DE102011052238A1

DE102011052238A1 - Dichtungszähne für eine Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102011052238A1
Application number: DE102011052238A
Authority: DE
Inventors: Vasanth Muralidharan; Vemula Gopinath Upendra Prabhu Nath; Bhaskar Mani; Vishwas Kumar Pandey; Sulficker Ali
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-02-02
Also published as: US20120027573A1; FR2963403A1; RU2011132441A; JP2012031997A

Abstract

In einer Ausführungsform wird eine Dichtungsanordnung (150) für ein rotierendes Element (120) offengelegt. Die Dichtungsanordnung (150) enthält: mehrere bogenförmige Packungsringe (152), die dafür konfiguriert sind, einen Kreisring auszubilden, der unmittelbar das rotierende Element (120) umgibt; und mehrere sich radial und in Umfangsrichtung erstreckende Dichtungszähne (154), die mit jedem von den mehreren bogenförmigen Packungsringen (152) verbunden sind, wobei wenigstens einer (155) von den mehreren Dichtungszähnen (154) mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge (156) enthält.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Dichtungsanordnung und insbesondere eine Dichtungsanordnung, die Dichtungszähne mit Vorsprüngen enthält, um Verwirbelung und Leckagen in Rotationsmaschinen zu verringern.
Idealerweise besteht eine Rotationsmaschine, wie z. B. eine Turbine, aus einer in einer stationären Komponente angeordneten rotierenden Komponente. Der Fluidpfad innerhalb der Rotationsmaschine besteht aus einem primären Fluidpfad und einem sekundären Fluidpfad. Eine Fluidleckage entweder von dem sekundären Fluidpfad ausgehend in den primären Fluidpfad oder von dem primären Fluidpfad ausgehend in den sekundären Fluidpfad kann den Betriebswirkungsgrad der Turbine nachteilig beeinflussen. Um die Leckage zu minimieren, sind Dichtungsanordnungen, wie z. B. Labyrinthdichtungen, die bogenförmige Packungsringe enthalten, zwischen der stationären Komponente und der rotierenden Komponente der Turbine angeordnet.
Diese Labyrinthdichtungen enthalten herkömmlicherweise mehrere axial in Abstand angeordnete, sich um den Umfang erstreckende Dichtungszähne, die zum Verringern von Leckage in der Rotationsmaschine genutzt werden.
Im Betrieb kann bei höherer Rotordrehzahlen axial in den Fluidpfad einer Rotationsmaschine eintretendes Fluid eine erhebliche (auch als ”Dampfwirbel” bezeichnete) tangentiale Geschwindigkeitskomponente annehmen. Beispielsweise kann, während sich das Fluid durch die Labyrinthdichtung bewegt, das Fluid zwischen den axial in Abstand angeordneten Dichtungszähnen und in Umfangsrichtung um die Rotationskomponente herum strömen. Dieses bewirkt, dass das Fluid eine erhebliche tangentiale Geschwindigkeitskomponente annimmt, welche Rotorinstabilitäten in Turbomaschinen induzieren kann. Die Größe dieser Rotorinstabilität ist eine Funktion der Umfangsströmungskomponente von Fluid in der Labyrinthdichtung.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung stellt eine Dichtungsanordnung für ein rotierendes Element bereit, wobei die Dichtungsanordnung aufweist: mehrere bogenförmige Packungsringe, die dafür konfiguriert sind, einen Kreisring auszubilden, der unmittelbar das rotierende Element umgibt; und mehrere sich radial und in Umfangsrichtung erstreckende Dichtungszähne, die mit jedem von den mehreren bogenförmigen Packungsringen verbunden sind, wobei wenigstens einer von den mehreren Dichtungszähnen mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge enthält.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt eine Turbomaschine bereit, die aufweist: ein rotierendes Element; eine im Wesentliche das rotierende Element umgebende stationäre Komponente; und eine mit der stationären Komponente verbundene Dichtungsanordnung, wobei die Dichtungsanordnung aufweist: mehrere bogenförmige Packungsringe, die dafür konfiguriert sind, einen Kreisring auszubilden, der unmittelbar das rotierende Element umgibt; und mehrere sich radial und in Umfangsrichtung erstreckende Dichtungszähne, die mit jedem von den mehreren bogenförmigen Packungsringen verbunden sind, wobei wenigstens einer von den mehreren Dichtungszähnen mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge enthält.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen, in welchen:
1 eine Teilquerschnittsansicht einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
2 eine perspektivische Teilansicht einer Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
3 eine Teilquerschnittsansicht einer Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
4 eine perspektivische Teilansicht einer Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
5 eine perspektivische Teilansicht einer Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
6 eine perspektivische Teilansicht einer Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen nicht maßstäblich sind. Die Zeichnungen sollen nur typische Aspekte der Erfindung darstellen und dürfen daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung betrachtet werden. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den unterschiedlichen Zeichnungen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In 1 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Maschine 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Obwohl die 1–6 in Bezug auf eine Dampfturbine dargestellt sind, dürfte es sich verstehen, dass die Lehren der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in ähnlicher Weise auf andere Turbomaschinen angewendet werden können, und dass eine Dampfturbine lediglich als ein Beispiel eines Turbomaschinentyps verwendet wird, um die Aspekte der Erfindung zu beschreiben.
Die Maschine 100 kann ein rotierendes Element 120 und eine stationäre Komponente 130 enthalten. Die stationäre Komponente 130 kann im Wesentlichen das rotierende Element 120 umgeben. Die Maschine 100 kann auch eine mit der stationären Komponente 130 verbundene Dichtungsanordnung 150 enthalten. Wie dargestellt kann die Dichtungsanordnung 150 mit der stationären Komponente 130 verbunden sein, indem ein Befestigungsabschnitt 151 eines bogenförmigen Packungsringes 152 in eine Nut 132 der stationären Komponente 130 eingesetzt ist.
In 2 ist eine perspektivische Teilansicht einer Dichtungsanordnung 150 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Dichtungsanordnung 150 kann mehrere bogenförmige Packungsringe 152 (einer davon ist nur dargestellt) enthalten. Die bogenförmigen Packungsringe 152 können so konfiguriert sein, dass sie einen Kreisring ausbilden, der eng anliegend das rotierende Element 120 (1) umgibt. Die Dichtungsanordnung 150 kann mehrere mit jedem Packungsring 152 verbundene Dichtungszähne 154 enthalten. Mehrere Dichtungszähne 154 können mit jedem bogenförmigen Packungsring 152 in irgendeiner derzeit bekannten oder später zu entwickelnden Weise verbunden sein, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, darin eingesetzt, verstemmt oder daraus herausgearbeitet sein. Mehrere Dichtungszähne 154 können sich in einer radialen Richtung zu dem rotierenden Element 120 (1) hin und auch in Umfangsrichtung um das rotierende Element 120 (1) dergestalt erstrecken, dass die mehreren Dichtungszähne 154 gegen Strömungsleckage abdichten, die entlang der Maschine 100 (1) vorhanden sein kann. Wenigstens ein Dichtungszahn 155 von mehreren Dichtungszähnen 154 kann mehrere Vorsprünge 156, die sich entlang dem Dichtungszahn 155 in der axialen Richtung des rotierenden Elementes (1) erstrecken, um die vom Rotor induzierte Verwirbelung und Leckage zwischen jedem von den mehreren Dichtungszähnen 154 zu reduzieren, dergestalt in Umfangsrichtung um das rotierende Element 120 (1) enthalten, dass wenigstens ein Dichtungszahn 155 profiliert ist.
In 3 ist eine Querschnittsansicht der Dichtungsanordnung 150 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Jeder Dichtungszahn von mehreren Dichtungszähnen 154 kann sich entweder bis zu einer ersten radialen Höhe (R1) oder einer zweiten radialen Höhe (R2) in der radialen Richtung zu dem rotierenden Element 120 hin erstrecken. Die erste radiale Höhe (R1) kann größer als die zweite radiale Höhe (R2) dergestalt sein, dass die mehreren Dichtungszähne 154 eine Hoch/Tief-Dichtungszahnkonfiguration ausbilden. Alternativ können R1 und R2 dieselbe radiale Höhe haben. Wenigstens ein Dichtungszahn 155 von den mehreren Dichtungszähnen 154 kann mehrere Vorsprünge 156 enthalten, die sich entlang dem Dichtungszahn 155 in der axialen Richtung des rotierenden Elementes 120 erstrecken, um die vom Rotor induzierte Verwirbelung und Leckage zwischen jedem der mehreren Dichtungszähne 154 in Umfangsrichtung um das rotierende Element 120 herum zu reduzieren. Wenigstens ein Dichtungszahn 155, der mehrere Vorsprünge 156 enthält, kann eine erste radiale Höhe (R1) enthalten. Gemäß Darstellung in 3 kann jeder von den Dichtungszähnen 154, der eine erste radiale Höhe (R1) enthält, mehrere sich in axialer Richtung erstreckende Vorsprünge 156 enthalten.
Obwohl mehrere Vorsprünge 156 als sich in einer axialen Richtung des rotierenden Elementes 120 (nach rechts in 3) erstreckend dargestellt sind, dürfte es sich verstehen, dass mehrere Vorsprünge 156 sich in die entgegengesetzte axiale Richtung des rotierenden Elementes 120 (nach links in 3) erstrecken können. Alternativ können sich mehrere Vorsprünge 156 in beide axiale Richtungen des rotierenden Elementes 120 (nach rechts und nach links in 2) in einem abwechselnden Muster erstrecken.
Mehrere von den sich axial erstreckenden Vorsprüngen 156 können in jeder beliebigen Form konfiguriert sein, die Fluid daran hindert, in Umfangsrichtung zwischen jedem von den mehreren Dichtungszähnen 154 um das rotierende Element 120 herum zu strömen. Gemäß Darstellung in den 2 und 3 können mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge 156 im Wesentlichen eine quadratische Form haben. Jedoch können mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge 156 auch eine halbkreisförmige Form (4) oder eine im Wesentlichen dreieckige Form (5) haben. Ferner können mehrere von den sich axial erstreckenden Vorsprüngen 156 eine im Wesentlichen zusammenhängende sinusförmige Oberfläche (6) wie z. B. eine Wellenform bilden. Obwohl mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge 156 als im Wesentlichen zusammenhängend dargestellt sind, dürfte es sich verstehen, dass die sinusförmige Oberfläche unterbrochen sein kann. Alternativ können mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge 156 eine Kombination unterschiedlicher Formen beinhalten.
Wie vorstehend erwähnt, kann die Dichtungsanordnung 150 konfiguriert sein, dass sie einen Ring erzeugt, der unmittelbar das rotierende Element 120 umgibt. Gemäß nochmaligem Bezug auf 1 kann die Dichtungsanordnung 150 unmittelbar jeden Abschnitt des rotierenden Elementes 120 umgeben, der eine Leckageverhinderung und Verwirbelungsreduzierung erfordert. Beispielsweise kann die Dichtungsanordnung 150 unmittelbar den Rotor 120 umgeben. Alternativ kann die Dichtungsanordnung 150 unmittelbar die Schaufelanordnung 124 umgeben, um eine Schaufelspitzenleckage und Verwirbelung zu reduzieren.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll nicht die Erfindung einschränken. So wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”einer, eine, eines” und ”der, die, das” auch die Pluralformen mit einschließen, soweit der Kontext nicht deutlich anderes anzeigt. Es dürfte sich ferner verstehen, dass die Begriffe ”weist auf” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen festgestellter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorliegen oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsart offenzulegen, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
In einer Ausführungsform wird eine Dichtungsanordnung 150 für ein rotierendes Element 120 offengelegt. Die Dichtungsanordnung 150 enthält: mehrere bogenförmige Packungsringe 152, die dafür konfiguriert sind, einen Kreisring auszubilden, der unmittelbar das rotierende Element 120 umgibt; und mehrere sich radial und in Umfangsrichtung erstreckende Dichtungszähne 154, die mit jedem von den mehreren bogenförmigen Packungsringen 152 verbunden sind, wobei wenigstens einer 155 von den mehreren Dichtungszähnen 154 mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge 156 enthält.
Bezugszeichenliste

100: Maschine
120: rotierendes Element
124: Schaufelanordnung
130: stationäre Komponente
132: Nut
150: Dichtungsanordnung
151: Befestigungsabschnitt
152: bogenförmiger Packring
154: mehrere Dichtungszähne
155: wenigstens ein Dichtungszahn
156: mehrere Vorsprünge

Claims

Dichtungsanordnung (150) für ein rotierendes Element (120), wobei die Dichtungsanordnung (150) aufweist: mehrere bogenförmige Packungsringe (152), die dafür konfiguriert sind, einen Kreisring auszubilden, der unmittelbar das rotierende Element (120) umgibt; und mehrere sich radial und in Umfangsrichtung erstreckende Dichtungszähne (154), die mit jedem von den mehreren bogenförmigen Packungsringen (152) verbunden sind, wobei wenigstens einer (155) von den mehreren Dichtungszähnen (154) mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge (156) enthält.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 1, wobei jeder von den mehreren sich radial und in Umfangsrichtung erstreckenden Dichtungszähnen (154) entweder eine erste radiale Höhe (R1) oder eine zweite radiale Höhe (R2) aufweist, wobei die erste radiale Höhe (R1) größer als die zweite radiale Höhe (R2) ist.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 2, wobei der wenigstens einer von den mehreren sich radial und in Umfangsrichtung erstreckenden Dichtungszähnen (154), der die mehreren sich axial erstreckenden Vorsprünge (156) enthält, die erste radiale Höhe (R1) enthält.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 2, wobei der wenigstens einer von den mehreren sich radial und in Umfangsrichtung erstreckenden Dichtungszähnen (154), der die erste radiale Höhe (R1) enthält, mehrere sich axial erstreckende Vorsprünge (156) enthält.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 1, wobei die mehreren sich axial erstreckenden Vorsprünge (156) im Wesentlichen halbkreisförmig sind.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 1, wobei die mehreren sich axial erstreckenden Vorsprünge (156) im Wesentlichen dreieckig sind.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 1, wobei die mehreren sich axial erstreckenden Vorsprünge (156) im Wesentlichen quadratisch sind.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 1, wobei die mehreren sich axial erstreckenden Vorsprünge (156) im Wesentlichen eine zusammenhängende sinusförmige Oberfläche ausbilden.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 1, wobei das rotierende Element (12) ein Rotor (120) ist.
Dichtungsanordnung (150) nach Anspruch 1, wobei das rotierende Element (12) eine Schaufelanordnung (124) ist.