[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbine, umfassend eine Laufschaufelreihe, deren Laufschaufeln
mit einem Deckband verbunden sind, und einen die Laufschaufelreihe umschließendes
Gehäuse, wobei zwischen Deckband und Gehäuse eine Labyrinthdichtung ausgebildet ist,
die mindestens eine am Gehäuse und eine am Deckband angeordnete, sich zumindest über
einen Teil des Umfangs erstreckende Dichtungsrippe umfasst.
[0002] Eine Turbine ist eine Strömungsmaschine, in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert.
In der Turbine wird ein heißes und komprimiertes Gas entspannt und so thermische in
mechanische Energie umgewandelt. Bei der Dampfturbine wird hier in einem Dampferzeuger
erzeugter überhitzter Wasserdampf verwendet, bei der Gasturbine ein Heißgas (Mischung
aus Verbrennungsgas und Luft). Das Heißgas entsteht durch Verbrennung eines gasförmigen
oder flüssigen Treibstoffs in einer Brennkammer, der weiterhin komprimierte Luft aus
einem vorgeschalteten zugeführt wird. Die gewonnene Energie wird beispielsweise in
Kraftwerken zum Antrieb eines Generators verwendet, wobei ein Teil der Energie bei
der Gasturbine auch zum Antrieb des Verdichters vorgesehen ist.
[0003] Der in der Turbine rotierende Rotor mit seinen Laufschaufeln bewegt sich relativ
zu dem ihn umschließenden Gehäuse der Turbine, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse
ein Spalt vorgesehen ist, der zur freien Bewegbarkeit des Rotors erforderlich ist.
Durch diesen Spalt tritt stets eine gewisse Leckageströmung auf, welche den Wirkungsgrad
der Turbine herabsetzt.
[0004] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, geeignete Dichtungsmaßnahmen in Form einer
Labyrinthdichtung vorzunehmen, um die Leckageströmung zu vermindern. Häufig werden
hierbei die radial außenliegenden Endbereiche der Laufschaufeln mittels eines Deckbandes
verbunden. Das Deckband ist mit mehreren sich im Wesentlichen in Radialrichtung erstreckenden
Dichtungsrippen versehen, die zusammen mit Dichtungsrippen an der Wandung des Gehäuses
eine Labyrinthdichtung bilden.
[0005] Da sich die Laufschaufeln während des Betriebs der Turbine durch Wärmeausdehnung
und Fliehkräfte ausdehnen, der Spalt in der Labyrinthdichtung aber zur Erhöhung des
Wirkungsgrades dennoch möglichst gering gehalten werden soll, sind die Labyrinthdichtungen
häufig für ein kontrolliertes Anstreifen der Laufschaufelspitzen ausgelegt. Hierfür
sind die potentiellen Anstreifflächen bienenwabenartig aufgebaut. Eine derartige Auslegung
der Anstreifflächen bedeutet jedoch einen besonders hohen technischen Aufwand.
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbine der eingangs genannten
Art anzugeben, welche mit technisch einfachen Mitteln einen besonders hohen Wirkungsgrad
erreicht.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Oberfläche der Labyrinthdichtung,
die eine radiale Normale aufweist, eine Anstreifbeschichtung aufweist.
[0008] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die bislang verwendeten Bienenwabenstrukturen
im Bereich des Anstreifens besonders aufwändig und damit teuer herzustellen sind und
damit durch einfachere, günstigere Strukturen ersetzt werden sollten. Dabei sollen
die Alternativstrukturen aber ähnliche Eigenschaften aufweisen, d. h. für die Umgebungsbedingungen
im Strömungskanal einer Turbine geeignet sein und gleiche Abriebeigenschaften aufweisen,
d. h. bei Anstreifen möglichst leicht abreiben und dabei keine für die nachfolgenden
Turbinenstufen schädigenden Rückstände erzeugen. Dies ist mittels einer entsprechenden
Anstreifbeschichtung möglich. Diese kann auf die entsprechenden Oberflächen in technisch
einfacher Weise aufgetragen werden und weist die gewünschten Eigenschaften auf.
[0009] In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Anstreifbeschichtung dabei eine MCrAlY-Anstreifschicht.
M kann hierbei für Cobalt (Co) oder Nickel (Ni) oder eine entsprechende Mischung stehen.
Derartige Beschichtungen sind besonders hitzebeständig und eignen sich damit auch
für Gasturbinen. Chrom (Cr) und Aluminium (A1) formen hierbei schützende Oxidschichten,
während Yttrium (Y) die Bildung solcher Schichten begünstig. Derartige Anstreifschichten
können in einfacher Weise mittels einer Vielzahl bekannter Prozesse aufgebracht werden.
[0010] In zusätzlicher oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Anstreifbeschichtung
eine keramische Anstreifschicht, insbesondere eine Anstreifschicht auf Zirkonoxidbasis.
Keramiken sind ebenfalls besonders hitzebeständig und weisen die für eine Anstreifschicht
benötigte Porosität auf. Insbesondere Zirconium(IV)-oxid ist sehr beständig und hat
eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische, thermische und mechanische Einflüsse.
[0011] Vorteilhafterweise ist die Oberfläche der Labyrinthdichtung, auf die die Anstreifbeschichtung
aufgebracht wird, am Gehäuse angeordnet. Dies ermöglicht insbesondere auch ein Nachrüsten
der vorhandenen Gehäusebereiche durch Austausch der entsprechenden Gehäusewandungen
oder nachträgliches Beschichten der Gehäusewandungen.
[0012] Vorteilhafterweise weist die am Deckband angeordnete Dichtungsrippe radial auf die
Oberfläche, die mit der Beschichtung versehen ist, d. h. die Dichtungsrippe berührt
bei einer radialen Ausdehnung die Oberfläche.
[0013] Die Dichtungsrippen am Gehäuse und am Deckband sind vorteilhafterweise in axialer
Richtung überlappend ausgebildet, d. h. bei einem Blick in axialer Richtung ist die
Labyrinthdichtung blickdicht. Dies wird durch eine entsprechend große Ausdehnung der
Dichtungsrippen in Richtung des jeweils gegenüberliegenden Bauteils (Deckband oder
Gehäuse) erreicht. Die Dichtungsrippen greifen somit ineinander (Verkämmung).
[0014] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Labyrinthdichtung zumindest zwei
am Gehäuse angeordnete Dichtungsrippen auf und die am Deckband angeordnete Dichtungsrippe
ist in axialer Richtung zwischen den am Gehäuse befestigten Dichtungsrippen angeordnet.
Hierdurch bildet der verbleibende Spalt eine U-Form, die die Abdichtung verbessert.
Es können auch weitere, abwechselnd an Gehäuse und Deckband angeordnete Dichtungsrippen
aufeinander folgen. Hierdurch wird der Spalt weiter verlängert und durch die strömungstechnischen
Effekte die Abdichtung noch weiter verbessert.
[0015] Die Anstreifbeschichtung erstreckt sich dabei in axialer Richtung vorteilhafterweise
vollständig zwischen den am Gehäuse angeordneten Dichtungsrippen. Hierdurch wird auch
bei einer temperaturbedingten oder aktiv veranlassten Axialverschiebung des Rotors
sichergestellt, dass die Dichtungsrippen des Deckbands bei einer Ausdehnung stets
an einer beschichteten Oberfläche anstreifen.
[0016] Die Labyrinthdichtung weist vorteilhafterweise einen in Umfangsrichtung gleichbleibenden
Längsschnitt auf. Bedingt durch die Rotations- bzw. Radiärsymmetrie des Rotors wird
somit entlang des gesamten Umfangs eine entsprechend gute Abdichtung erreicht.
[0017] Vorteilhafterweise ist die am Gehäuse angeordnete Dichtungsrippe einstückig mit dem
Gehäuse ausgebildet. Entsprechend ist vorteilhafterweise die am Deckband angeordnete
Dichtungsrippe einstückig mit dem Deckband ausgebildet. Hierdurch wird die Herstellung
der entsprechenden Dichtungsrippen vereinfacht, da diese beispielsweise durch Gießen
oder Ziehen direkt mit den entsprechenden Bauteilen geformt werden können.
[0018] Die Turbine ist vorteilhafterweise als Gasturbine ausgelegt. Gerade in Gasturbinen
sind die Temperaturen besonders hoch, so dass eine wärmebedingte Ausdehnung der Turbinenschaufeln
und anderer Bauteile zu erwarten ist. Hier ist die Verwendung einer abriebfähigen
Beschichtung in Labyrinthdichtungen von besonderem Vorteil.
[0019] Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine derartige Turbine.
[0020] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch
die Aufbringung einer abriebfähigen Beschichtung zwischen den Dichtungsrippen einer
Labyrinthdichtung an einer Schaufelreihe mit Deckband die Verwendung von Bienenwaben-Oberflächen
unnötig wird und dadurch der Abdichtungsaufwand bei gleichbleibendem Wirkungsgrad
deutlich reduziert wird. Die Kosten werden dadurch reduziert und auch bei der Wiederaufbereitung
von Labyrinthdichtungen wird der Aufwand erheblich reduziert. Die Beschichtungen führen
zudem durch ihre leichte Abriebfähigkeit zu weniger Beschädigungen an den Dichtrippen
des Deckbandes, so dass die Spaltmaße noch weiter reduziert werden können, was den
Wirkungsgrad weiter erhöht. Auch muss die Beschichtung im Gegensatz zu Bienenwaben-Oberflächen
nicht gekühlt werden, was den technischen Aufwand und den Wirkungsgrad weiter erhöht.
[0021] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- einen teilweisen Längsschnitt durch eine Gasturbine, und
- FIG 2
- einen teilweisen Längsschnitt durch ein Laufschaufelrad mit Deckband.
[0022] Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0023] Die in der FIG 1 gezeigte Turbine ist eine Gasturbine 100 und weist im Inneren einen
um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch
als Turbinenläufer bezeichnet wird. Sofern im Folgenden oder auch im vorhergehenden
Beschreibungstext die Begriffe axial, radial, Umfangsrichtung oder vergleichbare Begriffe
verwendet werden, so beziehen diese sich stets auf die Rotationsachse 102 der Gasturbine
100.
[0024] Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105,
eine torusartige Brennkammer 106, hier eine Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial
angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109. Die Brenner
107 umfassen dabei jeweils einen nicht näher gezeigten Pilotbrenner, der zur Erhöhung
der Flammenstabilität insbesondere im Teillastbereich dient.
[0025] Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Hauptströmungskanal 111.
Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die
Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung
eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Hauptströmungskanal 111 einer Leitschaufelreihe
115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125. Die Schaufeln 120, 130 sind leicht
gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche.
[0026] Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln
120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
Die Laufschaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läufers 103. An dem
Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
[0027] Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse
104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters
105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit
einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums
113 in der Brennkammer 106 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang
des Hauptströmungskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln
120.
[0028] Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln
120, 130 ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln 120 der
Turbine 108 übergeht. Über diese wird dann der Rotor 103 in Drehung versetzt, wodurch
zunächst der Verdichter 105 angetrieben wird. Die nutzbare Leistung wird an die nicht
dargestellte Arbeitsmaschine abgegeben.
[0029] Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes
der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. In der Gasturbine 100 herrschen Temperaturen
von bis zu 1500 Grad Celsius, da höhere Temperaturen einen besseren Wirkungsgrad bedeuten.
Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 insbesondere der in Strömungsrichtung
des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer
106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet. Die hohen Belastungen
machen höchstbelastbare Werkstoffe erforderlich. Die Turbinenschaufeln 120, 130 werden
daher aus Titan-Legierungen, Nickel-Superlegierung oder Wolfram-Molybdän-Legierungen
gefertigt.
[0030] Die Schaufeln 120, 130 werden für höhere Resistenz gegen Temperaturen sowie Erosion
wie zum Beispiel Lochfraß, auch bekannt unter "pitting corrosion", durch Beschichtungen
gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, Seltene Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht,
beispielsweise Zr02, Y204-Zr02) geschützt. Die Beschichtung zur Hitzeabschirmung wird
Thermal Barrier Coating bzw. kurz TBC genannt. Weitere Maßnahmen, um die Schaufeln
hitzeresistenter zu machen, bestehen in ausgeklügelten Kühlkanalsystemen. Diese Technik
wird sowohl in den Leit- als auch in den Laufschaufeln 120, 130 angewendet. Jede Leitschaufel
130 weist neben dem eigentlichen Schaufelblatt einen auch als Plattform 144 bezeichneten,
dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß und einen dem Leitschaufelfuß
gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt
und an einem Innenring 140 des Stators 143 festgelegt. Jeder Innenring 140 umschließt
dabei die Welle des Rotors 103. Ebenso weist jede Laufschaufel einen derartigen Laufschaufelfuß
auf, endet jedoch in einer Laufschaufelspitze.
[0031] Zwischen den Laufschaufeln 120 und der ihren Laufschaufelspitzen gegenüberliegenden
Wandung des Gehäuses 138 ist ein Spalt 146 gebildet, der aufgrund der radialen Ausdehnung
der Laufschaufelreihen 125 im Betrieb notwendig ist. Der Spalt 146 ist in FIG 2 dargestellt,
die in einem Längsschnitt im oberen Teil der Gasturbine 100 eine Laufschaufel 120
in der Turbine 108 zeigt. Der Spalt 146 ist zwischen Laufschaufel 120 und Gehäuse
138 gebildet. Die in FIG 2 gezeigte Ausführung ist in jeder Laufschaufelreihe 125
denkbar.
[0032] Durch den Spalt 146 strömt eine Leckageströmung von Heißgas, welche insbesondere
zwei negative Effekte mit sich bringt, die den Wirkungsgrad der Gasturbine 100 herabsetzen:
Zum einen reduziert die Leckageströmung die Gasmasse, welche durch den Rotor 103 strömt,
so dass die entnommene Arbeit geringer wird. Zum zweiten führt die durch den Spalt
146 hervorgerufene Strömung zu einer Beeinträchtigung der eigentlichen Strömung durch
die Turbine 108, da diese unterschiedliche Winkel und unterschiedliche lokale Geschwindigkeiten
aufweist. Dies resultiert in einer Mischung der beiden Ströme und in einer Verminderung
des aerodynamischen Wirkungsgrades. Die Leckageströmung führt auch zu einer Verschlechterung
der Anströmung einer nachfolgenden Leitschaufelreihe 115.
[0033] Zur Abdichtung ist der Spalt 146 daher mit einer Labyrinthdichtung 148 versehen.
Hierfür sind die Laufschaufeln 120 der Laufschaufelreihe 125 mit einem Deckband 150
verbunden, welches sich ringförmig entlang des gesamten Umfangs um die Laufschaufelreihe
125 erstreckt und die Laufschaufelspitzen verbindet. Das Deckband 150 stabilisiert
die Laufschaufelreihe 125 auch gegen Schwingungen.
[0034] Die Labyrinthdichtung 148 und ihre Bestandteile werden im folgenden anhand ihres
Längsschnittes beschrieben, der entlang des gesamten Umfanges gleichbleibend ist.
Am Deckband sind zwei radial nach außen erstreckte Dichtungsrippen 152 angeordnet,
die sich nach außen leicht verjüngen, ansonsten aber einen im Wesentlichen rechteckigen
Längsschnitt aufweisen. Weiterhin sind am Gehäuse 138 drei gleichmäßig beabstandete
ebenso ausgebildete Dichtungsrippen 154 angeordnet, die sich entsprechend radial nach
innen erstrecken. Sie sind jedoch radial kürzer als die Dichtungsrippen 152 am Deckband
150.
[0035] Die am Deckband 150 angeordneten Dichtungsrippen 152 sind einteilig mit dem Deckband
150 ausgeführt. Ebenso sind die am Gehäuse 138 angeordneten Dichtungsrippen 154 einteilig
mit dem entsprechend dort angeordneten Bestandteil des Gehäuses 138 ausgeführt.
[0036] Der Abstand benachbarter Dichtungsrippen 154 am Gehäuse 138 entspricht dem Abstand
der Dichtungsrippen 152 am Deckband 152. In axialer Richtung sind alle Dichtungsrippen
152, 154 gleichmäßig beabstandet, so dass Dichtungsrippen 154 am Gehäuse 138 und Dichtungsrippen
152 am Deckband 150 alternieren. Sie sind dabei überlappend ausgebildet und greifen
somit ineinander. Dies wird dadurch erreicht, dass die Spitzen der Dichtungsrippen
152 des Deckbands 150 so nahe wie möglich am Gehäuse 138 angeordnet sind.
[0037] Durch die beschriebene Ausbildung der Dichtrippen 152, 154 wird die Labyrinthdichtung
148 gebildet, deren Dichtwirkung auf strömungstechnischen Effekten durch die Verlängerung
des abzudichtenden Spaltes 146 beruht. Dadurch wird der Strömungswiderstand erhöht.
Ein vollständiges Abdichten ist aufgrund der notwendigen Berührungsfreiheit nicht
möglich. Der Luftstrom durch die Labyrinthdichtung 148 ist mit Pfeilen dargestellt.
[0038] Zur möglichst guten Abdichtung des Spaltes 146 sollten daher die Dichtungsrippen
152 des Deckbands 150 so ausgeführt werden, dass sie so nahe wie möglich an das Gehäuse
138 reichen. Um hierbei Beschädigungen zu vermeiden, die durch eine thermische oder
fliehkraftbedingte radiale Ausdehnung der Laufschaufelreihe 125 entstehen könnten,
ist auf die Oberfläche der Labyrinthdichtung 148, die sich zwischen den Dichtungsrippen
154 des Gehäuses 138 ersteckt und den Dichtungsrippen 152 des Deckbands 150 gegenüberliegend
angeordnet ist, eine entlang des gesamten Umfangs erstreckte Anstreifbeschichtung
156 aufgebracht.
[0039] Die Anstreifbeschichtung 156 kann keramische Stoffe wie z. B. Zirkonoxid oder auch
metallische Beschichtungen wie z. B. MCrAlY umfassen. Bei einer Berührung durch die
Dichtungsrippen 152 des Deckbands 150 wird die Anstreifbeschichtung 156 abgetragen
und es entsteht weder ein Schaden, noch wird die Gasturbine 100 durch Reibung gebremst.
Hierdurch kann der Spalt 146 minimiert werden und der Wirkungsgrad der Gasturbine
100 wird optimiert.
1. Turbine (100), umfassend eine Laufschaufelreihe (125), deren Laufschaufeln (120) mit
einem Deckband (150) verbunden sind, und einen die Laufschaufelreihe (125) umschließendes
Gehäuse (138), wobei zwischen Deckband (150) und Gehäuse (138) eine Labyrinthdichtung
(148) ausgebildet ist, die mindestens eine am Gehäuse (138) und eine am Deckband (150)
angeordnete, sich zumindest über einen Teil des Umfangs erstreckende Dichtungsrippe
(152, 154) umfasst, wobei eine Oberfläche der Labyrinthdichtung (148), die eine radiale
Normale aufweist, eine Anstreifbeschichtung (156) aufweist.
2. Turbine (100) nach Anspruch 1,
bei der die Anstreifbeschichtung (156) eine MCrAlY-Anstreifschicht umfasst.
3. Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Anstreifbeschichtung (156) eine keramische Anstreifschicht, insbesondere
eine Anstreifschicht auf Zirkonoxidbasis umfasst.
4. Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Oberfläche der Labyrinthdichtung (148) am Gehäuse (138) angeordnet ist.
5. Turbine (100) nach Anspruch 4,
bei der die am Deckband (150) angeordnete Dichtungsrippe (152) radial auf die Oberfläche
weist.
6. Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Dichtungsrippen (152, 154) in axialer Richtung überlappend ausgebildet
sind.
7. Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Labyrinthdichtung (148) zumindest zwei am Gehäuse (138) angeordnete Dichtungsrippen
(154) aufweist und die am Deckband (150) angeordnete Dichtungsrippe (152) in axialer
Richtung zwischen den am Gehäuse (138) befestigten Dichtungsrippen (154) angeordnet
ist.
8. Turbine (100) nach Anspruch 7,
bei der sich die Anstreifbeschichtung (156) in axialer Richtung vollständig zwischen
den am Gehäuse (138) angeordneten Dichtungsrippen (154) erstreckt.
9. Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Labyrinthdichtung (148) einen in Umfangsrichtung gleichbleibenden Längsschnitt
aufweist.
10. Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die am Gehäuse (138) angeordnete Dichtungsrippe (154) einstückig mit dem Gehäuse
(138) ausgebildet ist.
11. Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die am Deckband (150) angeordnete Dichtungsrippe (152) einstückig mit dem
Deckband (150) ausgebildet ist.
12. Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Gasturbine (100) ausgelegt
ist.
13. Kraftwerksanlage mit einer Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.