DE102007010378A1

DE102007010378A1 - Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Stator und Rotor einer axialen Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102007010378A1
Application number: DE102007010378A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beichl; Alois NIEDERSÜSS; Stephan Pröstler; Oliver Schmidt
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-03-03
Filing date: 2007-03-03
Publication date: 2008-09-04
Also published as: WO2008106931A1

Abstract

Ein Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwisine im Fußbereich einer zum Stator gehörenden Leitschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement als im Wesentlichen in Bezug auf die Strömungsmaschine achsparallele Bürstendichtung ausgebildet ist, die gegen eine radial am Rotor hervorstehende Gegenlauffläche abdichtet. Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Abdichtung einer Inner-Air-Seal zur Verfügung gestellt. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Lösung die Instandsetzung und Wartung der Inner-Air-Seals deutlich vereinfacht und der radiale Platzbedarf in der Turbomaschine verringert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Stator und Rotor einer axialen Strömungsmaschine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Erfindung zielt insbesondere auf Gasturbinen in zumindest teilweise axialer Bauart für mobile und stationäre Anwendungen ab, sie kann aber beispielsweise auch für Dampfturbinen von Interesse sein. Dabei geht es konkret um den Dichtungsbereich zwischen Leitschaufeln und Rotor innerhalb des Strömungskanals. Insbesondere sind hier Verdichterstufen von Interesse, da hier mitunter hohe Druckdifferenzen zwischen den einzelnen Stufen vorhanden sind. In der Gasturbinentechnik wird dieser Bereich häufig als ,Inner-Air-Seal' (IAS) oder Innerer Luftabschluss bezeichnet.
Bisher wird eine Abdichtung im Inner-Air-Seal Bereich bei herkömmlichen Triebwerken durch Labyrinthdichtungen erreicht. Dies erfordert einen hohen radialen Platzbedarf und verursacht erheblichen logistischen Aufwand bei Montage und Wartung.
Eine andere Lösung wird in der DE 196 28 559 A1 beschrieben. Dieser Stand der Technik beschreibt eine gattungsgemäße Anordnung für die Inner Air Seal mit einem statorzugehörigen, an den Leitschaufelfüßen mittels einer Speichenzentrierung gelagerten Bürstendichtring, der zusammen mit einer zylindrischen Rotorfläche eine definiert durchlässige Fluidsperre bildet. Dabei kann das Produkt aus Druckdifferenz und wirksamer Fläche zu einer beachtlichen Axialkraft auf den Bürstendichtring führen. Dies hat hohe Reibung und Verschleiß (Fretting etc.) zur Folge. Bei der Inner Air Seal ist es in der Regel so, dass die radial außen am Gehäuse aufgehängten Leitschaufeln bei Heißgasbeaufschlagung radial nach innen, d. h. zum Bürstendichtring hin, "wachsen" und sich bei Abkühlung wieder radial nach außen "zurückziehen". Dies geschieht bei jeder thermischen Be- und Entlastung. Abgesehen von Reibung und Verschleiß kann auch die "freie" Zentrierung behindert werden, so dass sich ggf. der Bürstendichtring verformt, und damit die Dichtwirkung verändert wird.
Eine Weiterbildung der DE 196 28 559 A1 wird in der DE 101 22 732 A1 beschrieben. Nachteilig bei diesem verbesserten Inner Air Seal ist, dass durch das Anstreifen der Bürstendichtung in festigkeitskritischen Bereichen des Rotors bzw. der Schaufelplattform Wärme in diese Bereiche eingeleitet werden kann. Außerdem kann bei ungünstigen Betriebsbedingungen ein „selbstverstärkendes System" entstehen, bei dem Der Rotor in die Dichtung wächst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Abdichtung einer Inner-Air-Seal zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll durch die erfindungsgemäße Lösung die Instandsetzung und Wartung der Inner-Air-Seals deutlich vereinfacht und der radiale Platzbedarf in der Turbomaschine verringert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Stator und Rotor einer axialen Strömungsmaschine im Fußbereich einer zum Stator gehörenden Leitschaufel, ist daher dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement als im wesentlichen in Bezug auf die Strömungsmaschine achsparallele Bürstendichtung ausgebildet ist, die gegen eine radial am Rotor hervorstehende Gegenlauffläche abdichtet. Die axial verlaufenden Borsten treffen dabei senkrecht auf die Dicht- oder Gegenlauffläche und tangieren diese nicht. Beim Anlaufen der Bürstendichtung an der Gegenlauffläche wird die Wärme nicht in festigkeitskritische Bereiche des Rotors bzw. der Schaufelplattform eingeleitet und es wird kein „selbstverstärkendes System" erzeugt, bei dem der Rotor in die Dichtung „wächst".
Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Abdichtung einer Inner-Air-Seal zur Verfügung gestellt. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Lösung die Instandsetzung und Wartung der Inner-Air-Seals deutlich vereinfacht und der radiale Platzbedarf in der Turbomaschine verringert.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass am Rotor eine umlaufende Finne zur Aufnahme der Gegenlauffläche für die Bürstendichtung vorgesehen ist. Die Gegenlauffläche kann dabei poliert und/oder mit einer Schicht mit niedrigem Reibungskoeffizienten versehen sein. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik handelt es sich hierbei um ein am Rotor angebrachtes Bauteil, welches gerade nicht eine Abdichtung gegen ein Deckband oder eine Laufschaufelplattform bewirkt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendichtung direkt in dem Leitschaufelsegment angeordnet ist. Das Dichtelement kann bei der vorliegenden Erfindung direkt in den rotorseitigen Leitschaufelfuß eingebaut sein. Dies kann beispielsweise durch Stemmen des Leitschaufelsegments und entsprechendes Segmentieren geschehen. Die Bürstendichtung kann auch segmentiert sein und mehrere Leitschaufelsegmente übergreifen.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendichtung als umlaufender Bürstendichtring ausgebildet ist. Dabei können die Borsten des Bürstendichtrings reibschlüssig geklemmt, mittels einer Schweißnaht geschweißt, gelötet oder geklebt sein. Letzteres verringert allerdings die Temperaturbeständigkeit des Dichtelements.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendichtung zwischen zwei Verdichterstufen, insbesondere zwischen zwei Hochdruckverdichterstufen angeordnet ist. Die Bürstendichtung ist dabei so ausgelegt, dass sie den im Hochdruckverdichter herrschenden hohen Druck- und Temperaturgradienten widersteht. Dies kann einerseits durch entsprechende Materialwahl der Borsten und/oder durch entsprechende Stütz- und Versteifungsringe zur Unterstützung der Borsten erreicht werden.
Noch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendichtung nicht-hermetisch dichtend ausgebildet ist.
Schließlich sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Bürstendichtung warmfeste Borsten aufweist. Dies können beispielsweise drahtartige Borsten oder Borsten aus hochwarmfesten Kunstfasern oder Mischungen daraus sein. Die Borsten sollen Dabei eine ausreichende Eigensteifigkeit aufweisen, um einerseits einen ausreichenden Anpressdruck gegen die Gegenlauffläche gewährleisten zu können und um andererseits auch der zwischen zwei Hochdruckverdichterstufen anliegenden Druckdifferenz ohne große Verbiegung standhalten zu können.
Die Erfindung wird nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Dabei zeigt die einzige Figur in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung einen Teillängsschnitt durch eine Gasturbine im Bereich einer Inner Air Seal.
Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Dichtelement 1, das im Bereich eines Rotors 2 eines Hochdruckverdichters als Inner Air Seal zur Anwendung kommt. Darin ist in Strömungsrichtung (Pfeil A) eine Laufschaufel 3 einer ersten Stufe axial gefolgt von einer Leitschaufel 5 und einer Laufschaufel 4 der zweiten Stufe dargestellt. Auf die Befestigung der einzelnen Schaufeln am Rotor bzw. am Gehäuse wird nachfolgen nicht näher eingegangen, da sie in dem Fachmann bekannter Weise erfolgen kann. Während des Betriebs des Verdichters befindet sich links der Leitschaufel 5, d. h. stromaufwärts, ein Bereich 13 niedrigeren Drucks. Rechts der Leitschaufel 5, d. h. stromabwärts, befindet sich ein Bereich 14 höheren Drucks.
Zu letzterem gehört auch eine mitrotierende, zylindrische Dichtfläche 7. Der Fuß 3 der Leitschaufel 2 erstreckt sich radial nach innen, hier nach unten, bis in den eigentlichen Dichtungsbereich am Rotor. Alle Leitschaufeln 2 zusammen, einschließlich ihrer Füße 3, bilden einen rotorkonzentrischen Kranz mit im wesentlichen radialer Schaufelorientierung. Bei kleineren Gasturbinen sind die Leitschaufeln häufig integral verbunden, z. B. in Form einer gegossenen bzw. geschweißten Konstruktion, bei größeren Maschinen ist es üblich, mehrere Schaufeln integral zu einem Segment zusammenzufassen, wobei dann mehrere solcher Segmente einen Leitschaufelkranz bilden. Zwischen den Segmenten sind Trennfugen vorhanden, die bedarfsweise mit geeigneten Dichtungselementen überbrückt werden. Im Extremfall bildet jede einzelne Leitschaufel ein separates Bauteil, was die Montage erleichtern kann.
Als statisches Dichtungselement ist ein umlaufender Bürstendichtring 15 an den Füßen der Leitschaufeln 5 angeordnet. Das Dichtelement 1 trennt während des Betriebs des Verdichters einen Bereich 14 mit höherem Betriebsdruck p1 von einem Bereich 13 mit niedrigerem Betriebsdruck p2.
Lediglich die sehr kleine, ringförmige Borstenfläche zwischen Gegenlauffläche 12 und Stützring 10 wird durch den Differenzdruck p1–p2 belastet, so dass sich nur eine kleine resultierende Radialkraft auf die Borstenenden und den Stützring 10 ergibt.
Das in der Figur gezeigte Dichtelement 1 ist durch einen Bürstendichtring 15 gebildet, dessen Bürstenelement mittels eines Versteifungsringes stabilisiert ist. Eine solche Ausführung bietet sich für Geometrien mit größerem Durchmesser an, bei denen das Bürstenelement aus einem Klemmring 7, einem Kern 8 und Borsten 9 für sich nicht mehr ausreichend formstabil wäre. Der Versteifungsring 6 ist um den Außenumfang des Klemmringes 7 geführt und ist auf der Seite des höheren Betriebsdruckes in einem integralen Stützring 10 fortgesetzt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

1: Dichtelement
2: Rotor
3: Laufschaufel Stufe 1
4: Laufschaufel Stufe 2
5: Leitschaufel
6: Versteifungsring
7: Klemmring
8: Kern
9: Borsten
10: Stützring
11: Finne
12: Gegenlauffläche
13: Bereich niedrigen Drucks
14: Bereich hohen Drucks
15: Bürstendichtring
A: Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19628559 A1 [0004, 0005]
- DE 10122732 A1 [0005]

Claims

Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Stator und Rotor einer axialen Strömungsmaschine im Fußbereich einer zum Stator gehörenden Leitschaufel, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement als im wesentlichen in Bezug auf die Strömungsmaschine achsparallele Bürstendichtung ausgebildet ist, die gegen eine radial am Rotor hervorstehende Gegenlauffläche abdichtet.
Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor eine umlaufende Finne zur Aufnahme der Gegenlauffläche für die Bürstendichtung vorgesehen ist.
Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung segmentiert und jeweils in ein Leitschaufelsegment eingebaut ist, oder dass die Bürstendichtung segmentiert ist und mindestens zwei Leitschaufelsegmente übergreift.
Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung als umlaufender Bürstendichtring ausgebildet ist.
Dichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung zwischen zwei Verdichterstufen, insbesondere zwischen zwei Hochdruckverdichterstufen angeordnet ist.
Dichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung nicht-hermetisch dichtend ausgebildet ist.
Dichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung warmfeste Borsten aufweist.