CH698801B1 - Dichtungsanordnung an einer Turbine. - Google Patents

Abstract

Die Turbine (10) besitzt einen Rotor (12), Schaufeln (14), die am Rotor radial befestigt und voneinander beabstandet sind, und ein stationäres Gehäuse (16), das radial aussen um den Rotor angeordnet ist; zwischen dem Gehäuse und den distalen Enden (14a, 14a´) der Schaufeln befindet sich ein ringförmiger Spalt; die Enden der Schaufeln sind mit einer abriebfähigen Dichtung (20) versehen und innerhalb des ringförmigen Spalts angeordnet, sodass während der unterschiedlichen Ausdehnung des Rotors und der Schaufeln im Verhältnis zum Gehäuse die Dichtung als Folge einer Berührung mit einer Basisdichtung im Statorgehäuse abgerieben wird. Dadurch wird der Abstand zwischen dem Statorgehäuse und den Schaufelenden minimiert.

Description

  [0001]    Der Wirkungsgrad von Gas- und Dampfturbinen hängt zum Teil vom radialen Abstand, d.h. dem Spalt zwischen den Enden der Rotorschaufeln und dem umgebenden Gehäuse ab. Wenn dieser Abstand zu gross ist, entweicht mehr Dampf oder Gas durch den Spalt zwischen den Rotorschaufelenden und dem umgebenden Gehäuse, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine vermindert wird. Ist der Abstand zu klein, können die Rotorschaufelenden bei bestimmten Betriebsbedingungen mit dem umgebenden Gehäuse kollidieren.

  

[0002]    Es ist bekannt, dass sich dieser Abstand beim Beschleunigen und Abbremsen des Rotors wegen der sich ändernden Zentrifugalkrafteinwirkungen auf die Schaufeln, wegen Vibration der Rotoren und wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Rotor und Stator verändert. Änderungen des Abstands können zu einem erheblichen Abrieb der rotierenden Schaufelenden am stationären Gehäuse führen, was wiederum zu einer Leistungsminderung führen kann.

  

[0003]    Abstandskontrolleinrichtungen, wie abriebfähige Dichtungen, wurden bereits vorgeschlagen, um die Rotor-Gehäuse-Abstandsänderungen auszugleichen, zum Beispiel in den US-Patenten 6 340 286 und 6 547 522 (General Electric Co.). Dies ermöglicht es, die in kaltem Zustand gemessenen Abstände zu verringern, was zur Steigerung der Leistung und/oder des Wirkungsgrads führt. Die abriebfähige Dichtung oder Beschichtung wird typisch auf den stationären Komponenten angebracht, wobei die Dichtungssegmente in den Rotoraufbau eingearbeitet oder verstemmt werden.

  

[0004]    Diese Lösungen des Problems bieten aber keine optimalen Mittel zur Abstandskontrolle dieser Abstände und es ist Aufgabe der Erfindung, eine bessere Lösung zu bieten, ohne neue Probleme zu verursachen.

  

[0005]    Diese Aufgabe wird gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung gelöst durch eine Dichtungsanordnung an einer Turbine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen der Dichtungsanordnung haben die in den Ansprüchen 2-6 angegebenen Merkmale.

  

[0006]    Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen von Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren zum Abdichten eines Spaltes zwischen Rotorschaufel und Stator mit den Merkmalen von Anspruch 8 und schliesslich auch durch eine Turbine mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10.

  

[0007]    Die Erfindung wird in bevorzugten Ausführungsformen anhand der nachfolgenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>die schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Ausführungsform;


  <tb>Fig. 2<sep>eine alternative erfindungsgemässe Ausführungsform;


  <tb>Fig. 3<sep>die schematische Darstellung eines Teils eines Schaufelkranzes entsprechend der Ausführungsform von Fig. 2; und die


  <tb>Fig. 4-6<sep>weitere alternative erfindungsgemässe Ausführungsformen.

  

[0008]    Nicht abschliessende Beispiele für Turbinen im Sinne der Erfindung sind Zentrifugalkompressoren, Generatoren, und Dampf- oder Gasturbinen. Fig.1zeigt einen Teil einer Turbine 10 mit einem Rotor 12, der um eine zentrale Längsachse A drehbar ist und eine ringförmige Aussenfläche 12a hat. Mehrere Schaufeln 14 sind starr auf der ringförmigen Aussenfläche 12a des Rotors 12 befestigt. Die Schaufeln 14 sind peripher voneinander beabstandet und erstrecken sich von der ringförmigen Aussenfläche 12a des Rotors 12 radial nach aussen zu den Enden 14a der Schaufeln 14. Die Enden 14a jeder Schaufel 14 können ein Tragflügelprofil haben.

   Ein äusseres Gehäuse 16 hat eine allgemein ringförmige und zylindrische Form und eine umlaufende Innenfläche 16a, die stationär peripher angeordnet und radial nach aussen vom Rotor 12 und den Schaufeln 14 beabstandet ist, um einen ringförmigen Spalt 18 zwischen der umlaufenden Innenfläche 16a des äusseren Gehäuses 16 und den Enden 14a der Rotorschaufeln 14 zu begrenzen. Der ringförmige Spalt 18 kann in der Praxis ein bestimmter Abstand im Bereich von etwa 0,250 mm bis etwa 2,05 mm sein, mit einer Toleranz zwischen etwa 0,0250 mm und 0,1 mm. Natürlich sind je nach den Gegebenheiten auch andere Abstände und Toleranzen möglich.

  

[0009]    Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Enden 14a der Schaufeln 14 mit abriebfähigen Dichtungen 20 aus einem relativ weichen Material ausgestattet. Die abriebfähige Dichtung 20 ist innerhalb des ringförmigen Spaltes 18 angeordnet, der von der umlaufenden Fläche 16a des Gehäuses 16 und den Enden 14a der Schaufeln 14, die mit dem Rotor 12 rotieren, begrenzt ist. Während der Phasen einer unterschiedlichen Ausdehnung des Rotors 12 und der Schaufeln 14 relativ zum Gehäuse 16 wird die Dichtung 20 als Folge der Berührung mit dem stationären Gehäuse 16 abgerieben. Der direkte Kontakt der beweglichen Schaufelenden 14a mit dem stationären Gehäuse 16 erzeugt einen örtlichen Hohlraum und der Abstand 18 zwischen dem stationären Gehäuse 16 und den beweglichen Schaufeln 14 wird dabei von den Dichtungen 20 kontrolliert.

  

[0010]    Die Dichtung 20 bildet mit einer Basisdichtung 22 eine Dichtungsanordnung 24. Die Basisdichtung befindet sich auf der Innenfläche 16a des Gehäuses 16. Die Basisdichtung 22 kann auf der Innenfläche 16a des Gehäuses 16 in irgendeiner bekannten geeigneten Weise, wie durch Klebstoffe, mechanische Befestigungen, oder dergleichen, positioniert werden. Das Gehäuse 16, welches einen Teil des Stators bildet, und der Rotor 12 sind so aufgebaut, dass die abriebfähige Dichtung 20 der Schaufel 14 es zulässt, dass die Basisdichtung 22 eine Kerbe in die abriebfähige Dichtung 20 schneidet, wenn es zwischen der Dichtung 20 und der Basisdichtung 22 bei Betrieb zu einem Kontakt kommt.

  

[0011]    Die Basisdichtung 22 kann als modulare austauschbare Einlage konstruiert sein, die selektiv innerhalb der inneren Oberfläche 16a des Gehäuses 16 eingesetzt werden kann. Die Basisdichtung 22 kann entweder eine schneidenförmige Dichtung oder ein Dichtungsstreifen oder eine Kombination von beidem sein.

  

[0012]    Die Dichtung 20 kann auch die Form einer abriebfähigen Beschichtung annehmen, mit der die Enden 14a jeder Schaufel 14, z.B. durch Aufsprühen, versehen werden. Jede Schaufel 14 hat einen proximalen Endbereich, der mit dem Rotor 12 verbunden ist, und einen distalen Endbereich, der das Schaufelende 14a bildet. Der distale Endbereich der Schaufel, d.h. das Schaufelende, trägt die abriebfähige Dichtung 20. Die abriebfähige Dichtung 20 kann eine separate Schicht sein, die z.B. mittels Klebstoff und/oder mechanischen Halterungen, usw. an den Schaufelenden 14a befestigt ist.

  

[0013]    Fig. 2 stellt eine andere erfindungsgemässe Ausführungsform dar. In Fig. 2 ist eine Mehrzahl von Schaufeln 14 am Rotor 12 angeordnet. Die proximalen Enden jeder Schaufel sind mit dem Rotor 12 verbunden. Das distale Ende 14 jeder Schaufel 14 ist mit einer Schaufelabdeckung 25 versehen bzw. verbunden. Schaufelabdeckungen sind den Fachleuten z.B. aus US 5 350 277 (General Electric Co.) bekannt. Die Schaufelabdeckung 25 besitzt eine abriebfähige Dichtung 20, die der Innenfläche 16a des Gehäuses 16 gegenüber angeordnet ist. Das Gehäuse 16 besitzt eine oder mehrere Basisdichtungen 22, beispielsweise in der Form einer Schneidendichtung. Die Basisdichtung 22 kann auch die Form einer bekannten Streifendichtung haben.

  

[0014]    In Fig. 2 hat die Schaufel auf der linken Seite eine Dichtung, die auf jeder horizontalen Fläche der Schaufelabdeckung, aber nicht auf den vertikalen Flächen, vorgesehen ist. Die Schaufel auf der rechten Seite enthält eine Dichtung 20, die sich dadurch etwas unterscheidet, dass die horizontalen und die vertikalen Flächen der Schaufelabdeckung von der Dichtung 20 überdeckt sind. Natürlich könnte die Schaufelabdeckung eine im Wesentlichen flache Oberfläche aufweisen, wie in Fig. 3 gezeigt, im Gegensatz zu der gestuften Schaufelabdeckungsanordnung, die in Fig. 2 dargestellt ist.

  

[0015]    Um das Auftragen der Sprühbeschichtung als abriebfähige Dichtung 20, 20 zu erleichtern, kann das Ende 14a jeder Schaufel 14 oder die Schaufelabdeckung 25 einen oder vorzugsweise wie in Fig. 3 gezeigt mehrere Zähne 26 besitzen. Fig. 3zeigt eine schematische Ansicht einer Mehrzahl von Schaufeln 14 und entsprechenden Schaufelabdeckungen 25. Die Bereitstellung von Zähnen 26 und/oder gekerbten/geritzten/aufgerauten Oberflächen kann die Adhäsion der Dichtung, z.B. abriebfähigen Beschichtungslage, an den Enden 14a oder den Schaufelabdeckungen 25 erleichtern.

   Wie bekannt, können die Schaufelabdeckungen 25 von benachbarten rundum angeordneten Schaufeln 14 ineinandergreifende und/oder einrastende Grenzflächen, wie ein Puzzle, haben, um dadurch eine integrale und/oder im Wesentlichen ununterbrochene stetige Oberfläche für eine bestimmte Anzahl Schaufeln zu bilden, wie schematisch in Fig. 3 dargestellt.

  

[0016]    Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist wie erwähnt ein Verfahren zum Abdichten der Grenze zwischen einem Schaufelende einer Rotorschaufel und einer Innenfläche des Statorgehäuses einer Turbine. Das Verfahren umfasst das Anbringen der Basisdichtung 22, 22, z.B. einer Schneidendichtung oder einer Streifendichtung, an der Innenfläche 16a, 16a des Statorgehäuses 16, 16 und Anordnung einer abriebfähigen Dichtung, z.B. 20 oder 20, am Ende der mindestens einen Schaufel, der Basisdichtung 22, 22 gegenüberliegend.

  

[0017]    Wenn die abriebfähige Dichtung auf der rotierenden Komponente angeordnet werden soll, z.B. wenn die Beschichtung auf die Schaufelenden oder Schaufelabdeckungen aufgetragen ist, kann die gewünschte Toleranz in die Komponente eingearbeitet und diese ausgewuchtet werden. Die Basisdichtung 22, 22 z.B. Schneiden- oder Streifendichtungen, kann in den stationären Komponenten angeordnet werden (z.B. dem Gehäuse 16). Die Toleranzen in kaltem Zustand können deshalb enger als üblich angesetzt werden, nämlich in den vorstehend vermerkten Bereichen. Wenn der rotierende Teil mit der Dichtung in Kontakt kommt, lässt es die abriebfähige Dichtung zu, dass die Basisdichtungen eine Kerbe in die rotierenden Komponenten schneiden, ohne dass dabei die Basisdichtung 22, 22 z.B. Schneiden- oder Streifendichtungen, beschädigt wird.

  

[0018]    Wie in Fig. 2 dargestellt, hat der Rotor 12 eine Aussenfläche 12a mit mehreren Kanälen 30 zur Aufnahme einer Reihe von Schaufeln 14. Die Basis 32 jeder der Schaufeln 14 in einer Reihe ist so beschaffen, dass sie vom Kanal 30 gleitend aufgenommen wird. Die Basis 32 enthält jedoch eine Schulter 34, die grösser ist als die Öffnung des Kanals 30, um dabei eine radiale Bewegung der Schaufeln 14 zu verhindern.

  

[0019]    Zwischen benachbarten Kanälen 30 befindet sich auf dem Rotor 12 eine Sammelhalterung 36. In Fig. 2umfasst die Sammelhalterung 36 eine Basisdichtung 38, z.B. mindestens eine und vorzugsweise mehrere Schneidendichtungen 40. Die Schneidendichtungen 40 bilden mit der Dichtung 42 eine Labyrinthdichtung, die sich auf dem distalen Ende 44 einer Leitschaufel 46 befindet, die im Statorgehäuse 16 verkeilt ist.

  

[0020]    Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemässen Dichtungsanordnung. Der Rotor 48 besitzt eine Sammelhalterung 50, die sich zwischen benachbarten Kanälen 52 zur Einpassung der Basisteile 54 der Schaufeln 56 befindet. Die Sammelhalterung 50 ist mit einer abriebfähigen, beispielsweise aufgesprühten, Dichtung 58 wie der vorstehend beschriebenen versehen, während das distale Ende 60 der Leitschaufel 62 eine Basisdichtung 64 aufweist, z.B. in Form von mehreren Schneidendichtungen 66.

  

[0021]    Fig. 5 zeigt einen Rotor 48 mit Schaufeln 56, die der Klarheit wegen weggelassen wurden. In diesem Beispiel ist die abriebfähige Dichtung 58 eingepasst oder auf die äussere Oberfläche des Rotors 48 gesprüht, sodass sie die verschiedenen Kerben und Hervorhebungen auf dem Rotor 48 überdeckt. Nur ein Teil des Rotors 48 ist mit der abriebfähigen Dichtung 58 versehen, wie mit der Klammer und den durchbrochenen Linien angedeutet. Eine kleinerer oder grössere Teil des oder der ganze Rotor kann mit der abriebfähigen Dichtung 58 versehen sein.

  

[0022]    Fig. 6 zeigt einen vergrösserten Querschnitt eines Teils der Schneidendichtungen 66 auf dem distalen Ende 60 der Leitschaufel 62 in Verhältnis zur abriebfähigen Dichtung 58, die sich auf dem Rotor 48 befindet.

  

[0023]    Durch Wegfall der Einarbeitung von Schneiden- oder Streifendichtungen in den Rotor ist der Rotor dauerhafter, und die Wahrscheinlichkeit, Reparaturen des Rotors an der Betriebsstätte durchführen zu müssen, wird kleiner. Dadurch wird es möglich, die Schneiden- oder Streifendichtungen in den stationären Komponenten zu platzieren, wo sie als austauschbare Einsätze eingebaut werden können. Dies vermindert die Gefahr von Nachbearbeitung oder von Verzögerungen während der Installation oder bei Reparaturen einer Turbinenanlage. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Abrieb während des Anlaufens zulässig ist und die Schneiden- oder Streifendichtungen in den stationären Komponenten liegen, wodurch der Nutzungsgrad der Turbine erheblich gesteigert wird.

   Ein möglicher weiterer Vorteil liegt darin, dass die fertigungs- oder montagebedingten Unterschiede des Spaltes in kaltem Zustand nicht zu entsprechenden Unterschieden der Betriebseigenschaften einer Baureihe führen, sondern durch das Einlaufen ausgeglichen werden.

Claims (10)

1. Dichtungsanordnung (24) an einer Turbine (10), die einen Rotor (12, 12) mit mindestens einer Schaufel (14, 14) und einen Stator besitzt, der teilweise ein Hauptgehäuse (16, 16) für den Rotor bildet, wobei die Dichtungsanordnung (24) umfasst:

eine Basisdichtung (22, 22), die zur Positionierung an der Innenfläche (16a, 16a) des Hauptgehäuses geeignet ist; und

eine abriebfähige Dichtung (20, 20), die zur Verwendung auf dem Ende (14a) der mindestens einen Schaufel (14, 14) befähigt ist, wobei die abriebfähige Dichtung (20, 20) der Basisdichtung (22, 22) gegenüberliegend positionierbar ist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Innenfläche (16a, 16a) des Hauptgehäuses (16, 16) in einem bestimmten Abstand von den Enden (14a, 14a) der Schaufeln (14, 14) innerhalb einer bestimmten Toleranz angeordnet ist, wobei der bestimmte Abstand zwischen etwa 0,250 mm und etwa 2,05 mm und die bestimmte Toleranz zwischen etwa 0,0250 mm und etwa 0,1 mm liegt.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die abriebfähige Dichtung (20, 20) der mindestens einen Schaufel so beschaffen ist, dass die Basisdichtung (22, 22) eine Kerbe in die abriebfähige Dichtung schneidet, wenn die abriebfähige Dichtung mit der Basisdichtung in Kontakt kommt.

4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Basisdichtung (22, 22) als modularer auswechselbarer Einsatz konstruiert ist, der selektiv innerhalb der inneren Oberfläche des Hauptgehäuses (16, 16) einsetzbar ist.

5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die abriebfähige Dichtung (20, 20) eine Beschichtung ist.

6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Basisdichtung (22, 22) mindestens eine Schneidendichtung oder ein Dichtungsstreifen ist.

7. Turbinenschaufel (14, 14, 56) mit einem Hauptkörper, der ein proximales und ein distales Ende hat, wobei das proximale Ende eine Befestigung aufweist, mit der es an einem rotierenden Antriebselement (12, 12, 48) befestigt ist, und das distale Ende einen Flügelteil besitzt, und eine abriebfähige Dichtung (20, 20), die sich am distalen Ende des Hauptkörpers befindet.

8. Verfahren zum Abdichten eines Spaltes zwischen dem Ende (14a, 14a) einer Rotorschaufel (14, 14, 56) und einer Innenfläche (16a, 16a) eines Statorgehäuses (16, 16) einer Turbine (10), wobei das Verfahren umfasst:

Positionierung einer Basisdichtung (22, 22) auf der Innenfläche des Statorgehäuses; und

Anbringung einer abriebfähigen Dichtung (20, 20) an dem Ende (14a, 14a) der mindestens einen Schaufel, das der Basisdichtung gegenüberliegt.

9. Turbine (10) mit einem Rotor (12, 12) mit mindestens einer Schaufel (14, 14, 56);

einem Stator, der ein Hauptgehäuse (16, 16) für den Rotor bildet; und

einer Dichtungsanordnung (24), die eine Basisdichtung (22, 22), welche zur Positionierung an der Innenfläche (16a, 16a) des Hauptgehäuses befähigt ist, und eine abriebfähige Dichtung (20, 20) besitzt, die zur Anbringung an einem Ende (14a, 14a) der mindestens einen Schaufel befähigt ist, wobei die abriebfähige Dichtung der Basisdichtung gegenüberstehend positionierbar ist.

10. Turbine (10) nach Anspruch 9, deren Rotor (48) eine Aussenfläche und mindestens eine Schaufel (56) besitzt, die sich von der Aussenfläche weg erstreckt, deren Stator mindestens eine Leitschaufel (62) aufweist und ein Hauptgehäuse für den Rotor bildet; und deren Dichtungsanordnung eine Basisdichtung (64), die zur Positionierung auf einem distalen Ende (60) der Leitschaufel befähigt ist, und eine abriebfähige Dichtung (58) besitzt, die zur Anbringung an der Aussenfläche des Rotors befähigt ist, wobei die abriebfähige Dichtung der Basisdichtung gegenüberliegend positionierbar ist.