DE102007004743A1

DE102007004743A1 - Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102007004743A1
Application number: DE200710004743
Authority: DE
Inventors: Alexander Böck
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine nicht-hermetische Dichtung eines Spalts zwischen einem Stator und einem Rotor einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem rotorseitigen Dichtkörper (12) und mindestens einem statorseitigen Dichtkörper (11). Erfindungsgemäß weist der statorseitige Dichtkörper (11) benachbart zu dem oder jedem rotorseitigen Dichtkörper (12) eine in Radialrichtung abgestufte Kontur auf und definiert mit dem jeweiligen rotorseitigen Dichtkörper (12) einen Durchströmungsraum (14), wobei sowohl der jeweilige rotorseitige Dichtkörper (12) als auch der statorseitige Dichtkörper (11) über den Umfang derselben verteilt mehrere schaufelartige Vorsprünge (15, 16) aufweisen, die in den Durchströmungsraum (14) hineinragen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2004 034 312 A1 sowie der DE 10 2005 002 270 A1 sind jeweils Dichtungsanordnungen für eine nicht-hermetische Abdichtung eines Spalts zwischen einem Rotor und einem Stator einer Turbomaschine bekannt. Die dort offenbarten Dichtungsanordnungen verfügen über jeweils mindestens einen rotorseitigen, schneidenartigen Dichtkörper, der gegen einen statorseitigen Dichtkörper läuft. Die rotorseitigen Dichtkörper werden auch als Dichtfins oder Dichtlippen bezeichnet. Die statorseitigen Dichtkörper können z. B. als Wabendichtungskörper oder als Verschleißkörper aus einer porösen Werkstoffschicht ausgebildet sein. Derartige Dichtungsanordnungen werden auch als Labyrinthdichtungen bezeichnet.
Obwohl mit solchen Dichtungsanordnungen bereits eine gute Abdichtung eines Spalts zwischen einem Rotor und einem Stator einer Turbomaschine realisierbar ist, verfügen solche Dichtungsanordnungen dennoch über eine Leckageströmung, welche den Wirkungsgrad der Turbomaschine negativ beeinträchtigt. Es besteht daher ein Bedarf an Dichtungsanordnungen mit geringeren Leckageströmungen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Dichtungsanordnung zu schaffen. Dieses Problem wird durch eine Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist der statorseitige Dichtkörper benachbart zu dem oder jedem rotorseitigen Dichtkörper eine in Radialrichtung abgestufte Kontur auf und definiert mit dem jeweiligen rotorseitigen Dichtkörper einen Durchströmungsraum, wobei sowohl der jeweilige rotorseitige Dichtkörper als auch der statorseitige Dichtkörper über den Umfang derselben verteilt mehrere schaufelartige Vorsprünge aufweisen, die in den Durchströmungsraum hineinragen.
Bedingt durch das erfindungsgemäße Prinzip einer Dichtungsanordnung bildet sich im Betrieb der Turbomaschine im Durchströmungsraum, der vom rotorseitigen Dichtkörper und statorseitigen Dichtkörper definiert ist, eine Wirbelströmung aus, die einen Strömungsquerschnitt für eine Leckageströmung einengt und so die Leckageströmung minimiert. Der schneidenartige, rotorseitige Dichtkörper läuft dabei nicht in den statorseitigen Dichtkörper ein, so dass es sich bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung um eine berührungslose Dichtungsanordnung handelt.
Vorzugsweise sind die in einen Durchströmungsraum hineinragenden schaufelartigen Vorsprünge des rotorseitigen Dichtkörpers gegenüber den in denselben Durchströmungsraum hineinragenden schaufelartigen Vorsprüngen des statorseitigen Dichtkörpers in Axialrichtung versetzt, wobei sowohl die schaufelartigen Vorsprünge des rotorseitigen Dichtkörpers als auch die schaufelartigen Vorsprünge des statorseitigen Dichtkörpers von radial innen nach radial außen in Umfangrichtung gesehen rückwärts geneigt sind.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung;
2 ein Detail der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung in Blickrichtung II gemäß 1;
3 ein Detail der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung in Blickrichtung III gemäß 1;
4 die Darstellung der 1 zur Verdeutlichung der sich im Betrieb ausbildenden Strömungsverhältnisse; und
5 einen schematisierten Querschnitt durch eine alternative, erfindungsgemäße Dichtungsanordnung.
1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt aus einer Dichtungsanordnung 10 zur nicht-hermetischen Abdichtung eines Spalts zwischen einem Rotor und einem Stator einer Turbomaschine, wobei 1 einen statorseitigen Dichtkörper 11 und einen rotorseitigen, schneidenartigen Dichtkörper 12 zeigt. Bei dem statorseitigen Dichtkörper 11 kann es sich z. B. um einen Wabendichtungskörper handeln. Der rotorseitige, schneidenartige Dichtkörper 12 wird auch als Dichtfin oder Dichtlippe bezeichnet. Gemäß 1 weist der statorseitige Dichtkörper 11 benachbart zum rotorseitigen Dichtkörper 12 eine in Radialrichtung (Pfeil 13) abgestufte Kontur auf und definiert zusammen mit dem rotorseitigen Dichtkörper 12 einen Durchströmungsraum 14, wobei gemäß 1 der rotorseitige, schneidenartige Dichtkörper 12 den statorseitigen Dichtkörper 11 nicht berührt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung weist sowohl der statorseitige Dichtkörper 11 als auch der rotorseitige Dichtkörper 12 über den Umfang derselben verteilt mehrere schaufelartige Vorsprünge 15 bzw. 16 auf, die in den Durchströmungsraum 14 hineinragen und die in Axialrichtung (Pfeil 17) zueinander versetzt bzw. voneinander beabstandet sind.
Wie 2 und 3 entnommen werden kann, sind sowohl die schaufelartigen Vorsprünge 16 des rotorseitigen Dichtkörpers 12 als auch die schaufelartigen Vorsprünge 15 des statorseitigen Dichtkörpers 11 von radial innen nach radial außen entgegen der Drehrichtung (Pfeil 18) in Umfangsrichtung geneigt. Diese neigung wird auch als Rückwärtsneigung bezeichnet. So sind die schaufelartigen Vorsprünge 16 des rotorseitigen Dichtkörpers 12 von radial innen nach radial außen um den Winkel α und die schaufelartigen Vorsprünge 15 des statorseitigen Dichtkörpers 11 von radial innen nach radial außen um den Winkel β rückwärts geneigt.
Gemäß 3 begrenzen benachbarte schaufelartige Vorsprünge 15 des statorseitigen Dichtkörpers 11 jeweils eine nutartige Ausnehmung 19, wobei eine Fläche 20, die einen Nutgrund der jeweiligen Ausnehmung 19 definiert, gemäß 1 gegenüber der Radialrichtung (Pfeil 13) zumindest abschnittsweise um einen Winkel γ geneigt ist. Gemäß 1 verläuft eine freie Kante 21 der schaufelartigen Vorsprünge 15 des statorseitigen Dichtkörpers 11 in etwa parallel zur Fläche 20 und ist demnach auch gegenüber der Radialrichtung (Pfeil 13) geneigt.
Auch im Bereich des rotorseitigen Dichtkörpers 12 begrenzen jeweils benachbarte schaufelartige Vorsprünge 16 jeweils eine nutartige Ausnehmung 22. Eine Fläche 23, die einen Nutgrund dieser Ausnehmungen 22 definiert, ist gemäß 1 gewölbt konturiert und in einem radial außen liegenden Abschnitt 24 gegenüber der Radialrichtung (Pfeil 13) um einen Winkel δ geneigt. Eine freie Kante 25 der schaufelartigen Vorsprünge 16 des rotorseitigen Dichtkörpers 12 verläuft im Ausführungsbeispiel der 1 in etwa in Radialrichtung.
Im Betrieb einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, welche die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung aufweist, bildet sich in etwa die in 4 dargestellte Strömung aus. Durch die Rotation des rotorseitigen Dichtkörpers 12 relativ zum statorseitigen Dichtkörper 11 bildet sich im Durchströmungsraum 14 eine Wirbelströmung 26 aus.
Die Wirbelströmung 26 engt in einem Eintrittsbereich 27 einer Leckageströmung 28 einen Strömungsquerschnitt für die Leckageströmung 28 ein und bewirkt so eine Verminderung der Leckageströmung 28. In einem Austrittsbereich 29 hingegen bildet sich eine Strömungsablösung aus, welche ebenfalls den Strömungsquerschnitt für die Leckageströmung 28 einengt und damit eine Verminderung der Leckageströmung 28 bewirkt.
Die schaufelartigen Vorsprünge 15 und 16 von rotorseitigem Dichtkörper 12 sowie statorseitigem Dichtkörper 11 bewirken demnach die Erzeugung einer Wirbelströmung 26 im Durchströmungsraum 14 der berührungslosen Dichtungsanordnung 10, wobei die Wirbelströmung 26 im Eintrittsbereich 27 der Leckageströmung 28 eine Strömungseinschnürung und im Austrittsbereich 29 derselben eine Strömungsablösung und damit letztendlich auch eine Reduzierung der Leckageströmung bewirkt. Über die Neigungen α und β der schaufelartigen Vorsprünge 15 und 16, die in 2 und 3 ersichtlich sind, kann die Wirbelströmung 26 auf eine definierte Wirbelstärke eingestellt werden, um so der Wirbelströmung nicht permanent Energie zuzuführen. Die Wirbelströmung ist des Weiteren auch von der Drehzahl des Rotors abhängig.
Im Zusammenhang mit der Wirbelströmung 26 sei darauf hingewiesen, dass dieselbe neben der in 4 ersichtlichen Richtungskomponente eine weitere Richtungskomponente in Umfangsströmung aufweist, so dass demnach die Wirbelströmung 26 den Durchströmungsraum 14 in Umfangsrichtung im Sinne einer spiralartigen Strömung durchströmt.
Wie bereits ausgeführt, weist sowohl der statorseitige Dichtkörper 11 als auch der rotorseitige Dichtkörper 12 über den Umfang derselben verteilt mehrere schaufelartige Vorsprünge 15 bzw. 16 auf, die in den Durchströmungsraum 14 hineinragen und die in Axialrichtung (Pfeil 17) zueinander versetzt bzw. voneinander beabstandet sind. Dabei sind im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 die in den Durchströmungsraum 14 hineinragenden schaufelartigen Vorsprünge 16 des rotorseitigen Dichtkörpers 12 in Strömungsrichtung der Leckageströmung 28 gesehen stromabwärts der in denselben Durchströmungsraum 14 hineinragenden schaufelartigen Vorsprüngen 15 des statorseitigen Dichtkörpers 11 angeordnet. Die Leckageströmung 28 tritt demnach radial innen in den Durchströmungsraum 14 ein und tritt aus demselben radial außen aus.
5 zeigt demgegenüber ein Ausführungsbeispiel einer Dichtungsanordnung 30, bei welcher die in den Durchströmungsraum 14 hineinragenden schaufelartigen Vorsprünge 16 des rotorseitigen Dichtkörpers 12 in Strömungsrichtung der Leckageströmung 28 gesehen stromaufwärts der in denselben Durchströmungsraum 14 hineinragenden schaufelartigen Vorsprünge 15 des statorseitigen Dichtkörpers 11 angeordnet. Die Leckageströmung 28 tritt demnach radial außen in den Durchströmungsraum 14 ein und tritt aus demselben radial innen aus.
Hinsichtlich der übrigen Details stimmt das Ausführungsbeispiel der 5 mit dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 überein, weshalb zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden.

10: Dichtungsanordnung
11: statorseitiger Dichtkörper
12: rotorseitiger Dichtkörper
13: Radialrichtung
14: Durchströmungsraum
15: schaufelartiger Vorsprung
16: schaufelartiger Vorsprung
17: Axialrichtung
18: Drehrichtung
19: nutartige Ausnehmung
20: Fläche
21: freie Kante
22: nutartige Ausnehmung
23: Fläche
24: Abschnitt
25: freie Kante
26: Wirbelströmung
27: Eintrittsbereich
28: Leckageströmung
29: Austrittsbereich
30: Dichtungsanordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004034312 A1 [0002]
- DE 102005002270 A1 [0002]

Claims

Dichtungsanordnung für eine nicht-hermetische Dichtung eines Spalts zwischen einem Rotor und einem Statur einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem rotorseitigen Dichtkörper und mindestens einem statorseitigen Dichtkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der statorseitige Dichtkörper (11) benachbart zu dem oder jedem rotorseitigen Dichtkörper (12) eine in Radialrichtung abgestufte Kontur aufweist und mit dem jeweiligen rotorseitigen Dichtkörper (12) einen Durchströmungsraum (14) definiert, und dass sowohl der jeweilige rotorseitige Dichtkörper (12) als auch der statorseitige Dichtkörper (11) über den Umfang derselben verteilt mehrere schaufelartige Vorsprünge (15, 16) aufweisen, die in den Durchströmungsraum (14) hineinragen.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder rotorseitige Dichtkörper (12) als Dichtfin bzw. Dichtlippe ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die schaufelartigen Vorsprünge (16) des rotorseitigen Dichtkörpers (12) als auch die schaufelartigen Vorsprünge (15) des statorseitigen Dichtkörpers (11) von radial innen nach radial außen in Umfangrichtung gesehen rückwärts geneigt sind.
Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte schaufelartige Vorsprünge (15) des statorseitigen Dichtkörpers (11) jeweils eine nutartige Ausnehmung (19) begrenzen, und dass eine Fläche (20), die einen Nutgrund der Ausnehmungen (19) definiert, gegenüber der Radialrichtung zumindest abschnittsweise geneigt ist.
Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass freie Kanten (21) der schaufelartigen Vorsprünge (15) des statorseitigen Dichtkörpers (11) gegenüber der Radialrichtung geneigt sind.
Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte schaufelartige Vorsprünge (16) des rotorseitigen Dichtkörpers (12) jeweils eine nutartige Ausnehmung (22) begrenzen, und dass eine Fläche (23), die einen Nutgrund der Ausnehmungen (22) definiert, gegenüber der Radialrichtung zumindest abschnittsweise geneigt ist.
Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass freie Kanten (25) der schaufelartigen Vorsprünge (16) des rotorseitigen Dichtkörpers (12) in Radialrichtung verlaufen.
Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in einen Durchströmungsraum (14) hineinragenden schaufelartigen Vorsprünge (16) des rotorseitigen Dichtkörpers (12) gegenüber den in denselben Durchströmungsraum (14) hineinragenden schaufelartigen Vorsprüngen (15) des statorseitigen Dichtkörpers (11) in Axialrichtung versetzt und von denselben beabstandet sind.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in einen Durchströmungsraum (14) hineinragenden schaufelartigen Vorsprünge (16) des rotorseitigen Dichtkörpers (12) in Strömungsrichtung einer Leckageströmung gesehen stromabwärts der in denselben Durchströmungsraum (14) hineinragenden schaufelartigen Vorsprüngen (15) des statorseitigen Dichtkörpers (11) angeordnet sind.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in einen Durchströmungsraum (14) hineinragenden schaufelartigen Vorsprünge (16) des rotorseitigen Dichtkörpers (12) in Strömungsrichtung einer Leckageströmung gesehen stromaufwärts der in denselben Durchströmungsraum (14) hineinragenden schaufelartigen Vorsprüngen (15) des statorseitigen Dichtkörpers (11) angeordnet sind.