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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen in Gasturbinen
und genauer gesagt auf eine nachgiebige Dichtung zur Verwendung
an einer Verbindungsstelle zwischen einer Gasturbinendüse bzw.
Gasturbinenleiteinrichtung und einem Mantel.
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In
einer Gasturbine strömen
heiße
Verbrennungsgase durch Düsen
bzw. Leitapparate und Schaufeln der ersten Stufe und durch die Düsen bzw. Leitapparate
und Schaufeln der nachfolgenden Stufen. Die Düsen bzw. Leitapparate der ersten
Stufe weisen typischerweise eine ringförmige Anordnung oder einen
Aufbau von gegossenen Düsensegmenten
auf, von denen jedes eine oder mehrere Düsenleitschaufeln pro Segment
aufweist. Jedes Düsensegment
der ersten Stufe weist auch einen inneren und einen äußeren Bandabschnitte
auf, die voneinander radial beabstandet sind. Nach dem Zusammenbau
der Düsensegmente
sind die Leitschaufeln in Umfangsrichtung voneinander beabstandet,
um eine ringförmige
Anordnung aus diesen zwischen dem inneren und dem äußeren Ringband
zu bilden. Ein Düsenhaltering,
der an das äußere Band
der Düsen
der ersten Stufe angeschlossen ist, trägt die Düsen der ersten Stufe in dem
Gasströmungsweg
der Turbine. Ein ringförmiger
Düsenhaltering,
der vorzugsweise entlang einer horizontalen Mittellinie gespalten
ist, steht mit dem inneren Ring im Eingriff und haltert die Düsen der
ersten Stufe axial unbeweglich.
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Jede
Stufe der Turbine weist auch mehrere Mantelsegmente auf, die in
einer aus diesen bestehenden ringförmigen Anordnung angeordnet
sind und eine ringförmige
innere Fläche
definiert, die einen Abschnitt des Heißgasweges bildet.
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Die
Mantelinnenfläche
ist von den Spitzen der Laufschaufeln des Turbinenrotors beabstandet. Es
versteht sich, dass die Düsen
gemeinsam mit den Mänteln
und den Schaufeln eine Turbinenstufe bilden.
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Eine
Verwindung während
des Betriebs und während
der Reparatur der Düse
und der Mäntel kann
einen Spalt zwischen diesen Turbinenkomponenten entstehen lassen.
Demzufolge können
entlang des Heißgasweges
strömende
heiße
Gase lecken oder durch den Spalt entweichen. Als Ergebnis wird die
Effizienz der Turbine reduziert. In der Bestrebung, alle solche
in der Turbine während
des Betriebs oder der Reparatur auftretenden Spalte abzudichten,
sind W-artige Dichtungen zwischen dem Düsenhaltering und den Mänteln bereitgestellt
worden. W-artige Dichtungen haben sich jedoch als nicht effektiv
herausgestellt. Eine W-artige Dichtung kann z.B. während der
Montage der Turbine, d.h. während der
Installation infolge einer relativen radialen Bewegung zwischen
dem Düsenring
und den Mänteln
eingeklemmt werden. Man hat auch beobachtet, dass die W-artige Dichtung
während
des Betriebs in Folge von Ermüdung
bei niedriger Lastspielzahl reißt.
Dementsprechend gibt es einen Bedarf an effektiver Abdichtung zwischen
dem Düsenring
und den Mänteln der
Turbinenstufe, die Verwindungen des Düsenrings und des Mantels zuließe, den
Leckverluststrom eliminieren und die Robustheit der Dichtung an
dieser Abdichtungsstelle verbessern würde.
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US 5,372,476 beschreibt
eine Düsenhaltevorrichtung
einer Turbine, bei der die Haltevorrichtung Düsensegmente aufweist, von denen
jedes ein inneres Band mit einem Halteflansch aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Gasturbine geschaffen, die aufweist:
einen
Turbinendüsenhaltering
mit einer im Wesentlichen axial weisenden und einen Teil der Turbinenstufe
bildenden ersten Fläche;
ein
Turbinenmantelsegment mit einer axial der ersten Fläche gegenüberliegenden
und einen Teil der Turbinenstufe bildenden zweiten Fläche;
einen
Hohlraum in entweder dem Haltering oder dem Mantelsegment, wobei
sich der Hohlraum im Wesentlichen in einer axialen Richtung und
zu dem anderen Element aus dem Haltering und dem Mantelsegment hin öffnet; und
eine
nachgiebige Dichtung in dem Hohlraum, die einen aus mehreren Schichten
unterschiedlicher Materialien ausgebildeten Dichtungskörper enthält, um nachgebend
mit einer von der ersten und der zweiten dem Hohlraum gegenüberliegenden
Fläche
in Eingriff zu stehen;
wobei die Materialien des Dichtungskörpers einen gewebten
Metallkern, eine Faser, eine metallische Folie und eine Schutzmetallschicht
aufweisen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist eine schlauchartige gewebte Verbunddichtung
zur Anordnung zwischen dem Düsenhaltering
und der ringförmigen
Anordnung aus Mänteln
einer Turbinenstufe geschaffen, um trotz einer relativen Bewegung
zwischen dem Düsenring
und den Mänteln
während
der Installation und einer Verwindung während des Betriebs eine Abdichtung
zu er zielen. Ein ringförmiger
Hohlraum ist entweder in einer der axial gegenüberliegenden Flächen des
Düsenhalterings
oder den Mänteln,
vorzugsweise in den Mänteln,
ausgebildet, wobei dieser Hohlraum einen Sitz für die Dichtung bereitstellt.
In dem Hohlraum ist eine rohr- oder schlauchartige gewebte Verbunddichtung
angeordnet, und diese stützt sich
gegen die ringförmige
Abdichtungsfläche
des Düsenhalterings.
Wenn der Düsenhaltering
und die Mäntel
installiert sind, ist die schlauchartige Verbundgewebedichtung auf
diese Weise elastisch und nachgebend zwischen den axial einander
gegenüberliegenden
Dichtungsflächen
des jeweiligen Düsenhalterings
und der Mäntel
flach zusammengedrückt,
um zwischen diesen Flächen
abzudichten. Dass heißt, der
Durchmesser der Gewebeschlauchdichtung ist größer als die Tiefe des Hohlraums,
wobei die nachgebende Dichtung in dem Hohlraum zwischen dem Boden
des Hohlraums und der gegenüberliegenden Abdichtungsfläche flach
zusammengedrückt
ist. Im Falle einer Verwindung oder Öffnung eines Spalts zwischen
dem Düsenhaltering
und dem Mantel wird sich die nachgebende Dichtung somit ausdehnen und
eine effektive Abdichtung erzielen.
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Die
schlauchartige gewebte Verbundhilfsdichtung ist in Folge der mehreren
Schichten, die die Dichtung bilden, nachgebend. Die Schichten enthalten
einen gewebten inneren Metallkern, ein Fasermaterial, eine metallische
Folie und eine metallene Außenhülle. Vorzugsweise
ist der innere Metallkern aus einem gewebten nicht rostenden Stahl
gebildet, der von einer Quarzglasfaser umgeben ist. Die Faser wiederum
ist von einer aus nicht rostendem Stahl hergestellten Metallfolie
umgeben, und die äußere Beschichtung
ist aus einem geflochtenen Metall, z.B. Haynes 188, gebildet. Wegen
der Art der schlauchartigen Verbundgewebedichtung ist die Dichtung
insbesondere aufgrund der Elastizität des Metallkerns und der umgebenden
Quarzglasfaser nachgebend. Darüber
hinaus verhindert die die Faser umgebende Metallfolienschicht einen
Leckverlust zwischen der Hilfsdichtung und der Dichtungsfläche des
Düsenhalterings,
während
die geflochtene Außenhülle als
Verschleißschutzfläche dient.
Der innere Metallkern und die Quarzglasfasern erhalten die im Querschnitt
im Wesentlichen kreisförmige
Anordnung der Hilfsdichtung aufrecht, so dass die Dichtung, wenn
sie zusammengedrückt
ist, vorgeladen oder vorgespannt ist, um zu ihrer kreisförmigen Querschnittsanordnung zurückzukehren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Turbine geschaffen, die einen Turbinendüsenhaltering,
der eine im Wesentlichen axial weisende erste Fläche enthält und einen Teil einer Turbinenstufe
bildet, ein Turbinenmantelsegment, das eine der ersten Fläche axial gegenüberliegende
zweite Fläche
enthält
und einen Teil einer Turbinenstufe bildet, einen Hohlraum in einem
von dem Haltering und dem Mantelsegment, wobei sich der Hohlraum
im Wesentlichen in einer axialen Richtung und zu dem anderen von
dem Haltering und Mantelsegment hin öffnet und eine nachgebende
Dichtung in dem Hohlraum aufweist, die einen aus mehreren Schichten
unterschiedlicher Materialien ausgebildeten Dichtungskörper aufweist,
um nachgebend mit einer von der ersten und der zweiten dem Hohlraum
gegenüberliegenden
Fläche
in Eingriff zu stehen, um gegen diese abzudichten.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Gasturbine geschaffen, die einen Turbinendüsenhaltering,
der eine im Wesentlichen axial weisende ringförmige erste Fläche enthält und die
ei nen Teil der Turbinenstufe bildet, mehrere Turbinenmantelsegmente, die
eine ringförmige
Anordnung aus diesen und eine axial der ersten Fläche gegenüberliegende
ringförmige
zweite Fläche
bilden, einen ringförmigen
Hohlraum in einer von der ersten und zweiten Fläche, der sich im Wesentlichen
in einer axialen Richtung und zu der anderen von der ersten und
zweiten Fläche hin öffnet, und
eine nachgiebige Dichtung in dem Hohlraum aufweist, die einen aus
mehreren Schichten verschiedener Materialien ausgebildeten Dichtungskörper enthält, um nachgebend
mit der anderen von der ersten und zweiten dem Hohlraum gegenüberliegenden
Fläche
in Eingriff zu stehen, um gegen diese abzudichten.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf beiliegende Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
eine ausschnittsweise schematische Seitenansicht einer Gasturbine;
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2 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
die eine Verbindungsstelle zwischen einem Düsenhaltering und einem Mantel
mit einer schlauchartigen Verbundgewebedichtung zwischen ihnen veranschaulicht,
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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3 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
die die Komponenten der Dichtung veranschaulicht.
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Bezugnehmend
nun auf 1 ist dort ein repräsentatives
Beispiel eines allgemein mit 10 bezeichneten Turbinenabschnitts
einer Gasturbine dargestellt. Die Turbine 10 nimmt heiße Verbrennungsgase
von einer ringförmigen
Anord nung von Brennkammern, nicht gezeigt, auf, die die heißen Gase durch
ein Übergangsstück 12 durchleiten,
damit diese entlang eines Heißgasweges 14 strömen. Entlang des
Heißgasweges 14 sind
Turbinenstufen angeordnet. Jede Stufe weist mehrere in Umfangsrichtung voneinander
beabstandet angeordnete Laufschaufeln, die auf dem Turbinenrotor
montiert sind und einen Teil desselben bilden, sowie mehrere in
Umfangsrichtung voneinander beabstandete Leitschaufeln auf, die
eine ringförmige
Anordnung von Düsen bzw.
Leitapparaten bildet. Die erste Stufe weist z.B. mehrere in Umfangsrichtung
voneinander beabstandete Laufschaufeln 16, die auf einem
Rotorrad 18 der ersten Stufe montiert sind, und mehrere
im Umfangsrichtung voneinander beabstandete Leitschaufeln 20 auf.
In ähnlicher
Weise weist die zweite Stufe mehrere Laufschaufeln 22,
die auf einem Rotorrad 24 montiert sind, und mehrere in
Umfangsrichtung verteilt beabstandete Leitschaufeln 26 auf.
Es können
zusätzliche
Stufen vorhanden sein, z.B. eine dritte Stufe, die mehrere in Umfangsrichtung
voneinander beabstandete Laufschaufeln 28, die auf einem
Rotorrad 30 der dritten Stufe montiert sind, und mehrere
in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Leitschaufeln 32 aufweist.
Es ist verständlich,
dass die Leitschaufeln 20, 26 und 32 auf
einem Turbinengehäuse
montiert und an diesem befestigt sind, während die Laufschaufeln 16, 22 und 28 und
die Räder 18, 24 und 30 einen
Teil des Turbinenrotors bilden. Zwischen den Rotorrä dern sind
Abstandshalter 34 und 36 vorgesehen, die auch
einen Teil des Turbinenrotors bilden. Eine ringförmige Anordnung von Mantelsegmenten 35, 37 und 39 ist
radial außen
in Bezug auf die Laufschaufeln 16, 22 bzw. 28 vorgesehen,
um einen ringförmigen
Mantel um die Schaufeln herum zu bilden, und definiert teilweise
den Strömungspfad durch
die Turbine.
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Bezugnehmend
auf die erste Stufe der Turbine sind die die Düsen bzw. Leitapparate der ersten Stufe
bildenden Leitschaufeln 20 zwischen einem inneren und einem äußeren Band 38 bzw. 40 angeordnet,
die von dem Turbinengehäuse
gehaltert sind. Wie oben erwähnt,
sind die Düsen
der ersten Stufe durch mehrere Düsensegmente 41 gebildet,
an denen jeweils eine, vorzugsweise zwei Leitschaufeln befestigt
sind, die sich zwischen dem inneren und dem äußeren Bandabschnitt erstrecken
und in einer ringförmigen
Anordnung von Segmenten angeordnet sind. Ein an das Turbinengehäuse angeschlossener Düsenhaltering 42 ist
mit dem Außenband
verbunden und sichert die Düse
der ersten Stufe. Ein radial innen von dem Innenband 38 der
Düsen der
ersten Stufe angeordneter Düsenhaltering 44 steht
in Eingriff mit dem Innenring 38.
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Wie
zuvor erwähnt,
können
der Düsenring und
die Mantelsegmente Leckspalte oder -wege infolge einer unsachgemäßen Installation
und/oder Reparatur bilden. Um den Leckfluss zu vermeiden oder zu
verhindern, ist eine nachgiebige Gewebeschlauchdichtung zur Abdichtung
zwischen dem Düsenhaltering
und den Mantelsegmenten, z.B. zwischen dem Düsenhaltering 42 und
den Mantelsegmenten 35, vorgesehen. Bezugnehmend auf 2 enthält eine
allgemein mit 70 bezeichnete Dichtung einen nachgiebigen
Dichtungskörper 72,
der in einem Hohlraum 74 angeordnet ist, der in einer der
axial einander gegenüberliegenden
Flächen 76 bzw. 78 des
Düsenhalterings
bzw. der Mantelsegmente ausgebildet ist. Wie veranschaulicht und
bevorzugt, ist der Hohlraum 74 in den Mantelsegmenten ausgebildet.
Es versteht sich, dass der Hohlraum gekrümmt oder bogenförmig ist
und sich über
einen gesamten 360°-Bereich
hinweg erstreckt, um zwischen dem Düsenhaltering und den Mantelsegmenten
abzudichten.
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Der
Dichtungskörper 72 umfasst
vorzugsweise einen festen Ring, der in einem nicht zusammengedrückten Zustand
einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist, wie in 3 veranschaulicht.
Der Dichtungskörper 72 ist
aus mehreren Materialschichten gebildet. Vorzugsweise umfasst die
innerste Schicht 78 einen aus nichtrostendem Stahl gebildeten
gewebten Metallkern. Den Metallkern 78 umgibt eine ringförmige Schicht
aus einer Faser, vorzugsweise Quarzglasfaser 80. Um die
Quarzglasfaser 80 herum ist eine Metallfolie 82 vorgesehen,
die vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl gebildet ist. Schließlich weist
die äußere Hülle 84 für den Dichtungskörper 72 ein
metallisches geflochtenes Material, vorzugsweise ein geflochtenes
Stahlmaterial, wie z.B. Haynes, 188 auf. Die schlauchartige Verbundgewebedichtung 70 ist
in einer Seitenrichtung nachgiebig, d.h. vorgespannt oder vorgeladen,
um im Falle eines Zusammendrückens
in einer mit der Ringachse übereinstimmenden
Richtung zu ihrer kreisförmigen Querschnittsform
zurückzukehren.
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Wie
in 2 veranschaulicht, weist der Hohlraum 74 eine
Weite, in einer radialen Richtung auf, die etwas größer ist
als der Durchmesser des Dichtungskörpers 70. Die Tiefe
des Hohlraums entspricht jedoch knapp dem Durchmesser des Dichtungskörpers oder
ist kleiner als dieser. Demgemäß ist nach
der Installation des Dichtungskörpers 70 in den
Hohlraum 74 und nach dem Zusammenfügen des Düsenhalterings 42 und
des Mantelsegments 35 die Verbundgewebeschlauchdichtung
nachgebend zwischen dem Boden des Hohlraums 74 und der
Fläche 76 des
Düsenhalterings 42 eingeklemmt.
In dem Falle einer Relativbewegung zwischen dem Düsenhaltering 42 und
den Mantelsegmenten 35, die einen Spalt öffnet, dehnt
sich die Verbundgewebeschlauchdichtung 70 folglich aus,
um auf grund ihrer elastischen Eigenschaft eine Abdichtung zwischen
den axial einander gegenüberliegenden
Flächen 76 und 78 zu
bilden. In Kombination mit der hitzebeständigen Quarzglasschicht ermöglicht der
gewebte metallische Kern 78 dem Dichtungskörper, geneigt
zu sein, in seine kreisförmige
Querschnittsform zurückzukehren.
Die metallische Folienschicht 82 verhindert eine Leckage über die
Dichtung 70. Die abnutzungsresistente äußere Beflechtung dient als
Schutzhülle
und Verschleißfläche.
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Vorzugsweise
ist der Dichtungskörper 72 in Längen von
90° oder
180° vorgesehen.
Demgemäß erstreckt
sich die Dichtung 70 zwischen benachbarten Mantelsegmenten.
Die nachgiebige Eigenschaft der Dichtung 70 dichtet beliebige
Spalten oder Zwischenräume
zwischen dem Düsenhaltering 42 und den
Mantelsegmenten 35 ab.