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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Dichtungen oder
Dichtungsringe, die in rotierenden Maschinen, wie z.B. Turbinen,
verwendet werden und konkreter auf solche Dichtungen oder Packungsringe,
die dazu geeignet sind, in axialer Richtung eingestellt zu werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Rotierende
Maschinen, wie z.B. zur Energieerzeugung und für mechanische Antriebsanwendungen
verwendete Dampf- und Gasturbinen, sind im Allgemeinen große Maschinen
mit mehreren Turbinenstufen. Ein Hochdruckfluid strömt durch
diese Stufen und muss eine Reihe von aneinander angrenzenden stationären und
rotierenden Komponenten passieren. Zwischen den stationären und
den rotierenden Komponenten werden Dichtungen verwendet, um die
Fluidleckage zu kontrollieren.
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Konkreter
werden in Maschinen dieser Art typischerweise berührungslose
Dichtungsring-Labyrinthdichtungen verwendet. Diese Dichtungen sind dazu
ausgelegt, die Leckströmung
entlang des Rotors zu blockieren, ohne die Welle tatsächlich zu
berühren.
Solche Dichtungen enthalten in der konventionellen Weise eine Reihe
von (im Allgemeinen 5 oder 6) Packungs- oder Dichtungsringen, die
in ringförmigen
Nuten in dem Turbinengehäuse
angeordnet sind. Diese Ringe enthalten typischerweise eine Anzahl von
voneinander beabstandeten Zähnen,
die sich von dem Turbinengehäuse
radial zu der Oberfläche der
rotierenden Welle hin erstrecken. Der Betrag des Abstands bzw. Spiels
ist in hohem Maße
für die
Leckagerate bestimmend. Die Dichtungswirkung wird erreicht, indem
eine turbulente Strömung
eines Arbeitsmediums, z.B. Dampf, erzeugt wird, wenn dieses durch
die relativ engen Zwischenräume
innerhalb des Labyrinths hindurchtritt, die durch die Zähne der
Dichtungsfläche
und die gegenüberliegende Oberfläche der
rotierenden Komponente gebildet werden.
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Die
Wirksamkeit dieser Dichtungen ist ein Hauptfaktor bei der Bestimmung
der Effizienz der Turbine, weil eine Leckage von Dampf durch die Dichtungen
hindurch zu einem Verlust von Nutzarbeit leistender Energie führt. Um
die Effizienz zu maximieren, planen die Kunden bzw. Anwender häufig einen
Austausch der Dichtungsringe bei der routinemäßigen Wartung. Die Anwender
können
folglich einen vollständigen
Satz von Ersatzringen bereithalten, wenn sie eine Turbine zerlegen.
Diese Art der Wartung kann jedoch aufgrund von Schwingungen der
Welle und Verzerrungen der stationären Komponenten erschwert werden.
Diese Art von Bewegung oder Verzerrung kann zur Folge haben, dass
Ringe die rotierenden Komponenten berühren oder abreiben, was Schäden an den
Dichtungszähnen
hervorruft. Axiale Reibvorgänge
sind die am stärksten
beschädigenden
Reibvorgänge,
weil sie ein Verbiegen der Zähne
nach der Seite verursachen. Wenn ein Anwender eine Maschine öffnet und
einen Schaden durch einen axialen Reibvorgang vorfindet, kann der Anwender
die Dichtung nicht einfach durch ein identisches Element austauschen,
weil ein Austausch gegen das gleiche Element nur dazu führen würde, dass
die Zähne
wiederum beschädigt
würden.
Stattdessen kann der Anwender das alte Element wegwerfen und Austauschelemente
bestellen müssen. Der
sich ergebende Ausfall kann den Anwender folglich einen erheblichen
Betrag an zusätzlichen
Kosten und Verzögerungen
kosten.
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Es
sollte erkannt werden, dass die Turbinenentwickler bereits signifikante
Schritte zur Minimierung der Leckage und dadurch zur Verbesserung
der Leistungsfähigkeit
der Turbinen unternehmen. Die gegenwärtigen Dichtungen sind aus
Materialien hergestellt, die speziell zur Minimierung des durch
Reibung verursachten Schadens ausgewählt sind. Die Dichtungsgeometrie
ist mit dünnen
Zähnen
ausgeführt,
die in Reibungssituationen zu dem geringsten Ausmaß an Hitze
und Kraft führen.
Die Dichtungsringe können
auch dazu ausgelegt sein, es Reibungskräften zu erlauben, die Ringe
radial von der Welle wegzuschieben. Die Fähigkeit eines Dichtungsrings, in
der radialen Richtung eingestellt bzw. angepasst zu werden, kann
z.B. durch die Verwendung eines federgestützten Dichtungsrings erreicht
werden.
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Entwickler
unternehmen ebenfalls Schritte zur Minimierung des Schadens an Turbinendichtungen
während
der Übergangsperioden,
wenn die Turbine z.B. durch ihre kritischen Drehzahlen hindurch beschleunigt
oder abbremst oder sich thermisch anpasst. Diese Systeme ermöglichen
es, dass der radiale Abstand in Abhängigkeit von Änderungen
der Betriebsbedingungen der Turbine kontrolliert, eingestellt oder
verändert
wird.
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Einer
der Nachteile der bekannten Dichtungsringsysteme besteht darin,
dass diese Systeme gegenwärtig
nicht die Fähigkeit
zur Einstellung bzw. Anpassung der Dichtungsringe in der axialen
Richtung haben, während
die Position der Dichtung in der radialen Richtung eingestellt werden
kann. Wie zuvor erörtert
können
die axialen Reibungsvorgänge
die für die
Dichtungen am stärksten
beschädigend
wirkenden sein, weil sie zum Verbiegen der Zähne nach der Seite hin neigen.
Was erwünscht
sein kann, ist daher ein Turbinensystem, das es ermöglicht,
dass ein individueller Satz von Dichtungszähnen in der axialen Richtung
schnell eingestellt wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt demnach einen Dichtungsring für ein Turbinengehäuse. Der
Dichtungsring kann ein Dichtungselement bzw. einen Dichtungskranz
mit einer Anzahl von Zähnen auf
diesem, einen innerhalb der Dichtungskranzes angeordneten axialen
Schlitz, einen Kopfabschnitt zur Positionierung innerhalb des Turbinengehäuses und
ein Verbindungselement zum Befestigen des Dichtungskranzes durch
den axialen Schlitz hindurch an dem Kopfabschnitt enthalten.
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Der
Dichtungsring kann eine Anzahl von axialen Schlitzen und eine Anzahl
von Verbindungselementen enthalten. Das Verbindungselement kann eine
Schraube sein. Das Verbindungselement kann auch eine Klammer sein.
Der Dichtungskranz und der Kopfabschnitt können eine Anzahl von Nuten
aufweisen. Die Nuten des Dichtungskranzes können an den Nuten des Kopfabschnitts
ausgerichtet sein. Der Dichtungskranz kann bezogen auf den Kopfabschnitt eine
Anzahl von axialen Positionen annehmen bzw. aufweisen.
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt ferner einen Dichtungsring für ein Turbinengehäuse. Der
Dichtungsring kann einen Dichtungskranz mit einer Anzahl von Zähnen auf
diesem, einen innerhalb des Dichtungskranzes angeordneten axialen
Schlitz, einen Kopfabschnitt zur Positionierung innerhalb des Turbinengehäuses und
eine Schraube zur Befestigung des Dichtungskranzes durch den axialen Schlitz
hindurch an dem Kopfabschnitt enthalten. Der Dichtungskranz kann
bezogen auf den Kopfabschnitt eine Anzahl von axialen Positionen
aufweisen.
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Der
Dichtungsring kann eine Anzahl von axialen Schlitzen und eine Anzahl
von Verbindungselementen enthalten. Der Dichtungskranz und der Kopfabschnitt
können
eine Anzahl von Nuten aufweisen. Die Nuten des Dichtungskranzes
können
sich an den Nuten des Kopfabschnitts ausrichten.
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Verfahren zur Positionierung
eines Dichtungsrings, der einen Dichtungskranz und einen Kopfabschnitt
aufweist, axial bezogen auf eine Turbinenwelle. Das Verfahren kann
die Schritte des Ausrichtens des Dichtungskranzes entlang der Turbinenwelle,
des Befestigens des Dichtungskranzes an dem Kopfabschnitt und des
Drehens der Turbinenwelle in der Weise, dass der Dichtungskranz
die Turbinenwelle nicht berührt,
enthalten. Der Befestigungsschritt kann das Einsetzen einer Schraube
in bzw. durch den Dichtungskranz und den Kopfabschnitt und/oder
das Einsetzen einer Klammer in den Dichtungskranz und den Kopfabschnitt
enthalten.
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Diese
und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für einen
Fachmann aus einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsbeispiele
ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen und den
beigefügten
Ansprüchen
betrachtet werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Dichtungsringsegmentes, wie es hierin
beschrieben ist, das einer Welle benachbart angeordnet ist.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Dichtungsringsegmentes aus 1.
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3 zeigt
eine perspektivische Unteransicht des Dichtungsringsegmentes aus 1.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform,
die eine Klammerverbindung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Unter
Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in
den verschiedenen Ansichten die gleichen Elemente kennzeichnen:
Die 1–3 zeigen
einen Abschnitt einer rotierenden Maschine, z.B. einer Dampfturbine,
die allgemein mit 100 bezeichnet ist. Die Turbine 100 kann eine
rotierende Komponente enthalten, wie z.B. eine Turbinenwelle 110,
die in einer stationären
Komponente, wie z.B. einem Turbinengehäuse 120, angeordnet
ist.
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Die
Turbine 100 kann auch eine Anzahl von Dichtungsringen 130 enthalten.
Jeder Dichtungsring 130 kann eine Anzahl von Dichtungsringsegmenten 140 enthalten,
die einen Hoch- und einen Niederdruckbereich auf den gegenüberliegenden
Seiten des Rings 130 voneinander trennen, wobei der Hochdruckbereich
mit 150 und der Niederdruckbereich mit 160 gekennzeichnet
ist. Allgemein wirkt jedes Dichtungsringsegment 140 durch
die Anordnung einer relativ großen
Anzahl von partiellen Barrieren in dem Dampfstrom von dem Hochdruckbereich 150 zu
dem Niederdruckbereich 160. Jede Barriere zwingt den Dampf,
der parallel zu der Achse der Turbinenwelle 110 zu strömen versucht,
einem verschlungenen Pfad zu folgen, wodurch ein Druckabfall erzeugt
wird.
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Jedes
Dichtungsringsegment 140 enthält einen Dichtungskranz 170,
der einen oder mehrere Labyrinthdichtungszähne 180 aufweist,
die voneinander beabstandet sind und der Oberfläche der Turbinenwelle 110 gegenüberliegen.
Die Anzahl, die Größe und die
Form der Dichtungszähne 180 kann
verändert
werden, wie es erwünscht
ist. Jeder Dichtungskranz 170 kann auch eine An zahl von
Schlitzen 190 aufweisen, die in diesem angeordnet sind.
Die Schlitze 190 können
sich in der axialen Richtung erstrecken. Es kann jede beliebige
Anzahl von Schlitzen 190 darin verwendet werden.
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Jedes
Dichtungsringsegment 140 weist auch einen Kopfabschnitt 200 auf,
der mit dem Turbinengehäuse 120 zusammenpasst.
Der Kopfabschnitt 200 kann ein Paar von Flanschen 210 oder
andere Mittel aufweisen, um mit dem Turbinengehäuse 120 zusammenzuwirken.
Die Flansche 210 können
sich von einem Halsabschnitt 220 oder einer ähnlichen
Art von Struktur ausgehend erstrecken. Der Kopfabschnitt 200 kann
jede gewünschte
Größe oder
Form aufweisen.
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Die
stationäre
Komponente, z.B. das Turbinengehäuse 120,
weist allgemein eine schwalbenschwanzförmige ringförmige Nut 240 auf,
die in der stationären
Komponente angeordnet ist. Das Turbinengehäuse 120 kann auch
ein Paar von Flanschen 250 für einen Eingriff mit den Flansche 210 aufweisen,
um das Dichtungsringsegment 140 darin festzuhalten. Die
Flansche 250 erstrecken sich aufeinander zu und bilden
zwischen sich einen Schlitz 260.
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Um
es zu ermöglichen,
dass die Dichtungszähne 180 eingestellt
werden, verbindet die vorliegende Erfindung den Kopfabschnitt 200 unter
Verwendung von Verbindungselementen mit dem Dichtungskranz 170.
In diesem Falle können
Schrauben 270 verwendet werden. Jede beliebige gewünschte Art
von Verbindungsmitteln kann hierin benutzt werden. Die Schrauben 270 können jeweils
mit einer Öffnung 280 in
dem Kopfabschnitt 200 zusammenpassen. Die Schrauben 270 erstrecken
sich durch die Schlitze 190 in dem Dichtungskranz 170 hindurch und
in die Öffnung 280 des
Kopfabschnittes 200 hinein.
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Um
eine sehr genaue Bewegung des Dichtungskranzes 170 bezogen
auf den Kopfabschnitt 200 zu ermöglichen, ist eine Reihe von
schmalen Nuten oder Gewindegängen 300 in
die Außenoberfläche des
Dichtungskranzes 170 eingearbeitet, und eine Reihe von
schmalen Nuten oder Gewindegängen 310 ist
in die untere Oberfläche
des Kopfabschnittes 200 eingearbeitet. Die jeweiligen Nuten 300, 310 können aneinander
ausgerichtet sein. Die Nuten 300, 310 können auch
in der Form einer Gewindeeinrichtung vorliegen. Die Nuten 300, 310 sind im
Wesentlichen fein genug, um eine axiale Leckströmung durch sie hindurch zu
verhindern.
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Bei
der Benutzung kann der Dichtungskranz 170 an dem Kopfabschnitt 200 durch
die Schrauben 270 befestigt sein, die sich durch den Schlitz 190 hindurch
in die Öffnung 280 des
Kopfabschnittes 200 hinein erstrecken. Der Dichtungskranz 170 kann
bezogen auf den Kopfabschnitt 200 und die Turbinenwelle 110 aufgrund
der Länge
des Schlitzes 190 in axialer Richtung manövriert werden.
Wenn sich der Dichtungskranz 170 in der korrekten axialen
Stellung befindet, kann die Schraube 270 festgezogen werden. Die
jeweiligen Nuten 300, 310 helfen dabei, den Dichtungskranz 170 in
der gewünschten
Position zu halten. Die Nuten 300, 310 wirken
als eine Art von Zahnstangen- oder Feineinstellungsanordnung, um eine
sehr genaue Bewegung in der axialen Richtung zu ermöglichen.
Wenn die Nuten 300, 310 eine Gewindeeinrichtung
enthalten, kann die Ganghöhe
der Gewinde variiert werden, um das gewünschte Niveau an Genauigkeit
bezogen auf das Niveau der gewünschten
axialen Einstellung zu erreichen.
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Bis
zu dem Maße,
in dem die Position des Dichtungskranzes 170 angepasst
werden muss, können
die Schrauben 270 gelöst
und der Dichtungskranz 170 wiederum in geeigneter Weise über die Nuten 300, 310 wie
erwünscht
positioniert werden. Jede beliebige Position kann hierbei verwendet
werden.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Packungsringsegmentes 350. Das Packungsringsegment 350 weist
einen Dichtungskranz 170 und einen Kopfabschnitt 200 auf,
wie sie oben beschrieben worden sind. Statt der Verwendung der Schraube 270 oder
eines anderen Typs von Verbindungsmittel, der sich durch den Schlitz 190 des
Dichtungskranzes 170 und die Öffnung 280 des Kopfabschnitts 200 hindurch
erstreckt, oder zusätzlich
zu dieser weist dieses Ausführungsbeispiel
einen Dichtungskranzschlitz 360, der innerhalb des Dichtungskranzes 170 angeordnet
ist, und einen Kopfabschnittsschlitz 370 auf, der innerhalb
des Kopfabschnitts 200 angeordnet ist. Der Dichtungskranzschlitz 370 und
der Kopfabschnittsschlitz 200 können dann über eine Klammer 380 verbunden
werden, die sich in die Schlitze 360, 370 hinein
erstreckt. Die Klammer 380 kann größtenteils C-förmig sein
oder eine beliebige andere geeignete Form aufweisen. Die Schlitze 360, 370 können in
der axialen Richtung eine Länge
aufweisen, die geringfügig
größer als
die Länge
der Klammer 380 ist.
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Bei
der Benutzung sind der Dichtungskranz 170 und der Kopfabschnitt 200 über die
Nuten 300, 310 bezogen auf die Turbinenwelle 110 aneinander ausgerichtet,
wie es oben beschrieben worden ist. Die Klammer 380 kann
danach eingefügt
werden, um den Dichtungskranz 170 und den Kopfabschnitt 200 verbunden
zu halten. Wenn es erwünscht
ist, kann die Klammer 380 entfernt werden, um das Packungsringsegment 350 als
Ganzes neu auszurichten.
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Ein
Dichtungsring 130 für
ein Turbinengehäuse 120 wird
geschaffen. Der Dichtungsring 130 kann einen Dichtungskranz 170 mit
einer Anzahl von Zähnen 180 auf
demselben, einen in dem Dichtungskranz 170 angeordneten
axialen Schlitz 190, einen Kopfabschnitt 200 zur
Positionierung innerhalb des Turbinenge häuses 120 und ein Verbindungselement 270 zur
Befestigung des Dichtungskranzes 170 durch den axialen
Schlitz 190 hindurch an dem Kopfabschnitt 200 enthalten.
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Es
sollte deutlich werden, dass sich das Vorangegangene nur auf die
bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung bezieht und zahlreiche Änderungen
und Abwandlungen hieran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und
dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die folgenden
Ansprüche
und deren Äquivalente
definiert ist.
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- 100
- Turbine
- 110
- Turbinenwelle
- 120
- Turbinengehäuse
- 130
- Dichtungsring
- 140
- Dichtungsringsegment
- 150
- Hochdruckbereich
- 160
- Niederdruckbereich
- 170
- Dichtungskranz
- 180
- Dichtungszahn
- 190
- Schlitz
- 200
- Kopfabschnitt
- 210
- Flansch
- 220
- Halsabschnitt
- 240
- Nut
- 250
- Flansch
- 260
- Schlitz
- 270
- Schraube
- 280
- Öffnung
- 300
- Nut
- 310
- Nut
- 350
- Packungsringsegment
- 360
- Dichtungskranzschlitz
- 370
- Kopfabschnittschlitz
- 380
- Klammer