RINGSEGMENT FÜR EINE TURBINE UND ANORDNUNG ZUR ÄUSSEREN BE-GRENZUNG EINES STRÖMUNGSPFADES EINER TURBINE

Abstract

 Insgesamt betrifft die Erfindung somit ein Ringsegment (10) für eine Turbine sowie eine Anordnung zur Abdichtung der Spalte zwischen Ringsegmenten (10) und Laufschaufel einer Turbine, wobei die Ringsegmente eine plattförmige Wand (12) umfassen, deren erste Seitenfläche 814), welche im verbauten Zustand der Ringsegmente den Schaufelspitzen von Laufschaufeln zugewandt ist von einer geschlossen umlaufenden Kante (16) umgriffen und in vier Seitenwandabschnitte (16a - 16d) unterteilbar ist und an der Seitenfläche (14) ein vollflächig angeordnetes Dichtelement (18) umfasst. Um eine zwischen unmittelbar benachbarten Ringsegmenten gegebenenfalls auftretende lokale Strömung weiter zu minimieren bzw. gar zu unterbinden, wird vorgeschlagen, dass an zumindest einer derjenigen Seitenwandabschnitten (16) und/oder an zumindest einer derjenigen Dichtseitenwandabschnitten (18) die in einer Turbine zu einem Ring monierten Ringsegmenten - zu benachbarten Ringsegmenten des betreffenden Rings weisen, eine Anzahl von einseitig befestigten Dichtlamellen (20) zur Reduzierung einer Strömung längst des betreffenden Seitenwandabschnitts vorgesehen ist bzw. sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Ringsegment gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einer Anordnung zur äußeren Begrenzung eines Strömungspfades einer Turbine.

[0002] Es ist hinlänglich bekannt, dass bei Gasturbinen innerhalb der Turbineneinheit der Strömungspfad radial außen unter anderem mit Hilfe von zu einem Ring zusammensetzbaren Elementen begrenzt wird. Diese Elemente sind gemein hin als Ringsegmente bekannt, die sich über eine gewisse Bogenlänge des im Querschnitt gesehen ringförmigen Strömungskanals erstrecken. Bekanntermaßen werden die Ringsegmente über ein oder mehrere Hakenverbindung an einem Träger, zumeist an dem Turbinenleitschaufelträger eingehakt, so dass ihre nach innen weisende Fläche den darunter vorbeilaufenden Spitzen von Laufschaufeln zugewandt ist. Um dabei einen möglichst geringen Abstand zwischen der Strömungspfadbegrenzung und den Spitzen der Laufschaufeln zu erzielen ist es bekannt, dass die Laufschaufelspitzen mit Deckbändern ausgeführt sind, die die Laufschaufeln in Umfangsrichtung miteinander verspannen. An den nach außen weisenden Flächen der Deckbänder sind zumeist in Umfangsrichtung sich erstreckende Dichtspitzen angeordnet, die mit den besagten Ringsegmenten den zu minimierenden Spalt definieren.

[0003] Dabei ist es bekannt, dass die Ringsegmente Dichtelemente in Form einer Wabenkonstruktion, im Englischen auch als "Honeycomb" bekannt, aufweisen. Bei derartigen Ringsegmenten ist vorgesehen, dass die an den Deckbändern nach außen weisende Dichtspitzen sich in die Lamellen der Wabenkonstruktion einschneiden können, um so ein Verlust an Arbeitsmedium weiter zu reduzieren.

[0004] Aufgrund der in Umfangsrichtung vorhandenden Segmentierung werden die Ringsegmente und die daran geordneten Dichtelemente in der Regel rechteckig ausgeführt, so dass Stoßfugen zwischen zwei unmittelbar benachbarten Ringsegmenten eines Rings vorhanden sein können. Um die Strömung durch diese Stoßfuge, welche sich parallel zur Hauptströmungsrichtung des Arbeitsmediums erstrecken, hindurch zu reduzieren, werden diese so eng wie möglich aneinander gereiht.

[0005] Es hat sich jedoch gezeigt, dass längs dieser Stoßfugen Leckageströmungen auftreten können, welche den Wirkungsgrad der Turbine reduzieren können.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Ringsegments sowie einer Anordnung zur äußeren Begrenzung eines Strömungspfades einer Turbine, bei der die Leckageströmung längs besagter Stoßfugen weiter reduziert ist. Gleichzeitig soll die besagte Anordnung besonders einfach herzustellen sein sowie insgesamt eine besonders langlebige Konstruktion darstellen.

[0007] Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit einem Ringsegment gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 erreicht.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei deren Einzelmerkmale anspruchsübergreifend in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.

[0009] Erfindungsgemäß ist bei einem Ringsegment für eine Turbine, welches mit weiteren davon in einer Turbine zu einer äußeren Begrenzung eines ringförmigen Strömungspfades der Turbine zusammensetzbar sind, mit einer plattenförmigen Wand, die eine erste Seitenfläche umfasst, die im verbauten Zustand des Ringsegments den Schaufelspitzen von Laufschaufeln zugewandt ist und eine Kante, die geschlossen umlaufend die erste Seitenfläche umgreift und an der vier Seitenwandabschnitte mit der ersten Seitenfläche zusammenstoßen und mit einem Dichtelement, welches an der ersten Seitenfläche vollflächig angeordnet ist und welches in analoger Weise zur Wand vier Dichtseitenwandabschnitte umfasst, vorgesehen, dass an zumindest einer derjenigen Seitenwandabschnitte und/oder an zumindest einer derjenigen Dichtseitenwandabschnitte, die - bei in einer Turbine zu einem Ring montierten Ringsegmenten - zu benachbarten Ringsegmenten des betreffenden Rings weisen, eine Anzahl von einseitig befestigten Dichtlamellen zur Reduzierung einer Strömung längs des betreffenden Dichtseitenwandabschnitts vorgesehen ist. Weiter liegen bei einer Anordnung zur äußeren Begrenzung eines Strömungspfades einer Turbine, bei der eine Vielzahl von Ringsegmenten gemäß obiger Ausführung einen montierten Ring bildend den Strömungspfad eines Arbeitsmediums einer Turbine außen begrenzend derart angeordnet sind, die Dichtlamellen eines ersten Ringsegments an einem Seitenwandabschnitt bzw. Dichtseitenwandabschnitt eines zum ersten Ringsegments unmittelbar benachbarten weiteren Ringsegments vorgespannt an. Vorzugsweise sind je betreffenden Dichtseitenwandabschnitt bzw. Seitenwandabschnitt mehrere Dichtlamellen vorgesehen.

[0010] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Strömung längs besagter Stoßfuge weiter reduziert und ggf. gar vermieden werden kann, wenn zwischen unmittelbar benachbarten Ringsegmenten einer Anordnung Dichtlamellen vorgesehen sind, die die besagte Leckageströmung zumindest teilweise behindern. Um dies zu erreichen, sind Dichtlamellen vorgesehen, die quasi an einem ersten Ringsegment einseitig befestigt an den Kanten eines dazu benachbarten Ringsegments vorgespannt anliegen können. Die Dichtlamellen sind flexibel und insbesondere gekrümmt ausgestaltet, so dass diese sich elastisch verformen können. Bei entsprechender Anordnung können diese bei auftretenden, thermisch bedingten Dehnungen der Ringsegmente eine automatische Nachführung der Dichtlamellen an den Kontaktflächen der benachbarten Ringsegmente ermöglichen. Somit kann für unterschiedliche Betriebstemperaturen die Abdichtung der besagten Stoßfuge zuverlässig erfolgen. Aufgrund der einseitigen Befestigung der Dichtlamellen ist die Montage der Ringsegmente zu einer Anordnung trotz Vorhandensein der lamellenartigen Stoßfugenabdichtung unverändert einfach und schnell zu gewährleisten.

[0011] Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung erstrecken sich die betreffenden Dichtlamellen quer zur Strömungsrichtung eines in der Turbine strömenden Arbeitsmediums. Hierdurch wird eine effiziente Reduzierung der Durchströmung der Stoßfugen erreicht.

[0012] Weiter bevorzugt stehen die betreffenden Dichtlamellen in einem Winkel von kleiner 90° von ebenen Oberflächen der betreffenden Seitenwandabschnitte bzw. Dichtseitenwandabschnitte ab. Dies führt zu einer besonders geeigneten elastischen Verformbarkeit der Lamellen, wenn zwei Ringsegmente der Anordnung während der Montage zusammengesetzt werden und dabei die Dichtlamellen vorgespannt an den Kontaktflächen des benachbarten Ringsegments zum Anliegen gelangen. Eine Stauchung der Dichtlamellen wird damit vermieden.

[0013] Der vorgenannte Effekt lässt sich weiter verbessern, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Dichtlamellen zu ihrem freien Ende hin gewölbt sind.

[0014] Besonders bevorzugt ist diejenige Ausgestaltung, bei dem das Dichtelement als Wabenkonstruktion ausgestaltet ist. Alternativ könnte das Dichtelement auch als auf der ersten Seitenfläche aufgebrachtes abtragbares Beschichtungssystem mit ein oder mehreren Schichten ausgestaltet sein.

[0015] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Dichtlamellen mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt und mit dem Dichtelement verbunden. Auch das Dichtelement selber könnte mittels des gleichen additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein, was die Kosten und die Herstellungszeit reduzieren würde.

[0016] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise wie diese erreicht werden, werden verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Hierbei sind die Figuren lediglich schematisch dargestellt, wodurch insbesondere keine Einschränkung der Ausführbarkeit der Erfindung die Folge ist.

[0017] Weiter ist darauf hinzuweisen, dass alle nachfolgenden technischen Merkmale, welche mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, gleiche technische Wirkungen aufweisen.

[0018] Es zeigen:

Figur 1

ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßes Ringsegments in einer schematischen Darstellung, wobei für die Erfindung unwesentliche Merkmale nicht dargestellt sind,

Figur 2

einen Ausschnitt einer Anordnung zur Begrenzung eines Strömungspfades einer Turbine, während des Zusammenbaus,

Figur 3

einen Ausschnitt aus einer Anordnung mit zwei in ihrer Betriebsposition befindlichen Ringsegmenten und

Figur 4

ein zweites Ausführungsbeispiel analog zu Figur 2, mit Dichtlamellen an zwei Seitenwandabschnitten je Ringsegment.

[0019] Figur 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßes Ringsegments 10, welches in einer Turbine mit weiteren davon an einen Turbinenleitschaufelträger zusammensetzbar sind, um einen Spalt zwischen ihnen und den Laufschaufeln (nicht dargestellt) der besagten Turbine weitest möglich abzudichten. Das Ringsegment 10 ist von seiner Gestalt her im Wesentlichen plattenförmig sowie rechteckig und umfasst eine dementsprechende Wand 12, deren ersten Seitenfläche 14 im verbauten Zustand den Schaufelspitzen von Laufschaufeln (nicht dargestellt) zugewandt ist. Bei den Laufschaufeln kann es sich sowohl um freistehende, d.h. deckbandlose Laufschaufeln handeln als auch um Deckband-Laufschaufeln. Die Wand 12 weist eine der ersten Seitenfläche gegenüberliegende zweite Seitenfläche 15 auf. Diese ist im verbauten Zustand dem (nicht dargestellten) Turbinenleitschaufelträger zugewandt. Zur Befestigung des Ringsegments 10 am Turbinenleitschaufelträger sind Nuten 17 vorgesehen. Anstelle dessen könnten auch Haken an der zweiten Seitenfläche 15 vorgesehen sein.

[0020] Die Seitenfläche 14 wird von einer geschlossenen umlaufenden Kante 16 umgriffen. Aufgrund der Rechteckform der Wand 12 stoßen an die Kante 16 vier Seitenwandabschnitte 16a - 16d mit der Seitenfläche 14 zusammen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei Seitenwandabschnitte 16a und 16c sowie 16b und 16d parallel zueinander, wobei das Paar der Seitenwandabschnitte 16b, 16d, wenn das Ringsegment 10 in einer Turbine verbaut ist, parallel zur Durchströmungsrichtung des Arbeitsmediums der Turbine angeordnet ist. Die Seitenwandabschnitte 16b, 16d könnten auch zur Durchströmungsrichtung des Arbeitsmediums geneigt sein.

[0021] An der ersten Seitenfläche 14 der Wand 12 ist ein Dichtelement 18 angeordnet, welches gemäß diesem Ausführungsbespiel als Wabenkonstruktion 19 (Fig. 2) ausgestaltet ist. Das Dichtelement 18 umfasst in analoger Weise zur Wand 12 vier Dichtseitenwandabschnitte 18a - 18d.

[0022] An zumindest einer derjenigen Seitenwandabschnitte und/oder an zumindest einer derjenigen Dichtseitenwandabschnitte, die bei in einer Turbine zu einem Ring montierten Ringsegment zu benachbarten Ringsegmenten des betreffenden Rings weisen, ist eine Anzahl von einseitig befestigten Dichtlamellen 20 zur Reduzierung einer Strömung längs des betreffenden Seitenwandabschnitts 16b bzw. Dichtseitenwandabschnitts 18b vorgesehen.

[0023] Die betreffenden Dichtlamellen 20 stehen von ebenen Flächen der Dichtseitenwandabschnitte 18b bzw. Seitenwandabschnitte 16b unter einem Winkel α ab, der kleiner als 90° sein kann. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel kann der Winkel α 60° betragen. Von ihrem ersten Ende 20a erstrecken sie sich in blattfederartiger Weise gekrümmt bis zu ihrem freien Ende 20b.

[0024] Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung die Draufsicht auf zwei Ringsegmente 10a, 10b ausgestaltet gemäß Figur 1, während der Montage zu einer Anordnung 22. Die Wabenkonstruktion 19 ist lediglich schematisch dargestellt. Die beiden unmittelbar benachbarten Ringsegmente 10a, 10b werden während der Montage gemäß einem der Pfeile M so aufeinander hinzu bewegt, dass die Dichtlamellen 20 des ersten Ringsegments, in Figur 2 als Ringsegment 10a zu erkennen, an dem Seitenwandabschnitt 18d des benachbarten Ringsegments, in Figur 2 als Ringsegment 10b bezeichnet, zum Anliegen gelangen. In der Betriebsposition, dargestellt in Figur 3, sind die Dichtlamellen 20 elastisch verbogen und liegen dann vorgespannt an dem Seitenwandabschnitt 18d des benachbarten Ringsegments 10b an.

[0025] Damit wird eine Durchströmung der besagten Fuge 24 mit Arbeitsmedium, welche zwischen der Dichtelementkante 18b des ersten Ringsegments 10a und der Dichtelementkante 18d des zweiten Ringsegments 10b vorhanden ist, weitestgehend vermieden.

[0026] Figur 3 zeigt die beiden Ringsegmente 10a, 10b in ihrer Betriebsposition, bei der die Dichtlamellen 20 des ersten Ringsegments 10a aufgrund des geringen Abstandes zwischen den beiden Ringsegmenten 10a, 10b vorgespannt an der Kontaktfläche des zweiten Ringsegments 10b (Dichtseitenwandabschnitt 18d) anliegt.

[0027] Der Pfeil R gibt die Rotationsrichtung der Laufschaufeln in Bezug auf die Ringsegmente 10 an. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Rotationsrichtung, soweit möglich, vom befestigten Ende 20a der Dichtlamellen 20 zu ihrem freien Ende 20b gerichtet ist.

[0028] Alternativ und so wie es Figur 4 zeigt, ist es möglich, dass die längs der Fuge 24 aufeinander folgenden Dichtlamellen 20 an den beteiligten Ringsegmenten 10a, 10b abwechselnd befestigt sind. In diesem Fall ist nicht nur an einem Seitenwandabschnitt (vgl. Fig. 2, 18b), sondern an zwei Seitenwandabschnitten 18b und 18d Dichtlamellen 20 angeordnet.

[0029] Insgesamt betrifft die Erfindung somit ein Ringsegment 10 für eine Turbine sowie eine Anordnung zur Abdichtung der Spalte zwischen Ringsegmenten 10 und Laufschaufel einer Turbine, wobei die Ringsegmente eine plattförmige Wand 12 umfassen, deren erste Seitenfläche 14, welche im verbauten Zustand der Ringsegmente den Schaufelspitzen von Laufschaufeln zugewandt ist von einer geschlossen umlaufenden Kante 16 umgriffen und in vier Seitenwandabschnitte 16a - 16d unterteilbar ist und an der Seitenfläche 14 ein vollflächig angeordnetes Dichtelement 18 umfasst. Um eine zwischen unmittelbar benachbarten Ringsegmenten 10 gegebenenfalls auftretende lokale Strömung weiter zu minimieren bzw. gar zu unterbinden, wird vorgeschlagen, dass an zumindest einer derjenigen Seitenwandabschnitten 16 und/oder an zumindest einer derjenigen Dichtseitenwandabschnitten (18) die in einer Turbine zu einem Ring monierten Ringsegmenten - zu benachbarten Ringsegmenten des betreffenden Rings weisen, eine Anzahl von einseitig befestigten Dichtlamellen 20 zur Reduzierung einer Strömung längst des betreffenden Seitenwandabschnitts vorgesehen ist.

Ansprüche

1. Ringsegment (10) für eine Turbine, um mit weiteren davon in einer Turbine zur Abdichtung eines Spalts zwischen ihnen und Laufschaufeln einer Turbine zusammensetzbar zu sein,
mit einer plattenförmigen Wand (12), die umfasst:

- eine erste Seitenfläche, die im verbauten Zustand des Ringsegments (10) den Schaufelspitzen von Laufschaufeln zugewandt ist und

- eine Kante, die geschlossen umlaufend die erste Seitenfläche umgreift und an der mehrere Seitenwandabschnitte (16) mit der ersten Seitenfläche (14) zusammenstoßen und

mit einem Dichtelement (18), welches an der ersten Seitenfläche vollflächig angeordnet ist und welches in analoger Weise zur Wand (12) in Dichtseitenwandabschnitte (18) umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass an zumindest einer derjenigen Seitenwandabschnitte (16) und/oder an zumindest einer derjenigen Dichtseitenwandabschnitte (18), die - bei in einer Turbine zu einem Ring montierten Ringsegmenten (10) - zu benachbarten Ringsegmenten (10) des betreffenden Rings weisen, eine Anzahl von einseitig befestigten Dichtlamellen (20) zur Reduzierung einer Strömung längs des betreffenden Seitenwandabschnitts (18) vorgesehen ist.

2. Ringsegment (10) nach Anspruch 1,
die dem die betreffenden Dichtlamellen (20) sich quer zur Strömungsrichtung eines in der Turbine strömenden Arbeitsmediums erstrecken.

3. Ringsegment (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die betreffenden Dichtlamellen (20) in einem Winkel von kleiner 90° von den Seitenwandabschnitten (16) bzw. Dichtseitenwandabschnitten (18) abstehen.

4. Ringsegment (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem die Dichtlamellen (20) zum ihren freien Ende (20b) hin gewölbt sind.

5. Ringsegment (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das Dichtelement (18) als Wabenkonstruktion ausgestaltet ist.

6. Ringsegment (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das Dichtelement (18) als abtragbares Beschichtungssystem mit ein oder mehreren Schichten ausgestaltet ist.

7. Ringsegment (10), nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem zumindest die Dichtlamellen (20) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sind

8. Anordnung (22) zur Abdichtung der Spalte zwischen Ringsegmenten und Laufschaufeln einer Turbine,
bei der eine Vielzahl von Ringsegmenten (10) gemäß einer der Ansprüche 1 bis 7 einen segmentierten Ring bildend derart angeordnet sind, dass die Dichtlamellen (20) eines ersten Ringsegments (10) an einem davon gegenüberliegenden Seitenwandabschnitt bzw. Dichtseitenwandabschnitt eines zum ersten Ringsegment (10) unmittelbar benachbarten weiteren Ringsegments (10) vorgespannt anliegen.

Zeichnung