EP2957718A1 - Turbine - Google Patents

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Publication number
EP2957718A1
EP2957718A1 EP14172926.9A EP14172926A EP2957718A1 EP 2957718 A1 EP2957718 A1 EP 2957718A1 EP 14172926 A EP14172926 A EP 14172926A EP 2957718 A1 EP2957718 A1 EP 2957718A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
housing
shroud
labyrinth seal
sealing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14172926.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Nihal Kurt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP14172926.9A priority Critical patent/EP2957718A1/de
Publication of EP2957718A1 publication Critical patent/EP2957718A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding

Definitions

  • the invention relates to a turbine, comprising a blade row whose blades are connected to a shroud, and a housing enclosing the blade row, wherein between the shroud and the housing, a labyrinth seal is formed, the at least one arranged on the housing and on the shroud, at least over one Part of the circumference extending sealing rib comprises.
  • a turbine is a turbomachine in which a pressurized gas expands.
  • a hot and compressed gas is released, converting thermal energy into mechanical energy.
  • superheated steam generated here in a steam generator is used here, in the gas turbine, a hot gas (mixture of combustion gas and air).
  • the hot gas is produced by burning a gaseous or liquid fuel in a combustion chamber, which is further supplied compressed air from an upstream.
  • the energy obtained is used for example in power plants to drive a generator, wherein a part of the energy is provided in the gas turbine for driving the compressor.
  • the rotating rotor in the turbine with its blades moves relative to the housing enclosing the turbine, wherein between the rotor and the housing, a gap is provided, which is required for free mobility of the rotor. Through this gap always occurs a certain leakage flow, which reduces the efficiency of the turbine.
  • the labyrinth seals are often designed for a controlled brushing of the blade tips.
  • the potential Anstreif vom are honeycomb-like structure.
  • such a design of the rubbing surfaces means a particularly high technical complexity.
  • the invention is therefore based on the object to provide a turbine of the type mentioned, which achieves a particularly high efficiency with technically simple means.
  • This object is achieved according to the invention by having a surface of the labyrinth seal, which has a radial normal, a squint coating.
  • the invention is based on the consideration that the hitherto used honeycomb structures in the field of brushing are particularly complex and therefore expensive to produce and should therefore be replaced by simpler, more favorable structures.
  • the alternative structures should have similar properties, ie be suitable for the ambient conditions in the flow channel of a turbine and have the same abrasion properties, ie rub as lightly as possible on rubbing and thereby generate no residues damaging to the subsequent turbine stages. This is possible by means of a corresponding Anstreifbe harshung. This can be applied to the corresponding surfaces in a technically simple manner and has the desired properties.
  • the rubbing coating comprises an MCrAlY rubbing layer.
  • M may be cobalt (Co) or nickel (Ni) or a corresponding mixture.
  • Such coatings are particularly heat-resistant and are therefore also suitable for gas turbines.
  • Chromium (Cr) and aluminum (A1) form protective oxide layers, while yttrium (Y) promotes the formation of such layers.
  • Abst harshen can be applied in a simple manner by a variety of known processes.
  • the squigg coating comprises a ceramic stripping layer, in particular a zirconium oxide-based rubbing layer. Ceramics are also particularly heat resistant and have the porosity needed for a squish layer. In particular, zirconium (IV) oxide is very stable and has high resistance to chemical, thermal and mechanical influences.
  • the surface of the labyrinth seal, to which the squint coating is applied is arranged on the housing. This makes it possible, in particular, to retrofit the existing housing areas by replacing the corresponding housing walls or subsequent coating of the housing walls.
  • the sealing rib disposed on the shroud has radially on the surface, which is provided with the coating, d. H. the sealing rib touches the surface when radially expanded.
  • the sealing ribs on the housing and on the shroud are advantageously formed overlapping in the axial direction, ie when looking in the axial direction, the labyrinth seal is opaque. This is achieved by a correspondingly large extent of the sealing ribs in the direction of the respective opposite Component (shroud or housing) reached. The sealing ribs thus interlock (meshing).
  • the squint coating extends in the axial direction advantageously completely between the sealing ribs arranged on the housing. As a result, it is ensured even with a temperature-induced or actively induced axial displacement of the rotor that the sealing ribs of the shroud always strip on expansion on a coated surface.
  • the labyrinth seal advantageously has a circumferentially uniform longitudinal section. Due to the rotational or radial symmetry of the rotor, a correspondingly good seal is thus achieved along the entire circumference.
  • the sealing rib arranged on the housing is formed integrally with the housing. Accordingly, advantageously arranged on the shroud seal rib is formed integrally with the shroud. As a result, the production of the corresponding sealing ribs is simplified because they can be formed, for example, by casting or drawing directly with the corresponding components.
  • the turbine is advantageously designed as a gas turbine. Especially in gas turbines, the temperatures are particularly high, so that a thermal expansion of the turbine blades and other components is expected.
  • the use of an abradable coating in labyrinth seals is of particular advantage.
  • a power plant advantageously comprises such a turbine.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that the use of honeycomb surfaces is unnecessary by the application of an abradable coating between the sealing ribs of a labyrinth seal on a blade row with shroud and thus the sealing effort is significantly reduced while maintaining efficiency.
  • the costs are thereby reduced and the effort is also significantly reduced in the recycling of labyrinth seals.
  • the coatings also lead due to their easy abrasiveness to less damage to the sealing ribs of the shroud, so that the gap dimensions can be further reduced, which further increases the efficiency.
  • the coating does not have to be cooled, which further increases the technical complexity and the efficiency.
  • the in the FIG. 1 shown turbine is a gas turbine 100 and has inside a about an axis of rotation 102 (axial direction) rotatably mounted rotor 103, which is also referred to as a turbine runner. If the terms axial, radial, circumferential direction or comparable terms are used in the following or in the preceding text of the description, they always refer to the axis of rotation 102 of the gas turbine 100.
  • the rotor 103 successively follow an intake housing 104, a compressor 105, a toroidal combustion chamber 106, here an annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109.
  • the burner 107 each comprise a pilot burner not shown in detail, which serves to increase the flame stability, especially in the partial load range.
  • the vanes 130 are attached to the stator 143, whereas the blades 120 of a row 125 are mounted on the rotor 103 by means of a turbine disk 133.
  • the rotor blades 120 thus form components of the rotor or rotor 103.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or a working machine (not shown).
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then formed to form the working medium 113 in the combustion chamber 106 burned. From there, the working fluid 113 flows along the main flow passage 111 past the vanes 130 and the blades 120.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • temperatures prevail of up to 1500 degrees Celsius, as higher temperatures mean better efficiency.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 in particular the first turbine stage 112 seen in the direction of flow of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield bricks lining the annular combustion chamber 106.
  • the high loads make highly resilient materials necessary.
  • the turbine blades 120, 130 are therefore made of titanium alloys, nickel superalloy, or tungsten-molybdenum alloys.
  • the heat-shield coating is called Thermal Barrier Coating or TBC for short.
  • Other measures to make the blades more resistant to heat consist of sophisticated cooling duct systems. This technique is used in both the guide and rotor blades 120, 130.
  • Each vane 130 has, in addition to the actual airfoil, a vane foot, also referred to as a platform 144, facing the inner casing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane root.
  • the Leitschaufelkopf faces the rotor 103 and fixed to an inner ring 140 of the stator 143.
  • Each inner ring 140 encloses the shaft of the rotor 103.
  • each blade has such a blade root, but ends in a blade tip.
  • FIG. 2 3 shows a rotor blade 120 in the turbine 108 in a longitudinal section in the upper part of the gas turbine 100.
  • the gap 146 is formed between the blade 120 and the housing 138. In the FIG. 2 shown embodiment is conceivable in each blade row 125.
  • the leakage flow reduces the gas mass which flows through the rotor 103, so that the extracted work is less.
  • the flow caused by the gap 146 results in an impairment of the actual flow through the turbine 108, since it has different angles and different local velocities. This results in a mixture of the two streams and in a reduction of the aerodynamic efficiency.
  • the leakage flow also leads to a deterioration of the flow of a subsequent vane row 115.
  • the gap 146 is therefore provided with a labyrinth seal 148.
  • the blades 120 of the blade row 125 are connected to a shroud 150, which is annular along the entire circumference around the Blade 125 extends and connects the blade tips.
  • the shroud 150 also stabilizes the blade row 125 against vibration.
  • the labyrinth seal 148 and its components are described below with reference to their longitudinal section, which is consistent along the entire circumference.
  • On the shroud are two radially outwardly extending sealing ribs 152 are arranged, which taper slightly to the outside, but otherwise have a substantially rectangular longitudinal section.
  • On the housing 138 three equally spaced equally formed sealing ribs 154 are arranged, which extend radially inwardly correspondingly. However, they are radially shorter than the sealing ribs 152 on the shroud 150th
  • the sealing ribs 152 arranged on the shroud 150 are designed in one piece with the shroud 150.
  • the sealing ribs 154 arranged on the housing 138 are made in one piece with the component of the housing 138 arranged correspondingly there.
  • seal ribs 154 on housing 138 corresponds to the spacing of seal ribs 152 on shroud 152.
  • all seal ribs 152, 154 are equally spaced such that seal ribs 154 on housing 138 and seal ribs 152 on shroud 150 alternate. They are designed overlapping and thus interlock. This is achieved by placing the tips of the sealing ribs 152 of the shroud 150 as close as possible to the housing 138.
  • the sealing ribs 152 of the shroud 150 should be made to extend as close as possible to the housing 138.
  • the labyrinth seal 148 which extends between the sealing ribs 154 of the housing 138 and the sealing ribs 152 of the shroud 150 is disposed opposite, a along the entire circumference stretched coating 156 applied.
  • the squash coating 156 may include ceramic materials such as. As zirconium oxide or metallic coatings such. B. MCrAlY include. When touched by the sealing ribs 152 of the shroud 150, the abradable coating 156 is removed and there is no damage, nor is the gas turbine 100 braked by friction. As a result, the gap 146 can be minimized and the efficiency of the gas turbine 100 is optimized.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Eine 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, soll mit technisch einfachen Mitteln einen besonders hohen Wirkungsgrad erreichen. Dazu weist eine Oberfläche der Labyrinthdichtung (148), die eine radiale Normale aufweist, eine Anstreifbeschichtung (156) auf.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbine der eingangs genannten Art anzugeben, welche mit technisch einfachen Mitteln einen besonders hohen Wirkungsgrad erreicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Oberfläche der Labyrinthdichtung, die eine radiale Normale aufweist, eine Anstreifbeschichtung aufweist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine derartige Turbine.
  • 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.
  • 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.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (13)

  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.
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