DE102006046550A1

DE102006046550A1 - Labyrinthdichtung

Info

Publication number: DE102006046550A1
Application number: DE200610046550
Authority: DE
Inventors: Andrea Dr. De Simone; Igor Mihalic; Yuri Nicolaevich Dr. Lutsenko
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-04-19

Abstract

Eine Labyrinthdichtung (30) zur Abdichtung des ringförmigen Zwischenraums (11) zwischen dem Rotor (12) und dem Stator (10) einer rotierenden thermischen Maschine, insbesondere einer Dampf- oder Gasturbine, umfasst eine Mehrzahl von in axialer Richtung hintereinander angeordneten, am Stator (10) befestigten und in den Zwischenraum (11) hineinragenden Dichtungsstreifen (18), welche mit auf Lücke angeordneten rotorseitigen Dichtungselementen (19) dichtend zusammenwirken. DOLLAR A Bei einer solchen Dichtung wird eine verbesserte Lebensdauer dadurch erreicht, dass die rotorseitigen Dichtungselemente als ringförmige Ausformungen (19) des Rotors (12) ausgebildet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der rotierenden thermischen Maschinen. Sie betrifft eine Labyrinthdichtung zur Abdichtung des ringförmigen Zwischenraums zwischen dem Rotor und dem Stator einer rotierenden thermischen Maschine, insbesondere einer Dampf- oder Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein typisches bekanntes ineinandergreifendes Labyrinthdichtungssystem ist in der 1 in stark vereinfachter Form ausschnittweise wiedergegeben. Die dort dargestellte Labyrinthdichtung 24 dichtet den ringförmigen Zwischenraum 11 zwischen dem (inneren) Rotor 12 und dem ihn konzentrisch umgebenden Stator (10) gegen durchströmendes Gas ab. Die ineinandergreifende Labyrinthdichtung 24 umfasst sowohl am Stator 10 befestigte statorseitige Dichtungsstreifen 13, als auch am Rotor 12 befestigte rotorseitige Dichtungsstreifen 14, die auf Lücke angeordnet sind und radial in die Zwischenräume der jeweils gegenüberliegenden Dichtungsstreifen eingreifen.

Eine ineinandergreifende Labyrinthdichtung gemäss 1 bringt jedoch zwei Probleme mit sich:

– Wenn Dichtungsstreifen auf der Rotorseite mittels zahlreicher Nuten (15 in 1) in der Umfangsfläche 16 angebracht werden reduziert sich die Lebensdauer des Rotors 12 entsprechend.
– Die Möglichkeit, einzelne rotorseitige Dichtungsstreifen zu verlieren, führt zu einer deutlichen Reduzierung der Lebensdauer und Effektivität der Dichtung.

Bei grossen Gasturbinen gibt es mit dieser Art von Dichtungen ein zusätzliches Problem:

– Die grossen thermisch bedingten Verschiebungen von Rotor und Stator führen zu grossen Unterschieden im Spiel des Labyrinthdichtungssystems, so dass es notwendig sein kann, die Anforderungen an das Spiel nicht nur im eingeschwungenen Zustand zu erfüllen, sonder auch in Übergangsphasen.

Bei einer einseitigen Labyrinthdichtung 25, wie sie in 2 wiedergegeben ist, entfallen die rotorseitigen Dichtungsstreifen und damit auch die mit deren Befestigung verbundenen Lebensdauerprobleme. Auf der anderen Seite kann mit einer solchen einseitigen Labyrinthdichtung nicht die Dichtigkeit erreicht werden, wie sie mit einer ineinandergreifenden Labyrinthdichtung gemäss 1 möglich ist.

Eine weitere bekannte Art der ineinandergreifenden Labyrinthdichtung ist in 3 wiedergegeben. Bei der gestuften Labyrinthdichtung 26 stehen den statorseitigen Dichtungsstreifen 13 Stufen 17 im Aussendurchmesser des Rotors 12 gegenüber. Während bei vollständigen Ineinandergreifen der Labyrinthdichtung 24 aus 1 eine Beschränkung in der axialen Bewegung von Rotor und Stator relativ zueinander vorhanden ist, ergibt sich bei dem teilweisen Ineinandergreifen der Labyrinthdichtung 26 nach 3 keine Beschränkung bei der axialen Bewegung des Rotors in der Richtung, die durch den Pfeil angezeigt wird.

Es ist weiterhin aus der US-B1-6,394,459 eine Labyrinthdichtung für Dampfturbinen bekannt, bei der nur auf der Statorseite axial verteilt Dichtungszähne unterschiedlicher Länge vorgesehen sind, die mit im Durchmesser abgestuften Abschnitten des Rotors derart zusammenwirken, dass jedem Durchmesserabschnitt wenigstens ein Dichtungszahn gegenübersteht.

Aus der US-A-5,029,876 sind schliesslich verschiedene Konfigurationen von ineinandergreifenden Labyrinthdichtungen bekannt, bei denen zusätzlich der Rotor in Abschnitte mit abgestuftem Durchmesser unterteilt ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Labyrinthdichtung zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Labyrinthdichtungen vermeidet und sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass es die Dichtigkeit einen typischen doppelseitigen, ineinandergreifenden Labyrinthdichtungssystems erreicht, ohne jedoch die damit verbundene reduzierte Lebensdauer aufzuweisen.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Labyrinthdichtung ähnlich ineinandergreifend auszubilden, wie dies bei den herkömmlichen doppelseitigen Labyrinthdichtungen der Fall ist, jedoch anstelle der rotorseitigen, in den Rotor eingesetzten separaten Dichtungsstreifen nunmehr Dichtungselemente einzusetzen, die direkt am Rotor angeformt bzw. ausgeformt sind. Die strukturierte Umfangsfläche des Rotors ist somit nicht nur Träger, sondern bildet selbst einen Teil des Dichtungssystems.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen Labyrinthdichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausformungen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und sich in radialer Richtung in den Zwischenraum hinein erstrecken. Derartige Ausformungen lassen sich besonders einfach und günstig herstellen.

Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Labyrinthdichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Ausformungen jeweils in der Mitte zwischen zwei benachbarten Dichtungsstreifen angeordnet sind.

Besonders einfach wird die Dichtung, wenn die Ausformungen und die Dichtungsstreifen jeweils untereinander gleich ausgebildet sind und den gleichen Abstand aufweisen.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Dichtung ergeben sich, wenn gemäss einer Weiterbildung der Erfindung der Rotor zwischen benachbarten Ausformungen eine Zwischenkontur mit in axialer Richtung variierendem Durchmesser aufweist, und wenn die Variation des Aussendurchmessers in der Zwischenkontur derart ausgebildet ist, dass sich im Zusammenwirken mit dem jeweiligen Dichtungsstreifen des Stators eine Kompensation thermisch bedingter Verschiebungen zwischen Rotor und Stator ergibt. Hierdurch wird erreicht, dass direkt durch die Form des Rotors eine passive Kontrolle des Spiels ermöglicht wird.

Dabei ist es insbesondere denkbar, dass die Zwischenkontur im Bereich des zugehörigen Dichtungsstreifens einen konischen Abschnitt aufweist, der bei einer axialen Relativbewegung zwischen Rotor und Stator das Spiel in der Dichtung verändert.

Es ist aber auch denkbar, dass die Zwischenkontur im Bereich des zugehörigen Dichtungsstreifens eine Durchmesserstufe aufweist.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in einer vereinfachten Darstellung in einem Ausschnitt eine zweiseitige, ineinandergreifende Labyrinthdichtung mit statorseitigen und rotorseitigen eingesetzten Dichtungsstreifen;
2 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung eine herkömmliche einseitige Labyrinthdichtung mit unstrukturierter Rotorumfangsfläche;
3 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung eine herkömmliche abgestufte Labyrinthdichtung, bei der statorseitige Dichtungsstreifen mit rotorseitigen Durchmesserstufen zusammenwirken;
4 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Labyrinthdichtung nach der Erfindung mit rotorseitigen Ausformungen, die nach Art von Dichtungsstreifen mit den statorseitigen Dichtungsstreifen ineinandergreifend zusammenwirken;
5 in einer zu 4 vergleichbaren Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Labyrinthdichtung nach der Erfindung mit zwischen den rotorseitigen Ausformungen angeordneten Zwischenkonturen des Rotors, die eine Durchmesserstufe und einen konischen Abschnitt umfassen;
6 in einer zu 4 vergleichbaren Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer Labyrinthdichtung nach der Erfindung mit zwischen den rotorseitigen Ausformungen angeordneten Zwischenkonturen des Rotors, die eine Durchmesserstufe umfassen; und
7 in einer zu 4 vergleichbaren Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer Labyrinthdichtung nach der Erfindung mit zwischen den rotorseitigen Ausformungen angeordneten Zwischenkonturen des Rotors, die einen konischen Abschnitt umfassen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
4 zeigt in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Labyrinthdichtung nach der Erfindung mit rotorseitigen Ausformungen 19, die nach Art von Dichtungsstreifen mit den statorseitigen Dichtungsstreifen 13 ineinandergreifend zusammenwirken. Die Ausformungen 19 sind untereinander gleich und haben untereinander den gleichen axialen Abstand. Sie weisen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und erstrecken sich in radialer Richtung in den Zwischenraum 11 zwischen Rotor 12 und Stator 10. Die (axiale) Dicke der Ausformungen 19 ist deutlich grösser als die Dicke der Dichtungsstreifen 13. Die Ausformungen 19 liegen – im eingeschwungenen Zustand – in der Mitte zwischen benachbarten Dichtungsstreifen 13. Die Übergänge zwischen den Ausformungen 19 und der dazwischenliegenden Zwischenkontur 20 sind abgerundet, um Kerbwirkungen niedrig zu halten. Die Zwischenkonturen sind leicht konkav ausgebildet und haben ihren Tiefpunkt in der Mitte der Zwischenkontur 20. Durch die schwache Konturierung der Zwischenkonturen 20 ergibt sich eine vergleichsweise geringe Änderung des Spiels in der resultierenden Labyrinthdichtung 27, wenn sich Rotor 12 und Stator 10 in axialer Richtung relativ zueinander bewegen.
Diese Situation ist anders bei den Ausführungsbeispielen der 5–7. 5 zeigt in einer zu 4 vergleichbaren Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Labyrinthdichtung nach der Erfindung mit zwischen den rotorseitigen Ausformungen 19 angeordneten Zwischenkonturen 21 des Rotors 12, die erheblich stärker strukturiert sind und sowohl eine scharfe Durchmesserstufe 21a als auch einen konischen Abschnitt 21b umfassen, die durch ein Durchmesserplateau voneinander getrennt sind. Hierdurch lassen sich bei thermischer Ausdehnung gezielte Änderungen im Spiel der Labyrinthdichtung 28 erreichen.
Die Labyrinthdichtung 29 der 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Labyrinthdichtung nach der Erfindung. In diesem Fall hat die Zwischenkontur 22 ein ähnliches Grundmuster wie in 4, weist jedoch in der Mitte eine Durchmesserstufe 22a auf.
Bei der Labyrinthdichtung 30 gemäss dem Ausführungsbeispiel der 7 weisen die Zwischenkonturen 23 zwischen den Ausformungen 19 keine Durchmesserstufen auf, jedoch gibt es jeweils einen konischen Abschnitt 23a in einer Hälfte der Zwischenkontur 23, durch welchen das Spiel passiv kontrolliert werden kann.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Labyrinthdichtung für Gas- oder Dampfturbinen, die in der Dichtigkeit mit zweiseitigen, ineinandergreifenden Labyrinthdichtungen mit stator- und rotorseitigen Dichtungsstreifen konkurrieren können, ohne die verminderte Lebensdauer solcher Dichtungen aufzuweisen, und die auf einfache Weise eine passive Steuerung des Spiels ermöglicht.

10: Stator
11: Zwischenraum
12: Rotor
13, 18: Dichtungsstreifen (Stator)
14: Dichtungsstreifen (Rotor)
15: Nut
16: Umfangsfläche (Rotor)
17: Stufe (Rotor)
19: Ausformung (Rotor)
20, .., 23: Zwischenkontur
21a, 22a: Durchmesserstufe
21b, 23a: konischer Abschnitt
24, .., 26: Labyrinthdichtung
27, .., 30: Labyrinthdichtung

Claims

Labyrinthdichtung (27, .., 30) zur Abdichtung des ringförmigen Zwischenraums (11) zwischen dem Rotor (12) und dem Stator (10) einer rotierenden thermischen Maschine, insbesondere einer Dampf- oder Gasturbine, umfassend eine Mehrzahl von in axialer Richtung hintereinander angeordneten, am Stator (10) befestigten und in den Zwischenraum (11) hineinragenden Dichtungsstreifen (13, 18), welche mit auf Lücke angeordneten rotorseitigen Dichtungselementen (19) dichtend zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die rotorseitigen Dichtungselemente als ringförmige Ausformungen (19) des Rotors (12) ausgebildet sind.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen (19) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und sich in radialer Richtung in den Zwischenraum (11) hinein erstrecken.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Ausformungen (19) jeweils in der Mitte zwischen zwei benachbarten Dichtungsstreifen (13, 18) angeordnet sind.
Labyrinthdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen (19) und die Dichtungsstreifen (13, 18) jeweils untereinander gleich ausgebildet sind und den gleichen Abstand aufweisen.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) zwischen benachbarten Ausformungen (19) eine Zwischenkontur (21, 22, 23) mit in axialer Richtung variierendem Durchmesser aufweist, und dass die Variation des Aussendurchmessers in der Zwischenkontur (21, 22, 23) derart ausgebildet ist, dass sich im Zusammenwirken mit dem jeweiligen Dichtungsstreifen (13, 18) des Stators eine Kompensation thermisch bedingter Verschiebungen zwischen Rotor (12) und Stator (10) ergibt.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkontur (21, 23) im Bereich des zugehörigen Dichtungsstreifens (18) einen konischen Abschnitt (21b, 23a) aufweist.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkontur (21, 22) im Bereich des zugehörigen Dichtungsstreifens (18) eine Durchmesserstufe (21a, 22a) aufweist.