1. Strömungsmaschine (1) mit einem Dichtsegmentenring (12) zwischen einer vorderen Leitschaufelreihe
(4) und einer hinteren Leitschaufelreihe (6) zum Abdichten eines Radialspaltes zwischen
einem Gehäuseabschnitt (10) und einer zwischen den Leitschaufelreihen (4, 6) umlaufenden
Laufschaufelreihe (8), wobei der Dichtsegmentenring (12) eine Vielzahl von gleichen
Dichtsegmenten (28) hat und zumindest eine Leitschaufelreihen (4) eine Vielzahl von
gleichen Leitschaufelsegmenten (14) aufweist, dadurch gekennnzeichnet, dass die Dichtsegmente
(28) jeweils mehrere in Umfangsrichtung nebeneinanderliegende Aufnahmen (50, 56, 58)
zum Zusammenwirken mit Sicherungselementen (46) dieser Leitschaufelreihe (4) haben,
wobei die Aufnahmen (50, 56, 58) und Sicherungselemente (46) gleichmäßig über den
Umfang verteilt sind und die Aufnahmen (50, 56, 58) ein Vielfaches der Sicherungselemente
(46) sind.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, wobei jedes Leitschaufelsegment (14) dieser Leitschaufelreihe
(4) nur ein Sicherungselement (46) hat.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Dichtsegment (28) eine gleiche
Vielzahl von Aufnahmen (50, 56, 58) aufweist und die Aufnahmen (50, 56, 58) sowie
die Sicherungselemente (46) an identischen Positionen der Dichtsegmente (28) bzw.
der Leitschaufelsegmente (14) dieser Leitschaufelreihe (4) angeordnet sind.
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Sicherungselement (46) des
jeweiligen Leitschaufelsegmentes (14) und die Aufnahmen (50, 56, 58) des jeweiligen
Dichtsegmentes (28) symmetrisch zur jeweiligen Segmentenlängsachse angeordnet sind.
5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 1,5mal so viele Leitschaufelsegmente
(14) dieser Leitschaufelreihe (4) wie Dichtsegmente (28) und dreimal so viele Aufnahmen
(50, 56, 58) pro Dichtsegment (28) wie Sicherungselemente (46) pro Leitschaufelsegment
(14) vorgesehen sind
6. Dichtsegment (28) für eine Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Leitschaufelsegment (14) für eine Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1
bis 5.