Rotor und Strömungsmaschine mit dem Rotor

In einer Strömungsmaschine , wie beispielsweise einer Gasturbine oder einer Dampfturbine , wird herkömmlich Kühlluft eingeblasen, um thermisch stark beanspruchte Komponenten der Strömungsmaschine zu kühlen . Bei den stark beanspruchten Komponenten kann es sich beispielsweise um eine Brennkammer, um Lauf schaufeln und/oder um Leitschauf ein, insbesondere die Lauschaufeln und/oder Leitschauf ein in der ersten Stufe stromab der Brennkammer, handeln . Zudem wird herkömmlich Sperrluft in die Strömungsmaschine eingeblasen, um damit Leckagen in einem Strömungskanal der Strömungsmaschine abzudichten . Die Leckagen können beispielsweise zwischen den Lauf schaufeln und einem Gehäuse der Strömungsmaschine und/oder zwischen den Leitschauf ein und einem Rotor der Strömungsmaschine entstehen .

Daneben können Leckagen auch in einem luftgekühlten Rotor einer Gasturbine auftreten . So ist beispielsweise aus der DE 10 2018 218 942 Al ein gattungsgemäßer Rotor mit einer Abdichtung des Spalts zwischen Plattform und Abdeckelement bekannt , bei der ein T- förmiger Dichtungsring den besagten Spalt abdichtet .

Ungewünschte Leckagen der Kühlluft und/oder der Sperrluft führen zu einer Verringerung in dem Wirkungsgrad der Strömungsmaschine . Zum Abdichten der Leckagen können beispielsweise segmentierte Dichtungsringe verwendet werden, die mehrere Segmente aufweisen, die gegeneinander verlagern können . Dadurch können die segmentierten Dichtungsringe sich an ändernde Querschnitte der Strömungsmaschine anpassen, die durch ein Erwärmen und/oder ein Abkühlen der Strömungsmaschine verursacht werden . Problematisch dabei ist , dass in dem Bereich, an den zwei Segmente aneinander anstoßen, sich Leckagen bilden können, die wiederum zu einer Verringerung des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine führen können . So ist aus der EP 1 944 471 Al bekannt , dass das Abdeckelement kein einstückiges , ringförmiges Element sein muss , sondern aus einer Vielzahl von platt förmigen Dichtelemente gebildet sein kann, die einzeln an einer Turbinenscheibe einhängbar sind .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor und eine Strömungsmaschine mit dem Rotor zu schaf fen, wobei mit dem Dichtungsring eine Strömungsmaschine mit einem hohen Wirkungsgrad erzielt werden kann .

Der erfindungsgemäße Rotor für eine Strömungsmaschine umfasst eine Rotorscheibe , die umfangsseitig eine Viel zahl von in einem Kranz angeordneten Lauf schaufeln aufweist , wobei die

Lauf schaufeln eine Schaufelplattform mit einem Plattformüberstand umfassen, deren Unterseite einer Stirnseite der Rotorscheibe zugewandt ist , wobei stirnseitig der Rotorscheibe radial und innerhalb der Unterseite ein Abdeckring mit einer sich radial auswärts öf fnenden, in Umfangsrichtung erstreckende Aufnahmenut angeordnet ist , in welcher ein Dichtungsring zur Dichtung eines Radialspalts zwischen Unterseite und Abdeckring angeordnet ist , wobei der Dichtungsring mindestens ein erstes Segment und ein zweites Segment umfasst , die j eweils ein erstes Längsende bezüglich einer Umfangsrichtung des Dichtungsrings und ein zweites Längsende bezüglich der Umfangsrichtung aufweisen, wobei das erste Segment in einem Bereich des ersten Längsendes eine erste Aussparung und einen ersten Vorsprung mit einer die erste Aussparung in der Umfangsrichtung begrenzenden ersten Flanke des ersten Vorsprungs aufweist und das zweite Segment in einem Bereich des zweiten Längsendes eine zweite Aussparung und einen zweiten Vorsprung mit einer die zweite Aussparung in der Umfangsrichtung begrenzenden ersten Flanke des zweiten Vorsprungs aufweist , wobei das erste Segment und das zweite Segment einen Kopplungs zustand aufweisen, in dem das erste Segment und das zweite Segment in der Umfangsrichtung relativ zueinander verlagerbar sind sowie der erste Vorsprung in der zweiten Aussparung angeordnet ist , der zweite Vorsprung in der ersten Aussparung angeordnet ist sowie die erste Flanke des ersten Vorsprungs und die erste Flanke des zweiten Vorsprungs eingerichtet sind, bei einem ersten Verlagern des ersten Segments weg von dem zweiten Segment aneinander anzustoßen und somit das erste Verlagern zu begrenzen .

Eine Leckageströmung, die in einer Axialrichtung bezüglich des Dichtungsrings den Dichtungsring passiert , muss in der Umfangsrichtung strömen und dabei sowohl den ersten Vorsprung als auch den zweiten Vorsprung umströmen . Dadurch erfährt die Leckageströmung einen hohen Strömungswiderstand, wodurch der Massenstrom der Leckageströmung niedrig ist . Damit kann ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erreicht werden .

Es ist bevorzugt , dass die erste Aussparung in der Umfangsrichtung länger als der zweite Vorsprung in der Umfangsrichtung ist und die zweite Aussparung in der Umfangsrichtung länger als der erste Vorsprung in der Umfangsrichtung ist . Dadurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass das erste Segment und das zweite Segment in der Umfangsrichtung relativ zueinander verlagerbar sind .

Es ist bevorzugt , dass die erste Aussparung eine Stirnfläche der ersten Aussparung aufweist und der zweite Vorsprung eine Stirnfläche des zweiten Vorsprungs aufweist , wobei die Stirnfläche der ersten Aussparung diese in einer Axialrichtung bezüglich des Dichtungsrings begrenzt , die Stirnfläche des zweiten Vorsprungs diesen in der Axialrichtung begrenzt , wobei in dem Kopplungs zustand die Stirnfläche der ersten Aussparung und die Stirnfläche des zweiten Vorsprungs einander zugewandt angeordnet sind und einen ersten Dichtspalt begrenzen . Es ist zudem bevorzugt , dass die zweite Aussparung eine Stirnfläche der zweiten Aussparung aufweist und der erste Vorsprung eine Stirnfläche des ersten Vorsprungs aufweist , wobei die Stirnfläche der zweiten Aussparung diese in einer Axialrichtung bezüglich des Dichtungsrings begrenzt , die Stirnfläche des ersten Vorsprungs diesen in der Axialrichtung begrenzt , wobei in dem Kopplungs zustand die Stirnfläche der zweiten Aussparung und die Stirnfläche des ersten Vorsprungs einander zugewandt angeordnet sind und einen zweiten Dichtspalt begrenzen . Durch das Vorsehen des ersten Dichtspalts und/oder des zweiten Dichtspalts kann der Strömungswiderstand weiter erhöht werden und somit der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöht werden .

Das erste Segment weist bevorzugt eine erste Aussparungs flanke auf , die die erste Aussparung in der Umfangrichtung begrenzt , und der zweite Vorsprung weist bevorzugt eine zweite Flanke des zweiten Vorsprungs auf , wobei in dem Kopplungs zustand die erste Aussparungs flanke und die zweite Flanke des zweiten Vorsprungs eingerichtet sind, bei einem zweiten Verlagern des ersten Segments hin zu dem zweiten Segment aneinander anzustoßen und somit das zweite Verlagern zu begrenzen .

Es ist besonders bevorzugt , dass die zweite Flanke des zweiten Vorsprungs und das das zweite Längsende zusammenfallen .

Das zweite Segment weist bevorzugt eine Aussparungsradialbegrenzung auf , die die zweite Aussparung in einer Radialrichtung bezüglich des Dichtungsrings begrenzt , wobei in dem Kopplungs zustand der erste Vorsprung und die Aussparungsradialbegrenzung einen dritten Dichtspalt begrenzen . Durch das Vorsehen des dritten Dichtspalts kann der Strömungswiderstand noch weiter erhöht werden .

Es ist bevorzugt , dass das zweite Segment ein in Richtung von dem verbliebenen zweiten Segment vorstehenden Umfangsvorsprung aufweist und das erste Segment eine Aufnahme aufweist , in der in dem Kopplungs zustand der Umfangsvorsprung angeordnet ist .

Der Dichtungsring hat bevorzugt ein T- förmiges Profil .

Es ist bevorzugt , dass alle die Segmente baugleich ausgeführt sind . Es ist bevorzugt , dass alle die Segmente j eweils in dem Bereich des ersten Längsendes die erste Aussparung und den ersten Vorsprung mit der die erste Aussparung begrenzenden ersten Flanke des ersten Vorsprungs aufweisen und in dem Bereich des zweiten Längsendes die zweite Aussparung und den zweiten Vorsprung mit der die zweite Aussparung begrenzenden ersten Flanke des zweiten Vorsprungs aufweisen, wobei der Dichtungsring einen Zusammenbauzustand hat , in dem alle Paare von denj enigen Segmenten, die in dem Dichtungsrichtung benachbart angeordnet sind, in dem Kopplungs zustand angeordnet sind .

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist den Dichtungsring auf . Der Dichtungsring ist bevorzugt eingerichtet , eine Kühlluft und/oder eine Sperrluft in der Strömungsmaschine abzudichten . Bei der Strömungsmaschine kann es sich beispielsweise um eine Dampfturbine oder eine Gasturbine handeln . Der Dichtungsring kann einem Verdichterabschnitt der Gasturbine und/oder einem Turbinenabschnitt der Gasturbine angeordnet sein .

Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert . Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Aus führungs form des Dichtungsrings ,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Segments der ersten Aus führungs form,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Aus führungs form des Dichtungsrings ,

Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines ersten Segments der zweiten Aus führungs form,

Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Segments der zweiten Aus führungs form und Figur 6 die Dichtungsanordnung mit dem Dichtungsring im Längsschnitt mit Rotorscheibe , Abdeckring und Lauf schaufel .

Wie es aus Figuren 1 bis 6 ersichtlich ist , weist ein Dichtungsring 1 für eine Strömungsmaschine mindestens ein erstes Segment 2 und ein zweites Segment 3 auf . Das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 weisen j eweils ein erstes Längsende 4 bezüglich einer Umfangsrichtung 31 ( siehe Figur 1 ) des Dichtungsrings 1 und ein zweites Längsende 5 bezüglich der Umfangsrichtung 31 auf . Das erste Segment 2 weist in einem Bereich des ersten Längsendes 4 eine erste Aussparung 6 und einen ersten Vorsprung 8 mit einer die erste Aussparung 6 in der Umfangsrichtung 31 begrenzenden ersten Flanke 10 des ersten Vorsprungs 8 auf . Das zweite Segment 3 weist in einem Bereich des zweiten Längsendes 5 eine zweite Aussparung 7 und einen zweiten Vorsprung 9 mit einer die zweite Aussparung 7 in der Umfangsrichtung 31 begrenzenden ersten Flanke 13 des zweiten Vorsprungs 8 auf . Das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 weisen einen Kopplungs zustand auf , der in Figuren 1 und 3 dargestellt ist und in dem das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 in der Umfangsrichtung 31 relativ zueinander verlagerbar sind sowie der erste Vorsprung 8 in der zweiten Aussparung 7 angeordnet ist , der zweite Vorsprung 9 in der ersten Aussparung 6 angeordnet ist sowie die erste Flanke 10 des ersten Vorsprung 8 und die erste Flanke 13 des zweiten Vorsprungs 9 eingerichtet sind, bei einem ersten Verlagern des ersten Segments 2 weg von dem zweiten Segment 3 aneinander anzustoßen und somit das erste Verlagern zu begrenzen .

Der Bereich des ersten Längsendes 4 kann sich beispielsweise ausgehend von dem ersten Längsende 4 in der Umfangsrichtung 31 bis zu 50 % , insbesondere 25 % oder 15 % , einer Gesamtlänge des j eweiligen Segments 2 , 3 in der Umfangsrichtung 31 hin zu dem zweiten Längsende 5 des j eweiligen Segments 2 , 3 erstrecken . Die erste Aussparung 6 kann beispielsweise vollständig in dem Bereich des ersten Längsendes 4 angeordnet sein . Der Bereich des zweiten Längsendes 5 kann sich beispielsweise ausgehend von dem zweiten Längsende 5 in der Um- f angsrichtung 31 bis zu 50 % , insbesondere 25 % oder 15 % , einer Gesamtlänge des j eweiligen Segments 2 , 3 in der Umfangsrichtung 31 hin zu dem ersten Längsende 5 des j eweiligen Segments 2 , 3 erstrecken . Die zweite Aussparung 7 kann beispielsweise vollständig in dem Bereich des zweiten Längsendes 5 angeordnet sein .

Alle die Segmente 2 , 3 können j eweils in dem Bereich des ersten Längsendes 4 die erste Aussparung 6 und den ersten Vorsprung 8 mit der die erste Aussparung 6 begrenzenden ersten Flanke 10 des ersten Vorsprungs 8 aufweisen und können in dem Bereich des zweiten Längsendes 5 die zweite Aussparung 7 und den zweiten Vorsprung 9 mit der die zweite Aussparung 7 begrenzenden ersten Flanke 13 des zweiten Vorsprungs 8 aufweisen . Dabei kann der Dichtungsring 1 einen Zusammenbauzustand haben, in dem alle Paare von denj enigen Segmenten 2 , 3 , die in dem Dichtungsrichtung 1 benachbart angeordnet sind, in dem Kopplungs zustand angeordnet sind . Dabei können alle die Segmente 2 , 3 baugleich ausgeführt sein . Die in Figur 1 einzeichneten Umfangsrichtung 31 bezüglich des Dichtungsrings 1 , Radialrichtung 32 bezüglich des Dichtungsrings 1 und Axialrichtung 33 bezüglich des Dichtungsrings 1 können sich dabei auf den Dichtungsring 1 in dessen Zusammenbauzustand beziehen .

Figuren 1 und 3 zeigen, dass die erste Aussparung 6 in der Umfangsrichtung 31 länger als der zweite Vorsprung 9 in der Umfangsrichtung 31 sein kann und die zweite Aussparung 7 in der Umfangsrichtung 31 länger als der erste Vorsprung 8 in der Umfangsrichtung 31 sein kann . Insbesondere kann eine minimale Erstreckung der ersten Aussparung 6 in der Umfangsrichtung 31 länger als eine maximale Erstreckung des zweiten Vorsprungs 9 in der Umfangsrichtung sein und insbesondere kann eine minimale Erstreckung der zweiten Aussparung 7 in der Umfangsrichtung 31 länger als eine maximale Erstreckung des ersten Vorsprungs 8 in der Umfangsrichtung 31 sein . Wie es aus Figuren 1 und 3 ersichtlich ist , kann die erste Aussparung 6 eine Stirnfläche 16 ( siehe Figuren 2 und 4 ) der ersten Aussparung 6 aufweisen und der zweite Vorsprung 9 kann eine Stirnfläche 15 ( siehe Figur 5 ) des zweiten Vorsprungs 9 aufweisen, wobei die Stirnfläche 16 der ersten Aussparung 6 diese in der Axialrichtung 33 bezüglich des Dichtungsrings 1 begrenzt , die Stirnfläche 15 des zweiten Vorsprungs 9 diesen in der Axialrichtung 33 begrenzt , wobei in dem Kopplungs zustand die Stirnfläche 16 der ersten Aussparung 6 und die Stirnfläche 15 des zweiten Vorsprungs 9 einander zugewandt angeordnet sind und einen ersten Dichtspalt 25 begrenzen . Zudem kann die zweite Aussparung 7 eine Stirnfläche 17 ( siehe Figur 5 ) der zweiten Aussparung 7 aufweisen und der erste Vorsprung 8 kann eine Stirnfläche 12 ( siehe Figuren 2 und4 ) des ersten Vorsprungs 8 aufweisen, wobei die Stirnfläche 17 der zweiten Aussparung 7 diese in der Axialrichtung 33 bezüglich des Dichtungsrings 1 begrenzt , die Stirnfläche 12 des ersten Vorsprungs 8 diesen in der Axialrichtung 33 begrenzt , wobei in dem Kopplungs zustand die Stirnfläche 17 der zweiten Aussparung 7 und die Stirnfläche 12 des ersten Vorsprungs 8 einander zugewandt angeordnet sind und einen zweiten Dichtspalt 26 begrenzen .

Wie es aus Figuren 1 bis 5 ersichtlich ist , kann der Dichtungsring 1 ein T- förmiges Profil haben . Dazu können das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 einen ersten Überstand 20 aufweisen, der in der Radialrichtung 32 außen ( siehe die Figuren) oder in der Radialrichtung 32 innen an dem ersten Segment 2 und dem zweiten Segment 3 angeordnet ist und von dem verbliebenen Segment 2 , 3 in der Axialrichtung 33 vorsteht . Zudem können das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 einen zweiten Überstand 21 aufweisen, der in der Radialrichtung 32 außen ( siehe die Figuren) oder in der Radialrichtung 32 innen an dem ersten Segment 2 und dem zweiten Segment 3 angeordnet ist und von dem verbliebenen Segment 2 , 3 in der Axialrichtung 33 und an einer dem ersten Überstand 20 abgewandten Seite vorsteht . Figuren 1 bis 5 zeigen, dass das erste Segment 2 eine erste Aussparungs flanke 18 aufweisen kann, die die erste Aussparung 6 in der Umfangrichtung 31 begrenzt , und der zweite Vorsprung 9 eine zweite Flanke 14 des zweiten Vorsprungs 9 aufweisen kann, wobei in dem Kopplungs zustand die erste Aussparungsflanke 18 und die zweite Flanke 14 des zweiten Vorsprungs 9 eingerichtet sind, bei einem zweiten Verlagern des ersten Segments 2 hin zu dem zweiten Segment 3 aneinander anzustoßen und somit das zweite Verlagern zu begrenzen . Die erste Aussparungs flanke 18 kann der ersten Flanke 10 des ersten Vorsprungs 8 zugewandt angeordnet sein . Zudem kann das zweite Segment 3 eine zweite Aussparungs flanke 19 aufweisen, die die zweite Aussparung 7 in der Umfangrichtung 31 begrenzt und der ersten Flanke 13 des zweiten Vorsprungs 9 zugewandt angeordnet ist .

Figuren 1 und 2 zeigen, dass gemäß einer ersten Aus führungsform des Dichtungsrings 1 die zweite Flanke 14 des zweiten Vorsprungs 9 und das das zweite Längsende 5 zusammenfallen können .

Figur 5 zeigt , dass gemäß einer zweiten Aus führungs form des Dichtungsrings 1 das zweite Segment 2 eine Aussparungsradialbegrenzung 22 aufweisen kann, die die zweite Aussparung 7 in einer Radialrichtung 32 bezüglich des Dichtungsrings 1 begrenzt , wobei in dem Kopplungs zustand der erste Vorsprung 8 und die Aussparungsradialbegrenzung 22 einen dritten Dichtspalt begrenzen . Zudem kann gemäß der zweiten Aus führungs form ( siehe Figuren 3 bis 5 ) das zweite Segment 3 ein in Richtung von dem verbliebenen zweiten Segment 4 vorstehenden Umfangsvorsprung 24 aufweisen und das erste Segment 2 kann eine Aufnahme 23 aufweisen, in der in dem Kopplungs zustand der Umfangsvorsprung 24 angeordnet ist . Außerdem ist denkbar, dass der Umfangsvorsprung 24 in der Umfangsrichtung 31 fluchtend mit der Aussparungsradialbegrenzung 22 angeordnet ist , vergleiche Figur 5 . In der Figur 6 wird eine beispielhafte Aus führungs form für einen erfindungsgemäßen Rotor im Längsschnitt ski z ziert . Dargestellt ist hier nur ausschnittsweise der Bereich einer Dichtungsanordnung, wobei dem Fachmann die Gestaltung des Rotors wohl bekannt ist und keiner weiteren Erläuterung bedarf .

Zu erkennen ist abschnittsweise die Rotorscheibe 30 , welche 30 entlang ihres Umfangs verteilt eine Mehrzahl von Schaufelhaltenuten aufweist . In den Schaufelhaltenuten ist j eweils eine Lauf schaufel 37 mit einem Schaufel fuß 36 angeordnet . Die sodann strahlenartig angeordneten Lauf schaufeln bilden einen Schaufelkranz . An den Schaufel fuß 36 schließt sich, wie üblich, die Schaufelplattform 38 an, welche sich in Umfangsrichtung und axial erstreckt . Hierbei überragt die Schaufelplattform 38 mit einem Plattformüberstand 34 eine Stirnseite 39 der Rotorscheibe 30 und weist hierbei eine Unterseite 35 auf .

Stirnseitig benachbart zur Rotorscheibe 30 befindet sich ein Rotorbauteil 41 , welches 41 gemäß diesem Aus führungsbeispiels integral den Abdeckring 42 bildet , welcher 42 sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung und radial erstreckt . Abgesehen von thermischen und/oder fliehkraftbedingten Dehnungen treten zwischen der Rotorscheibe 30 und dem Rotorbauteil keine Relativverschiebungen oder gar Relativbewegungen auf . Sie sind - im Bezug zueinander - als statische Bauteile anzusehen, gleichwohl der Rotor in bekannter Manier insgesamt drehbar gelagert ist . Alternativ zur gezeigten, integralen Ausgestaltung kann der Abdeckring auch modular ausgestaltet sein und somit eine Viel zahl von entlang des Umfangs verteilten Dichtblechen umfassen, die an der Rotorscheibe 30 stirnseitig gehalten sind .

Der Abdeckring 42 weist eine sich radial auswärts öf fnende , in Umfangsrichtung erstreckende Aufnahmenut 43 auf . In dieser 43 ist der oben beschriebene , segmentierte Dichtungsring 1 gelagert . Zu erkennen ist das im Wesentlichen T- förmige Profil des Dichtungsringes 1 . Der Dichtungsring 1 umfasst einen Lagerungsabschnitt 11 ( Figur 2 ) , angeordnet in der Aufnahmenut 43 , sowie auf der radial auswärtsweisenden Seite einen Anlageabschnitt 38 auf . Der Anlageabschnitt 38 kommt zumindest bei Rotation des Rotors an der Unterseite 15 des Platt- formüberstands 14 zur Anlage und dichtet somit den bauartbedingten Radialspalt zwischen Unterseite 35 und Abdeckring 42 , um eine Strömung von Kühlluft oder Sperrluft durch den Radialspalt zu reduzieren bzw . gar zu vermeiden .