DE102010038019A1

DE102010038019A1 - Deckbandanordnung mit Sperrelement

Info

Publication number: DE102010038019A1
Application number: DE102010038019A
Authority: DE
Inventors: Gregory Thomas Foster; Andres Jose Garcia Crespo; Herbert Chidsey Roberts
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2011-04-14
Also published as: CH701953B1; US20110085899A1; CH701953A2; US8303245B2; JP2011080468A; CN102042045B; CN102042045A; JP5782242B2

Abstract

Es wird eine Deckbandanordnung einer Turbine (10) offengelegt, wobei die Deckbandanordnung ein Außendeckband, wenigstens ein an dem Außendeckband befestigtes hohles ringförmiges Innendeckband (104, 204) und wenigstens ein in dem Innendeckband (104, 204) eingeschlossenes Sperrelement (106) enthält. Das Sperrelement (106) verhindert, dass das heiße Gas oder Dampf in der Turbine (10) eine direkte Zugangslinie zu dem Außendeckband hat. In einer Ausführungsform ist ein Innendeckband (104, 204) für die Deckbandanordnung vorgesehen, wobei ein Sperrelement (106) in dem Innendeckband eingeschlossen ist und das Sperrelement (106) zu dem Innendeckband (104, 204) so versetzt positioniert ist, dass es sich über das Innendeckband (104, 204) hinaus und in ein Innendeckband (104, 204) einer benachbarten Deckbandanordnung erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Innendeckbänder (104, 204) vorgesehen, wovon jedes Innendeckband ein Sperrelement (106) einschließt, wobei die Sperrelemente (106) aneinander in den Innendeckbändern (104, 204) angrenzen und gegenüber den Innendeckbändern (104, 204) so versetzt positioniert sind, dass sie einen Spalt (205) zwischen den Innendeckbändern (104, 204) überdecken.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbinendeckbandanordnungen und insbesondere ein Sperrelement zur Verwendung in einer Turbinendeckbandanordnung.
Deckbänder werden in Turbinen und Triebwerken eingesetzt, um als eine Schnittstelle zwischen rotierenden Laufschaufeln und einer Gehäusestruktur zu dienen. Das Deckband stellt einen engen Spitzenabstand zu den Laufschaufeln bereit und stellt eine Halterung für die Leitschaufeln bereit. Typischerweise bestehen derartige Deckbänder aus einem Metallmaterial. Jedoch arbeiten Deckbänder von industriellen Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken in einer Hochtemperaturumgebung und benötigen daher eine Kühlung, um einen brauchbaren Lebensdauerzyklus zu erzielen. Eine Alternative zur Verwendung eines Metalldeckbandes mit Kühlluft ist die Verwendung eines Keramik-Matrix-Verbund-(CMC)-Materials für das Deckband, um somit die erforderliche Kühlung des Deckbandes aufgrund der überlegenen Temperaturbeständigkeit von CMC gegenüber Metall zu eliminieren. Das CMC-Deckband enthält typischerweise Dichtungen, um zu verhindern, dass die starke Hitze an dem dem Gas/Dampf-Pfad am nächsten liegenden Ende das dem Metallaußengehäuse am nächsten liegende Ende erreicht. Typischerweise muss die Dichtung zur effektiven Abdichtung der Deckbandendspalte gekühlt werden, um die Auslegungslebensdauer der Dichtung einzuhalten.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Es wird eine Turbinendeckbandanordnung offengelegt, wobei die Deckbandanordnung ein Außendeckband, wenigstens ein an dem Außendeckband befestigtes hohles ringförmiges Innendeckband und wenigstens ein in dem Innendeckband eingeschlossenes Sperrelement enthält. Das Sperrelement verhindert, dass das heiße Gas oder Dampf in der Turbine eine direkte Zugangslinie zu dem Außendeckband hat. In einer Ausführungsform ist ein Innendeckband für die Deckbandanordnung vorgesehen, wobei ein Sperrelement in dem Innendeckband eingeschlossen ist, und das Sperrelement zu dem Innendeckband so versetzt positioniert ist, dass es sich über das Innendeckband hinaus und in ein Innendeckband einer benachbarten Deckbandanordnung erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Innendeckbänder vorgesehen, wovon jedes Innendeckband ein Sperrelement einschließt, wobei die Sperrelemente aneinander in den Innendeckbändern angrenzen und gegenüber den Innendeckbändern so versetzt positioniert sind, dass sie einen Spalt zwischen den Innendeckbändern überdecken.
Ein erster Aspekt der Erfindung stellt eine Deckbandanordnung zur Verwendung in einer Turbine bereit, wobei die Deckbandanordnung aufweist: ein Außendeckband mit einer ersten Seite, die zur Verbindung mit einem Außengehäuse der Turbine konfiguriert ist, und mit einer zweiten Seite unmittelbar an einer Strömung eines Betriebsfluids der Turbine; ein Innendeckband, das zwischen der zweiten Seite des Außendeckbandes und der Betriebsfluidströmung der Turbine angeordnet ist; und ein in dem Innendeckband eingeschlossenes Sperrelement, wobei das Sperrelement zu dem Innendeckband versetzt angeordnet ist, sodass es sich über das Innendeckband hinaus und in ein Innendeckband einer benachbarten Deckbandanordnung erstreckt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt eine Deckbandanordnung zur Verwendung in einer Turbine bereit, wobei die Deckbandanordnung aufweist: Ein Außendeckband mit einer ersten Seite, die zur Verbindung mit einem Außengehäuse der Turbine konfiguriert ist, und mit einer zweiten Seite unmittelbar an einer Strömung eines Betriebsfluids der Turbine; wenigstens zwei aneinander angrenzende Deckbänder, die so positioniert sind, dass sie einen Ausdehnungsraum dazwischen definieren, wobei die wenigstens zwei Innendeckbänder zwischen der zweiten Seite des Außenbandes und der Betriebsfluidströmung der Turbine angeordnet sind; und wenigstens zwei in den Innendeckbändern eingeschlossene aneinander angrenzende Sperrelemente, wobei die Sperrelemente gegenüber den Innendeckbändern so versetzt angeordnet sind, das sie den Ausdehnungsraum zu überdecken.
Ein dritter Aspekt der Erfindung stellt eine Turbine bereit, die aufweist: Ein Außengehäuse; wenigstens eine rotierende Laufschaufel; und eine zwischen dem Außengehäuse der Turbine und der wenigstens einen rotierenden Laufschaufel positioniert Deckbandanordnung, wobei die Deckbandanordnung aufweist: Ein Außendeckband mit einer ersten Seite, die zur Verbindung mit einem Außengehäuse der Turbine konfiguriert ist, und mit einer zweiten Seite, die für eine Schnittstelle mit der wenigstens einen rotierenden Laufschaufel unmittelbar an einer Strömung eines Betriebsfluids der Turbine konfiguriert ist; wenigstens ein Innendeckband, das zwischen der zweiten Seite des Außendeckbandes und der Betriebsfluidströmung der Turbine angeordnet ist; und wenigstens ein in dem Innendeckband eingeschlossenes Sperrelement, wobei das Sperrelement zu dem Innendeckband versetzt angeordnet ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht einer Deckbandanordnung in einer Turbine gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
2 ist eine isometrische Ansicht einer Turbinendeckbandanordnung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
3 und 4 sind isometrische Ansichten einer Turbinendeckbandanordnung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
5 ist eine isometrische Ansicht einer Turbinendeckbandanordnung und einer benachbarten Turbinendeckbandanordnung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
6 ist eine Unterseitenansicht einer Turbinendeckbandanordnung mit gestrichelt dargestellten Sperrelementen gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
7 ist eine isometrische Ansicht eines Sperrelementes zur Verwendung in einer Turbinendeckbandanordnung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen nicht maßstäblich sind. Die Zeichnungen sollen nur typische Aspekte der Erfindung darstellen und dürfen daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung betrachtet werden. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Zeichnungen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In den Figuren stellt 1 eine Turbinendeckbandanordnung 100 in einer (teilweise in 1 dargestellten) Turbine 10 gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung dar. Die Turbine 10 enthält wenigstens eine rotierende Laufschaufel 12 und ein Außengehäuse 14. Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung ist wenigstens eine Deckbandanordnung 100 zwischen der rotierenden Laufschaufel 12 und dem Außengehäuse 14 angeordnet. Wie ebenfalls im Fachgebiet bekannt, strömt ein Betriebsfluid (z. B. Verbrennungsgas oder Dampf) durch die Turbine und trifft auf die rotierenden Laufschaufeln 12 auf. Es sei auch angemerkt, dass, wie der Fachmann weiß, die Turbine 10 jede Art von Turbine, wie z. B. eine Dampfturbine, Gasturbine, kombinierte Gas- und Dampfturbine, LP-Turbine, IP-Turbine, einflutige Dampfturbine, Kombinationszyklusturbine, Gegenstromturbine und/oder HP-Turbine sein kann.
Eine Deckbandanordnung 100 gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung ist in 2 dargestellt. Die Turbinendeckbandanordnung 100 enthält ein Außendeckband 102 mit einer ersten Seite 101, die zur Verbindung mit einem Außengehäuse 14 der Turbine 10 konfiguriert ist. Das Außendeckband 102 enthält ferner eine zweite Seite 103, welche sich unmittelbar an der rotierenden Laufschaufel 12 und daher an dem Betriebsfluidpfad der Turbine befindet. Wie hierin erläutert, muss bei Anwendung von Ausführungsformen dieser Erfindung das Außendeckband 102 nicht aus einem hoch wärmebeständigen Material bestehen und jedes beliebige gewünschte Material, wie z. B. Metall, kann verwendet werden.
Wie es ebenfalls in 2 und detaillierter in 3 dargestellt ist, enthält die Turbinendeckbandanordnung 100 ferner wenigstens ein Innendeckband 104, welches an der zweiten Seite 103 des Außendeckbandes 102 zwischen dem Außendeckband 102 und dem Betriebsfluidpfad der Turbine 10 befestigt ist. Aufgrund der Nähe zu dem Betriebsfluidpfad sind die Innendeckbänder 104 hohen Temperaturen ausgesetzt. Somit können in einer in 4 dargestellten weiteren Ausführungsform mehrere Innendeckbänder 104 (z. B. zwei Innendeckbänder 104 gemäß Darstellung in 4) bereitgestellt werden, die aneinander angrenzen, wobei ein Ausdehnungsraum 105 zwischen diesen vorliegt, um eine Ausdehnung aufgrund der von dem Verbrennungsgas oder Dampfpfad der Turbine 10 emittierten starken Hitze zu ermöglichen. Die Innendeckbänder 104 können eine hohle rohrartige Form oder jede andere geeignete Form oder Konsistenz haben. Zusätzlich können die Innendeckbänder aus einem Keramik-Matrix-Verbundmaterial (CMC) oder jedem anderen geeigneten Material bestehen, das den hohen Temperaturen widerstehen kann, wie z. B. aus einem Keramikmaterial, einer monolithischen Keramik, einer Turbinen-Superlegierung (wie z. B. einer Ni-Superlegierung).
Unabhängig davon, wie viele Innendeckbänder 104 vorgesehen sind, schließt jedes Innendeckband 104 wenigstens ein Sperrelement 106 ein. Beispielsweise schließen in der in 4 dargestellten Ausführungsform zwei Innendeckbänder 104 zwei Sperrelemente 106 ein, und Sperrelemente 106 sind aneinander angrenzend in den Innendeckbändern 104 positioniert. In 3 schließt ein Innendeckband 104 ein Sperrelement 106 ein.
Die Sperrelemente 106 können eine Hohl- oder Vollrohrform haben oder jede beliebige andere gewünschte Form, die für einen Sitz in den Innendeckbändern 104 konfiguriert ist. Um am besten die Wärme daran zu hindern, das Außendeckband 102 zu erreichen, sind die Sperrelemente 106 oder wenigstens ein Abschnitt der Sperrelemente 106, der sich unmittelbar an der zweiten Seite 103 des Außendeckbandes 102 befindet, bevorzugt undurchlässig und nicht porös, d. h., ohne Löcher, die es einem heißen Betriebsfluid ermöglichen könnten, durch die Sperrelemente 106 hindurchzutreten.
Die Sperrelemente 106 sind in den Innendeckbändern 104 so positioniert, dass alle Spalte zwischen den Innendeckbändern 104 abgedeckt werden. Beispielsweise ist gemäß Darstellung in 6 ein Sperrelement 106 so versetzt, dass es sich über das Innendeckband 104 hinaus und in ein Innendeckband 204 einer angrenzenden benachbarten Deckbandanordnung 200 erstreckt. Daher ist das Sperrelement 106 so positioniert, dass es einen Spalt 205 zwischen dem Innendeckband 104 und einem angrenzenden Innendeckband 204 überdeckt. Obwohl diese Erstreckung des Sperrelementes 106 in ein benachbartes Innendeckband 104 in 5 als eine Ausführungsform mit nur einem Innendeckband 104 dargestellt ist, dürfte es sich verstehen, dass eine ähnliche Anordnung für eine Ausführungsform mit mehreren Innendeckbändern 104 möglich wäre. Beispielsweise könnte sich, wenn mehrere Innendeckbänder 104 (und daher mehrere Sperrelemente 106) vorgesehen wären, ein Sperrelement 106, das sich unmittelbar an einem Ende eines Innendeckbandes 104 befindet, in ein benachbartes Innendeckband 204 erstrecken. Wie in den 4 und 6 dargestellt, können, wenn mehrere Sperrelemente 106 in mehreren Innendeckbändern 104 vorgesehen sind, die Sperrelemente 106 versetzt zu Innendeckbändern 104 positioniert sein, sodass sie einen (am besten durch gestrichelte Linien in 4 und 6 dargestellten) Ausdehnungsraum 105 zwischen Innendeckbändern 104 überdecken.
Somit verhindern die Sperrelemente 106, dass heißes Betriebsfluid eine direkte Zugangslinie zu dem Außendeckband 102 hat, und erzeugen vom dem Betriebsfluidpfad zu dem Außendeckband 102 hin einen gewundenen Pfad. Auf diese Weise erreicht weniger heißes Betriebsfluid das Außendeckband 102, was die Verwendung von herkömmlichen metallischen Dichtungen und Komponenten in dem Außendeckband 102 ermöglicht. Zusätzlich dichtet die Anordnung von Sperrelementen 106 gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung effektiv Ausdehnungsräume 105 in den Innendeckbändern 104 und Spalten 205 zwischen den Innendeckbändern benachbarter Anordnungen ohne eine zusätzliche Kühlung ab, und ermöglicht somit, dass die Sperrelemente 106 die gleiche oder ähnliche Fähigkeit wie die Innendeckbänder 104 haben, was die Notwendigkeit einer zusätzlichen Kühlung für die Sperrelemente 106 eliminiert, wie sie erforderlich wäre, wenn herkömmliche Metalldichtungen oder komplexe Anordnungen eingesetzt werden würden.
Die Sperrelemente 106 können jedes geeignete Material, wie z. B. ein Keramikmaterial, ein CMC-Material, eine monolithische Keramik, eine Turbinensuperlegierung (wie z. B. eine Ni-Superlegierung) usw. aufweisen. Um den Einbau zu erleichtern, können die Sperrelemente 106 wenigstens eine gefaste Kante 108, 110 haben, wie es am besten in 7 dargestellt ist. Zusätzlich können, wie es ebenfalls am besten in 2 dargestellt ist, die Innendeckbänder 104 ebenfalls wenigstens eine gefaste Kante 107 enthalten. Die Sperrelemente 106 müssen nicht mit den Innendeckbändern 104 verbunden sein; jedoch können in einer Ausführungsform die Sperrelemente 106 mechanisch an den Innendeckbändern 104 befestigt sein.
Die Begriffe ”erster”, ”zweiter” und dergleichen bezeichnen in dieser Anmeldung keine Reihenfolge, Quantität oder Wichtigkeit, sondern werden lediglich zur Unterscheidung eines Elementes von einem anderen genutzt, und die Begriffe ”ein” und ”einer” bezeichnen hierin keine Einschränkung der Quantität, sondern bezeichnen lediglich das Vorliegen wenigstens eines von den bezeichneten Elementen. Die hierin in Verbindung mit einer Quantität benutzte Modifizierung ”etwa” schließt den genanten Wert mit ein und hat die von dem Kontext vorgegebene Bedeutung (schließt beispielweise den einer Messung der speziellen Quantität zugeordneten Fehlergrad).
Obwohl verschiedene exemplarische Ausführungsformen hierin beschrieben sind, dürfte es aus der Beschreibung ersichtlich sein, dass verschiedene Kombinationen von Elementen, Variationen oder Verbesserung vom Fachmann vorgenommen werden können und innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder Material an die Lehren der Offenlegung ohne Abweichung von deren wesentlichem Schutzumfang anzupassen. Daher soll diese Offenlegung nicht auf die als beste Ausführungsart für die Ausführung dieser Offenlegung in Betracht gezogene spezielle Ausführungsform beschränkt sein, sondern soll alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Es wird eine Deckbandanordnung einer Turbine (10) offengelegt, wobei die Deckbandanordnung ein Außendeckband, wenigstens ein an dem Außendeckband befestigtes hohles ringförmiges Innendeckband (104, 204) und wenigstens ein in dem Innendeckband (104, 204) eingeschlossenes Sperrelement (106) enthält. Das Sperrelement (106) verhindert, dass das heiße Gas oder Dampf in der Turbine (10) eine direkte Zugangslinie zu dem Außendeckband hat. In einer Ausführungsform ist ein Innendeckband (104, 204) für die Deckbandanordnung vorgesehen, wobei ein Sperrelement (106) in dem Innendeckband eingeschlossen ist und das Sperrelement (106) zu dem Innendeckband (104, 204) so versetzt positioniert ist, dass es sich über das Innendeckband (104, 204) hinaus und in ein Innendeckband (104, 204) einer benachbarten Deckbandanordnung erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Innendeckbänder (104, 204) vorgesehen, wovon jedes Innendeckband ein Sperrelement (106) einschließt, wobei die Sperrelemente (106) aneinander in den Innendeckbändern (104, 204) angrenzen und gegenüber den Innendeckbändern (104, 204) so versetzt positioniert sind, dass sie einen Spalt (205) zwischen den Innendeckbändern (104, 204) überdecken.
Bezugszeichenliste

10: Turbine
12: rotierende Laufschaufel
14: Außengehäuse
100, 200: Deckbandanordnung
102: Außendeckband
101: erste Seite
103: zweite Seite
104, 204: Innendeckband
105: Raum
106: Sperrelement
107, 108, 110: gefaste Kante
205: Spalt

Claims

Deckbandanordnung zur Verwendung in einer Turbine (10), wobei die Deckbandanordnung aufweist: ein Außendeckband (102) mit einer ersten Seite (101), die zur Verbindung mit einem Außengehäuse (14) der Turbine (10) konfiguriert ist, und einer zweiten Seite (103) unmittelbar an einer Strömung eines Betriebsfluids der Turbine (10); ein Innendeckband (104, 204), das zwischen der zweiten Seite (103) des Außendeckbandes (102) und der Betriebsfluidströmung der Turbine (10) positioniert ist; und ein Sperrelement (106), das in dem Innendeckband (104, 204) eingeschlossen ist, wobei das Sperrelement (106) zu dem Innendeckband (104, 204) versetzt positioniert ist, sodass es sich über das Innendeckband (104, 204) hinaus und in ein Innendeckband (104, 204) einer benachbarten Deckbandanordnung (100, 200) erstreckt.
Deckbandanordnung nach Anspruch 1, wobei das Innendeckband (104, 204) eine hohle Rohrform aufweist.
Deckbandanordnung nach Anspruch 1, wobei das Innendeckband (104, 204) aus einem Keramikmaterial, einem Keramik-Matrix-Verbundmaterial, einer monolithischen Keramik oder einer Ni-Superlegierung besteht.
Deckbandanordnung nach Anspruch 1, wobei das Sperrelement (106) wenigstens eine gefaste Kante (107, 108, 110) hat.
Deckbandanordnung nach Anspruch 1, wobei das Innendeckband (104, 204) wenigstens eine gefaste Kante (107, 108, 110) hat.
Deckbandanordnung nach Anspruch 1, wobei das Sperrelement (106) aus einem Keramikmaterial, einem Keramik-Matrix-Verbundmaterial, einer monolithischen Keramik oder einer Ni-Superlegierung besteht.
Deckbandanordnung zur Verwendung in einer Turbine (10), wobei die Deckbandanordnung aufweist: ein Außendeckband mit einer ersten Seite (101), die zur Verbindung mit einem Außengehäuse (14) der Turbine (10) konfiguriert ist, und einer zweiten Seite (103) unmittelbar an einer Strömung eines Betriebsfluids der Turbine (10); wenigstens zwei aneinander angrenzende Innendeckbänder (104, 204), die so positioniert sind, dass sie einen Ausdehnungsraum (105) zwischen einander erzeugen, wobei die wenigstens zwei Innendeckbänder (104, 204) zwischen der zweiten Seite (103) des Außendeckbandes und der Betriebsfluidströmung der Turbine (10) positioniert sind; und wenigstens zwei aneinander angrenzende Sperrelemente (106), die in den Innendeckbändern (104, 204) eingeschlossen sind, wobei die wenigstens zwei Sperrelemente (106) zu den wenigstens zwei Innendeckbändern (104, 204) so versetzt positioniert sind, dass sie den Ausdehnungsraum (105) abdecken.
Deckbandanordnung nach Anspruch 7, wobei die wenigstens zwei Sperrelemente (106) so positioniert sind, dass sich ein Ende von wenigstens einem Sperrelement (106) über ein Ende des Innendeckbandes (104, 204) hinaus erstreckt, das das wenigstens eine Sperrelement (106) einschließt.
Deckbandanordnung nach Anspruch 8, wobei sich das Ende des wenigstens einen Sperrelementes (106), das sich über das Innendeckband (104, 204) hinaus erstreckt, in ein Innendeckband (104, 204) einer benachbarten Deckbandanordnung erstreckt.
Turbine (10), aufweisend: ein Außengehäuse; wenigstens eine rotierende Laufschaufel (12); und eine zwischen dem Außengehäuse (14) der Turbine (10) und der wenigstens einen rotierenden Laufschaufel (12) angeordnete Deckbandanordnung, wobei die Deckbandanordnung aufweist: ein Außendeckband mit einer ersten Seite (101), die zur Verbindung mit einem Außengehäuse der Turbine konfiguriert ist, und mit einer zweiten Seite (103), die für eine Schnittstelle mit der wenigstens einen rotierenden Laufschaufel (12) unmittelbar an einer Strömung eines Betriebsfluids der Turbine (10) konfiguriert ist; wenigstens ein Innendeckband (104, 204), das zwischen der zweiten Seite (103) des Außendeckbandes und der Betriebsfluidströmung der Turbine (10) positioniert ist; und wenigstens ein Sperrelement (106), das in dem wenigstens einen Innendeckband (104, 204) eingeschlossen ist, wobei das wenigstens eine Sperrelement (106) zu dem wenigstens einen Innendeckband (104, 204) versetzt positioniert ist.