Strömungsmaschine sowie Dichtungselement für eine Strömungsmaschine

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Dichtungselement für eine Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Die DE 102 18 459 B3 zeigt einen Verdichter einer als Gasturbine ausgebildeten Strömungsmaschine, wobei der Verdichter mehrere in Axialrichtung desselben hintereinander angeordnete Laufschaufelkränze sowie Leitschaufelkränze umfasst. Die rotierenden Laufschaufelkränze verfügen jeweils über mehrere rotierende Laufschaufeln, wobei die Laufschaufeln jedes LaufSchaufelkranzes an jeweils einem Rotorgrundkörper befestigt sind. , Zwischen zwei benachbarten, rotierenden Laufschaufelkränzen ist jeweils ein feststehender Leitschaufelkranz positioniert, wobei jeder der Leitschaufelkränze mehrere feststehende Leitschaufeln umfasst. Die Leitschaufeln verfügen an einem radial innenliegenden Ende über ein Deckband. Zwischen den radial innenliegenden Deckbändern der Leitschaufelkränze und dem Rotor sind Spalte ausgebildet, die abgedichtet werden müssen. Zur Abdichtung dieser radial innenliegenden Spalte dienen bei der Strömungsmaschine gemäß DE 102 18 459 B3 den Laufschaufelkränzen zugeordnete, statische Dichtlippen bzw. Dichtfins, wobei die Dichtfins mit Wabenstrukturen zusammen wirken, die den radial innenliegenden Deckbändern der Leitschaufelkränze zugeordnet sind. Die den rotierenden Laufschaufelkränzen zugeordneten Dichtfins laufen im Betrieb der Strömungsmaschine in die den Deckbändern der feststehenden Leitschaufeln zugeordneten Wabenstrukturen ein, wobei dies zu einem Verschleiß der Dichtfins sowie der Wabenstrukturen und damit zu einer Verschlechterung der Dichtwirkung führen kann.

Eine weitere Strömungsmaschine mit einer Dichtung zur Abdichtung eines Spalts zwischen den radial innenliegenden Deckbändern der feststehenden Leitschaufelkränze und dem Rotor einer Strömungsmaschine ist aus dem Stand der Technik gemäß DE 198 07 247 C2 bekannt. Nach diesem Stand der Technik schließen sich an die radial innenliegenden Deckbänder der feststehenden Leitschaufeln Verstärkungen an, wobei den Verstärkungen als Bürstendichtungselemente ausgebildete Dichtungselemente zugeordnet sind. Als Borsten ausgebildete Dichtkörper dieser Dichtungselemente verlaufen in radialer Richtung der Strömungsmaschine, wobei freie Enden der Borsten zur Abdichtung des Spalts mit einem Ring zusammen wirken, der sich zwischen zwei benachbarten, rotierenden Laufschaufelkränzen erstreckt und mit Flanschen der Rotorrundkörper der Laufschaufelkränze verbunden ist.

Bei der DE 198 07 247 C2 bildet sich in einem Bereich unterhalb des radial innenliegenden Deckbands der feststehenden Leitschaufelkränze ein relativ großer, nicht durchströmter Todraum aus. Solche Todräume unterliegen einem Verschleiß durch Sulfidation, weiterhin beeinträchtigen solche Todräume den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine .

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Strömungsmaschine, insbesondere eine neuartige Gasturbine, und ein neuartiges Dichtungselement für eine Strömungsmaschine zu schaffen. Dieses Problem wird durch eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist an dem radial innenliegenden Deckband mindestens eines Leitschaufelkranzes mindestens ein flexibles Dichtungselement gelagert, wobei Dichtkörper des oder jedes flexiblen Dichtungselements an jeweils einer Plattform eines Rotorgrundkörpers eines stromaufwärts und/oder stromabwärts des Leitschaufelkranzes positionierten Laufschaufelkranzes anliegen.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird eine Strömungsmaschine vorgeschlagen, bei welcher an den radial innenliegenden Deckbändern der feststehenden Leitschaufelkränze jeweils mindestens ein flexibles Dichtungselement gelagert ist. Die flexiblen Dichtungselemente verfügen über Dichtkörper, die an Plattformen der Rotorgrundkörper der rotierenden Laufschaufelkränze anliegen. Hierdurch ist es möglich, Todräume im Bereich des abzudichtenden, radial innenliegenden Spalts zu vermeiden. Weiterhin können axiale sowie radiale Bewegungen des Rotors bzw. der rotierenden Laufschaufelkränze elastisch ausgeglichen werden.

Vorzugsweise verlaufen Dichtkörper des oder jedes Dichtungselements im wesentlichen in Axialrichtung der Strömungsmaschine und liegen in etwa tangential an der jeweiligen Plattform eines Rotorgrundkörpers an.

Das erfindungsgemäße Dichtelement ist im unabhängigen Anspruch 11 definiert. Der oder jeder Dichtkörper des erfindungsgemäßen Dichtelements ist aus einem Textilgewebe aus Fasern gebildet.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungemäßen Strömungsmaschine im Bereich von zwei Laufschaufelkränzen und einem Leitschaufelkranz nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 einen schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungemäßen Strömungsmaschine im Bereich von zwei Laufschaufelkränzen und einem Leitschaufelkranz nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung eines Dichtungselements einer erfindungemäßen Strömungsmaschine .

Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 in größerem Detail beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemaßen Strömungsmaschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der hier vorliegenden Erfindung im Bereich von zwei in Axialrichtung der Stromungsmaschine hintereinander angeordneten, rotierenden Laufschaufelkranzen 10 und 11, wobei zwischen den beiden Laufschaufelkränzen 10 und 11 ein feststehender Leitschaufelkranz 12 angeordnet ist. Die rotierenden Laufschaufelkränze 10 und 11 verfugen jeweils über mehrere rotierende Laufschaufeln 13, wobei die Laufschaufeln 13 eines jeden Laufschaufelkranzes 10 und 11 an einem Rotorgrundkorper 14 befestigt sind. Die Laufschaufeln 13 können integraler Bestandteil der Rotorgrundkorper 14 sein, wobei die Laufschaufelkränze 10 und 11 dann als sogenannte Blisks (Bladed Disks) ausgebildet sind. In einem übergangsbereich zwischen den Laufschaufeln 13 und dem Rotorgrundkorper 14 eines jeden Laufschaufelkranzes 10 und 11 bildet der jeweilige Rotorgrundkorper 14 eine Plattform 15 aus, wobei gemäß Fig. 1 die Plattform 15 jedes Rotorgrundkörpers 14 in Axialrichtung der Strömungsmaschine gesehen gegenüber den Laufschaufeln 13 vorsteht. Unter der Annahme, dass die Stromungsmaschine in Axialrichtung in Richtung des in Fig. 1 dargestellten Pfeils 16 durchströmt wird, stehen die Plattformen 15 der Rotorgrundkorper 14 einerseits mit einem stromaufwärts liegenden Abschnitt 17 und andererseits mit einem stromabwärts liegenden Abschnitt 18 gegenüber den Laufschaufeln 13 der Laufschaufelkränze 10 und 11 in Axialrichtung vor.

Der in Fig. 1 dargestellte, feststehende Leitschaufelkranz 12 wird von mehreren feststehenden Leitschaufeln 19 gebildet, wobei die Leitschaufeln 19 an einem radial innenliegenden Abschnitt über ein Deckband 20, ein sogenanntes Innendeckband, verfügen.

Die Rotorgrundkorper 14 der Laufschaufelkranze 10 und 11 verfugen über sich in axialer Richtung der Stromungsmaschine erstreckende Flansche 21, wobei die Rotorgrundkorper 14 an den Flanschen 21 miteinander verschraubt sind. Zwischen dem Innendeckband 20 des Leitschaufelkranzes 12 und den Flanschen 21 ist ein radial mnenliegender Spalt ausgebildet, der zur Wirkungsgradsteigerung der Turbomaschine möglichst gut abgedichtet werden muss. Zur Abdichtung dieses radial innenliegenden Spalts wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, am radial innenliegenden Deckband 20 des feststehenden Leitschaufelkranzes 12 mindestens ein Dichtungselement 22, 23 zu befestigen bzw. zu lagern, wobei Dichtkorper 24 der Dichtungselemente 22, 23 an jeweils einer Plattform 15 eines Rotor- grundkorpers 14 eines stromaufwärts und/oder stromabwärts des Leitschaufelkranzes 12 positionierten Laufschaufelkranzes 10 bzw. 11 anliegen. Die Dichtungselemente 22 und 23 sind dabei als flexible Dichtungselemente ausgebildet, wobei die Dichtkorper 24 derselben im Wesentlichen in Axialrichtung der Stromungsmaschine verlaufen und in etwa tangential an der jeweiligen Plattform 15 des Rotorgrundkorpers 14 des jeweiligen Laufschaufelkranzes 10 bzw. 11 anliegen.

Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 1 ist ein erstes Dichtungselement 22 an einem stromaufwärts liegenden Abschnitt 25 des Deckbands 20 befestigt, ein zweites Dichtungselement 23 ist an einem stromabwärts liegenden Abschnitt 26 des Deckbands 20 befestigt. Die Dichtkorper 24 des ersten Dichtelements 22 erstrecken sich ausgehend von dem Abschnitt 25 des Deckbands 20 in Axialrichtung der Strömungsmaschine entgegengesetzt zur Durchstromungsπchtung (Pfeil 16 derselben), und liegen mit freien Enden an dem stromabwärts liegenden Abschnitt 18 der Plattform 15 des stromaufwärts des Leitschaufelkranzes 12 angeordneten Laufschaufelkranzes 10 an. Die Borsten 24 des am Abschnitt 26 des Deckbands 20 befestigten Dichtungselement 23 erstrecken sich ebenfalls xn Axialrichtung der Strömungsmaschine, jedoch in Durchstromungsπchtung (Pfeil 16) derselben, und liegen mit freien Enden an dem stromaufwärts liegenden Abschnitt 17 der Plattform 15 des stromabwärts des Leitschaufelkranzes 12 positionierten Laufschaufelkranzes 10 an. Die Dichtkorper 24 der Dichtelemente 23 können, wie Fig. 1 zeigt, an einer radial außenliegenden Flache 27 der Plattformen 15 bzw. der Abschnitt 17 und 18 derselben anliegend. Dies ist vorzugsweise dann der Fall, wenn sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des feststehenden Leitschaufelkranzes 12 der Druck oberhalb der Dichtungselemente 20 und 23 großer ist als der Druck unterhalb derselben.

Bei solchen Druckverhaltnissen werden dann im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Dichtkorper 24 beider Dichtungselemente 22 und 23 gegen die radial außenliegenden Flächen 27 der Abschnitte 17 und 18 der Plattformen 15 gedruckt .

Demgegenüber zeigt Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Stromungsmaschine, bei welcher das am stromaufwärts liegenden Abschnitt 25 des Deckbands 20 befestigte Dichtungselement 22 mit seinen Dichtkόrpern 24 gegen eine radial innenliegende Fläche 28 der Plattform 15 bzw. des Abschnitts 18 derselben drückt, und bei welcher das am stromabwärts liegenden Abschnitt 26 des Deckbands 20 gelagerte Dichtungselement 23 mit seinen Dichtkόrpern 24 gegen die radial außenliegende Flache 27 der Plattform 15 bzw. des Abschnitts 17 derselben drückt. Diese Anordnung wird vorzugsweise dann gewählt, wenn stromabwärts des Leitschaufelkranzes 12 der Druck oberhalb des Dichtelements 23 großer ist als unterhalb desselben und wenn stromaufwärts des Leitschaufelkranzes 12 der Druck unterhalb des Sichtelements 22 großer ist als der Druck oberhalb desselben. Dies ist bei konventionellen Verdichtern einer Stromungsmaschine wie z.B. eines Gasturbinen- flugtπebwerks der Fall.

Obwohl in Fig. 1 und 2 nicht dargestellt, sind auch Ausführungsbeispiele denkbar, bei welchen die Dichtkorper 24 beider Dichtelemente 22 und 23 jeweils an der radial innenliegenden Fläche 27 der Plattformen 15 bzw. der Abschnitte 17 und 18 derselben anliegen. In einem weiteren Ausfuh- rungsbeispiel ist es möglich, dass das am stromaufwärts liegenden Abschnitt 25 der Plattform 20 befestigte Dichtungselement 22 mit seinen Dichtkorpern auf der radial außenliegenden Flache 27 der Plattform 15 des jeweiligen Laufschaufelkranzes 10 anliegt, und dass das am stromabwärts liegenden Ende 26 des Deckbands 20 befestigte Dichtungselement 23 mit seinen Dichtkόrpern 24 an der radial innenliegenden Flache 28 der Plattform 15 des entsprechenden Laufschaufelkranzes 11 anliegt.

Wie bereits mehrfach erwähnt, handelt es sich bei den Dichtungselementen 22 und 23 um flexible Dichtungselemente, deren Dichtkorper 24 in axialer Richtung der Stromungsmaschine verlaufen und m etwa tangential an den Plattformen 15 der LaufSchaufelkranze anliegen. Bei den flexiblen Dichtungselementen 22, 23 kann es sich um Bürstendichtungselemente handeln, deren Dichtkorper 24 als Borsten ausgebildet ist. Dabei können als Haken- burstendichtungen ausgebildete Burstendichtungselemente zum Einsatz kommen.

Die flexiblen Dichtungselemente 22, 23 können auch als Textildichtungs- elemente ausgebildet sein. In diesem Fall sind die Dichtkörper 24 der Dichtungselemente 22, 23 aus einem Textilgewebe aus Fasern gebildet, wobei es sich bei den Fasern um Silikat-Fasern handelt. Vorzugsweise finden in solchen Textildichtungselementen Fasern Verwendung, die folgende Zusammensetzung aufweisen:

52 bis 60 Gew.-% Siliziumdioxid;

16 bis 25 Gew.-% Kalziumoxid;

10 bis 12 Gew.-% Aluminiumoxid;

8 bis 13 Gew.-% Boriumoxid;

0 bis 6 Gew.-% Magnesiumoxid;

0 bis 1 Gew.-% Natriumoxid und/oder Kaliumoxid.

Die obigen Fasern können, zur Bereitstellung einer erhöhten Hitzebeständigkeit, mit einer Wärmedämmschicht beschichtet sein. Weiterhin ist es möglich, dass zur Erhöhung eines Verschleißschutzes zusätzlich zu den Fasern metallische, drahtartige Borsten in das Textilgewebe integriert sind.

Dann, wenn derartige Textildichtungselemente als Dichtungselemente 22 und 23 verwendet werden, sind die Abschnitte 17 und 18 der Plattformen 15, an welchen die Dichtkörper der jeweiligen Dichtungselemente anliegen, vorzugsweise poliert und/oder mit einer Schicht mit niedrigem Reibungskoeffizienten versehen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass unter einem Textilgewebe jede gewebeähnliche Struktur verstanden werden soll, also Gewebe, Gewirke, Geflechte, Gestricke oder auch Filze.

Die Verwendung solcher Textildichtungselemente verfügt gegenüber der Verwendung von Bürstendichtungselementen über den Vorteil, dass Textildichtungselemente keine scharfkantigen, freien Enden aufweisen, die zu einer Beschädigung der Plattformen 15, z. B. durch Reibkorrosion, führen können. Des Weiteren verfügen Textildichtungselemente über keine Vorzugsrichtung, so dass der Rotor bei der Montage in beiden Richtungen gedreht werden kann. Des Weiteren verfügen Textildichtungselemente aus Fasern, welche die oben angegebene Zusammensetzung aufweisen, über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, so dass entstehende Reibwärme gut abgeführt werden kann.

Die Dichtungselemente 22 und 23 können über beliebige Halteelemente an den Deckbandern der feststehenden Leitschaufelkranze befestigt bzw. gelagert werden. So ist es z. B. möglich, die Dichtungselemente 22, 23 über Klemmhalterungen an den Deckbandern der Leitschaufelkranze zu befestigen. So zeigt Fig. 3 einen schematisierten Ausschnitt aus einem Dichtungselement 22 bzw. 23, dessen Dichtkorper 24 an einem als Klemmhalterung ausgebildeten Halteelement 30 gelagert sind, über welches das Dichtungselement 22 bzw. 23 an einem Deckband eines feststehenden Leitschaufelkranzes befestigt bzw. gelagert werden kann. über eine Nietverbindung oder Schraubverbindung 31 sind die Dichtkorper 24 m dem Halteelement 30 geklemmt.

Em weiterer Unterschied der m Fig. 1 und 2 gezeigten Stromungsmaschinen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Stromungsmaschinen besteht darin, dass im Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 1 und 2 die Verbindung der Rotorgrundkorper 14 über die Flansche 21 über radial außenliegende Abschnitte 29 der Flansche 21 erfolgen kann. Hierdurch kann die Montage der Stromungsmaschine vereinfacht werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Montage über derartige, radial außenliegende Abschnitte 29 jedoch nur dann zur Anwendung kommt, wenn die Stromungsmaschine über ein in Längsrichtung bzw. Axialrichtung der Stromungsmaschine geteiltes Gehäuse verfugt. Dann, wenn wie bei Flugtriebwerken üblich, ungeteilte bzw. geschlossene Gehäuse verwendet werden, liegen die Abschnitte 29 der Flansche 21 zur Verbindung der Rotorgrundkorper 14 radial innen.